地铁隧道防淹门控制系统的研究

刘 颖，张瑞龙，卢屹东，王开健

(中国建筑标准设计研究院，北京 100048)

根据《地铁设计规范》及《轨道交通工程人民防空设计规范》要求，对于穿河流或湖泊等水域的地铁工程，应在进出水域的隧道两端适当位置设置防淹门或采取其他防淹措施［1-2］。防淹门系统作为一种防灾设备应运而生，它能够在区间隧道突发事故时阻止水流进入地铁车站，保证地铁站内的人员和设备安全。防淹门系统采用自动控制，实现门体开关的自动化，提高控制效率，确保地铁车站防淹的安全性。

1 地铁防淹门控制系统原理

当地铁车站左线或者右线区间隧道水位报警时;当地铁区间隧道内水位上涨过快时，经信号系统确认可以关门，防淹门系统根据要求进行关门控制，以满足地铁防淹的要求。

当地铁区间隧道内发生水头≥3 m的极端紧急情况时，经信号系统确认可以关门，防淹门系统需要在90 s内自动完成整个门扇的关闭动作，以满足地铁防淹的要求。

当区间水位报警解除，根据地铁实际情况，进行开门控制，实现地铁的正常运营。

紧急情况下，可以按急停按钮，实现开门或者关门过程中防淹门的紧急停止。

隧道水位报警信息，将上传给综合监控系统;防淹门系统中的设备状态信息(如门开关状态，锁定装置开锁、闭锁状态)，也将实时上传给综合监控系统。以能实现综合监控系统对防淹门系统区间水位和设备的实时监控。

2 水位报警系统

区间水位报警，根据水位危险度情况，进行关门控制。水位报警系统核心设备为液位传感器，液位传感器放置于车站区间最低点——区间水泵房，液位传感器采用冗余设置，以防止误报、错报。水位报警为4个监控点，第1点预报警、第4点危险报警;中间两个点位为水位信息监测，当第1报警和第2报警点、或者第2报警和第3报警点水位上涨太快，系统也将发出危险报警［3，5］。

液位传感器选型时，考虑了浮球式液位开关和超声波液位计。综合两种设备性能，本方案选用浮球式液位开关作为水位报警信息系统。浮球式液位开关参数如表1所示。

表1 浮球液位开关参数

浮球液位开关和超声波液位器性能比较见表2。

表2 浮球液位开关与超声波液位计性能比较

综合上述比较，优先选用浮球液位开关，经济实惠、耐用、可靠、便于安装。

3 控制系统构成

3.1 控制系统设计、实施原则

(1)控制系统在保证可靠性的前提下，追求系统的先进性。系统的控制结构和配置采用国内外成熟的，应用广泛的典型控制设备。

(2)基本设计原则:技术先进、便于扩展、运营可靠、管理方便，节约投资。

(3)地铁空间狭小，设备繁多，各种管线纵横交错，电力牵引列车，随机干扰变幻莫测。设计和设备配置根据地铁的环境特点和气候条件考虑抗电磁干扰、防尘、防潮、防霉、防震等功能，确保系统运行可靠。采用的电气元件及设备外壳防护均满足工业防护标准。

3.2 控制系统方案(图1)

防淹门控制系统为一套相对独立的控制装置，分别设在车站防淹门控制室内，负责对本车站左线、右线隧道防淹门及其附属设备的运行状态监视、对水位传感器送来的水位信号进行比较和确认，并根据确认结果将相应的报警信号送到车控室并上送综合监控系统。

当需要进行关门控制，向信号系统发出请求关门信号，在接收到允许关门信号后，才可以人工下达关门控制指令。

防淹门控制装置分别对所管辖的防淹门进行关门和开门过程控制。

图1 防淹门控制系统

3.3 防淹门控制系统构成

防淹门控制室设置防淹门控制箱，每处闸门要求设1个就地控制柜，每个闸门控制柜内设1套独立的以PLC为核心的控制设备，以及电机控制设备接触器、断路器、接近开关、限位开关和继电器等。

控制系统核心设备PLC单元，包含电源模块、PLC CPU模块、DI/DO模块、通讯模块。

PLC设备采用Schneider高性价比中小型可编程控制器 Modicon M340系列产品，产品特点:结构设计紧凑精巧、安装空间要求低;功能强劲，具有多种功能的高效组合、存储及运算能力突出;维修便捷，支持热插拔;运行稳定可靠，安全，技术成熟，可使用在恶劣环境中。

DI/DO模块对防淹门系统设备状态信息进行监视，包括门体位置的开关状态、锁定装置的锁定和解锁状态等等;对液位传感器送来的水位信号进行比较和确认，危险时发出报警;对防淹门系统进行自动关闭、开启、停止控制。

同时，利用DI/DO模块实现防淹门与车站IBP盘及信号系统之间的硬线接口，即当需要关门时，防淹门系统向信号系统发出请求关门信号，当收到来自信号系统的允许关门信号后，人工发出关门指令。

关门、开门控制权限分为现场控制与远程控制。现场控制在就地控制柜内直接控制、远程控制为车站车控室IBP盘控制。现场控制和远程控制权限切换，是通过现场控制箱内的权限切换开关实现。为防止车控室IBP盘误操作，IBP盘防淹门区域设置能使钥匙开关。如图2所示。

图2 IBP盘防淹门

通讯模块用于防淹门系统与综合监控系统数据通讯，接口采用冗余设计，保障系统安全性。通讯采用MODBUS TCP/IP协议。通过通讯模块综合监控系统实时采集防淹门系统提供的防淹门系统的主要设备运行状态、液位传感器送来的水位信息报警显示。如图3所示。

图3 防淹门控制柜内布置

4 控制系统功能

4.1 控制流程

(1)关门控制

当控制系统中的液位传感器检测到水位预报警，且水位上涨速度超过设定值;或者控制系统的液位传感器检测到危险水位报警。启动防护密闭兼防淹门系统，进行关门控制，包括就地控制和远程控制。关门控制流程如图4所示。

图4 关门控制流程

(2)开门控制

当站内没有危险水情，人工确认可以开门时，进行开门控制。开门控制流程与关门控制流程相反，此处不再赘述。

4.2 控制软件

按照防淹门控制系统软件的类型、功能、形式和运行的硬件环境，可以分为PLC软件、人机界面软件。

防淹门控制系统软件功能模块及接口关系见图5。

图5 防淹门控制系统软件架构

下面将按照图5划分的软件功能模块描述各模块的功能和相互关系。

PLC软件指运行于下位机PLC的CPU中的Unity Pro程序。

人机界面软件指运行于车站工作站或者车站触摸屏的上位组态软件。

4.2.1 PLC软件

防淹门控制系统软件采用Schneider公司的Unity Pro软件，以实现关门控制、开门控制、防淹门设备状态监视、以及设备状态信息通过通讯协议上传综合监控系统。

该产品是用于Modicon M340的通用IEC 61131—3编程、调试和运行软件。Unity Pro提供的一系列完整的功能，能够实现更高的生产率和更好的软件协同能力。Unity Pro编程软件可以从减少停机时间、缩减开发成本、优化运行等多方面保证优化客户的软件投资，降低培训成本，在开发和兼容性方面性能优越［6，11］。

Unity Pro软件的特性如下:

(1)集成在Unity Pro中的PLC仿真器可以在PC上准确地再现目标程序的行为。该功能脱离第三方设备，为编程过程中和调试工作带来了极大的方便;

(2)Unity Pro充分利用了Windows的图形和上下文相关接口的优势，对屏幕空间的优化使用、对工具和信息的直接访问以及可定制的工作环境最大限度的提高了用户界面友好性;

(3)在个人计算机Windows操作系统下运行Unity Pro软件，不仅可以离线运用梯形图等编程;还可以在线修改程序中的变量;

(4)程序编译后通过编程电缆下载至PLC内存中后，可以在线监视PLC设备中输入、输出、通讯状态点的通断状态。

防淹门控制系统原理见图6，防淹门控制系统关门控制程序节选见图7。

图6 防淹门控制系统原理

4.2.2 人机界面

防淹门控制系统软件采用Schneider公司的Vijeo Citect软件，可靠度高，扩展性强，工具简单易用，功能强大，开发简单快速。

人机界面软件的主要功能是进行人机信息交互，将上位的控制指令下发到下位PLC中，并将PLC中的设备状态显示在图形界面中;对报警信息进行报警显示;对操作人员的帐户、密码、权限进行管理;同时也与接受通讯模块的接口信息，与综合监控系统进行通讯。

防淹门系统人机界面功能描述如下:

显示防淹门系统相关设备的详细设备状态信息(包括就地/远程、开到位状态、关到位状态、锁定装置闭锁状态、锁定装置解锁状态、故障状态、水位信息);

显示防淹门系统实际画面，可以直观地了解防淹门系统各个设备之间的关系;

显示当前操作员的账户名称和系统时间;显示CPU模块和通讯模块的工作状态;

图7 防淹门控制系统关门控制程序节选

显示水位报警信息，并发出声音报警;

将综合监控所需要的信息上传至综合监控系统。

图8为防淹门系统人机界面和防淹门控制系统水位报警。

图8 防淹门系统人机界面

4.3 控制实现难点

(1)防淹门系统是地铁的防淹措施，门体要浸泡在水中，故门体中的控制系统设备——门限位装置和挤压梁锁定限位装置要采用防水型。在选择限位开关时，对多厂家设备进行比较、并通过实际应用得知:限位开关密闭性和接线触点的防护等级满足不了该系统的防护要求，密闭性好、防护等级高、出线长度灵活的接近开关防水性能更好。

(2)在逻辑控制中，防淹门控制系统开门或关门单个命令，控制设备多:包括3套电机拖动系统和多个行程开关;控制程序复杂:一台设备控制到位是另一个设备开始动作的必要条件，但存在多个设备状态到位，此时通过设备间互锁，确定相应的设备动作。

(3)控制要求在紧急情况下90 s内关门，实时性要求高。选用了带有制动器和离合器的电机，控制电机动作实时性高。电机减速机的选择也满足实时性要求。控制系统其他设备均采用国内外知名品牌实时性好。

5 防淹门控制系统接口功能

5.1 与综合监控系统间的接口功能

防淹门控制系统的PLC设备通讯模块通过光纤与综合监控系统进行数据交换，通讯采用冗余接口，保证数据实时可靠上传给综合监控系统。通讯协议采用ModBus TCP/IP协议。

与综合监控系统IBP盘的通信采用硬线接口，硬线是最优先的控制权限。IBP盘通过硬接线控制防淹门系统关门控制、开门控制、停门控制以及防淹门系统的设备运行状态［5］。

5.2 与信号系统间的接口功能

防淹门控制系统与信号系统同样采用硬线接口，防淹门控制系统向信号系统提出请求关门信号。信号系统回馈给防淹门控制系统同意关门信号［8，10］。

6 结语

针对地铁防淹门系统的特殊性能和功能要求，特别是系统安全性、可靠性要求，研究了该控制系统。控制方案基于Schneider M340硬件和Schneider Unity Pro软件实现防淹门2套机械锁定转置和门体的开关。并付诸实际工程中，实际表明，防淹门控制系统能够按照预定要求准确、可靠且安全地工作。

［1］国家人民防空办公室.轨道交通工程人民防空设计规范［S］.北京:国家人民防空办公室，2008.

［2］中华人民共和国建设部.GB50157—2003 地铁设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2003.

［3］卢昌仪.地铁防淹门系统的设计［J］.都市快轨交通，2005，18(4):116-120.

［4］倪士浩.基于液压技术的地铁防淹门系统方案［J］.城市轨道交通研究，2008(08):47-52.

［5］倪士浩.地铁防淹门系统的方案比较和设计［J］.铁道标准设计，2008(11):118-122.

［6］于庆广.可编程控制器原理及系统设计［M］.北京:清华大学出版社，2007.

［7］刘鑫美.广州地铁三、四号线防淹门设备监造［J］.机电工程技术，2010，39(4):103-105.

［8］张惺.地铁信号系统与防淹门系统接口设计［J］.铁道通信信号，2007.43(8):55-57.

［9］郑国华.地铁车站设备安装调试技术［M］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［10］付文刚.防淹门系统与信号系统接口与逻辑控制分析［J］.现代城市轨道交通，2008，39(4):103-105.

［11］施耐德电气公司.Unity Pro操作手册［Z］.施耐德电气公司，2008.