论南京地铁四号线集中冷站控制策略

徐飞

南京地铁运营有限责任公司机电分公司

摘要：南京地铁四号线集中冷站系统负责对车站冷水机组、清水泵、电动蝶阀等设备进行监控。通过与综合监控（Integrated Supervisory Control System，以下简称“ISCS” ）系统对接，共同对车站环境参数进行实时地计算，保证在夏季为车站提供一个最优的乘车候车环境。本文针对此控制系统，对其控制工艺进行全面的论述。

关键词：南京地铁四号线;ISCS系统;冷水机组;控制策略

1.概述

南京地铁四号线集中冷站系统监控对象有：冷水机组、冷冻水泵、冷冻水阀、冷却水泵、冷却水阀、冷却塔风机、各类温度压力传感器等，系统采用现代化的4C技术（Computer、Control、Communication、CRT），本着“智能、便捷、节能”的原则，对车站冷水系统进行全面智能控制，保证为通风大系统提供稳定的8-15摄氏度的冷水，提高空调季节车站的整体舒适度。

2.冷站系统总体功能

冷站系统需同时与冷水机组和ISCS系统进行通讯，前者采用modbus485通讯，后者采用modbus TCP通讯，系统除完成通讯任务外，还应具备如下功能：

1）对设备和控制系统状态进行实时监控，系统应能对冷却塔、水泵、冷水机组、阀门等主要设备进行监控，包括显示各类运行状态、输出各类运行指令等，同时能对供回水温度、压力、供回水压差等数值进行监测，当设备有故障时，能给出报警信息。

2）冷站工作站除了与控制器进行通讯外，不得进行其他通讯。

3）冷站系统应实现ISCS远程及本机两级控制。

4）實现所有设备点动操作及检修挂牌的功能。

5）采用科学调度的方法，对冷水机组的启停次序进行优化。

6）制定可靠安全的设备联锁关系，如水阀在关闭状态下，与之连通的水泵将不能开启。

7）应具备将相关报警、状态信息生成甲方需要的电子档报告功能。

8）应有科学的冷却塔启停算法，保证系统可靠运行的同时降低能耗。

9）应有切实可行的冷却水路控制策略，以保证冷水机组平稳开机。

10）应有完善可行的冷机关闭后处理措施。

11）冷站系统应采用分布式控制，上位软件的监控画面应独立存放于各自的工作站中，不得使用服务器存放全线的监控画面。

3.控制策略分析

3.1 开关机控制

冷站机组总启动、停止命令均来自地铁ISCS系统，集控系统接到命令后，进入负荷群控机组加载程序。

ISCS系统具体控制方式：ISCS系统命令分为“运营时段”与“空调季节”两个命令，当ISCS系统发出“运营时段-ON”命令时，小机组进入负荷群控机组开机程序，小机组投入运营;当ISCS系统发出“运营时段-OFF”命令时，小机组进入负荷群控机组关机程序，小机组停止运营;

在ISCS系统发出“运营时段-ON”命令的基础上，ISCS系统再发出“空调季节-ON”命令，大机组进入负荷群控机组开机程序，大机组投入运营，当ISCS系统发出“空调季节-OFF”命令，大机组进入负荷群控机组关机程序，大机组停止运营。

3.2 负荷群控控制说明

冷水机组系统由一台小机组和二台大机组组成，接到ISCS系统开机命令后，小机组和相应的冷冻和冷却水泵24小时开机。当小机组故障时，自动开启大冷水机组并打开分水器上通往小系统的电动阀门，依照“以大带小”的原则进行运转。若在运营时段内，人工操作大小机组的集分水器开关阀解决小机组负荷问题;在小机组故障消除后，恢复小机组开机运行。

机组加载程序：，当大机组分水器出水温度超过T1（7℃）+t（t=0.5℃死区值）、启动第一台大机组对应的冷却水泵，延时1分钟后，启动该台大机组。检测本台大机组达到满载后（目标容量百分比大于等于98%），累时2分钟后，出水温度仍然超过T1+t值，启动第二台大机组对应的冷却水泵和冷冻水泵，延时1分钟后，启动该台大机组。

机组卸载程序：判断大机组分水器出水温度低于T1-t，同时判断第二台运行大机组的负荷，该机组负荷（目标容量百分比）低于20%（此负荷值做成可调节量）时，延时1分钟，则停掉这台大机组，该大机组负荷（目标容量百分比）为0%时延时3分钟停掉该台大机组对应的冷却水泵和冷冻水泵。

机组停机程序：关闭所有正在运行的大机组，延时3分钟停掉大机组对应的冷却水泵和冷冻水泵。每次重新启动机组前，应判断各大机组压缩机运行时间（若有两台压缩机时，取二台压缩机累计运行小时数最大者作为机组运行时间），根据时间长短，最先启动运行时间最短的大机组，以平衡各大机组的运行时间。每次重新启动机组前，首先判断本大机组总报警状况，机组报警状态下，不能启动该机组。

3.3 冷却塔风机控制说明

冷却塔主要在冷却水路上冷却量不够时投入使用，衡量冷却效果的标准是冷凝器出、入水之间的温差，但在实际使用过程中，一般采用冷凝器入水温度来判断，根据现场观测的冷凝效果和冷机符合，一般冷却水回水温度在29-30度之间，系统效率较高，所以本项目通过冷却塔的启停，尽量将冷凝器入水温度控制在29-30度之间，下图是冷却塔的控制流程图：

考虑到冷却水循环需要一定时间，所以以上判断逻辑需要一定的时间间隔，不仅可以保证效果，而且也可以避免设备的频繁启动，系统采用的时间间隔是2分钟。

关于冷却塔启动和关闭的顺序：一个车站有3-8台冷却塔不等，先开哪台，先关哪台是本次程序考虑的一个重点。为了保证设备运营时间平衡，系统给每台冷却塔运行进行记录，每次需要启动时，优先启动运行时间短的冷却塔，优先停止运行时间长的冷却塔。

3.4 冷却水流量阀控制说明

对应冷却水流量阀的开度，根据机组冷却水的回水温度调整。开度的随水温的调整条件如下：

以上三个参数需在界面上可设定。

3.5 联动工艺分析

1）温控设定：ISCS系统应能根据车站内的温湿度传感器反馈的数值和车站设定温度进行比对，当超过设定温度时，ISCS系统应给冷站系統下发开机指令，为了很好地实现温控设定，防止系统频繁启停也是一个重要的技术点，地铁车站内列车进进出出会产生大量的活塞风，同时现场的传感器电信号传输或多或少也会有扰动情况存在，所以温度上下波动是常有的事情。比如车站设定29度，如果仅以此为判断标准，当车站温度在29度附近上下波动时，就很有可能导致系统一会下发开机指令，一会下发停机指令，导致系统稳定性下降，同时频繁开启也容易造成电机损坏等情况，所以应采用技术措施避免此类情况发生，一般常用的是设定死区和设定时间周期。

所谓设定死区，就是让温度允许在一定范围区间内波动，当然死区的范围越大，系统越不灵敏。例如，车站设定温度29度，死区为2度，则只有当车站温度超过31度时，系统才会启动，当温度低于27度时，系统才会关闭，当温度在27到31度之间波动时，系统不予理会，仍保持原先的执行状态。

所谓时间周期，就是每隔一段时间，系统执行一次判断，产生的结果一直保持到下个时间周期。同样，时间周期越长，系统灵敏度越差。

由于冷水机组不是一个即时启停的设备，为了保证机组安全，每次启停后应有一定的时间间隔，所以四号线采用的是时间周期控制方式，可以把最短运行时间加上开机准备时间再加上停机保护时间作为最小检测周期，这样，可以最大程度上保护冷水机组，提高系统使用寿命。

2）灾害模式下运行：根据设计规范，当车站发生火灾等灾害时，冷水机组应该立刻停止运行，所以，ISCS系统在接收到火灾报警等相关信号时，应该将火灾报警信号传递给冷站，冷站系统应在所有的判断程序前，将火灾信号以与逻辑写入程序，并直接发出所有设备的停止指令，以保证系统的安全。

3）连锁运行：当车站送风机停止运行时，ISCS系统应给冷站系统下发停机指令，以确保冷冻水路的安全。比如当车站的所有送风系统停掉，这时如果水系统不关闭，则会导致冷冻水末端没有负载，产生的冷水又通过冷冻水循环回来再一次被制冷剂降温，当温度低于零摄氏度时，就有可能造成冻管现场，更严重的可能损坏蒸发器，虽然冷水机组自身有保护，在检测到温度低时会自动停机，但是这样的情况出现，对于冷水机组而言也是会产生影响的。而且如果冷水系统开启指令一直存在，就会导致冷水机组频繁启停，可能开机不到20秒就自动关机了，据不完全统计，类似这种情况，在以前的系统中普遍存在，一个空调季节，一台冷水机组能启动上千次，从设备维护角度考虑，该问题亟待解决，不然每年的设备折旧费用会直线上升。

4.结束语

综上，地铁车站的集中冷站控制系统在地铁运营服务中起着举足轻重的作用，做好地铁自动控制策略研究更是地铁运营事业走可持续发展道路的一项战略性措施，因此，在今后的运营过程中，要不断总结，大胆创新，因地制宜，让地铁集中冷站控制策略能够满足运营环境的变化，更好地服务乘客。