地鐵“風- 水”聯動智能化節能控制系統架構的淺析

薛婷婷

（上海申通地鐵集團有限公司，上海200000）

1 概述

根據現有軌道交通運營線路的能耗統計數據分析，牽引用電及通風空調動力用電是軌道交通機電各系統中的主要能耗單元，其中牽引用電約占機電總能耗44.39%，通風空調動力用電也占到30.29%左右，而其他系統能耗均不足10%。特別地，在車站常規機電系統能耗中，通風空調動力用電更是主要能耗單元，占到常規機電系統總能耗的60%左右。由此可見通風空調是軌道交通中的用電大戶。

在車站通風空調系統的設計中，冷水機組、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔風機、送排風機的設備選擇通常是按照地鐵運行遠期最大負荷選擇的。在空調季節中，系統長期在固定的最大水流量和最大風量下工作，由于季節、晝夜、客流量不同情況下負荷的不斷變化，通風空調最大冷負荷的出現時間較短，絕大部分時間車站通風空調系統都是在部分負荷條件下運行[1]。

隨著地鐵運營線路的增加，地鐵的能耗也隨之增加。面臨車站每天巨大的電力能耗，地鐵系統節能降耗勢在必行。那么如何在保證滿足站廳和站臺的舒適度要求的前提下，盡可能的節約能耗，降低運行費用，是地鐵通風空調系統必須要研究的問題[2]。

2 地鐵通風空調系統的現狀

上海新建線路地下車站采用站臺設置屏蔽門的通風空調系統，系統主要由5 個子系統組成：（1）車站站廳和站臺公共區通風空調系統，原則上兼排煙系統（簡稱大系統）；（2）車站設備管理用房通風空調兼排煙系統（簡稱小系統）；（3）空調冷源及水系統（簡稱水系統）；（4）區間隧道（含輔助線）通風系統兼排煙系統（簡稱區間隧道通風系統）；（5）車站車軌區排熱兼排煙系統（簡稱車軌區通風系統）[3]。5 個子系統既相互獨立又密切關聯，子系統存在兼顧2 種功能要求的情況，這些兼用設備如何在最佳工況點運行并且不影響突發情況（如火災工況）下的功能實現至關重要，這也是地鐵通風空調系統節能運營的前提。

目前樓宇中的群控技術已經非常成熟，可以實現風和水的變頻控制策略有多種，都可以實現節能控制[4]。現在在地鐵建設工程實施過程中，存在的問題主要集中在如何將風水聯動控制系統融入到傳統的地鐵設備監控系統（EMCS）的架構中。

3 風水聯動節能系統架構的分析

地鐵通風空調系統中，變頻運行的節能技術措施主要使用于大系統，大系統、水系統。實施變頻運行的設備包括大系統的排熱風機、組合式空調箱、回排風機、空調新風機；小系統的空調箱、回排風機；水系統的冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵；還包括各類調節閥和溫度、流量、壓差等現場傳感[5]。

在筆者參與的項目中，考慮將風水聯動節能系統納入地鐵設備監控系統（EMCS）,作為其一個子系統設置，本文針對如何將風水聯動節能系統納入到設備監控系統的架構中，進行了三種方案的對比分析，討論各個方案的優缺點，并提出優化方案。

3.1 方案一：風水聯動系統控制路徑最簡方案

3.1.1 風水聯動系統架構

3.1.1.1 風系統：環控電控室設智能控制箱，與風系統各終端設備連接采集設備參數數據，各智能控制箱通過網絡連接至車站風水聯動集中控制柜，集中控制柜通過計算分析下發控制策略，智能控制箱接收控制策略進行參數計算并將指令下發至各終端設備。

3.1.1.2 水系統：環控電控室設水系統智能控制柜，與水系統各終端設備連接采集設備參數數據，各智能控制箱通過網絡連接至水系統中央控制柜，同時，現場設有控制箱，接入各類傳感器及水閥，采集溫度、濕度、水流量等參數匯聚至水系統中央控制柜，水系統中央控制柜與車站集中控制柜通信連接，便于整個控制策略的完善，從而起到車站整體節能。

3.1.2 系統總體架構

EMCS 系統PLC 與風水聯動智能控制系統通過RS485 通信線連接，實現數據通信、信息互通功能。風- 水聯動智能控制系統進行節能控制。系統架構如圖1。

圖1 方案一系統架構圖

3.1.3 各工況下系統運行關系

3.1.3.1 在正常工況下，EMCS 下發節能控制指令，風水聯動智能控制系統獨立運行，各智能控制箱及現場控制柜采集數據，通過風水聯動控制系統設置的總線傳至車站集中控制柜，車站集中控制柜下發控制策略，相關風系統、水系統接收指令動作，在需要調節風閥的情況下，EMCS 接收風水聯動控制系統指令，對閥門進行操作。

3.1.3.2 當火災工況觸發時，FAS 系統按原有方式向EMCS 系統發送模式指令，由EMCS 系統將模式指令傳送給“風- 水”聯動智能控制系統，“風- 水”聯動智能控制系統再傳送指令至水系統變頻控制柜或配電控制柜進行執行。

在EMCS 系統故障或通訊故障時，車控室的IBP 盤可直接對受控設備的變頻控制柜或配電控制柜發送硬件指令，此時火災指令不經過“風- 水”聯動智能控制系統。

3.1.4 系統分析

3.1.4.1 優點。風水聯動系統能夠直接與參與變頻節能控制的設備、現場傳感器進行連接，以便保證節能變頻控制精度，該方案風水聯動系統控制路徑比較直接簡單，工程界面劃分較為清晰，工程實施及調試也相對簡單易行。在EMCS 確定運行工況模式并允許的情況下，風- 水聯動智能控制系統可獨立實現全部的空調節能控制功能。

3.1.4.2 缺點。火災工況下，EMCS 需要通過風水聯動節能系統將火災指令傳至風機終端，中間多出一個環節，控制故障點增多。

3.2 方案二：優化架構方案

3.2.1 系統架構

風水聯動控制水系統部分不參與火災工況，因此，水系統變頻還是由風水聯動直接控制。風系統的終端設備均接入EMCS 的遠程模塊箱中，見圖2。

3.2.1.1 公共區通風空調設備。公共區通風空調設備包括大系統組合空調機組、回/排風機。節能運行時，由EMCS 確定運行工況，風- 水聯動智能控制系統進行策略運算，并通過與EMCS 的通信接口，將運算接口需進行的操作發送給EMCS，由EMCS 最終實施控制。

3.2.1.2 軌行區排熱風機。排熱風機與公共區通風空調設備類似由EMCS 確定運行工況，風- 水聯動智能控制系統進行策略運算，并通過與EMCS 的通信接口，將運算接口需進行的操作發送給EMCS，由EMCS 最終實施控制。

3.2.1.3 設備及管理用房通風空調設備。設備及管理用房通風空調設備包括小系統空調送風機、排風機，本方案風- 水聯動智能控制系統不對其進行直接控制，而是通過EMCS 實現控制。正常情況下，由EMCS 確定運行工況，風- 水聯動智能控制系統進行策略運算，并通過與EMCS 的通信接口，將運算接口需進行的操作發送給EMCS，由EMCS 最終實施控制。

3.2.1.4 水系統。水系統主要設備包括冷水機組、冷凍、冷卻水泵、冷卻塔等，接口位置在冷水機組通信接口、冷凍、冷卻水泵變頻柜、冷卻塔環控柜處，均接入風- 水聯動智能控制系統。正常情況下，由風- 水聯動智能控制系統進行監控與節能調節；火災情況下，由于水系統設備均為三類負荷，可由車站FAS 實現電源的切除。

3.2.2 各工況下系統運行關系

3.2.2.1 正常工況下，風系統變頻是RIO 模塊箱采集各設備數據，通過與EMCS 的通信口，實現通信傳輸，EMCS 通過總線連接至風水聯動節能控制模塊，風水聯動系統通過設備的數據及自己采集到的傳感器數據進行計算，將控制策略下發至EMCS 系統，實現設備調控。

常規水系統設備冷凍水泵、冷卻水泵變頻柜、冷卻塔馬達保護器均為通信接口，并由智能低壓PLC 整合后統一提供給EMCS。該方案中，水系統設備均接入風- 水聯動智能控制系統，上述設備無需智能低壓PLC 進行整合，由風- 水聯動智能控制系統直接接入。

圖2 方案二系統架構圖

圖3 方案三系統架構圖

3.2.2.2 火災工況下，FAS 系統下發模式指令，通過EMCS 系統實現設備聯動。風水聯動智能控制系統不參與火災工況。

3.2.3 系統分析

3.2.3.1 優點。火災工況下，FAS 下發火災指令，EMCS 可直接控制參與火災運行的終端設備，安全可靠性較高。

本方案中EMCS 與風- 水聯動智能控制系統功能適度融合，可減少部分風- 水聯動智能控制系統模塊數量，可相應節省部分投資。

3.2.3.2 缺點。節能控制功能的實現需EMCS 與風- 水聯動智能控制系統協同完成，系統數據流較復雜，控制環節相對較多。

由于EMCS 與風- 水智能控制系統部分功能融合，兩個系統的調試、驗收以及后期維護的責任界面劃分較困難。對施工管理要求較高，后期施工需加強該環節的管理。

3.3 方案三：理想方案

3.3.1 系統架構

風水聯動智能控制系統作為EMCS 系統的子系統，所有參與風水聯動的終端設備均接入EMCS 的遠程模塊箱中，在環控電控室的PLC 柜內增設一套風水聯動算法服務器，通過通信口與EMCS 系統PLC相連，所有設備參數均由EMCS 采集后交由算法服務器計算并提供控制策略，再交由EMCS 系統下發指令實現節能。

EMCS 系統PLC 與風水聯動智能控制系統算法服務器通過RS485 通信線連接，實現數據通信。

所有車站設備均接入EMCS 系統中，風水聯動智能控制系統與現場終端設備無直接接口。系統架構如圖3 所示。

3.3.2 各工況下系統運行關系

3.3.2.1 正常工況下，風水聯動智能控制系統運行，EMCS 系統RIO 采集設備數據，通過EMCS光纖環網上傳至冗余PLC，通過與風水聯動控制系統通信接口傳至算法服務器，算法服務器進行計算并下發控制策略，EMCS 接收指令，下發至相關風系統、水系統設備及閥門，同時EMCS 接收反饋信號，返至風水聯動智能控制系統，相關的溫度傳感器、水流指示器等均與EMCS 相接，由EMCS 提供給風水聯動智能控制系統。

3.3.2.2 火災工況下，FAS 系統下發模式指令，通過EMCS 系統實現設備聯動，風水聯動智能控制系統不參與火災工況。

3.3.3 系統架構分析

該方案是EMCS 系統可以直接進行計算后，進行變頻調節，相較于現有的地鐵EMCS 系統，無需新增機柜設備，算法服務器安裝在環控電控室PLC 柜內，硬件方面僅是增加了一些傳感器及水閥。

理想的方案架構簡單，不僅節省了設備投資及設備用房的房間面積，而且在火災工況下的兼用風機不存在兩個控制主體的危險，更加安全可靠。

4 結論

本文對比了三種風水聯動系統的架構方案，從運營安全可靠性方面，方案一欠佳，方案二和方案三較為安全可靠。從工程可實施性方面，方案一和方案二目前可實施性強一些，方案三牽涉到學科交叉，需要EMCS 和風水控制算法深度集成，目前工程案例較少。從節省投資方面，方案三優于方案二，方案二優于方案一。

綜上分析，方案二在可實施性和投資方面綜合較優，目前工程實施考慮采用方案二。希望往后工程在不斷總結工程經驗及實踐的過程中實現方案三。