成都地鐵1號線隧道內通風空調環境控制系統設計與開發

游翔 陳維

地鐵網是城市交通的動脈血管，為了盡早實現城市、人口、交通、經濟的共同和諧發展，這項超級工程的建設速度就必須要加快。文中將環境控制系統簡稱環控系統，文章圍繞隧道內通風環控系統設計與開發做介紹，值得類似工程借鑒參考。

城市地鐵; 隧道內; 通風空調; 環控系統; PLC可編程控制器

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[定稿日期]2021-06-29

[作者簡介]游翔（1984～），男，本科，工程師，從事機電一體化與市政工程施工技術與管理工作;陳維（1982～），男，專科，工程師，從事工業控制系統PCL設計、開發和調試工作。

成都地鐵1號線工程北起大豐站，南至廣都站，規劃線路全長約31.6 km ，設23個站，其中地下站18座，高架站5座，1座控制中心，1處停車場，1處車輛段，2座主變電站。其中1期工程為成都地鐵1號線初期建設線路，北起升仙湖站，南至世紀城站，全長18.5 km ，全部為地下線，共設17座地下車站。

1 國內地鐵BAS系統技術現狀

1.1 國家標準對地鐵建筑物內的BAS系統的定義

2003年5月，國家質量監督檢驗檢疫總局和建設部，聯合發布了國家標準GB 50157-2003《地鐵設計規范》，標準中正式命名“環境與設備監控系統，Building Automation System（BAS）”，并對其定義為：“對地鐵建筑物內的環境與空氣條件、通風、空調、給排水、照明、乘客導向、自動扶梯及電梯、屏蔽門、防淹門等建筑設備和系統進行集中監視、控制和管理的系統”。

1.2 國內現有技術的BAS系統

主要對車站的通風空調環控系統、低壓配電系統、防淹門、常規冷源、冰蓄冷、給排水、電梯、扶梯、動力照明、導向標識、EPS系統、氣體消防等系統進行監控。車站分為A、B兩端BAS系統、兩端環控系統，BAS兩端分別設計一套雙機熱備PLC，環控系統不設計PLC，各端BAS系統對各端環控系統采用現場總線通訊方式與現地I/O、變頻器和智能馬達保護控制器進行數據交換，其中，大系統空調、大系統排風機、隧道風機采用變頻器控制，隧道射流風機采用智能馬達保護控制器控制，其它系統設備的狀態量和控制量采用現地I/O方式控制。環控系統所有單設備的狀態信息、控制功能、保護功能、參數配置功能及模式的狀態信息、控制功能、參數配置功能的PLC程序都只能設計在BAS系統（圖1）。

1.3 BAS系統的特點

BAS系統程序結構復雜，編程難度大，工程量大，需要在同一個軟件平臺上開發程序的技術人員多、耗時長、工作效率低;當BAS系統PLC故障或網絡故障時，環控設備將無法實現模式控制操作，可能直接威脅到乘客的安全;當BAS系統的其它設備需要維護、檢修時，將可能對BAS系統停運或網絡中斷時，將直接導致環控設備不能自動運行;當對環控系統的硬件或軟件升級，都涉及到BAS系統的硬件接入、軟件編程功能的調整，升級工作將很難開展。

1.4 通風空調環控系統在BAS系統結構中的特點

由于通風空調環控系統控制了車站的大系統、小系統、隧道通風系統的空調機、風機、風閥、水閥的總數超過100多個，各系統各端的控制模式總和也達到100多個，被整個PCL（可編程控制器）工業控制行業公認為環控系統是BAS系統中工作量最大，難度最大、最復雜的其中一個系統。

現場調試條件要求不只是通風空調環控柜安裝接線通電完成，還需要與BAS系統完成現場總線通訊后方可開展調試工作，現場調試單設備和模式時，會占用BAS系統調試的大量時間，而影響調試其它子系統的調試進度，造成調試時間周期過長。

2 成都地鐵1號線BAS系統技術

2.1 成都地鐵1號線新型的BAS系統結構

其仍將車站分為A、B兩端BAS系統、兩端環控系統（圖2），BAS兩端分別設計一套雙機熱備PLC監控其它系統設備，兩端環控系統分別設計一套單機PLC和一臺液晶觸摸顯示屏（HMI）。兩端環控系統PLC直接采用現場總線通訊方式與現地I/O、變頻器和智能馬達保護控制器進行數據交換。環控系統所有單設備的狀態信息、控制功能、保護功能、參數配置功能及模式的狀態信息、控制功能、參數配置等PLC程序均設置在環控PLC中。環控系統PLC與BAS系統PLC采用冗余的以太網通訊，BAS系統可通過以太網通訊方式監視和控制環控系統所有設備和模式命令下發。環控系統兩端PLC與兩端HMI之間采用以太網通訊，在本端的HMI終端可監視和控制遠端的所有設備和模式命令下發。

2.2 采用此結構的BAS系統和環控系統之間的特點

（1）所有單設備的狀態信息采集、控制功能、保護功能、參數配置功能及模式的狀態信息、控制功能、參數配置功能的PLC程序均設計在環控系統，從而簡化了BAS系統PLC程序的結構，減小了編程開發的工作量。

（2）增設了環控集中控制級，操作地點位于兩端環控室的HMI，操作對象包括車站所有環控單設備和所有環控模式，即利用兩端PLC和兩端HMI相互之間的以太網通訊實現在任意環控HMI上的監視和操作整個車站的設備和模式。

（3）現場調試時，不論BAS系統的工程進度如何，只要環控柜具備調試條件，可使作環控集控級的HMI對系統網絡、所有單設備、所有系統模式調試完成，與BAS系統只需作通訊接口測試即可。這樣大大節省了BAS系統對環控系統的調試時間。

（4）當BAS系統故障或與BAS通訊中斷時，可以在環控HMI上取得控制權限實現對單設備和模式的操作，使系統可以靈活、安全的運行。

（5）當需要對車站BAS系統或其它系統進行檢修、升級改造時，環控系統可以將控制極限切換為環控集中控制級的HMI，使環控系統正常安全運行;當需要環控系統檢修、升級改造時，BAS系統仍可以管理其它系統的正常安全運行。

3 成都地鐵1號線隧道通風空調環控系統技術

通過集成、開發、調試，并采用先進的控制技術理念和積累的專業自動化設備控制經驗將通風空調環控系統集成入成都地鐵1號線BAS系統，PLC程序結構有5項新技術，其應用效果良好。

3.1 安全的操作權限管理

操作權限的管理分為環控機房（HMI）、BAS系統、OCC控制中心、現場（按鈕開關）。如果按操作地方來劃分從近到遠的順序為：現場→HMI→BAS→OCC，距離控制設備越遠的操作地點，都需要更多的通訊接口，更遠的通訊電纜來實現控制命令的下發。很顯然，距離控制設備越近則故障率越低，可靠性越高，所以操作權限高低的劃分原則為從最底層到最上層，即：現場>HMI>BAS>OCC（圖3），對于HMI的操作權限管理，為了方便各系統各端的安全操作管理，大系統和隧道通風系統分別各設定一個權限標志位，小系統為每個端設定一個權限標志位。

3.2 縝密的優先級控制

每個設備都分為三種控制方式（圖4），即現場手動控制、單設備自動控制、模式自動控制，正常情況下所有系統的設備都要處于模式運行，所以模式自動運行的優先級高于單設備自動控制，當某個單設備需要現場手動檢修維護時，為了不退出模式運行，此時該單設備的控制優先級高于模式。因此，對于系統和設備來說，控制優先級為：單設備自動控制<模式自動控制<現場手動控制。

3.3 智能化的聯動控制

當聯鎖風閥全關時，聯鎖風機不能啟動;當聯鎖風機運行時，聯鎖風閥不能關閉（圖5）。國內項目常規做法是將全關和運行信號分別串入聯鎖設備控制回路達到聯鎖的功能，當PLC關閉風閥或啟動風機失敗時，采用動作超時警告或提示聯鎖設備狀態。由操作員自行操作滿足聯鎖設備的狀態控制流程（圖6）。

為了簡便操作流程和減少系統過多的警告，此項目創新做法是智能化聯動控制功能，即當操作指令為啟動風機時，PLC自動判定相關聯鎖風閥的狀態，如果聯鎖風閥未全開，則自動打開風閥后再啟動風機;當操作指令為關閉風閥時，PLC自動判定相關聯鎖風機的狀態，如果聯鎖風機在運行，則自動停止風機后再延時關閉風閥（圖7）。

3.4 方便用戶直觀的監視系統內所有設備狀態

系統設備的狀態采用了友好的人機界面，在一個畫面以標準的色彩、旋轉、閃爍動畫來表示設備的各種狀態，不用對畫面作二次點擊就可以把系統內所有設備的運行狀態看的一目了然（圖8）。

3.5 人性化的操作流程

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

4 結束語

成都地鐵1號線在國內是首條將BAS系統結構改為分級控制，環控系統交由下一級PLC控制，強化了環控系統設備的專業控制，提高了BAS系統和環控系統的開發效率，現場調試周期。1號線的17個車站在具備調試條件后，環控系統僅用35天，BAS系統也僅用60多天就完成了現場調試。由于環控系統的先進的、標準的PLC程序設計，使所有車站的PLC程序和HMI組態，從沒有發生任何軟件故障。同時，成都地鐵1號線也是國內首條一直將BAS系統和環控系統投入自動化控制的地鐵線路。成都地鐵2號線也成功運用1號線的先進經驗順利投運。相信成都地鐵后續線路也不會辜負成都人的期盼，將高效、高質的投運，從而加快成都城市軌道交通建設的步伐。