地鐵設備監控系統的控制邏輯開發淺析

華春陽，曹建成

(中交鐵道勘察設計院有限公司，北京 100088)

為了實現地鐵運營高安全性、高可靠性、高度自動化、低損耗、低維護，即三高兩低［1］，實現緊急工況快速動作，有效節約能源，目前國內城市軌道交通項目基本上采用通過設備監控系統實現對環控通風、動力照明、給排水等機電設備進行集中監控［2］。目前國內的設備監控系統主流方案是通過可編程控制器(PLC)實現對被控設備的監控［3］。因此，基于PLC開發的邏輯程序就成為設備監控系統的靈魂。

結合天津地鐵1號線和廣州地鐵2號線設備監控系統，通過分析工程的特點，展開對相關子系統接口目的的分析，結合系統特點和運營實際需求，討論如何實現設備監控系統的控制邏輯。

1 城市軌道交通的項目特點

地鐵工程中，地下站及區間隧道構成一個貫通的、體量龐大的地下空間，僅有車站的出入口、通風亭及隧道口等數量有限的通道與室外大氣相通。地鐵正式運營以后，隨著客流量上升和行車密度加大，這個地下空間內將聚集大量的熱及有害氣體和帶電粉塵，如不采取有效措施，必將造成地鐵內環境的不斷惡化，甚至導致不可逆的洞體損壞。因此需要建立一套完善的設備監控系統和控制預案，通過對地鐵內的溫度、濕度和空氣流向等進行控制，實現控制洞體升溫、為乘客提供適宜的乘車環境的目的，并在緊急情況下減少人員傷亡，保證乘客的安全［4］。

在城市軌道交通項目中設備監控系統負責的工作比較繁雜，其主要職責為:快速有效地實現通風及環境控制，并在實現過程中盡量節約能源;配合消防系統完成相關的消防動作，控制煙氣流向，協助人員疏散;減少站務人員勞動強度，實現設備操作智能化、模式化;提高設備維修人員工作效率，為設備維修策略由故障維修向定期維修提供量化的數據依據。

2 設備監控系統各接口的目的分析

設備監控系統需要與各種類型的設備和系統進行數據交換，體現出來的特點就是接口類型繁多、數量眾多。常見的設備接口包括通風空調系統的設備，如變頻風機、雙速風機、雙向風機、單向風機、組合風閥、可調節風閥、組合空調、防火閥等;水系統接口設備，如調節閥、水泵、水閥等;還有照明、導向標志、溫濕度傳感器、潛污泵等。同時，還有部分系統與設備監控系統直接連接，如電扶梯系統、VRV空調系統、FAS(火災報警)系統、時鐘系統、屏蔽門系統、冷水機組系統、應急電源系統等［5］。

由于接口數量眾多，接口的電氣形式、數據格式、數據流向、功能和目的也各不相同，為了便于后續模式控制的討論方便，在此僅對部分與控制邏輯相關接口的目的進行簡要介紹。

(1)與通風系統的接口

一方面是為了快速有效地實現通風及環境控制，并在運營過程中盡可能節約能源;另一方面是當火災發生時，能夠協助消防系統盡快將有毒煙氣排到地面。

(2)與水系統的接口

地鐵水系統包括冷水系統和給排水系統。

冷水系統是為車站提供冷源的獨立控制系統。設備監控系統通過控制二通調節閥調節冷水流量，控制可變制冷劑流量空調機組等方式調節車站冷水系統的負荷，從而調節車站內的溫度和濕度。

給排水系統的監控主要包括根據水位實現相關水泵的監控及對生活用供水設備的監控。

(3)與消防系統的接口

設備監控系統接受消防系統預定的模式控制指令，以實現模式控制方式的選取。設備監控系統通過對火災發生位置相關的通風、空調設備實施控制，進行對應防火分區的防排煙控制。

(4)與屏蔽門系統接口

采集被監控車站屏蔽門/安全門的狀態信息和故障報警信息，并在綜合后備應急控制盤上設置屏蔽門/安全門的狀態指示、應急控制按鈕，以保證在火災等緊急工況下迅速打開或關閉屏蔽門/安全門。

(5)與照明系統接口

根據時間及室外照度情況控制工作照明、節電照明、廣告照明、出入口照明、隧道照明等設備的開啟和關閉［6］。當發生火災時根據模式控制指令的要求啟動應急照明，關閉工作照明等操作。

(6)與導向系統接口

實現在正常、停運及火災等緊急工況下提供可視的客流導向功能。

(7)與電扶梯系統的接口

監視電扶梯的工作狀態及故障報警，保證火災等緊急工況下將垂直電梯控制到安全層［7］。

3 設備監控系統控制邏輯的實現

在設備監控系統工程實施中，控制程序中的控制邏輯部分是項目的核心，控制邏輯部分功能是否完整直接關系到項目的成敗［8］。根據筆者近幾年實施過的工程經驗，現將控制邏輯設計規劃過程中需要注意的問題總結如下。

設備監控系統的核心控制邏輯單元包括模式控制、環控通風系統控制、應急通風系統聯動控制、照明系統控制、乘客導向系統控制、綜合后備應急控制盤的控制邏輯、區間通風系統控制邏輯等。

與控制邏輯相關的幾個主要子系統見圖1。

圖1 與控制邏輯相關的子系統關系

3.1 模式控制

模式控制單元是所有控制邏輯的核心。模式控制一般包括2種工況:一種工況是根據時間表進行控制，另一種工況則是在應急工況下控制。

時間表控制是指設備監控系統在不同時間段內運行不同模式的控制方式。常見的時間表工況包括夜間模式、早晚通風模式、正常運營模式和停運模式等。正常運營模式又可以根據地鐵項目所在的地域分為冬季模式、空調季模式和通風季模式等。

應急工況通常分為大系統火災、小系統火災和阻塞模式，其中大系統火災又分為站廳層火災、站臺層火災以及區間火災3種工況。當設備監控系統需要運行某一個模式的時候，環控通風系統控制，火災報警系統聯動控制，照明系統控制，乘客導向系統控制，綜合后備應急控制盤的控制邏輯，區間通風系統控制這些子單元均需要根據相應的模式控制的要求執行各自對應的模式，從而形成整個車站的機電設備同時聯動保證模式執行的效果。

因此模式控制可以說是設備監控系統的控制中樞，而其他的各個控制單元都是圍繞著這個中樞完成各自的任務。模式控制流程見圖2。

通過模式控制功能塊調用設備控制功能塊，實現這個系統的有機統一。設備控制流程見圖3。

3.2 環控通風系統控制單元和區間通風系統控制單元

圖2 模式控制流程

圖3 設備控制流程

這2個單元都是屬于環境控制環節，地鐵項目的環境控制具有其特殊性，主要體現在以下幾個方面。

第一，地下車站及區間空間體量較大，空調系統滯后現象較為嚴重，因此控制邏輯應適當考慮一定的時間因素和誤差的變化速率。只有這樣，才能更加有效地實現溫濕度的調節，以達到人體較舒適的熱焓值，同時最大限度的節省能源。

第二，地下車站及區間屬于人員高度密集區，一旦出現緊急情況極易導致重大人員傷亡，并造成嚴重的社會影響。因此，這就要求控制系統在第一時間內控制住事故的危險源，完成滅火、排煙、疏散等工作內容，必須保證在最短的時間內快速完成所有的緊急操作。

第三，地鐵工程是重大的基礎設計項目，投資巨大，設計壽命都是百年以上，只有精心維護才能使洞體的熱套厚度穩定在一個適中的數值上，一個完善的控制系統能夠有效地幫助運營人員從容完成相應的控制操作。

第四，目前，國內城市軌道交通項目的趨勢是網絡化、規模化，尤其是大型和特大型城市如北京、上海、廣州等城市。這也就給設備監控系統帶來一個新的挑戰，在換乘車站或樞紐車站，對已建成投入運營的地鐵線路的設備監控系統進行控制方案的重新考量，確認是否存在優化和調整既有控制預案的可能性和空間。

第五，地鐵投入運營以后，隨著客流量上升和行車密度加大，將在地下空間內積累大量的熱量及有害氣體和粉塵，如不采取有效措施，必將造成地鐵內環境的不斷惡化。因此設備監控系統的控制方案不應是一成不變的，而應根據地鐵內實際的污染物數量和濃度定期進行調整，以適應不斷變化的地鐵空間內的環境。

結合地鐵環境的特殊性，設備監控系統的環控通風系統控制和區間通風系統控制需要根據時間表進行正常工況的控制。

通常來說地鐵正式運營期間存在全新風模式、小新風模式和閉式運行3種模式。設備監控系統應針對各城市的氣候環境設置不同水平的BAS［9］，在北方的冬季常常采用冬季模式運行即閉式運行，而在南方的夏季通常運行空調季模式即小新風模式，其他季節常常采用全新風模式運行。具體采用哪種運行模式要根據運行的時間段、客流分布的情況、車站內二氧化碳濃度以及車站內熱焓值等數據進行綜合判斷并結合歷史數據而最終確定。

3.3 應急通風系統聯動控制通常包括區間阻塞控制和火災報警系統聯動控制兩種情況

區間阻塞模式控制是指當地鐵車輛運行到區間發生故障停運時，環控系統需要緊急運行的模式指令。區間阻塞模式指令的實現可以有效地保證地鐵車輛上的表冷器正常工作。當車輛故障停在區間的時候，需要維持表冷器的正常工作以保證車上乘客身心健康。由于車輛上表冷器的散熱受到狹長的地鐵區間的限制，如果車輛故障時間較長，會導致表冷器過熱故障。因此當運營車輛故障停在區間時間較長時需要環控系統運行區間阻塞模式。

火災報警系統聯動控制是設備監控系統在地鐵車站發生火災時需要運行的模式。

當火災發生在車站時，針對火災發生地點的不同，設備監控系統對應運行相應的火災模式，以盡快將車站內人員疏散到站外，同時盡快將車站內的有毒煙氣排放到地面。特別說明的是，目前國內地鐵項目均按照同一時間發生一次火災進行通風系統設計，因此當火災發生擴散或轉移時，設備監控系統需要環調人員手動執行相應的火災模式，以避免損失的進一步擴大。

當火災發生在區間時，還必須判斷出火災是發生在車輛上，還是區間隧道內。這時需要環調人員根據車輛的行進方向、起火點的位置，組織起火區間的兩端車站同時執行相應的火災模式，引導區間的人員按照逆風向方向迅速疏散到安全地帶［10］。

需要特別說明的是，只有區間阻塞模式和區間火災模式需要由控制中心下發火災模式的控制命令以外，其他的應急模式都是通過火災報警系統發來的聯動控制命令。車站設備監控系統獲得火災模式命令運行指令后，即時將環控系統、空調水系統、照明系統和乘客導向系統由正常工況切換到相應的火災工況［11］，組織相應的風機、風閥，按照火災工況進行工作。由于通風系統中風機和風閥設備存在聯動關系，因此在火災模式指令下達后，所有設備均需要在一段時間以后，方能完成控制命令［12］。因此設備監控系統在控制模式下達后，仍需要對這些設備進行實時監測，待環控系統、照明系統、導向系統均按照火災模式執行到位后，再將火災模式執行成功的信息反饋給火災報警系統。

對于發生二次火災工況，或火災發生后火情有所蔓延，火災報警系統須將最新的火災報警模式發送給設備監控系統，由車站工作人員根據具體情況，進行判斷分析以后，通過手動方式決定是否需要設備監控系統執行其他的火災模式。

3.4 照明系統

同環控通風系統一樣，也分為正常運營工況和事故工況。正常運營工況包括夜間模式、運營模式等控制模式。火災發生時運行相應的火災模式，將工作照明、廣告照明、三級負荷等非重要正常負荷切除，投入應急照明。由于照明系統不需要進行聯鎖控制，因此控制邏輯較環控系統容易實現。對于城市軌道交通項目中的地面站、高架站，照明控制邏輯中可以引入室外光照度信息。照明控制系統的控制邏輯結合光照度信息進行設計，據此啟動相應的照明模式，可以有效地節約能源。

3.5 乘客導向系統

乘客導向系統是正常運營時引導乘客正常地出入車站，火災發生時，引導乘客按照正確的路線迅速撤離車站避免傷亡的指示系統。乘客導向系統和照明系統的控制邏輯幾乎是相同的，因此一部分邏輯程序可以共用或直接復制使用。

3.6 綜合后備應急控制盤

綜合后備應急控制盤是設備監控系統的重要組成部分，也是重要防災救災設備的備用控制設備，具有最高的控制優先級，同時設有可靠的防誤操作裝置。

綜合后備應急控制盤主要實現了以下幾方面功能:

第一，負責提供緊急情況下后備手動操作按鈕;

第二，實現重要設備和模式執行情況的報警和顯示功能;

第三，實現部分重要外圍系統的接口功能。如，實現火災報警控制器對檢票閘機和門禁裝置的緊急解鎖控制，實現消防栓泵/高壓細水霧系統啟動等功能。

雖然綜合后備應急控制盤要求完成的功能較多，且均是直接關系到地鐵的安全運營，但單就控制邏輯而言，綜合后備應急控制盤的許多功能只需實現數據接收和轉發即可，因此其控制邏輯相對于其他系統而言算是簡單容易的。綜合后備應急控制盤的控制邏輯考慮的主要內容是數據傳遞的可靠性和穩定性。

4 結語

在城市軌道交通項目中，設備監控系統負責的工作比較繁雜，特別是設備監控系統又負責監控地鐵車站內大多數核心設備，因此設備監控系統對于地鐵運營的安全、效率、節約能源都是非常重要的?？刂七壿嬍窃O備監控系統的核心，控制邏輯實現的成功與否直接決定著地鐵設備監控系統的成敗，甚至對地鐵運營效率的高低都將產生決定性影響，因此，設備監控系統的控制邏輯的實現過程應引起工程設計單位的高度重視。目前國內工程中往往是先確定被控設備，然后根據設備的情況確定控制邏輯，在這種情況下控制邏輯的設計規劃受到了一定程度的限制。在此建議當條件允許的情況下，監控專業應根據運營需要先行確定控制邏輯，并據此確定被控設備的種類。

［1］田勝利.城市軌道交通監控系統結構標準化問題的思考［J］.鐵道標準設計，2004(5):97-99.

［2］徐起萬.地鐵車站設備監控系統［J］.鐵道標準設計，1997(12):42-43.

［3］李邁，秦小光.淺析設備監控系統EMCS及在深圳地鐵項目中的應用［J］.重慶建筑大學學報，2002(3):117-121.

［4］徐東傳.淺析地鐵環境設備監控系統(EMCS)［J］.中國高新技術企業，2012(31):29-31.

［5］李士峰.地鐵環境與設備監控系統(BAS)設計淺談［J］.鐵道勘測與設計，2005(3):41-43.

［6］宮罡.PLC在地鐵機電設備監控系統中的應用概述［J］.鐵道建設，2010(1):33-36.

［7］王建文.地鐵環境與設備監控系統設計中值得注意的幾個問題［J］.城市軌道交通研究，2013(6):85-87.

［8］鄒強，沈濤，曲博，邱繼紅，魏宏基.地鐵環境與設備監控系統運行模式分析與實現［J］.城市軌道交通研究，2011(3):85-87.

［9］中華人民共和國建設部.GB50157—2003 地鐵設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2003.

［10］李海，李漾，劉盛豪.地鐵隧道火災聯動功能聯調方法探討［J］.城市軌道交通研究，2010(7):43-46.

［11］劉永謙.地鐵FAS、BAS系統設計中幾個問題的探討［J］.鐵道標準設計，2006(4):95-97.

［12］陳小林，高翔，羅春紅，周志恒.廣州地鐵3號線首通段車站火災模式調試中執行失敗的解決方案［J］.城市軌道交通研究，2006(8):43-46.