PLC在地铁指挥中心楼宇自控系统中的应用

罗 辉（北京城建设计研究总院有限责任公司，北京 100037）

1 项目概况

某地铁指挥中心是该城市30几条地铁线路的集中控制中心。建筑内不仅设有30几条地铁线的控制中心，还包括售检票清分清算中心、售检票检验测试中心、线路乘客信息管理中心、地铁运营信息中心等功能设施。该指挥中心是城市轨道交通形成运营、指挥、管理、研究一体化，进一步提高轨道交通的整体运营质量，提供更加合理、经济的运营方案的核心建筑。

楼宇自控系统是运用自动化仪表、计算机过程控制和网络通信技术，对建筑物的环境参数和建筑物机电设备运行状况进行自动化检测、监视、优化控制及管理，也就是我们通常说的BAS（Building Automation System）。楼宇自控系统的主要应用目的是优化建筑物内建筑设备的运行状态，节省建筑设备能耗，提高设备自动化监控和管理水平，为建筑物内提供良好环境，以及提高运行和管理人员效率、减少运行费用。

虽然地铁指挥中心的楼宇自控系统从传统意义上讲是建筑智能化的一部分，与工业自动化控制有着很大的区别。但是由于地铁指挥中心本身的功能特殊性，增加了诸如机房环境监控、不间断电源系统监控、能源管理等普通智能建筑所不涉及的监控内容，从而使其楼宇自控系统监控点数大大超过同等规模的其他建 筑。而且出于对地铁运营安全的考虑，地铁指挥中心的楼宇自控系统不仅仅是为用户提供一个高效、舒适、便利的人性化建筑环境，更是地铁运营、生产的安全保障系统。这也就对楼宇自控系统提出了更高的要求。

2 DDC与PLC功能对比

在常规的楼宇自控系统中使用的控制设备主要是DDC (Direct Digital Control直ler接数字控制器)；而PLC（Programmable Logic Controller可编程逻辑控制器）通常用于工业控制领域。以下从6个方面对DDC和PLC的功能特点进行比较：

表1 DDC和PLC功能特点对照表

综上所述，DDC是由PLC发展而来的，根据楼宇设备控制特点固化了一些专门应对楼宇设备控制的程序，为用户提供了简单实用的控制方案。但在安全性、扩展性、响应速度及开发能力等多方面，PLC具有不容质疑的优势。该地铁指挥中心项目受监控设备规模较大、监控功能较为复杂且系统安全性要求很高，因此楼宇自控系统采用PLC作为控制设备，完全适应了本项目这些特殊需求。

3 系统构成

本项目楼宇自控系统采用国际上先进的“集散型控制系统”，在首层安防中心内设置楼控中心。并本着“危险分散”的设计原则，系统按楼控中心和设备机房两级管理模式设置，并按楼控中心、设备机房、现场设备三级模式进行控制。楼控中心级管理主要以监控管理为主，实现可控设备的模式控制和时间表控制；设备机房管理是通过工业以太网将远程智能I/O（输入/输出）模块直接分散到现场控制设备旁边，进行操作管理。楼宇自控系统通过网速为100Mbps、分层—分布式的工业以太网网络结构，将楼控中心、设备机房、现场设备三级智能设备连接起来，构成网络化、可视化的三级控制结构。从而形成楼控中心集中管理、设备机房分散控制的大型自动化监控管理系统。

本项目楼宇自控系统主要监控范围包括：制冷系统、供热系统、空调与通风系统、给排水系统、照明系统、EPS电源、智能照明系统、机房环境监控系统（机房精密空调、不间断电源、机房温湿度、漏水报警、配电系统）、能源管理系统（水表、电表、热能计量表）等。其中制冷系统、供热系统、EPS电源和智能照明系统均自成独立的控制系统，水表、电表、热能计量表也采用具有通信接口的智能仪表，通过设备供应商提供的通信接口及通信协议直接接入楼宇自控系统。

3.1 楼控中心

为提高整个系统的安全性，在楼控中心层采用冗余的主PLC设置并配有管理服务器。冗余的主PLC采用双背板、双电源、双机热备的硬件冗余方式，而不是通过软件编程实现。当任一主PLC不能工作或被诊断故障时，必须保证所有受控设备及模式能不间断、无扰动地自动切换运行，同时可以通过监控软件和PLC系统的硬件按钮进行手动切换。无论采用何种切换方式，均应保证整个系统切换的无扰动，即不影响监控对象和监控系统设备正常运行、系统功能正常执行及数据的正常通讯。冗余主PLC的CPU支持实时的多任务操作系统，主频不低于266MHz，内存容量不低于2Mbps，并具有扩展能力。

本项目设有功能强大的上级系统集成平台，而且上级平台深度集成楼宇自控系统。因此，在冗余的主PLC上预留与上级系统集成平台冗余的100Mbps以太网通信接口，双方系统通过互相监察对接口的工作状态，实现冗余切换。上级平台与冗余PLC的数据流为双向传输。传输方式为定时、实时、应答三种方式。上级平台负责将运行工况（包括事故工况）、运行/停止指令、工况切换指令传送至冗余主PLC；冗余主PLC负责采集现场的环境参数、设备运行状态等信息，其结果形成设备运行数据和归档数据实时或定时地上传给上级平台，由上级平台对上传数据进行处理和归档，实时监测本项目各种机电设备的运行状态和环境状况，刷新数据库的相关记录。当上级平台有选择地调用设备数据信息时，采用应答方式。

管理服务器用于系统的日常维护和管理，在脱离上级系统集成平台时也可通过管理服务器对本系统进行独立的操作管理。

图1 楼宇设备监控系统示意图

3.2 网络结构

本项目的楼宇自控系统的网络采用分层—分布式的以太网网络结构，并出于安全的角度考虑，将交换设备接成环状，形成环状以太网。当出现单点设备故障或连接故障时能实现环形自愈，确保数据传输的可靠性。同时本着“危险分散”的设计原则，做到每个设备机房PLC及远程I/O模块均为独立的智能控制单元，可独立于楼宇自控系统中枢，就地对控制箱管辖范围内的机电设备进行独立监控。

3.3 设备机房

在各主要设备机房：如水泵房、空调机房、送排风机房等地，设置非冗余小型PLC。该PLC控制器通过背板式管理型交换机以工业以太网形式，形成自愈型环状以太网，并与楼控中心冗余主PLC连接。同时该PLC还可通过通信模块与智能I/O模块及具有通信接口的第三方系统和设备相连，如：制冷系统监控设备、热交换监控设备、EPS电源主机、智能照明控制主机、智能水、电、热表等，实现楼宇自控系统对第三方控制设备的监视。

3.4 现场设备

在各受控设备现场设置智能I/O模块。该模块具有独立的CPU、控制程序和存储设备，以及与设备机房PLC相连的总线接口。它作为设备机房PLC的一个模块，通过总线与其相连，进行数据交换，并在设备机房PLC的协调管理下独立地进行设备监控工作。智能I/O模块也能够实时监视连接设备的状态，并通过通信链路，按照设备机房PLC的要求传送有关数据，这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；同时PLC又通过智能I/O模块将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。

4 结束语

本项目中PLC以其强大的可靠性、产品的通用性、数据的安全性以及丰富的网络通讯功能，很好地将工业级控制设备与民用楼宇自控系统结合在一起。此外，通过具备很高的可靠性、一定的实时性、多任务工业标准技术的组态监控软件，使得整个楼宇自控系统具有良好的可移植性、可扩展性和联网功能，从而使系统更能适应业主对使用功能的不断增加、系统规模的继续扩充以及被综合监控平台深度集成的要求。更好地为地铁指挥中心提供运营、生产的安全保障和高效、舒适、便利的人性化建筑环境。

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