地铁“风- 水”联动智能化节能控制系统架构的浅析

薛婷婷

（上海申通地铁集团有限公司，上海200000）

1 概述

根据现有轨道交通运营线路的能耗统计数据分析，牵引用电及通风空调动力用电是轨道交通机电各系统中的主要能耗单元，其中牵引用电约占机电总能耗44.39%，通风空调动力用电也占到30.29%左右，而其他系统能耗均不足10%。特别地，在车站常规机电系统能耗中，通风空调动力用电更是主要能耗单元，占到常规机电系统总能耗的60%左右。由此可见通风空调是轨道交通中的用电大户。

在车站通风空调系统的设计中，冷水机组、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔风机、送排风机的设备选择通常是按照地铁运行远期最大负荷选择的。在空调季节中，系统长期在固定的最大水流量和最大风量下工作，由于季节、昼夜、客流量不同情况下负荷的不断变化，通风空调最大冷负荷的出现时间较短，绝大部分时间车站通风空调系统都是在部分负荷条件下运行[1]。

随着地铁运营线路的增加，地铁的能耗也随之增加。面临车站每天巨大的电力能耗，地铁系统节能降耗势在必行。那么如何在保证满足站厅和站台的舒适度要求的前提下，尽可能的节约能耗，降低运行费用，是地铁通风空调系统必须要研究的问题[2]。

2 地铁通风空调系统的现状

上海新建线路地下车站采用站台设置屏蔽门的通风空调系统，系统主要由5 个子系统组成：（1）车站站厅和站台公共区通风空调系统，原则上兼排烟系统（简称大系统）；（2）车站设备管理用房通风空调兼排烟系统（简称小系统）；（3）空调冷源及水系统（简称水系统）；（4）区间隧道（含辅助线）通风系统兼排烟系统（简称区间隧道通风系统）；（5）车站车轨区排热兼排烟系统（简称车轨区通风系统）[3]。5 个子系统既相互独立又密切关联，子系统存在兼顾2 种功能要求的情况，这些兼用设备如何在最佳工况点运行并且不影响突发情况（如火灾工况）下的功能实现至关重要，这也是地铁通风空调系统节能运营的前提。

目前楼宇中的群控技术已经非常成熟，可以实现风和水的变频控制策略有多种，都可以实现节能控制[4]。现在在地铁建设工程实施过程中，存在的问题主要集中在如何将风水联动控制系统融入到传统的地铁设备监控系统（EMCS）的架构中。

3 风水联动节能系统架构的分析

地铁通风空调系统中，变频运行的节能技术措施主要使用于大系统，大系统、水系统。实施变频运行的设备包括大系统的排热风机、组合式空调箱、回排风机、空调新风机；小系统的空调箱、回排风机；水系统的冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵；还包括各类调节阀和温度、流量、压差等现场传感[5]。

在笔者参与的项目中，考虑将风水联动节能系统纳入地铁设备监控系统（EMCS）,作为其一个子系统设置，本文针对如何将风水联动节能系统纳入到设备监控系统的架构中，进行了三种方案的对比分析，讨论各个方案的优缺点，并提出优化方案。

3.1 方案一：风水联动系统控制路径最简方案

3.1.1 风水联动系统架构

3.1.1.1 风系统：环控电控室设智能控制箱，与风系统各终端设备连接采集设备参数数据，各智能控制箱通过网络连接至车站风水联动集中控制柜，集中控制柜通过计算分析下发控制策略，智能控制箱接收控制策略进行参数计算并将指令下发至各终端设备。

3.1.1.2 水系统：环控电控室设水系统智能控制柜，与水系统各终端设备连接采集设备参数数据，各智能控制箱通过网络连接至水系统中央控制柜，同时，现场设有控制箱，接入各类传感器及水阀，采集温度、湿度、水流量等参数汇聚至水系统中央控制柜，水系统中央控制柜与车站集中控制柜通信连接，便于整个控制策略的完善，从而起到车站整体节能。

3.1.2 系统总体架构

EMCS 系统PLC 与风水联动智能控制系统通过RS485 通信线连接，实现数据通信、信息互通功能。风- 水联动智能控制系统进行节能控制。系统架构如图1。

图1 方案一系统架构图

3.1.3 各工况下系统运行关系

3.1.3.1 在正常工况下，EMCS 下发节能控制指令，风水联动智能控制系统独立运行，各智能控制箱及现场控制柜采集数据，通过风水联动控制系统设置的总线传至车站集中控制柜，车站集中控制柜下发控制策略，相关风系统、水系统接收指令动作，在需要调节风阀的情况下，EMCS 接收风水联动控制系统指令，对阀门进行操作。

3.1.3.2 当火灾工况触发时，FAS 系统按原有方式向EMCS 系统发送模式指令，由EMCS 系统将模式指令传送给“风- 水”联动智能控制系统，“风- 水”联动智能控制系统再传送指令至水系统变频控制柜或配电控制柜进行执行。

在EMCS 系统故障或通讯故障时，车控室的IBP 盘可直接对受控设备的变频控制柜或配电控制柜发送硬件指令，此时火灾指令不经过“风- 水”联动智能控制系统。

3.1.4 系统分析

3.1.4.1 优点。风水联动系统能够直接与参与变频节能控制的设备、现场传感器进行连接，以便保证节能变频控制精度，该方案风水联动系统控制路径比较直接简单，工程界面划分较为清晰，工程实施及调试也相对简单易行。在EMCS 确定运行工况模式并允许的情况下，风- 水联动智能控制系统可独立实现全部的空调节能控制功能。

3.1.4.2 缺点。火灾工况下，EMCS 需要通过风水联动节能系统将火灾指令传至风机终端，中间多出一个环节，控制故障点增多。

3.2 方案二：优化架构方案

3.2.1 系统架构

风水联动控制水系统部分不参与火灾工况，因此，水系统变频还是由风水联动直接控制。风系统的终端设备均接入EMCS 的远程模块箱中，见图2。

3.2.1.1 公共区通风空调设备。公共区通风空调设备包括大系统组合空调机组、回/排风机。节能运行时，由EMCS 确定运行工况，风- 水联动智能控制系统进行策略运算，并通过与EMCS 的通信接口，将运算接口需进行的操作发送给EMCS，由EMCS 最终实施控制。

3.2.1.2 轨行区排热风机。排热风机与公共区通风空调设备类似由EMCS 确定运行工况，风- 水联动智能控制系统进行策略运算，并通过与EMCS 的通信接口，将运算接口需进行的操作发送给EMCS，由EMCS 最终实施控制。

3.2.1.3 设备及管理用房通风空调设备。设备及管理用房通风空调设备包括小系统空调送风机、排风机，本方案风- 水联动智能控制系统不对其进行直接控制，而是通过EMCS 实现控制。正常情况下，由EMCS 确定运行工况，风- 水联动智能控制系统进行策略运算，并通过与EMCS 的通信接口，将运算接口需进行的操作发送给EMCS，由EMCS 最终实施控制。

3.2.1.4 水系统。水系统主要设备包括冷水机组、冷冻、冷却水泵、冷却塔等，接口位置在冷水机组通信接口、冷冻、冷却水泵变频柜、冷却塔环控柜处，均接入风- 水联动智能控制系统。正常情况下，由风- 水联动智能控制系统进行监控与节能调节；火灾情况下，由于水系统设备均为三类负荷，可由车站FAS 实现电源的切除。

3.2.2 各工况下系统运行关系

3.2.2.1 正常工况下，风系统变频是RIO 模块箱采集各设备数据，通过与EMCS 的通信口，实现通信传输，EMCS 通过总线连接至风水联动节能控制模块，风水联动系统通过设备的数据及自己采集到的传感器数据进行计算，将控制策略下发至EMCS 系统，实现设备调控。

常规水系统设备冷冻水泵、冷却水泵变频柜、冷却塔马达保护器均为通信接口，并由智能低压PLC 整合后统一提供给EMCS。该方案中，水系统设备均接入风- 水联动智能控制系统，上述设备无需智能低压PLC 进行整合，由风- 水联动智能控制系统直接接入。

图2 方案二系统架构图

图3 方案三系统架构图

3.2.2.2 火灾工况下，FAS 系统下发模式指令，通过EMCS 系统实现设备联动。风水联动智能控制系统不参与火灾工况。

3.2.3 系统分析

3.2.3.1 优点。火灾工况下，FAS 下发火灾指令，EMCS 可直接控制参与火灾运行的终端设备，安全可靠性较高。

本方案中EMCS 与风- 水联动智能控制系统功能适度融合，可减少部分风- 水联动智能控制系统模块数量，可相应节省部分投资。

3.2.3.2 缺点。节能控制功能的实现需EMCS 与风- 水联动智能控制系统协同完成，系统数据流较复杂，控制环节相对较多。

由于EMCS 与风- 水智能控制系统部分功能融合，两个系统的调试、验收以及后期维护的责任界面划分较困难。对施工管理要求较高，后期施工需加强该环节的管理。

3.3 方案三：理想方案

3.3.1 系统架构

风水联动智能控制系统作为EMCS 系统的子系统，所有参与风水联动的终端设备均接入EMCS 的远程模块箱中，在环控电控室的PLC 柜内增设一套风水联动算法服务器，通过通信口与EMCS 系统PLC相连，所有设备参数均由EMCS 采集后交由算法服务器计算并提供控制策略，再交由EMCS 系统下发指令实现节能。

EMCS 系统PLC 与风水联动智能控制系统算法服务器通过RS485 通信线连接，实现数据通信。

所有车站设备均接入EMCS 系统中，风水联动智能控制系统与现场终端设备无直接接口。系统架构如图3 所示。

3.3.2 各工况下系统运行关系

3.3.2.1 正常工况下，风水联动智能控制系统运行，EMCS 系统RIO 采集设备数据，通过EMCS光纤环网上传至冗余PLC，通过与风水联动控制系统通信接口传至算法服务器，算法服务器进行计算并下发控制策略，EMCS 接收指令，下发至相关风系统、水系统设备及阀门，同时EMCS 接收反馈信号，返至风水联动智能控制系统，相关的温度传感器、水流指示器等均与EMCS 相接，由EMCS 提供给风水联动智能控制系统。

3.3.2.2 火灾工况下，FAS 系统下发模式指令，通过EMCS 系统实现设备联动，风水联动智能控制系统不参与火灾工况。

3.3.3 系统架构分析

该方案是EMCS 系统可以直接进行计算后，进行变频调节，相较于现有的地铁EMCS 系统，无需新增机柜设备，算法服务器安装在环控电控室PLC 柜内，硬件方面仅是增加了一些传感器及水阀。

理想的方案架构简单，不仅节省了设备投资及设备用房的房间面积，而且在火灾工况下的兼用风机不存在两个控制主体的危险，更加安全可靠。

4 结论

本文对比了三种风水联动系统的架构方案，从运营安全可靠性方面，方案一欠佳，方案二和方案三较为安全可靠。从工程可实施性方面，方案一和方案二目前可实施性强一些，方案三牵涉到学科交叉，需要EMCS 和风水控制算法深度集成，目前工程案例较少。从节省投资方面，方案三优于方案二，方案二优于方案一。

综上分析，方案二在可实施性和投资方面综合较优，目前工程实施考虑采用方案二。希望往后工程在不断总结工程经验及实践的过程中实现方案三。