南京地鐵二號線車站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案

1、南京地鐵二號線車站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案隨著祖國現(xiàn)代化的發(fā)展，新型城市交通地下鐵道的建設(shè)方興未艾。應(yīng)用不斷發(fā)展的自動化技術(shù)，對地鐵機電設(shè)備尤其是環(huán)控設(shè)備進行集中控制、管理，為地鐵環(huán)控設(shè)備科學、高效的運行提供了可能，同時保障了地下環(huán)境的安全、舒適。本公司對南京地鐵二號線車站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS 系統(tǒng)）環(huán)控設(shè)備的自動控制方案及具體實施辦法。1 概述南京地鐵二號線共有 16 個地下車站、2 個地面車站和高價站 1 座，地鐵控制中心（OCC）大樓（已建），全長 25.145 公里，采用了集散控制系統(tǒng)（DCS）對地鐵全線環(huán)控設(shè)備及其它車站機電設(shè)備進行集中監(jiān)控，由于引進了樓宇控制概念，地鐵車站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)亦

2、被稱為 BAS（Building Automation System）系統(tǒng)。系統(tǒng)對全線環(huán)控系統(tǒng)進行監(jiān)控，并對全線車站的扶梯、給排水設(shè)備、應(yīng)急電源進行監(jiān)視報警。2 BAS 系統(tǒng)在地鐵環(huán)控中的作用及功能2.1. 地鐵 BAS 系 統(tǒng)在地鐵環(huán)控中的主要作用：控制全線車站及區(qū)間的環(huán)控及其它機電設(shè)備安全、高效、協(xié)調(diào)的運行，保證地鐵車站及區(qū)間環(huán)境的良好舒適，產(chǎn)生最佳的節(jié)能效果，并在突發(fā)事件（如火災(zāi)）時指揮環(huán)控設(shè)備轉(zhuǎn)向特定模式，為地鐵乘車環(huán)境提供安全保證。2.2.地鐵 BAS 系統(tǒng)主要功能：(1) 監(jiān)控并協(xié)調(diào)全線各車站及 OCC 大樓通風空調(diào)設(shè)備、冷水系統(tǒng)設(shè)備的運行。(2) 監(jiān)控并協(xié)調(diào)全線區(qū)間隧道通風系統(tǒng)設(shè)

3、備的運行。(3) 對車站機電設(shè)備故障進行報警，統(tǒng)計設(shè)備累積運行時間。(4) 對全線環(huán)境參數(shù)（溫、濕度）及水系統(tǒng)運行參數(shù)進行檢測、分析及報警。(5) 接收地鐵防災(zāi)系統(tǒng)（FAS 系統(tǒng)）火災(zāi)接收報警信息并觸發(fā) BAS 系統(tǒng)的災(zāi)害運行模式，控制環(huán)控設(shè)備按災(zāi)害模式運行。(6) 通過與信號 ATS 接口接收區(qū)間堵車信息，控制相關(guān)環(huán)控設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)命令。(7) 緊急狀況下，可通過車站模擬屏控制環(huán)控設(shè)備執(zhí)行相關(guān)命令。(8) 監(jiān)視全線各站及隧道區(qū)間給排水、自動扶梯等機電設(shè)備的運行狀態(tài)。(9) 管理資料并定期打印報表。(10) 與主時鐘接口，保證 BAS 系統(tǒng)時鐘同步。3 BAS 系統(tǒng)對環(huán)控設(shè)備的監(jiān)控原理及內(nèi)容：3

4、.1. 環(huán)控系統(tǒng)組成：大系統(tǒng)車站公共區(qū)（站廳/站臺）通風空調(diào)系統(tǒng)；小系統(tǒng)車站設(shè)備用房通風空調(diào)系統(tǒng)；水系統(tǒng)地下站冷水機組系統(tǒng)；隧道通風系統(tǒng)執(zhí)行隧道區(qū)間正常及緊急情況下通風排煙工況的環(huán)控子系統(tǒng)。3.2. BAS 系統(tǒng)監(jiān)控點數(shù)的配置：以集慶門站為例，納入 BAS 監(jiān)控的環(huán)控設(shè)備總數(shù)約 100 臺（包括風機、風閥和水系統(tǒng)設(shè)備等），環(huán)控監(jiān)控總點數(shù)約 430 點（包括溫濕度等參數(shù)檢測約 60 點），車站監(jiān)控點數(shù)分布情況如下：(1) 隧道通風系統(tǒng) ：BAS 系統(tǒng)對 4 臺隧道風機及聯(lián)動風閥、兩臺推力風機和組合風閥進行監(jiān)視控制，監(jiān)視風機過載故障報警信號，檢測兩端隧道入口溫濕度，共計點數(shù) DO 20 點、DI

5、28 點，AI 8 點(2) 車站大通風空調(diào)系統(tǒng)：BAS 系統(tǒng)對空調(diào)機、新風機、回排風機及聯(lián)動風閥和調(diào)節(jié)風閥等設(shè)備進行監(jiān)視控制，監(jiān)視風機過載故障報警信號，檢測新/排/混/送風及站廳/臺溫濕度，控制組合風柜出水二通閥開度來調(diào)節(jié)空調(diào)器送風溫度，共計 DO 44 點、 DI 72 點，AI 30 點、AO 4 點(3) 車站小通風空調(diào)系統(tǒng)：BAS 系統(tǒng)對空調(diào)機、送/排風機及聯(lián)動閥、調(diào)節(jié)閥監(jiān)視控制，檢測設(shè)備/管理用房溫濕度，控制小空調(diào)器出水二通閥開度來調(diào)節(jié)相關(guān)設(shè)備房的溫度，共計 DO 41 點、DI 41 點，AI 17 點、AO 3 點(4) 車站水系統(tǒng)：通常情況，每個地下車站配有兩臺離心機組和一臺

6、活塞機組（勻由美國開利公司提供），對離心機組 BAS 系統(tǒng)僅發(fā)出起停命令，其相應(yīng)水泵、冷卻塔、蝶閥的聯(lián)動控制由機組 SM 模塊完成，BAS 系統(tǒng)僅負責監(jiān)視狀態(tài)及故障?；钊麢C組由于不具備該模塊，其總控及水泵、冷卻塔、蝶閥的聯(lián)動控制由 BAS 完成。檢測必要的水系統(tǒng)參數(shù)，如冷凍/冷卻水水溫，冷凍水回水流量，供/回水壓差等參數(shù)作為水系統(tǒng)控制計算依據(jù)。共計 DO 14 點、DI 49 點，AI 8 點、AO 1 點，同時 BAS 系統(tǒng)設(shè)有開利冷水機組 DATAPORT 的高級數(shù)據(jù)接口，接收三臺冷水機組的運行數(shù)據(jù)。(5) 其它：扶梯、給排水、緊急照明共計 DI 54 點、DO 2 點，AI 1 點。3.

7、3. 對環(huán)控設(shè)備監(jiān)控內(nèi)容配置的幾點注意事項在監(jiān)控點的編制上，合理、全面的監(jiān)控點數(shù)的編制可以使系統(tǒng)監(jiān)控功能更加完善，軟件編程更加簡單、合理、可靠。根據(jù)廣州地鐵一號線的經(jīng)驗，應(yīng)注意以下幾點：(1) 每臺環(huán)控設(shè)備帶有 BAS 系統(tǒng)中“就地/遠方”，“環(huán)控/車控”兩個轉(zhuǎn)換開關(guān)，分別位于設(shè)備現(xiàn)場和環(huán)控電控室。由于設(shè)計上的點數(shù)限制（每站 10 個手/自動信號）， BAS 系統(tǒng)僅對隧道風機，大系統(tǒng)空調(diào)機、送排風機等重要設(shè)備的“就地/遠方” 轉(zhuǎn)換開關(guān)進行監(jiān)視，并將部分設(shè)備的“就地/遠方” 轉(zhuǎn)換開關(guān)信號進行合并，如空調(diào)機手/自動信號為車站一端兩臺空調(diào)機的“就地/遠方”并聯(lián)信號。因為 BAS 系統(tǒng)無法獲知設(shè)備的具

8、體控制權(quán)限，控制帶有一定的盲目性，因此很有必要在 BAS 系統(tǒng)中對所有環(huán)控設(shè)備 “就地/遠方”和 “環(huán)控/車控”轉(zhuǎn)換開關(guān)的位置進行監(jiān)視，確?？刂频暮侠硇院涂煽啃裕?2) 在對電動風閥（包括蝶閥）的控制中，一號線為節(jié)省監(jiān)控點數(shù)，采用了一個輸出點的中間繼電器常開、常閉接點來控制風閥（水閥）的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)；并僅用一個 DI 點檢測風閥全開信號。這種單 DO，單 DI 的監(jiān)控方式使 BAS 不能依據(jù)設(shè)備的動作情況撤消輸出命令。輸出信號的長期存在，給設(shè)備的正常運行造成了故障隱患，增加了軟件編程的難度：如當系統(tǒng)模式工況轉(zhuǎn)換過程中時，風閥進行開關(guān)轉(zhuǎn)換，相應(yīng)風機由于無法獲知風閥是否處于轉(zhuǎn)換過程中而被迫關(guān)停無須動

9、作的風機。因此，對于該類設(shè)備的監(jiān)控仍應(yīng)采用2個DO 點分別控制開和關(guān)以及使用2個DI 點檢測風閥開到位和關(guān)到位信號，以表示全開、全關(guān)、中間狀態(tài)。(3) 冷水機組若本身帶有自動控制功能，如離心機組，可考慮 BAS 僅負責總的起停命令，相關(guān)水泵等設(shè)備 BAS 系統(tǒng)僅負責監(jiān)視。并設(shè)置數(shù)據(jù)接口接收對冷水機組運行數(shù)據(jù)，對機組運行集中科學管理。同時盡量減少檢測參數(shù)的重復(fù)設(shè)置（如地鐵一號線，BAS同活塞機組同時設(shè)置水流開關(guān)）以簡化控制，節(jié)省投資。(4) BAS 系統(tǒng)在車站級設(shè)有同 FAS 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，F(xiàn)AS 系統(tǒng)將經(jīng)確認后的火災(zāi)分區(qū)信號通過數(shù)據(jù)接口送 BAS 系統(tǒng)接收，BAS 系統(tǒng)在接收到 FAS 系統(tǒng)

10、火災(zāi)報警信號后啟動相應(yīng)的火災(zāi)模式。對于地鐵而言，由于車站級火警信息量不是很大（每站約 30 個火警信息），除通過數(shù)據(jù)接口外還可考慮通過硬線（I/O）連接的方式完成，使用硬線 I/O方式連接替代通信接口的使用，可增加系統(tǒng)的可靠性，降低接口開發(fā)的費用。但硬線 I/O 連接同時增加了輸入輸出模塊，因此具體的連接方式可根據(jù)實際情況進行選擇。(5) 關(guān)于防火閥的監(jiān)控，因?qū)傧涝O(shè)備，廣州地鐵一號線將其納入 FAS 系統(tǒng)進行監(jiān)控，但作為環(huán)控系統(tǒng)的組成部分，出于控制系統(tǒng)完整性的考慮，亦應(yīng)納入 BAS 系統(tǒng)監(jiān)控范圍，根據(jù)實際情況，可考慮以下幾種方式。完全納入 BAS 系統(tǒng)，由 BAS 系統(tǒng)進行防火閥監(jiān)控。通過

11、BAS/FAS 數(shù)據(jù)接口或硬線接口，通過 FAS 系統(tǒng)進行防火閥的監(jiān)控BAS、FAS 均對防火閥進行監(jiān)控需設(shè)置控制轉(zhuǎn)換開關(guān)。（香港地鐵便采用該種方法）4 地鐵車站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）的系統(tǒng)構(gòu)成及網(wǎng)絡(luò)配置4.1. I/NET2000 系統(tǒng)的主要特點：(1) 采用分層局域網(wǎng)（LAN）技術(shù)，可實現(xiàn)幾點到十萬以上點的控制網(wǎng)絡(luò)，車站間采用以太網(wǎng)（TCP/IP 協(xié)議）通信，車站級主網(wǎng)（CONTROLLER LAN）采用令牌總線網(wǎng)絡(luò)通信，子網(wǎng)（SUB LAN）采用輪詢（MASTER/SLAVER）方式通信。(2) 靈活的輸入/輸出配置，PCU、UC 輸入點可在軟件中配置為 AI、DI、PI 等，對于模擬量

12、輸入可通過跳線的設(shè)置，接收 020mA、05v、010v 、RTD 溫感等多種信號。(3) 編程組態(tài)采用點的概念，直接在控制點上完成邏輯、數(shù)學及其它控制算法，組態(tài)方式簡單靈活。(4) 作為典型的樓控產(chǎn)品，提供多種節(jié)能控制程序模塊，如自適應(yīng)最佳起?？刂?，自整定 PID 算法、死區(qū)控制算法等。4.2. BAS 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)地鐵車站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)分中央級、車站級、就地級三級對環(huán)控設(shè)備及其它機電設(shè)備進行監(jiān)控，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如下：PCU：過程控制單元，8 輸入 8 輸出，可擴展至 32 輸入或 16 入 16 出UCI：單元控制器接口，可下帶最多 32 個單元控制器 UC，采用主從通訊方式進行通信，監(jiān)控點數(shù)可

13、多達 512 點MPI：模擬屏驅(qū)動接口 HLI：高級數(shù)據(jù)接口圖 1 BAS 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖通常在車控室放置 3 塊 UCI，其中兩塊 UCI 分別負責監(jiān)控車站兩端的環(huán)控設(shè)備并實現(xiàn)環(huán)控電控房模擬屏控制功能，另外一塊 UCI 負責站廳/臺和部分設(shè)備用房溫濕度檢測并接收 FAS 火警信號以及對車控室模擬屏以及其他系統(tǒng)（扶梯，給排水等）設(shè)備的監(jiān)控。冷水機房設(shè)置一塊 PCU 負責對冷水機組進行監(jiān)控；每端空調(diào)機房設(shè)置一塊 PCU 檢測風室及設(shè)備/管理用房的溫濕度，并負責控制空調(diào)機出水二通閥的開度。每端環(huán)控電控室設(shè)置 24 塊 PCU 輔助 UCI 對本端環(huán)控系統(tǒng)進行監(jiān)控。 BAS 系統(tǒng)在車站設(shè)置有與 FA

14、S及冷水機組的數(shù)據(jù)接口 HLI，用來接收第三方設(shè)備的數(shù)據(jù)。4.3. 中央級局域網(wǎng)的配置中央級設(shè)置工作站及備份站各一套，工作站同備份站實現(xiàn)以太網(wǎng)級別的熱備。OCC局域網(wǎng)有與信號 ATS 及通信主時鐘的數(shù)據(jù)接口及模擬屏一塊，網(wǎng)絡(luò)配置如下：圖 2 BAS 系統(tǒng)中央級網(wǎng)絡(luò)配置圖由圖 2 可見，OCC 中央級除負責接收通信系統(tǒng)時間同步信號外，在 OCC 局域網(wǎng)中還連接有與 ATS 數(shù)據(jù)接口 HLI 以及模擬屏設(shè)備，并通過中央工作站（PC 機）將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?BAS 以太網(wǎng)上，同其它車站級 BAS 系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。需要指出的是：正常情況下，所有隧道通風模式由連接在中央級局域網(wǎng)上的BAS 控制器根據(jù)ATS

15、列車阻塞信號或人工指令，進行計算確定，并通過以太網(wǎng)下發(fā)環(huán)控模式指令號到相關(guān)車站，再由相關(guān)車站 BAS 控制器指揮相關(guān)設(shè)備正確動作。當該工作站死機或故障時，則模式無法正確下達，只能由相關(guān)車站通過就地模擬屏超弛控制，影響了事故情況下的反映速度。由于隧道通風涉及乘客人身安全，對隧道通風模式正確及時執(zhí)行有很高的要求，因此 BAS 系統(tǒng)中央級局域網(wǎng)應(yīng)通過專門網(wǎng)關(guān)（交換機）或服務(wù)器連接以太網(wǎng)。4.4. 車站模擬屏的設(shè)置：作為緊急情況下、或 BAS 工作站故障情況下的緊急后備操作手段，分別在每站的車控室和兩端環(huán)控電控室設(shè)置了地圖式模擬屏。模擬屏的操作主要以執(zhí)行區(qū)間事故及車站火災(zāi)模式為主，模擬屏的設(shè)置應(yīng)遵循以

16、下原則：(1) 模擬屏應(yīng)突出隧道區(qū)間及車站事故運行模式下的執(zhí)行，模式執(zhí)行完畢或執(zhí)行失敗應(yīng)有相應(yīng)的反饋指示。(2) 帶有鑰匙轉(zhuǎn)換開關(guān)?？梢詫ぷ髡?、車控室模擬屏、環(huán)控電控室模擬屏操作權(quán)限進行轉(zhuǎn)換，保證控制命令由唯一的地點發(fā)出。(3) 模擬屏是以按鍵來觸發(fā)相應(yīng)模式的執(zhí)行。作為緊急操作手段，模擬屏應(yīng)具有超弛其他控制指令的能力，例如，當操作站軟件設(shè)定設(shè)備控制方式為單控（點對點控制）而非程序（模式）控制時用模擬屏執(zhí)行的模式指令應(yīng)能超弛該單控命令，為此模擬屏控制模式軟件算法應(yīng)獨立于操作站模式軟件算法。在系統(tǒng)軟件中要考慮該部分軟件資源的配置。(4) 最好配置獨立于主控制器的的模擬屏控制器，同主控制器共享 I

17、/O，增強緊急控制的可靠性。5 環(huán)控工藝模式的實現(xiàn)根據(jù)季節(jié)、負荷、突發(fā)事故（火災(zāi)、列車阻塞）等情況，環(huán)控專業(yè)制定了大量的環(huán)控模式，控制環(huán)控設(shè)備在不同的條件下運行不同的工況模式。包括大系統(tǒng)、小系統(tǒng)、水系統(tǒng)和隧道通風等環(huán)控工藝模式，以陳家祠為例約有環(huán)控工藝模式近百個。5.1. 硬件配置系統(tǒng)主要采用兩種控制器完成環(huán)控系統(tǒng)的控制工藝流程，即 PCU 和 UCI，以下是其主要性能：(1) 過程控制單元PCU：多達640 個點地址可自由組態(tài)，包括軟件內(nèi)部點（Internal points）和間接點（Indirect points），提供最多可擴展至 96K 的用戶程序存儲器，提供布爾邏輯、時間表、節(jié)能算法

18、等擴展功能供軟件編程組態(tài)，并且提供多種 DDC 控制算法模塊如：事件（Event sequence ）、PID、浮點控制（Floating）等；(2) 單元控制器接口 UCI：總共 640 個地址空間可自由組態(tài)，提供 24K 用戶程序存儲器，具有布爾邏輯、時間表、節(jié)能算法等擴展功能供軟件編程組態(tài)。由于地鐵環(huán)控工藝復(fù)雜，模式工況眾多，在系統(tǒng)配置上要充分考慮控制器 CPU 資源和內(nèi)存資源的配置，留有充分的裕量。在廣州地鐵一號線 BAS 系統(tǒng)中，由于大部分環(huán)控設(shè)備主要由本端的 UCI 進行控制管理，造成 UCI 超負載工作，（部分 UCI 內(nèi)存占用率高達 80%以上，CPU 負載最高達 95%以上）

19、，降低了設(shè)備運行的可靠性，同時一些優(yōu)化控制算法也受制于資源分布而難以實現(xiàn)。此外這種把幾乎全部監(jiān)控功能集中于 UCI 的做法也不符合 DCS 系統(tǒng)風險分散的原則：當一個 UCI 發(fā)生故障將會導(dǎo)致 BAS 系統(tǒng)對車站一端環(huán)控設(shè)備的控制癱瘓，最好應(yīng)考慮大、小系統(tǒng)及隧道通風系統(tǒng)各自使用獨立 DDC 控制器（即 UCI）進行控制。5.2. 設(shè)備基本保護與自動模式的實現(xiàn)以車站大系統(tǒng)為例，環(huán)控系統(tǒng)設(shè)備如下圖圖 3 集慶門站 A 端大系統(tǒng)原理圖通常，環(huán)控設(shè)備低壓二次回路設(shè)計只考慮單體設(shè)備的保護聯(lián)鎖要求，即風機同其聯(lián)動風閥的聯(lián)鎖，因此需要 BAS 系統(tǒng)從系統(tǒng)出發(fā)考慮設(shè)備的保護和優(yōu)化運行，主要考慮的方面有以下幾點

20、。(1) 確保環(huán)控模式風路的暢通(2) 當設(shè)備故障時可及時啟動備用設(shè)備(3) 環(huán)控主/備用設(shè)備應(yīng)平衡運行(4) 避免設(shè)備的頻繁動作(5) 優(yōu)化開關(guān)機順序以集慶門站 A 端大系統(tǒng)空調(diào)器（圖 3）為例，程序邏輯關(guān)系如下： if S3-1 or S3-2 is not run &（Runtime (S3-1) Runtime (S3-2)0） then output (Runtime change)=1if S3-1 or S3-2 is not run &（Runtime (S3-1) Runtime (S3-2)0） then output (Runtime change)=0if S3-1 o

21、r S3-2 is runthen Runtime change not change*以上求得 Runtime change 邏輯值if mode(LD50%) then output ( S3-1 mode=1)if mode(LD50%) then output (S3-2 mode=1)*設(shè)備平衡運行 if S3-1 mode | (S3-2 mode & any S3-2 associated equipment in fault) & not any S3-1 associated equipment in fault *故障轉(zhuǎn)換then output ( S3-1 Call=1)

22、 if S3-2 mode| (S3-1 mode & any S3-1 associated equipment in fault) & not any S3-2 associated equipment in fault *故障轉(zhuǎn)換then output ( S3-2 Call=1)if S3-1 Call & all associated damper is open *檢測風路 then start S3-1 *開啟 S3-1if S3-2 Call & all associated damper is open *檢測風路 then start S3-2 *開啟 S3-1說明：& 邏

23、輯與；| 邏輯或； 邏輯非mode(LD50%模式工況。(4) 環(huán)控工藝模式可通過人工選定及自動判定執(zhí)行來實現(xiàn)。通常環(huán)控工藝模式由 BAS 系統(tǒng)根據(jù)計算結(jié)果自動判定執(zhí)行，同時設(shè)置手動模式，以便特殊情況下，人工強制選定模式，在災(zāi)害狀況（如火災(zāi)），則優(yōu)先執(zhí)行火災(zāi)模式（須人工確認后方可執(zhí)行，以防止誤動作）。圖 4 大空調(diào)通風系統(tǒng)自動模式判斷流程圖6.2. 車站水系統(tǒng)工藝模式的實現(xiàn)BAS 系統(tǒng)負責對車站三臺冷水機組進行群控。當由 BAS 系統(tǒng)自動控制冷水系統(tǒng)時，根據(jù)以下原則選定水系統(tǒng)正常運行工藝模式：依據(jù)時間表判定白天或夜間模式運行依據(jù)室外焓值判定水系統(tǒng)是否進入空調(diào)季節(jié)運行 依據(jù)車站冷負荷判定開機數(shù)量。下圖為車站水系統(tǒng)工況判定流程圖：圖 5 水系統(tǒng)工藝模式流程圖(1) 空調(diào)季節(jié)的判定與車站大系統(tǒng)相同的判定條件。(2) 正常運營時間劃分為三段：夜間、車站預(yù)冷時