成都地鐵1號(hào)線隧道內(nèi)通風(fēng)空調(diào)環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

游翔 陳維

地鐵網(wǎng)是城市交通的動(dòng)脈血管，為了盡早實(shí)現(xiàn)城市、人口、交通、經(jīng)濟(jì)的共同和諧發(fā)展，這項(xiàng)超級(jí)工程的建設(shè)速度就必須要加快。文中將環(huán)境控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱環(huán)控系統(tǒng)，文章圍繞隧道內(nèi)通風(fēng)環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)做介紹，值得類似工程借鑒參考。

城市地鐵; 隧道內(nèi); 通風(fēng)空調(diào); 環(huán)控系統(tǒng); PLC可編程控制器

U453.5?? A

[定稿日期]2021-06-29

[作者簡(jiǎn)介]游翔（1984～），男，本科，工程師，從事機(jī)電一體化與市政工程施工技術(shù)與管理工作;陳維（1982～），男，?？疲こ處?，從事工業(yè)控制系統(tǒng)PCL設(shè)計(jì)、開發(fā)和調(diào)試工作。

成都地鐵1號(hào)線工程北起大豐站，南至廣都站，規(guī)劃線路全長(zhǎng)約31.6 km ，設(shè)23個(gè)站，其中地下站18座，高架站5座，1座控制中心，1處停車場(chǎng)，1處車輛段，2座主變電站。其中1期工程為成都地鐵1號(hào)線初期建設(shè)線路，北起升仙湖站，南至世紀(jì)城站，全長(zhǎng)18.5 km ，全部為地下線，共設(shè)17座地下車站。

1 國(guó)內(nèi)地鐵BAS系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)地鐵建筑物內(nèi)的BAS系統(tǒng)的定義

2003年5月，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和建設(shè)部，聯(lián)合發(fā)布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50157-2003《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》，標(biāo)準(zhǔn)中正式命名“環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，Building Automation System（BAS）”，并對(duì)其定義為：“對(duì)地鐵建筑物內(nèi)的環(huán)境與空氣條件、通風(fēng)、空調(diào)、給排水、照明、乘客導(dǎo)向、自動(dòng)扶梯及電梯、屏蔽門、防淹門等建筑設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)視、控制和管理的系統(tǒng)”。

1.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)的BAS系統(tǒng)

主要對(duì)車站的通風(fēng)空調(diào)環(huán)控系統(tǒng)、低壓配電系統(tǒng)、防淹門、常規(guī)冷源、冰蓄冷、給排水、電梯、扶梯、動(dòng)力照明、導(dǎo)向標(biāo)識(shí)、EPS系統(tǒng)、氣體消防等系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。車站分為A、B兩端BAS系統(tǒng)、兩端環(huán)控系統(tǒng)，BAS兩端分別設(shè)計(jì)一套雙機(jī)熱備PLC，環(huán)控系統(tǒng)不設(shè)計(jì)PLC，各端BAS系統(tǒng)對(duì)各端環(huán)控系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線通訊方式與現(xiàn)地I/O、變頻器和智能馬達(dá)保護(hù)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其中，大系統(tǒng)空調(diào)、大系統(tǒng)排風(fēng)機(jī)、隧道風(fēng)機(jī)采用變頻器控制，隧道射流風(fēng)機(jī)采用智能馬達(dá)保護(hù)控制器控制，其它系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)量和控制量采用現(xiàn)地I/O方式控制。環(huán)控系統(tǒng)所有單設(shè)備的狀態(tài)信息、控制功能、保護(hù)功能、參數(shù)配置功能及模式的狀態(tài)信息、控制功能、參數(shù)配置功能的PLC程序都只能設(shè)計(jì)在BAS系統(tǒng)（圖1）。

1.3 BAS系統(tǒng)的特點(diǎn)

BAS系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)復(fù)雜，編程難度大，工程量大，需要在同一個(gè)軟件平臺(tái)上開發(fā)程序的技術(shù)人員多、耗時(shí)長(zhǎng)、工作效率低;當(dāng)BAS系統(tǒng)PLC故障或網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，環(huán)控設(shè)備將無法實(shí)現(xiàn)模式控制操作，可能直接威脅到乘客的安全;當(dāng)BAS系統(tǒng)的其它設(shè)備需要維護(hù)、檢修時(shí)，將可能對(duì)BAS系統(tǒng)停運(yùn)或網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)，將直接導(dǎo)致環(huán)控設(shè)備不能自動(dòng)運(yùn)行;當(dāng)對(duì)環(huán)控系統(tǒng)的硬件或軟件升級(jí)，都涉及到BAS系統(tǒng)的硬件接入、軟件編程功能的調(diào)整，升級(jí)工作將很難開展。

1.4 通風(fēng)空調(diào)環(huán)控系統(tǒng)在BAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的特點(diǎn)

由于通風(fēng)空調(diào)環(huán)控系統(tǒng)控制了車站的大系統(tǒng)、小系統(tǒng)、隧道通風(fēng)系統(tǒng)的空調(diào)機(jī)、風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥、水閥的總數(shù)超過100多個(gè)，各系統(tǒng)各端的控制模式總和也達(dá)到100多個(gè)，被整個(gè)PCL（可編程控制器）工業(yè)控制行業(yè)公認(rèn)為環(huán)控系統(tǒng)是BAS系統(tǒng)中工作量最大，難度最大、最復(fù)雜的其中一個(gè)系統(tǒng)。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試條件要求不只是通風(fēng)空調(diào)環(huán)控柜安裝接線通電完成，還需要與BAS系統(tǒng)完成現(xiàn)場(chǎng)總線通訊后方可開展調(diào)試工作，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試單設(shè)備和模式時(shí)，會(huì)占用BAS系統(tǒng)調(diào)試的大量時(shí)間，而影響調(diào)試其它子系統(tǒng)的調(diào)試進(jìn)度，造成調(diào)試時(shí)間周期過長(zhǎng)。

2 成都地鐵1號(hào)線BAS系統(tǒng)技術(shù)

2.1 成都地鐵1號(hào)線新型的BAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其仍將車站分為A、B兩端BAS系統(tǒng)、兩端環(huán)控系統(tǒng)（圖2），BAS兩端分別設(shè)計(jì)一套雙機(jī)熱備PLC監(jiān)控其它系統(tǒng)設(shè)備，兩端環(huán)控系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)一套單機(jī)PLC和一臺(tái)液晶觸摸顯示屏（HMI）。兩端環(huán)控系統(tǒng)PLC直接采用現(xiàn)場(chǎng)總線通訊方式與現(xiàn)地I/O、變頻器和智能馬達(dá)保護(hù)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。環(huán)控系統(tǒng)所有單設(shè)備的狀態(tài)信息、控制功能、保護(hù)功能、參數(shù)配置功能及模式的狀態(tài)信息、控制功能、參數(shù)配置等PLC程序均設(shè)置在環(huán)控PLC中。環(huán)控系統(tǒng)PLC與BAS系統(tǒng)PLC采用冗余的以太網(wǎng)通訊，BAS系統(tǒng)可通過以太網(wǎng)通訊方式監(jiān)視和控制環(huán)控系統(tǒng)所有設(shè)備和模式命令下發(fā)。環(huán)控系統(tǒng)兩端PLC與兩端HMI之間采用以太網(wǎng)通訊，在本端的HMI終端可監(jiān)視和控制遠(yuǎn)端的所有設(shè)備和模式命令下發(fā)。

2.2 采用此結(jié)構(gòu)的BAS系統(tǒng)和環(huán)控系統(tǒng)之間的特點(diǎn)

（1）所有單設(shè)備的狀態(tài)信息采集、控制功能、保護(hù)功能、參數(shù)配置功能及模式的狀態(tài)信息、控制功能、參數(shù)配置功能的PLC程序均設(shè)計(jì)在環(huán)控系統(tǒng)，從而簡(jiǎn)化了BAS系統(tǒng)PLC程序的結(jié)構(gòu)，減小了編程開發(fā)的工作量。

（2）增設(shè)了環(huán)控集中控制級(jí)，操作地點(diǎn)位于兩端環(huán)控室的HMI，操作對(duì)象包括車站所有環(huán)控單設(shè)備和所有環(huán)控模式，即利用兩端PLC和兩端HMI相互之間的以太網(wǎng)通訊實(shí)現(xiàn)在任意環(huán)控HMI上的監(jiān)視和操作整個(gè)車站的設(shè)備和模式。

（3）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，不論BAS系統(tǒng)的工程進(jìn)度如何，只要環(huán)控柜具備調(diào)試條件，可使作環(huán)控集控級(jí)的HMI對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、所有單設(shè)備、所有系統(tǒng)模式調(diào)試完成，與BAS系統(tǒng)只需作通訊接口測(cè)試即可。這樣大大節(jié)省了BAS系統(tǒng)對(duì)環(huán)控系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)間。

（4）當(dāng)BAS系統(tǒng)故障或與BAS通訊中斷時(shí)，可以在環(huán)控HMI上取得控制權(quán)限實(shí)現(xiàn)對(duì)單設(shè)備和模式的操作，使系統(tǒng)可以靈活、安全的運(yùn)行。

（5）當(dāng)需要對(duì)車站BAS系統(tǒng)或其它系統(tǒng)進(jìn)行檢修、升級(jí)改造時(shí)，環(huán)控系統(tǒng)可以將控制極限切換為環(huán)控集中控制級(jí)的HMI，使環(huán)控系統(tǒng)正常安全運(yùn)行;當(dāng)需要環(huán)控系統(tǒng)檢修、升級(jí)改造時(shí)，BAS系統(tǒng)仍可以管理其它系統(tǒng)的正常安全運(yùn)行。

3 成都地鐵1號(hào)線隧道通風(fēng)空調(diào)環(huán)控系統(tǒng)技術(shù)

通過集成、開發(fā)、調(diào)試，并采用先進(jìn)的控制技術(shù)理念和積累的專業(yè)自動(dòng)化設(shè)備控制經(jīng)驗(yàn)將通風(fēng)空調(diào)環(huán)控系統(tǒng)集成入成都地鐵1號(hào)線BAS系統(tǒng)，PLC程序結(jié)構(gòu)有5項(xiàng)新技術(shù)，其應(yīng)用效果良好。

3.1 安全的操作權(quán)限管理

操作權(quán)限的管理分為環(huán)控機(jī)房（HMI）、BAS系統(tǒng)、OCC控制中心、現(xiàn)場(chǎng)（按鈕開關(guān)）。如果按操作地方來劃分從近到遠(yuǎn)的順序?yàn)椋含F(xiàn)場(chǎng)→HMI→BAS→OCC，距離控制設(shè)備越遠(yuǎn)的操作地點(diǎn)，都需要更多的通訊接口，更遠(yuǎn)的通訊電纜來實(shí)現(xiàn)控制命令的下發(fā)。很顯然，距離控制設(shè)備越近則故障率越低，可靠性越高，所以操作權(quán)限高低的劃分原則為從最底層到最上層，即：現(xiàn)場(chǎng)>HMI>BAS>OCC（圖3），對(duì)于HMI的操作權(quán)限管理，為了方便各系統(tǒng)各端的安全操作管理，大系統(tǒng)和隧道通風(fēng)系統(tǒng)分別各設(shè)定一個(gè)權(quán)限標(biāo)志位，小系統(tǒng)為每個(gè)端設(shè)定一個(gè)權(quán)限標(biāo)志位。

3.2 縝密的優(yōu)先級(jí)控制

每個(gè)設(shè)備都分為三種控制方式（圖4），即現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制、單設(shè)備自動(dòng)控制、模式自動(dòng)控制，正常情況下所有系統(tǒng)的設(shè)備都要處于模式運(yùn)行，所以模式自動(dòng)運(yùn)行的優(yōu)先級(jí)高于單設(shè)備自動(dòng)控制，當(dāng)某個(gè)單設(shè)備需要現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)檢修維護(hù)時(shí)，為了不退出模式運(yùn)行，此時(shí)該單設(shè)備的控制優(yōu)先級(jí)高于模式。因此，對(duì)于系統(tǒng)和設(shè)備來說，控制優(yōu)先級(jí)為：?jiǎn)卧O(shè)備自動(dòng)控制<模式自動(dòng)控制<現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制。

3.3 智能化的聯(lián)動(dòng)控制

當(dāng)聯(lián)鎖風(fēng)閥全關(guān)時(shí)，聯(lián)鎖風(fēng)機(jī)不能啟動(dòng);當(dāng)聯(lián)鎖風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，聯(lián)鎖風(fēng)閥不能關(guān)閉（圖5）。國(guó)內(nèi)項(xiàng)目常規(guī)做法是將全關(guān)和運(yùn)行信號(hào)分別串入聯(lián)鎖設(shè)備控制回路達(dá)到聯(lián)鎖的功能，當(dāng)PLC關(guān)閉風(fēng)閥或啟動(dòng)風(fēng)機(jī)失敗時(shí)，采用動(dòng)作超時(shí)警告或提示聯(lián)鎖設(shè)備狀態(tài)。由操作員自行操作滿足聯(lián)鎖設(shè)備的狀態(tài)控制流程（圖6）。

為了簡(jiǎn)便操作流程和減少系統(tǒng)過多的警告，此項(xiàng)目創(chuàng)新做法是智能化聯(lián)動(dòng)控制功能，即當(dāng)操作指令為啟動(dòng)風(fēng)機(jī)時(shí)，PLC自動(dòng)判定相關(guān)聯(lián)鎖風(fēng)閥的狀態(tài)，如果聯(lián)鎖風(fēng)閥未全開，則自動(dòng)打開風(fēng)閥后再啟動(dòng)風(fēng)機(jī);當(dāng)操作指令為關(guān)閉風(fēng)閥時(shí)，PLC自動(dòng)判定相關(guān)聯(lián)鎖風(fēng)機(jī)的狀態(tài)，如果聯(lián)鎖風(fēng)機(jī)在運(yùn)行，則自動(dòng)停止風(fēng)機(jī)后再延時(shí)關(guān)閉風(fēng)閥（圖7）。

3.4 方便用戶直觀的監(jiān)視系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備狀態(tài)

系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)采用了友好的人機(jī)界面，在一個(gè)畫面以標(biāo)準(zhǔn)的色彩、旋轉(zhuǎn)、閃爍動(dòng)畫來表示設(shè)備的各種狀態(tài)，不用對(duì)畫面作二次點(diǎn)擊就可以把系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)看的一目了然（圖8）。

3.5 人性化的操作流程

需要在環(huán)控HMI操作設(shè)備時(shí)，如果兩端的HMI都登錄擁有操作權(quán)限，各自的操作必將起沖突，引起設(shè)備誤動(dòng)作或造成安全事故，如果HMI沒有獲取操作控制權(quán)，如果要操作的設(shè)備沒有投入遠(yuǎn)控，如果要操作的設(shè)備電源未合閘，下發(fā)的操作指令至PLC必將執(zhí)行失敗，如果PLC程序不返回各種報(bào)警，使用戶不清楚是何種故障，需要分析并作故障清查。如果PLC程序返回各種報(bào)警，會(huì)使用戶得到過多的報(bào)警信息，也影響操作時(shí)間的有效性?，F(xiàn)創(chuàng)新的環(huán)控系統(tǒng)采用把不滿足設(shè)備動(dòng)作的各種條件按操作流程每一時(shí)間閉鎖并直接提示給用戶，使用戶在操作流程中的每個(gè)步驟的條件都滿足后才允許下發(fā)操作指令（圖9）。（閉鎖提示信息有：未登錄，禁止發(fā)控制命令;遠(yuǎn)端已登錄，本端禁止登錄操作;控制權(quán)限在BAS，ECS禁止控制;該設(shè)備控制方式非遠(yuǎn)控，禁止操作;該設(shè)備電源未合閘，禁止操作。）

4 結(jié)束語

成都地鐵1號(hào)線在國(guó)內(nèi)是首條將BAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改為分級(jí)控制，環(huán)控系統(tǒng)交由下一級(jí)PLC控制，強(qiáng)化了環(huán)控系統(tǒng)設(shè)備的專業(yè)控制，提高了BAS系統(tǒng)和環(huán)控系統(tǒng)的開發(fā)效率，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試周期。1號(hào)線的17個(gè)車站在具備調(diào)試條件后，環(huán)控系統(tǒng)僅用35天，BAS系統(tǒng)也僅用60多天就完成了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。由于環(huán)控系統(tǒng)的先進(jìn)的、標(biāo)準(zhǔn)的PLC程序設(shè)計(jì)，使所有車站的PLC程序和HMI組態(tài)，從沒有發(fā)生任何軟件故障。同時(shí)，成都地鐵1號(hào)線也是國(guó)內(nèi)首條一直將BAS系統(tǒng)和環(huán)控系統(tǒng)投入自動(dòng)化控制的地鐵線路。成都地鐵2號(hào)線也成功運(yùn)用1號(hào)線的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)順利投運(yùn)。相信成都地鐵后續(xù)線路也不會(huì)辜負(fù)成都人的期盼，將高效、高質(zhì)的投運(yùn)，從而加快成都城市軌道交通建設(shè)的步伐。