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基于施耐德PLC的轨道交通环境控制解决方案

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1 引言

随着社会进步、城市规模不断扩大、人口密度迅速增加，交通拥堵日趋严重已成为制约城市经济发展的一大障碍。由于城市轨道交通具有运量大、安全正点、快捷舒适及污染小等特点，建立以城市轨道交通为主的城市交通系统是解决城市交通拥堵问题的重要途径。近几年国内的城市轨道交通建设正在快速发展，为了提高运输效率、保证行车安全及旅客舒适度等，必须建设一个满足调度运营的自动化监控系统。

2 轨道交通环控系统设计分析

2.1 轨道交通设备分类

由于轨道交通中机电设备种类繁多，且分布在沿线车站和区间中，许多地方在车辆运行时人员根本无法达到。而这些设备的正常运行又是轨道交通正常运行的基本保障。

(1) 按车站划分的轨道交通设备系统常规设备系统：0.4kv低压配电系统、给排水系统、环控系统、消防系统以及电扶梯系统。

(2)按照轨道交通全线划分的专业设备系统：信号系统、通信系统、接触网系统、自动售检票afc系统、屏蔽门系统、中压压供电系统(牵引、降压供电)。

如何对这些各自独立的设备系统进行全面、有效的监控和管理，创造一个安全、舒适的地下旅行环境，尤其是在火灾等灾害情况下或阻塞事故状况下，及时根据不同运行工况更好地协调车站设备的运行，实施抢险救灾，充分发挥各种设备合理有效的作用，以确保乘客生命安全和设备的正常运行，正越来越引起人们重视。bas环控(环境控制)系统的产生，正是满足了人们对上述设备监控的功能需求。

2.2 环控系统监控对象

环控bas系统主要监控对象包括隧道及车站的通风系统、空调大系统、小系统、冷水系统、事故照明、给排水系统、人防密闭隔断门等，监测公共区、设备区等地点的温度，并配置与屏蔽门、照明系统、自动扶梯、电梯、fas系统的数据接口，其具体的监控分类如图1所示，主要对象介绍如下：

(1) 大系统：车站公共区(站厅/站台)通风空调系统；

(2) 小系统：车站设备用房通风空调系统；

(3) 水系统：包括水泵、水塔、供冷、供暖、排污和排废等水的处理与监控；

(4) 隧道通风系统：执行隧道区间正常及紧急情况下通风排烟工况的环控子系统；

(5) 照明系统：根据时间表对照明电源进行控制、检测照明电源的开关状态、记录照明电源的使用时间、根据用户需求制定照明系统开闭表；

(6) 自动扶梯系统：bas对车站扶梯采用只监控的工作模式，bas将监视、记录扶梯的工作状态与故障状态，并统计扶梯的工作时间、检修纪录等信息。

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图1 轨道交通bas系统主要监控对象分类

2.3 环控系统主要特点

轨道交通是一类特殊的建筑，是由多个车站通过隧道连接成的一个整体。轨道交通系统大部分位于地下，是一个相对封闭的场所。内部空间较大，但与外界连通的开口相对较少，在车站和隧道内有大量的人流和车流。而且流量在不断地变化。从环控的角度具有以下特点：

(1) 受阳光，雨雪等外界气象条件的影响较小。

(2) 有显著的内热源。包括各设备系统散热、列车牵引、刹车系统散热，列车空调散热，人员散热等，是影响隧道及站台的热环境的主要因素。因此，南京轨道交通环境的主要问题是过热，而不是过冷，局部范围内设备散热量相当大，导致空调制冷效果受较大影响。

(3) 由于客流量的变化，内热源的强度也随之变化。其中既有以天，星期，年为周期的周期性变化，也有不规则的变动。

(4) 由于被厚土层覆盖，围护结构的蓄热量很大，热惰性明显。因此，热环境要经历一个长期的变化过程才能达到稳定。

(5) 列车在隧道内的高速运动会引起“活塞风”。活塞风的风量很大。在无屏蔽门系统，活塞风是车站通风换气的主要动力之一。但活塞风带来的负面影响也是明显的，由于活塞风将大量隧道空气及室外空气带人车站，车站空调负荷将比较大。

(6) 轨道交通内部的空间和发热量大，为了维持其热环境，环控系统的风机、制冷机、空调机容量大，由此引起设备初投资大和运行后能耗费用高等诸多问题。在轨道交通运营初期，环控系统能耗甚至超过轨道交通建筑物总能耗的30％，严重影响轨道交通的运营经济陛。因此，节能是轨道交通环控系统必须重点考虑的问题。

(7) 轨道交通的各种发热量及活塞风量与客流量、车流量直接相关，始终处于变化之中。环控系统的运行也会对出入口的风量造成影响，因此，轨道交通的实际热负荷很难准确预测。

(8) 由于轨道交通内部空间相对封闭，隧道内就更为狭窄。对于谋些单线隧道，列车与隧道间隙很小，人员难以通过。而目轨道交通客流量大，高峰时车内都相当拥挤，因此轨道交通一旦发生阻塞或火灾，人员难以疏散，必须在设计时对隧道通风事故予以充分的考虑。既要保证风向在不同地域的火灾时有利于人员疏散，又要保证排烟效果。

轨道交通环境的这些特点，使得轨道交通的环境控制不同于常规的建筑。其中既有有利的因素，也有不利条件。因此，在轨道交通环控系统的设计和运行中，要针对轨道交通的特点，在满足设备及人员对环境要求的基础上，采用合理的系统设计并进行科学的运行控制，实现最小的初期投资和最低的运行费用。

2.4 bas环控系统主要功能

(1) 监控并协调全线各车站及occ大楼通风空调设备、冷水系统设备的运行；

(2) 监控并协调全线区间隧道通风系统设备的运行；

(3) 对车站机电设备故障进行报警，统计设备累积运行时间；

(4) 对全线环境参数(温、湿度)及水系统运行参数进行检测、分析及报警；

(5) 接收轨道交通防灾系统(fas系统)火灾报警信息并触发bas系统的灾害运行模式，控制环控设备按灾害模式运行；

(6) 通过与信号ats接口接收区间堵车信息，控制相关环控设备执行相应命令；

(7) 紧急状况下，可通过车站模拟屏控制环控设备执行相关命令；

(8) 监视全线各站及隧道区间给排水、自动扶梯等机电设备的运行状态；

(9) 管理资料并定期打印报表；

(10) 与主时钟接口，保证bas系统时钟同步。

3 环控系统需求分析

3.1 典型环控项目简介

以南京轨道交通二号线一期工程为例，南京轨道交通二号线一期工程的环境与设备监控系统(简称bas或环控)包括0cc控制中心、维修中心及19个车站的站级bas。其中l7个地下站、1个地面车站、1座高架车站。该系统对南京轨道交通二号线一期工程19个车站的车站设备进行全面、有效地进行自动化监控及管理，确保设备处于安全、可靠、高效、节能的最佳运行状态，从而给乘客提供一个舒适的乘车环境，并能在火灾或阻塞等灾害状态下，更好地协调车站设备的运行，充分发挥各种设备应有的作用，保证乘客的安全和设备的正常运行。设置bas系统的目的、是以现代计算机技术、网络技术、自动控制技术、软件技术实现对车站各类机电设备的智能化控制，使得系统更安全、可靠、节省人力、物力、降低运营成本。bas应本着技术先进，投资合理，功能完善，组网灵活，运营管理方便和节能降耗的原则进行实施。

南京轨道交通二号线的bas系统组成中央级和车站级的两级管理体系，实现控制中心、车站、就地的三级控制功能。全线网络系统由19个车站及维修中心、occ控制中心组成。具体由设置在occ中央控制室bas设备、各车站综控室的bas设备、配电室、变电所等地的bas设备、现场bas设备组成。车站级的bas信息通过轨道交通通信系统的全线双冗余的骨干网传输至occ中央控制室，实现中央级功能。bas系统监视全线各类设备的运行状态，并根据人防门的控制工艺要求，对各隧道区间的水位报警，监视人防门的状态。

3.2 网络通用需求分析

bas设备监控系统主要由中央级、车站级和就地级的设备构成。bas中央系统位于行车调度指挥中心occ(operation control center)内，具有良好和灵活的人机界面。由双机热备的操作员工作站、冗余服务器及一些外围设备组成。工作人员可监视全线各车站的通风空调、给排水、电扶梯、照明、屏蔽门、人防隔断门、fas系统、ats系统、occ控制中心大楼设备运行状态，以及火灾等灾害情况或阻塞事故状态，并及时控制和处理。

在车站综合控制室内，由车站局域网构成。局域网内设有控制器、主要监控隧道及车站的通风系统、空调大系统、小系统、冷水系统、事故照明、给排水系统、人防密闭隔断门等，监测公共区、设备区等地点的温度，并配置与屏蔽门、照明系统、自动扶梯、fas系统的数据接口，同时在车站控制室设置紧急后备盘ibp(integrated backup panel)，其典型的车站bas系统的网络结构如图2所示。

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图2 轨道交通车站环控bas系统设备的典型网络结构图

bas车站局域网采用冗余工业以太网，通信速率为100m的物理接口。车站级局域网通过光口连接到通信系统所提供的接口上，实现车站级局域网与bas广域网的连接。

对于车站的服务器、工作站及其网络交换机不是本文探讨的重点，其具体需求和选型在这里就不加多以详述，下面，我们来分析车站级的冗余plc、ibp盘的plc及其远程i/o的具体需求描述。但总的要求就是所有的硬件设备要求具有防尘、防腐蚀、防潮、防霉、防震、抗电磁干扰和静电干扰的能力，保证在轨道交通环境中安全、可靠地运行。

3.3 主控plc需求

在南京轨道交通二号线环控系统中，在车站两端环控电控室内分别设冗余plc控制器及带控制器的i/o，集中监控车站被控机电系统各设备(包括区间射流风机、区间隧道风机、排热风机、回/排风机、空调新风机、组合式空调机组及相关风阀等)的运行状态和故障信号，接收车站的操作命令，并上传数据。两端的冗余处理器分别放置在车站两端的环控电控室内的plc机柜中。处理器带i/o模块，与环控电控室内被监控设备的硬线接口，在每端的plc柜中设置modbus通讯端口，完成与环控电控室内的被监控设备的通讯接口。每端的主控制器上设置两块块以太网卡，向上接入车站级100m以太网，实现数据的可靠上传与下发。主控冗余plc之间通过光纤进行通信，以实现主控冗余plc之间的冗余切换功能。

3.4 ibp盘的plc需求

在南京轨道交通二号线环控系统中，在车站控制室各设置一个ibp紧急后备盘，对于应急、备份和直接的操作要求，设置在ibp盘上，由相关人员根据具体情况及相应的操作规程进行处置。当车站各专业系统的设备发生故障时或紧急情况下，可通过ibp实现车站的关键控制功能。ibp在每个车站控制室为以下控制操作提供紧急操作功能。ibp为操作值班员提供常用设备的备用操作手段，保障设备的正常运转。

ibp作为排水泵、隧道通风系统、车站大系统、小系统在火灾模式或列车阻塞模式等的运行控制的紧急后备操作盘。当车控室工作站(由主控系统配置)出现故障时，可以通过综合后备盘ibp，手动紧急控制通风排烟设备按灾害模式运行。此外,ibp还根据ats、pa、pscada、afc、psd、fas等专业的要求提供的报警音响器件、控制按钮以及指示灯等元器件。

ibp盘的plc要求必需完成上述所提到的功能，并可以实现与车站的冗余网络进行互联。

3.5 就地级i/o的需求

在南京轨道交通二号线环控系统中，就地级设备控制由就地级控制箱、ri/o模块等设备组成，通过现场总线与车站的plc连接，实现对现场信号的采集、信号的转换和控制信号的输出。通过plc专用通讯模件，与具有智能通信接口的各个现场设备通过现场总线，实现数据的通讯。通讯协议为modbus或profibus现场总线。通过plc专用通讯模件，实现不同通信要求的转换，保证通信数据的实时采集和安全传输。

实现单台机电设备的就地控制，满足设备的现场调试和现场控制的要求。可对现场设备的状态进行数据采集、并将信号转换输送到上位控制系统，同时，执行控制器的控制命令，完成现场设备与控制系统的连接。

具有智能通信接口的各个现场设备通过现场总线和控制器相连接，实现数据的通讯与数据交换。采用各个通信接口模块，用以实现不同通信信号的数据交换要求，保证现场数据的实时采集和安全传输。实现对远离主控制系统的末端设备的信息采集和监督控制。

4 modicon plc的具体解决方案

4.1 施耐德plc简介

施耐德电气公司不仅是公认得可编程逻辑控制器plc的发明者，同时也是plc热备系统技术发明的拥有者。quantum通用自动化系统是专门面向过程控制而设计的通用的自动化系统平台,适用于轨道交通，电力，化工，建材等各行各业的工业控制和自动化领域中。quantum继承和发展了施耐德自动化modicon产品一贯的特点和优点，并且融入了当今最新的it技术和网络技术，具有结构灵活、功能强劲、使用简便、性价比高、集成度高、兼容性好,广泛的开放性等众多特点。

quantum系统已在国内外诸多行业中得到了非常广泛和成熟的应用，并在工业现场经过了长期、稳定运行，受到了广大用户的信任和称赞。quantum系统具有配置简单、接线方便、易于维护、隔离性好，结构坚固，抗腐蚀强，适应极其恶劣的工业环境。并且quantum所有部件均可带电热插拔，并且平均无故障时间均大于200000小时。

quantum 自动化平台提供多种形式的解决方案。单机架控制系统最大448个i/o点，多站点控制系统可配置网络服务功能，最大64000个i/o点。在通讯选件的支持下具有至工厂级和现场总线网络ethernet、modbus plus，profibus-dp，interbus等的连接性能。

使用unity pro软件的双机热备系统能够实现主备机之间平稳、无缝的切换。切换对于过程而言是透明的，系统对过程的监控不会中断，并且不会因为发生硬件故障而受到不利影响。quantum 模块的i/o站点在unity pro 软件编程环境中进行配置，使用unity pro 的双机热备系统因此能够减少停机时间，从而提高生产效率。

4.2 plc模件选型

我们根据根据在南京轨道交通二号线环控系统的要求，通过调研，根据南京轨道交通二号线的实际设计方案，选用了施耐德公司推出的modicon quantum 系列plc作为南京轨道交通二号线环控bas系统的plc组网方案。其具体的plc模件选型如附表所示。

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4.3 主控plc选型

根据南京轨道交通二号线环控系统对主要控plc的要求，其南京轨道交通二号线环控系统的主控plc的选型如图3所示。

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图3 主控plc的选型组成

4.4 ibp盘的plc选型

根据南京轨道交通二号线环控系统对ibp盘的plc的要求，其南京轨道交通二号线环控系统的ibp盘的plc的选型如图4所示。

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图4 ibp盘的plc的选型组成

4.5 就地级i/o的选型

根据南京轨道交通二号线环控系统对就地级i/o的要求，其南京轨道交通二号线环控系统的就地级i/o的选型如图5所示。

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图5 就地级i/o的选型组成

通过采用上述的modicon系列模件的选型，完成了南京轨道交通二号线环控bas系统的组网方案，并且该方案已经在具体的项目中被加以采用。

5 结束语

南京轨道交通二号线的环控bas系统，在总结国际国内先进轨道交通技术和南瑞以往轨道线路经验的基础上进行了改进和优化，采用了施耐德公司推出的modicon quantum系列plc作为bas系统的组网方案，实现了信息的共享和对轨道交通环控设备的实时监控。由于施耐德公司推出的modicon quantum 系列plc具有数据传输速度快、系统实现简单、可靠性高，易用性高等以上优点，该modicon quantum系列plc产品的已经在在北京地铁10号线环控bas系统、上海地铁6、8号线环控bas系统、广州地铁3号线环控bas系统等轨道交通线路均采用了modicon quantum 系列plc产品，现场运行状况十分良好。由于modicon quantum 系列plc以实现系统结构、服务、管理的最优化组合，最大限度地发挥设备的效能，减少硬件设备、管理人员数量，从而降低成本，可以预见，施耐德modicon quantum 系列plc必将在轨道交通环控系统中得到广泛的应用。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/25/2011)


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