論南京地鐵四號線集中冷站控制策略

徐飛

南京地鐵運營有限責任公司機電分公司

摘要：南京地鐵四號線集中冷站系統(tǒng)負責對車站冷水機組、清水泵、電動蝶閥等設(shè)備進行監(jiān)控。通過與綜合監(jiān)控（Integrated Supervisory Control System，以下簡稱“ISCS” ）系統(tǒng)對接，共同對車站環(huán)境參數(shù)進行實時地計算，保證在夏季為車站提供一個最優(yōu)的乘車候車環(huán)境。本文針對此控制系統(tǒng)，對其控制工藝進行全面的論述。

關(guān)鍵詞：南京地鐵四號線;ISCS系統(tǒng);冷水機組;控制策略

1.概述

南京地鐵四號線集中冷站系統(tǒng)監(jiān)控對象有：冷水機組、冷凍水泵、冷凍水閥、冷卻水泵、冷卻水閥、冷卻塔風機、各類溫度壓力傳感器等，系統(tǒng)采用現(xiàn)代化的4C技術(shù)（Computer、Control、Communication、CRT），本著“智能、便捷、節(jié)能”的原則，對車站冷水系統(tǒng)進行全面智能控制，保證為通風大系統(tǒng)提供穩(wěn)定的8-15攝氏度的冷水，提高空調(diào)季節(jié)車站的整體舒適度。

2.冷站系統(tǒng)總體功能

冷站系統(tǒng)需同時與冷水機組和ISCS系統(tǒng)進行通訊，前者采用modbus485通訊，后者采用modbus TCP通訊，系統(tǒng)除完成通訊任務(wù)外，還應(yīng)具備如下功能：

1）對設(shè)備和控制系統(tǒng)狀態(tài)進行實時監(jiān)控，系統(tǒng)應(yīng)能對冷卻塔、水泵、冷水機組、閥門等主要設(shè)備進行監(jiān)控，包括顯示各類運行狀態(tài)、輸出各類運行指令等，同時能對供回水溫度、壓力、供回水壓差等數(shù)值進行監(jiān)測，當設(shè)備有故障時，能給出報警信息。

2）冷站工作站除了與控制器進行通訊外，不得進行其他通訊。

3）冷站系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)ISCS遠程及本機兩級控制。

4）實現(xiàn)所有設(shè)備點動操作及檢修掛牌的功能。

5）采用科學調(diào)度的方法，對冷水機組的啟停次序進行優(yōu)化。

6）制定可靠安全的設(shè)備聯(lián)鎖關(guān)系，如水閥在關(guān)閉狀態(tài)下，與之連通的水泵將不能開啟。

7）應(yīng)具備將相關(guān)報警、狀態(tài)信息生成甲方需要的電子檔報告功能。

8）應(yīng)有科學的冷卻塔啟停算法，保證系統(tǒng)可靠運行的同時降低能耗。

9）應(yīng)有切實可行的冷卻水路控制策略，以保證冷水機組平穩(wěn)開機。

10）應(yīng)有完善可行的冷機關(guān)閉后處理措施。

11）冷站系統(tǒng)應(yīng)采用分布式控制，上位軟件的監(jiān)控畫面應(yīng)獨立存放于各自的工作站中，不得使用服務(wù)器存放全線的監(jiān)控畫面。

3.控制策略分析

3.1 開關(guān)機控制

冷站機組總啟動、停止命令均來自地鐵ISCS系統(tǒng)，集控系統(tǒng)接到命令后，進入負荷群控機組加載程序。

ISCS系統(tǒng)具體控制方式：ISCS系統(tǒng)命令分為“運營時段”與“空調(diào)季節(jié)”兩個命令，當ISCS系統(tǒng)發(fā)出“運營時段-ON”命令時，小機組進入負荷群控機組開機程序，小機組投入運營;當ISCS系統(tǒng)發(fā)出“運營時段-OFF”命令時，小機組進入負荷群控機組關(guān)機程序，小機組停止運營;

在ISCS系統(tǒng)發(fā)出“運營時段-ON”命令的基礎(chǔ)上，ISCS系統(tǒng)再發(fā)出“空調(diào)季節(jié)-ON”命令，大機組進入負荷群控機組開機程序，大機組投入運營，當ISCS系統(tǒng)發(fā)出“空調(diào)季節(jié)-OFF”命令，大機組進入負荷群控機組關(guān)機程序，大機組停止運營。

3.2 負荷群控控制說明

冷水機組系統(tǒng)由一臺小機組和二臺大機組組成，接到ISCS系統(tǒng)開機命令后，小機組和相應(yīng)的冷凍和冷卻水泵24小時開機。當小機組故障時，自動開啟大冷水機組并打開分水器上通往小系統(tǒng)的電動閥門，依照“以大帶小”的原則進行運轉(zhuǎn)。若在運營時段內(nèi)，人工操作大小機組的集分水器開關(guān)閥解決小機組負荷問題;在小機組故障消除后，恢復小機組開機運行。

機組加載程序：，當大機組分水器出水溫度超過T1（7℃）+t（t=0.5℃死區(qū)值）、啟動第一臺大機組對應(yīng)的冷卻水泵，延時1分鐘后，啟動該臺大機組。檢測本臺大機組達到滿載后（目標容量百分比大于等于98%），累時2分鐘后，出水溫度仍然超過T1+t值，啟動第二臺大機組對應(yīng)的冷卻水泵和冷凍水泵，延時1分鐘后，啟動該臺大機組。

機組卸載程序：判斷大機組分水器出水溫度低于T1-t，同時判斷第二臺運行大機組的負荷，該機組負荷（目標容量百分比）低于20%（此負荷值做成可調(diào)節(jié)量）時，延時1分鐘，則停掉這臺大機組，該大機組負荷（目標容量百分比）為0%時延時3分鐘停掉該臺大機組對應(yīng)的冷卻水泵和冷凍水泵。

機組停機程序：關(guān)閉所有正在運行的大機組，延時3分鐘停掉大機組對應(yīng)的冷卻水泵和冷凍水泵。每次重新啟動機組前，應(yīng)判斷各大機組壓縮機運行時間（若有兩臺壓縮機時，取二臺壓縮機累計運行小時數(shù)最大者作為機組運行時間），根據(jù)時間長短，最先啟動運行時間最短的大機組，以平衡各大機組的運行時間。每次重新啟動機組前，首先判斷本大機組總報警狀況，機組報警狀態(tài)下，不能啟動該機組。

3.3 冷卻塔風機控制說明

冷卻塔主要在冷卻水路上冷卻量不夠時投入使用，衡量冷卻效果的標準是冷凝器出、入水之間的溫差，但在實際使用過程中，一般采用冷凝器入水溫度來判斷，根據(jù)現(xiàn)場觀測的冷凝效果和冷機符合，一般冷卻水回水溫度在29-30度之間，系統(tǒng)效率較高，所以本項目通過冷卻塔的啟停，盡量將冷凝器入水溫度控制在29-30度之間，下圖是冷卻塔的控制流程圖：

考慮到冷卻水循環(huán)需要一定時間，所以以上判斷邏輯需要一定的時間間隔，不僅可以保證效果，而且也可以避免設(shè)備的頻繁啟動，系統(tǒng)采用的時間間隔是2分鐘。

關(guān)于冷卻塔啟動和關(guān)閉的順序：一個車站有3-8臺冷卻塔不等，先開哪臺，先關(guān)哪臺是本次程序考慮的一個重點。為了保證設(shè)備運營時間平衡，系統(tǒng)給每臺冷卻塔運行進行記錄，每次需要啟動時，優(yōu)先啟動運行時間短的冷卻塔，優(yōu)先停止運行時間長的冷卻塔。

3.4 冷卻水流量閥控制說明

對應(yīng)冷卻水流量閥的開度，根據(jù)機組冷卻水的回水溫度調(diào)整。開度的隨水溫的調(diào)整條件如下：

以上三個參數(shù)需在界面上可設(shè)定。

3.5 聯(lián)動工藝分析

1）溫控設(shè)定：ISCS系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)車站內(nèi)的溫濕度傳感器反饋的數(shù)值和車站設(shè)定溫度進行比對，當超過設(shè)定溫度時，ISCS系統(tǒng)應(yīng)給冷站系統(tǒng)下發(fā)開機指令，為了很好地實現(xiàn)溫控設(shè)定，防止系統(tǒng)頻繁啟停也是一個重要的技術(shù)點，地鐵車站內(nèi)列車進進出出會產(chǎn)生大量的活塞風，同時現(xiàn)場的傳感器電信號傳輸或多或少也會有擾動情況存在，所以溫度上下波動是常有的事情。比如車站設(shè)定29度，如果僅以此為判斷標準，當車站溫度在29度附近上下波動時，就很有可能導致系統(tǒng)一會下發(fā)開機指令，一會下發(fā)停機指令，導致系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，同時頻繁開啟也容易造成電機損壞等情況，所以應(yīng)采用技術(shù)措施避免此類情況發(fā)生，一般常用的是設(shè)定死區(qū)和設(shè)定時間周期。

所謂設(shè)定死區(qū)，就是讓溫度允許在一定范圍區(qū)間內(nèi)波動，當然死區(qū)的范圍越大，系統(tǒng)越不靈敏。例如，車站設(shè)定溫度29度，死區(qū)為2度，則只有當車站溫度超過31度時，系統(tǒng)才會啟動，當溫度低于27度時，系統(tǒng)才會關(guān)閉，當溫度在27到31度之間波動時，系統(tǒng)不予理會，仍保持原先的執(zhí)行狀態(tài)。

所謂時間周期，就是每隔一段時間，系統(tǒng)執(zhí)行一次判斷，產(chǎn)生的結(jié)果一直保持到下個時間周期。同樣，時間周期越長，系統(tǒng)靈敏度越差。

由于冷水機組不是一個即時啟停的設(shè)備，為了保證機組安全，每次啟停后應(yīng)有一定的時間間隔，所以四號線采用的是時間周期控制方式，可以把最短運行時間加上開機準備時間再加上停機保護時間作為最小檢測周期，這樣，可以最大程度上保護冷水機組，提高系統(tǒng)使用壽命。

2）災(zāi)害模式下運行：根據(jù)設(shè)計規(guī)范，當車站發(fā)生火災(zāi)等災(zāi)害時，冷水機組應(yīng)該立刻停止運行，所以，ISCS系統(tǒng)在接收到火災(zāi)報警等相關(guān)信號時，應(yīng)該將火災(zāi)報警信號傳遞給冷站，冷站系統(tǒng)應(yīng)在所有的判斷程序前，將火災(zāi)信號以與邏輯寫入程序，并直接發(fā)出所有設(shè)備的停止指令，以保證系統(tǒng)的安全。

3）連鎖運行：當車站送風機停止運行時，ISCS系統(tǒng)應(yīng)給冷站系統(tǒng)下發(fā)停機指令，以確保冷凍水路的安全。比如當車站的所有送風系統(tǒng)停掉，這時如果水系統(tǒng)不關(guān)閉，則會導致冷凍水末端沒有負載，產(chǎn)生的冷水又通過冷凍水循環(huán)回來再一次被制冷劑降溫，當溫度低于零攝氏度時，就有可能造成凍管現(xiàn)場，更嚴重的可能損壞蒸發(fā)器，雖然冷水機組自身有保護，在檢測到溫度低時會自動停機，但是這樣的情況出現(xiàn)，對于冷水機組而言也是會產(chǎn)生影響的。而且如果冷水系統(tǒng)開啟指令一直存在，就會導致冷水機組頻繁啟停，可能開機不到20秒就自動關(guān)機了，據(jù)不完全統(tǒng)計，類似這種情況，在以前的系統(tǒng)中普遍存在，一個空調(diào)季節(jié)，一臺冷水機組能啟動上千次，從設(shè)備維護角度考慮，該問題亟待解決，不然每年的設(shè)備折舊費用會直線上升。

4.結(jié)束語

綜上，地鐵車站的集中冷站控制系統(tǒng)在地鐵運營服務(wù)中起著舉足輕重的作用，做好地鐵自動控制策略研究更是地鐵運營事業(yè)走可持續(xù)發(fā)展道路的一項戰(zhàn)略性措施，因此，在今后的運營過程中，要不斷總結(jié)，大膽創(chuàng)新，因地制宜，讓地鐵集中冷站控制策略能夠滿足運營環(huán)境的變化，更好地服務(wù)乘客。