BAS系统在地铁环境控制中的应用及实现

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　1、概述

　　广州地铁一号线共有14个地下车站、2个地面车站和一座地铁控制中心（OCC）大楼，全长18.6公里，采用了集散控制系统（DCS）对地铁全线环控设备及其它车站机电设备进行集中监控，由于引进了楼宇控制概念，地铁车站设备监控系统亦被称为BAS（Building Automation System）系统。广州地铁一号线采用美国CSI公司的I/NET2000系统对全线环控系统进行监控，并对全线车站的扶梯、给排水设备、应急电源进行监视报警。

　　2 、BAS系统在地铁环控中的作用及功能

　　2.1. 地铁BAS系统在地铁环控中的主要作用：

　　控制全线车站及区间的环控及其它机电设备安全、高效、协调的运行，保证地铁车站及区间环境的良好舒适，产生最佳的节能效果，并在突发事件（如火灾）时指挥环控设备转向特定模式，为地铁乘车环境提供安全保证。

　　2.2. 广州地铁一号线BAS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）接收地铁防灾系统（FAS系统）火灾接收报警信息并触发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 、BAS系统对环控设备的监控原理及内容

　　3.1. 环控系统组成：

　　大系统——车站公共区（站厅/站台）通风空调系统；

　　小系统——车站设备用房通风空调系统；

　　水系统——地下站冷水机组系统；

　　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。

　　3.2. BAS系统监控点数的配置：

　　以陈家祠站为例，纳入BAS监控的环控设备总数约100台（包括风机、风阀和水系统设备等），环控监控总点数约430点（包括温湿度等参数检测约60点），车站监控点数分布情况如下：

　　（1） 隧道通风系统 ：BAS系统对4台隧道风机及联动风阀、两台推力风机和组合风阀进行监视控制，监视风机过载故障报警信号，检测两端隧道入口温湿度，共计点数DO 20点、DI 28点，AI 8点

　　（2） 车站大通风空调系统：BAS系统对空调机、新风机、回排风机及联动风阀和调节风阀等设备进行监视控制，监视风机过载故障报警信号，检测新/排/混/送风及站厅/台温湿度，控制组合风柜出水二通阀开度来调节空调器送风温度，共计DO 44点、DI 72点，AI 30点、AO 4点

　　（3） 车站小通风空调系统：BAS系统对空调机、送/排风机及联动阀、调节阀监视控制，检测设备/管理用房温湿度，控制小空调器出水二通阀开度来调节相关设备房的温度，共计DO 41点、DI 41点，AI 17点、AO 3点

　　（4） 车站水系统：通常情况，每个地下车站配有两台离心机组和一台活塞机组（匀由美国开利公司提供），对离心机组BAS系统仅发出起停命令，其相应水泵、冷却塔、蝶阀的联动控制由机组SM模块完成，BAS系统仅负责监视状态及故障。活塞机组由于不具备该模块，其总控及水泵、冷却塔、蝶阀的联动控制由BAS完成。检测必要的水系统参数，如冷冻/冷却水水温，冷冻水回水流量，供/回水压差等参数作为水系统控制计算依据。共计DO 14点、DI 49点，AI 8点、AO 1点，同时BAS系统设有开利冷水机组DATAPORT的高级数据接口，接收三台冷水机组的运行数据。

　　（5） 其它：扶梯、给排水、紧急照明共计DI 54点、DO 2点，AI 1点。

　　3.3. 对环控设备监控内容配置的几点注意事项

　　在监控点的编制上，合理、全面的监控点数的编制可以使系统监控功能更加完善，软件编程更加简单、合理、可靠。根据广州地铁一号线的经验，应注意以下几点：

　　（1） 在广州地铁一号线，每台环控设备带有BAS系统中“就地/远方”，“环控/车控”两个转换开关，分别位于设备现场和环控电控室。由于设计上的点数限制（每站10个手/自动信号），BAS系统仅对隧道风机，大系统空调机、送排风机等重要设备的“就地/远方” 转换开关进行监视，并将部分设备的“就地/远方” 转换开关信号进行合并，如空调机手/自动信号为车站一端两台空调机的“就地/远方”并联信号。因为BAS系统无法获知设备的具体控制权限，控制带有一定的盲目性，因此很有必要在BAS系统中对所有环控设备“就地/远方”和 “环控/车控”转换开关的位置进行监视，确保控制的合理性和可靠性；

　　（2） 在对电动风阀（包括蝶阀）的控制中，一号线为节省监控点数，采用了一个输出点的中间继电器常开、常闭接点来控制风阀（水阀）的正转和反转；并仅用一个DI点检测风阀全开信号。这种单DO，单DI 的监控方式使BAS不能依据设备的动作情况撤消输出命令。输出信号的长期存在，给设备的正常运行造成了故障隐患，增加了软件编程的难度：如当系统模式工况转换过程中时，风阀进行开关转换，相应风机由于无法获知风阀是否处于转换过程中而被迫关停无须动作的风机。因此，对于该类设备的监控仍应采用2个DO点分别控制开和关以及使用2个DI点检测风阀开到位和关到位信号，以表示全开、全关、中间状态。

　　（3） 冷水机组若本身带有自动控制功能，如离心机组，可考虑BAS仅负责总的起停命令，相关水泵等设备BAS系统仅负责监视。并设置数据接口接收对冷水机组运行数据，对机组运行集中科学管理。同时尽量减少检测参数的重复设置（如地铁一号线，BAS同活塞机组同时设置水流开关）以简化控制，节省投资。

　　（4） BAS系统在车站级设有同FAS系统的数据接口，FAS系统将经确认后的火灾分区信号通过数据接口送BAS系统接收，BAS系统在接收到FAS系统火灾报警信号后启动相应的火灾模式。对于地铁而言，由于车站级火警信息量不是很大（广州地铁一号线每站约30个火警信息），除通过数据接口外还可考虑通过硬线（I/O）连接的方式完成，使用硬线I/O方式连接替代通信接口的使用，可增加系统的可靠性，降低接口开发的费用。但硬线I/O连接同时增加了输入输出模块，因此具体的连接方式可根据实际情况进行选择。

　　（5） 关于防火阀的监控，因属消防设备，广州地铁一号线将其纳入FAS系统进行监控，但作为环控系统的组成部分，出于控制系统完整性的考虑，亦应纳入BAS系统监控范围，根据实际情况，可考虑以下几种方式。

　　①完全纳入BAS系统，由BAS系统进行防火阀监控。

　　②通过BAS/FAS数据接口或硬线接口，通过FAS系统进行防火阀的监控

　　③BAS、FAS均对防火阀进行监控——需设置控制转换开关。（香港地铁便采用该种方法）

　　4、 地铁车站设备监控系统（BAS）的系统构成及网络配置

　　4.1. I/NET2000系统的主要特点：

　　（1） 采用分层局域网（LAN）技术，可实现几点到十万以上点的控制网络，车站间采用以太网（TCP/IP协议）通信，车站级主网（CONTROLLER LAN）采用令牌总线网络通信，子网（SUB LAN）采用轮询（MASTER/SLAVER）方式通信。

　　（2） 灵活的输入/输出配置，PCU、UC输入点可在软件中配置为AI、DI、PI等，对于模拟量输入可通过跳线的设置，接收0~20mA、0~5v、0~10v 、RTD温感等多种信号。

　　（3） 编程组态采用点的概念，直接在控制点上完成逻辑、数学及其它控制算法，组态方式简单灵活。

　　（4） 作为典型的楼控产品，提供多种节能控制程序模块，如自适应最佳起停控制，自整定PID算法、死区控制算法等。

　　4.2. BAS系统网络结构

　　广州地铁车站设备监控系统分中央级、车站级、就地级三级对环控设备及其它机电设备进行监控，系统网络图如下：

　　PCU：过程控制单元，8输入8输出，可扩展至32输入或16入16出

　　UCI：单元控制器接口，可下带最多32个单元控制器UC，采用主从通讯方式进行通信，监控点数可多达512点

　　MPI：模拟屏驱动接口

　　HLI：高级数据接口

　　图1 BAS系统网络结构图

　　通常在车控室放置3块UCI，其中两块UCI分别负责监控车站两端的环控设备并实现环控电控房模拟屏控制功能，另外一块UCI负责站厅/台和部分设备用房温湿度检测并接收FAS火警信号以及对车控室模拟屏以及其他系统（扶梯，给排水等）设备的监控。

　　冷水机房设置一块PCU负责对冷水机组进行监控；每端空调机房设置一块PCU检测风室及设备/管理用房的温湿度，并负责控制空调机出水二通阀的开度。每端环控电控室设置2~4块PCU辅助UCI对本端环控系统进行监控。 BAS系统在车站设置有与FAS及冷水机组的数据接口HLI，用来接收第三方设备的数据。

　　4.3. 中央级局域网的配置

　　中央级设置工作站及备份站各一套，工作站同备份站实现以太网级别的热备。OCC局域网有与信号ATS及通信主时钟的数据接口及模拟屏一块，网络配置如下：

　　图2 BAS系统中央级网络配置图

　　由图2可见，OCC中央级除负责接收通信系统时间同步信号外，在OCC局域网中还连接有与ATS数据接口HLI以及模拟屏设备，并通过中央工作站（PC机）将数据传输到BAS以太网上，同其它车站级BAS系统进行数据交换。需要指出的是：正常情况下，所有隧道通风模式由连接在中央级局域网上的BAS控制器根据ATS列车阻塞信号或人工指令，进行计算确定，并通过以太网下发环控模式指令号到相关车站，再由相关车站BAS控制器指挥相关设备正确动作。当该工作站死机或故障时，则模式无法正确下达，只能由相关车站通过就地模拟屏超弛控制，影响了事故情况下的反映速度。由于隧道通风涉及乘客人身安全，对隧道通风模式正确及时执行有很高的要求，因此BAS系统中央级局域网应通过专门网关（交换机）或服务器连接以太网。

　　4.4. 车站模拟屏的设置：

　　作为紧急情况下、或BAS工作站故障情况下的紧急后备操作手段，广州地铁一号线分别在每站的车控室和两端环控电控室设置了地图式模拟屏。模拟屏的操作主要以执行区间事故及车站火灾模式为主，模拟屏的设置应遵循以下原则：

　　（1） 模拟屏应突出隧道区间及车站事故运行模式下的执行，模式执行完毕或执行失败应有相应的反馈指示。

　　（2） 带有钥匙转换开关。可以对工作站、车控室模拟屏、环控电控室模拟屏操作权限进行转换，保证控制命令由唯一的地点发出。

　　（3） 模拟屏是以按键来触发相应模式的执行。作为紧急操作手段，模拟屏应具有超弛其他控制指令的能力，例如，当操作站软件设定设备控制方式为单控（点对点控制）而非程序（模式）控制时用模拟屏执行的模式指令应能超弛该单控命令，为此模拟屏控制模式软件算法应独立于操作站模式软件算法。在系统软件中要考虑该部分软件资源的配置。

　　（4） 最好配置独立于主控制器的的模拟屏控制器，同主控制器共享I/O，增强紧急控制的可靠性。

　　5、 环控工艺模式的实现

　　根据季节、负荷、突发事故（火灾、列车阻塞）等情况，环控专业制定了大量的环控模式，控制环控设备在不同的条件下运行不同的工况模式。包括大系统、小系统、水系统和隧道通风等环控工艺模式，以陈家祠为例约有环控工艺模式近百个。

　　5.1. 硬件配置

　　系统主要采用两种控制器完成环控系统的控制工艺流程，即PCU和UCI，以下是其主要性能：

　　（1） 过程控制单元PCU：多达640个点地址可自由组态，包括软件内部点（Internal points）和间接点（Indirect points），提供最多可扩展至96K的用户程序存储器，提供布尔逻辑、时间表、节能算法等扩展功能供软件编程组态，并且提供多种DDC控制算法模块如：事件（Event sequence ）、PID、浮点控制（Floating）等；

　　（2） 单元控制器接口UCI：总共640个地址空间可自由组态，提供24K用户程序存储器，具有布尔逻辑、时间表、节能算法等扩展功能供软件编程组态。

　　由于地铁环控工艺复杂，模式工况众多，在系统配置上要充分考虑控制器CPU资源和内存资源的配置，留有充分的裕量。在广州地铁一号线BAS系统中，由于大部分环控设备主要由本端的UCI进行控制管理，造成UCI超负载工作，（部分UCI内存占用率高达80%以上，CPU负载最高达95%以上），降低了设备运行的可靠性，同时一些优化控制算法也受制于资源分布而难以实现。此外这种把几乎全部监控功能集中于UCI的做法也不符合DCS系统风险分散的原则：当一个UCI发生故障将会导致BAS系统对车站一端环控设备的控制瘫痪，最好应考虑大、小系统及隧道通风系统各自使用独立DDC控制器（即UCI）进行控制。

　　5.2. 设备基本保护与自动模式的实现

　　以车站大系统为例，环控系统设备如下图

　　图3 陈家祠站A端大系统原理图

　　通常，环控设备低压二次回路设计只考虑单体设备的保护联锁要求，即风机同其联动风阀的联锁，因此需要BAS系统从系统出发考虑设备的保护和优化运行，广州地铁一号线主要考虑的方面有以下几点。

　　（1） 确保环控模式风路的畅通

　　（2） 当设备故障时可及时启动备用设备

　　（3） 环控主/备用设备应平衡运行

　　（4） 避免设备的频繁动作

　　（5） 优化开关机顺序

　　以陈家祠站A端大系统空调器（图3）为例，程序逻辑关系如下：

　　if S3-1 or S3-2 is not run &（Runtime （S3-1） — Runtime （S3-2）>0）

　　then output （Runtime change）=1

　　if S3-1 or S3-2 is not run &（Runtime （S3-1） — Runtime （S3-2）<0）

　　then output （Runtime change）=0

　　if S3-1 or S3-2 is run

　　then Runtime change not change

　　*以上求得Runtime change逻辑值

　　if mode（LD<50%） & （~Runtime change） | mode（LD>50%）

　　then output （ S3-1 mode=1）

　　if mode（LD<50%） & Runtime change | mode（LD>50%）

　　then output （S3-2 mode=1）

　　*设备平衡运行 if S3-1 mode | （S3-2 mode & any S3-2 associated equipment in fault） & not any S3-1 associated equipment in fault *故障转换

　　then output （ S3-1 Call=1） if S3-2 mode| （S3-1 mode & any S3-1 associated equipment in fault） & not any S3-2 associated equipment in fault *故障转换

　　then output （ S3-2 Call=1）

　　if S3-1 Call & all associated damper is open *检测风路

　　then start S3-1 *开启S3-1

　　if S3-2 Call & all associated damper is open *检测风路

　　then start S3-2 *开启S3-1

　　说明：& ——逻辑与；| ——逻辑或；~ ——逻辑非

　　mode（LD<50%） 表示所有负荷小于50%的工艺模式，即开单台空调机的模式

　　通过以上例子，可以看出广州地铁在实现环控设备程序控制主要从以下几方面考虑设备基本运行要求：

　　（1） 将模式的主备用转换变为单体设备的转换，合并备用模式。减少了模式转换的频率，提高了模式执行的效率。

　　（2） 在设备未运行时，通过主备用设备运行时间的比较，决定下次模式执行时开启哪一台设备（包括联动风阀），设备开启后，该值保持不变，避免运行中的设备转换。

　　（3） 对设备的故障情况进行实时检测，若有自身设备故障或相关设备故障，则启动另一台备用设备。故障信号为设备过载故障与命令/反馈不一致和超时故障的逻辑或。

　　（4） 对该模式风路上相关风阀及设备进行检测，待相关风阀全部到位，风路畅通后，才输出命令启动现场设备。

　　（5） 在模式启动过程中应尽可能先开空调机，后开送风机，关机则顺序相反，以避免启动中风机有可能出现的过流，保护设备的合理运行；出于保护设备考虑，风机关闭后应尽能按需要延时一段时间再关闭联动风阀。

　　（6） 若该工艺模式本身无备用模式，当模式中由于某台设备无法动作，模式正常执行时，可考虑转入指定模式或关停该模式，以避免设备长期不平衡运行对设备造成的损害。

　　6、 环控工艺模式的判定与执行

　　由于广州地铁环控系统设计为定风量系统，因此BAS系统控制的重点不在于调节而在于环控工艺模式工况的选择判断上。下面以车站大系统和水系统的正常运行模式为例，对地铁环控工艺的自动执行做进一步的说明：

　　6.1. 车站大系统工艺模式自动判断的实现

　　大系统正常工艺模式的自动判定执行主要依据如下条件：①依据室外温度判定大系统执行空调或非空调季节模式②依据车站内外空气焓值的比较判定全新风或小新风模式 ③依据车站负荷情况判定执行负荷大于50%模式或小于50%模式 4）依据时间判定夜间或白天模式。图4为正常运行自动模式判断执行流程。

　　（1） 正常运营时间划分为三段：夜间、预通风时间、正常运营时间三段，全线BAS控制器通过主时钟获得时间同步，确保全线时间表统一。

　　（2） 空调季节采用外界焓值与送风设定焓值的比较判定。当外界焓值大于设定焓值时，即进入空调季节，为避免空调季节频繁切换导致模式的频繁转换，判断条件采用死区控制，并限时转换（如至少20分钟方能转换一次）。全新风及小新风工况选择使用外界焓值同站厅/台平均焓值相比较来确定，同样采用限时转换，并且全/小新风工况选择和空调/非空调季节选择使用统一的限时计时器，以确保同步转换，减少设备动作频度。

　　（3） 车站负荷判定采用水系统分水器温度（冷冻水出水温度）判定，采用死区7.5℃~8.5 ℃控制，非空调季节则默认执行车站负荷>50%模式工况。

　　（4） 环控工艺模式可通过人工选定及自动判定执行来实现。通常环控工艺模式由BAS系统根据计算结果自动判定执行，同时设置手动模式，以便特殊情况下，人工强制选定模式，在灾害状况（如火灾），则优先执行火灾模式（须人工确认后方可执行，以防止误动作）。

　　图4 大空调通风系统自动模式判断流程图

　　6.2. 车站水系统工艺模式的实现

　　BAS系统负责对车站三台冷水机组进行群控。当由BAS系统自动控制冷水系统时，根据以下原则选定水系统正常运行工艺模式：①依据时间表判定白天或夜间模式运行 ②依据室外焓值判定水系统是否进入空调季节运行 ③依据车站冷负荷判定开机数量。下图为车站水系统工况判定流程图：

　　图5 水系统工艺模式流程图

　　（1） 空调季节的判定与车站大系统相同的判定条件。

　　（2） 正常运营时间划分为三段：夜间、车站预冷时间、正常运营时间三段。夜间只根据重要设备房温度开启活塞机组，运营前车站预冷时间内首先开启两台离心机组30分钟后再进行车站冷负荷的判断。

　　（3） 根据环控要求，车站负荷判定采用水系统分水器温度（冷冻水出水温度）判定，当分水器温度高过某定值开启两台离心机组，低过该值时则仅开一台离心机组，该值采用死区控制，广州地铁一号线初定为7℃~9 ℃。

　　（4） 为保护设备，避免冷水机组频繁动作，设定冷水系统模式最少运行时间（如至少90分钟方能转换一次）。

　　6.3. 风系统与水系统的协调运作

　　BAS通过调节每台空调机冷冻水出水二通调节阀开度调节空调机送风温度，同时该二通阀兼做水系统工况转换水阀，根据空调机开启情况和水系统运行模式来输出相应控制开度或者关闭二通阀，保障风系统和水系统的协调动作。大系统车站负荷和水系统负荷情况均由冷冻水出水温度值来判定，广州地铁初定大系统负荷判定为7.5℃~8.5 ℃设置死区控制，水系统为7℃~9 ℃设置死区控制，为避免当风系统运行在小于50%工况时，水系统运行在大于100%工况（7℃~7.5℃）时，水系统冷负荷过低造成冷水机组跳机，大系统负荷判定加入冷水系统模式执行条件，如图6：

　　曲线1 ：开启单台离心机组时大系统负荷判定曲线

　　曲线2 ：开启两台离心机组大系统负荷判定曲线

　　图6 大系统负荷判定曲线图

　　为保证风、水系统的协调运行，水系统与大系统采用统一的空调季节判定条件。同时由于大系统、水系统的工况转换限时计时器不同（大系统为20分钟，水系统为90分钟），存在冲突的可能性，因此，风系统工况转换时要考虑到水系统的运行工况。

　　7、 结束语

　　由于地铁环控系统的复杂性和特殊性，对车站设备监控系统的控制要求往往同一般楼宇自动化系统区别很大，在硬件的配置和软件功能上有其特殊的要求，因此，在今后的地铁建设中，要根据地铁的实际情况，合理配置系统，完善系统功能，最大限度的提高地铁环境控制系统的自动化水平。