地铁设备监控系统的控制逻辑开发浅析

华春阳，曹建成

(中交铁道勘察设计院有限公司，北京 100088)

为了实现地铁运营高安全性、高可靠性、高度自动化、低损耗、低维护，即三高两低［1］，实现紧急工况快速动作，有效节约能源，目前国内城市轨道交通项目基本上采用通过设备监控系统实现对环控通风、动力照明、给排水等机电设备进行集中监控［2］。目前国内的设备监控系统主流方案是通过可编程控制器(PLC)实现对被控设备的监控［3］。因此，基于PLC开发的逻辑程序就成为设备监控系统的灵魂。

结合天津地铁1号线和广州地铁2号线设备监控系统，通过分析工程的特点，展开对相关子系统接口目的的分析，结合系统特点和运营实际需求，讨论如何实现设备监控系统的控制逻辑。

1 城市轨道交通的项目特点

地铁工程中，地下站及区间隧道构成一个贯通的、体量庞大的地下空间，仅有车站的出入口、通风亭及隧道口等数量有限的通道与室外大气相通。地铁正式运营以后，随着客流量上升和行车密度加大，这个地下空间内将聚集大量的热及有害气体和带电粉尘，如不采取有效措施，必将造成地铁内环境的不断恶化，甚至导致不可逆的洞体损坏。因此需要建立一套完善的设备监控系统和控制预案，通过对地铁内的温度、湿度和空气流向等进行控制，实现控制洞体升温、为乘客提供适宜的乘车环境的目的，并在紧急情况下减少人员伤亡，保证乘客的安全［4］。

在城市轨道交通项目中设备监控系统负责的工作比较繁杂，其主要职责为:快速有效地实现通风及环境控制，并在实现过程中尽量节约能源;配合消防系统完成相关的消防动作，控制烟气流向，协助人员疏散;减少站务人员劳动强度，实现设备操作智能化、模式化;提高设备维修人员工作效率，为设备维修策略由故障维修向定期维修提供量化的数据依据。

2 设备监控系统各接口的目的分析

设备监控系统需要与各种类型的设备和系统进行数据交换，体现出来的特点就是接口类型繁多、数量众多。常见的设备接口包括通风空调系统的设备，如变频风机、双速风机、双向风机、单向风机、组合风阀、可调节风阀、组合空调、防火阀等;水系统接口设备，如调节阀、水泵、水阀等;还有照明、导向标志、温湿度传感器、潜污泵等。同时，还有部分系统与设备监控系统直接连接，如电扶梯系统、VRV空调系统、FAS(火灾报警)系统、时钟系统、屏蔽门系统、冷水机组系统、应急电源系统等［5］。

由于接口数量众多，接口的电气形式、数据格式、数据流向、功能和目的也各不相同，为了便于后续模式控制的讨论方便，在此仅对部分与控制逻辑相关接口的目的进行简要介绍。

(1)与通风系统的接口

一方面是为了快速有效地实现通风及环境控制，并在运营过程中尽可能节约能源;另一方面是当火灾发生时，能够协助消防系统尽快将有毒烟气排到地面。

(2)与水系统的接口

地铁水系统包括冷水系统和给排水系统。

冷水系统是为车站提供冷源的独立控制系统。设备监控系统通过控制二通调节阀调节冷水流量，控制可变制冷剂流量空调机组等方式调节车站冷水系统的负荷，从而调节车站内的温度和湿度。

给排水系统的监控主要包括根据水位实现相关水泵的监控及对生活用供水设备的监控。

(3)与消防系统的接口

设备监控系统接受消防系统预定的模式控制指令，以实现模式控制方式的选取。设备监控系统通过对火灾发生位置相关的通风、空调设备实施控制，进行对应防火分区的防排烟控制。

(4)与屏蔽门系统接口

采集被监控车站屏蔽门/安全门的状态信息和故障报警信息，并在综合后备应急控制盘上设置屏蔽门/安全门的状态指示、应急控制按钮，以保证在火灾等紧急工况下迅速打开或关闭屏蔽门/安全门。

(5)与照明系统接口

根据时间及室外照度情况控制工作照明、节电照明、广告照明、出入口照明、隧道照明等设备的开启和关闭［6］。当发生火灾时根据模式控制指令的要求启动应急照明，关闭工作照明等操作。

(6)与导向系统接口

实现在正常、停运及火灾等紧急工况下提供可视的客流导向功能。

(7)与电扶梯系统的接口

监视电扶梯的工作状态及故障报警，保证火灾等紧急工况下将垂直电梯控制到安全层［7］。

3 设备监控系统控制逻辑的实现

在设备监控系统工程实施中，控制程序中的控制逻辑部分是项目的核心，控制逻辑部分功能是否完整直接关系到项目的成败［8］。根据笔者近几年实施过的工程经验，现将控制逻辑设计规划过程中需要注意的问题总结如下。

设备监控系统的核心控制逻辑单元包括模式控制、环控通风系统控制、应急通风系统联动控制、照明系统控制、乘客导向系统控制、综合后备应急控制盘的控制逻辑、区间通风系统控制逻辑等。

与控制逻辑相关的几个主要子系统见图1。

图1 与控制逻辑相关的子系统关系

3.1 模式控制

模式控制单元是所有控制逻辑的核心。模式控制一般包括2种工况:一种工况是根据时间表进行控制，另一种工况则是在应急工况下控制。

时间表控制是指设备监控系统在不同时间段内运行不同模式的控制方式。常见的时间表工况包括夜间模式、早晚通风模式、正常运营模式和停运模式等。正常运营模式又可以根据地铁项目所在的地域分为冬季模式、空调季模式和通风季模式等。

应急工况通常分为大系统火灾、小系统火灾和阻塞模式，其中大系统火灾又分为站厅层火灾、站台层火灾以及区间火灾3种工况。当设备监控系统需要运行某一个模式的时候，环控通风系统控制，火灾报警系统联动控制，照明系统控制，乘客导向系统控制，综合后备应急控制盘的控制逻辑，区间通风系统控制这些子单元均需要根据相应的模式控制的要求执行各自对应的模式，从而形成整个车站的机电设备同时联动保证模式执行的效果。

因此模式控制可以说是设备监控系统的控制中枢，而其他的各个控制单元都是围绕着这个中枢完成各自的任务。模式控制流程见图2。

通过模式控制功能块调用设备控制功能块，实现这个系统的有机统一。设备控制流程见图3。

3.2 环控通风系统控制单元和区间通风系统控制单元

图2 模式控制流程

图3 设备控制流程

这2个单元都是属于环境控制环节，地铁项目的环境控制具有其特殊性，主要体现在以下几个方面。

第一，地下车站及区间空间体量较大，空调系统滞后现象较为严重，因此控制逻辑应适当考虑一定的时间因素和误差的变化速率。只有这样，才能更加有效地实现温湿度的调节，以达到人体较舒适的热焓值，同时最大限度的节省能源。

第二，地下车站及区间属于人员高度密集区，一旦出现紧急情况极易导致重大人员伤亡，并造成严重的社会影响。因此，这就要求控制系统在第一时间内控制住事故的危险源，完成灭火、排烟、疏散等工作内容，必须保证在最短的时间内快速完成所有的紧急操作。

第三，地铁工程是重大的基础设计项目，投资巨大，设计寿命都是百年以上，只有精心维护才能使洞体的热套厚度稳定在一个适中的数值上，一个完善的控制系统能够有效地帮助运营人员从容完成相应的控制操作。

第四，目前，国内城市轨道交通项目的趋势是网络化、规模化，尤其是大型和特大型城市如北京、上海、广州等城市。这也就给设备监控系统带来一个新的挑战，在换乘车站或枢纽车站，对已建成投入运营的地铁线路的设备监控系统进行控制方案的重新考量，确认是否存在优化和调整既有控制预案的可能性和空间。

第五，地铁投入运营以后，随着客流量上升和行车密度加大，将在地下空间内积累大量的热量及有害气体和粉尘，如不采取有效措施，必将造成地铁内环境的不断恶化。因此设备监控系统的控制方案不应是一成不变的，而应根据地铁内实际的污染物数量和浓度定期进行调整，以适应不断变化的地铁空间内的环境。

结合地铁环境的特殊性，设备监控系统的环控通风系统控制和区间通风系统控制需要根据时间表进行正常工况的控制。

通常来说地铁正式运营期间存在全新风模式、小新风模式和闭式运行3种模式。设备监控系统应针对各城市的气候环境设置不同水平的BAS［9］，在北方的冬季常常采用冬季模式运行即闭式运行，而在南方的夏季通常运行空调季模式即小新风模式，其他季节常常采用全新风模式运行。具体采用哪种运行模式要根据运行的时间段、客流分布的情况、车站内二氧化碳浓度以及车站内热焓值等数据进行综合判断并结合历史数据而最终确定。

3.3 应急通风系统联动控制通常包括区间阻塞控制和火灾报警系统联动控制两种情况

区间阻塞模式控制是指当地铁车辆运行到区间发生故障停运时，环控系统需要紧急运行的模式指令。区间阻塞模式指令的实现可以有效地保证地铁车辆上的表冷器正常工作。当车辆故障停在区间的时候，需要维持表冷器的正常工作以保证车上乘客身心健康。由于车辆上表冷器的散热受到狭长的地铁区间的限制，如果车辆故障时间较长，会导致表冷器过热故障。因此当运营车辆故障停在区间时间较长时需要环控系统运行区间阻塞模式。

火灾报警系统联动控制是设备监控系统在地铁车站发生火灾时需要运行的模式。

当火灾发生在车站时，针对火灾发生地点的不同，设备监控系统对应运行相应的火灾模式，以尽快将车站内人员疏散到站外，同时尽快将车站内的有毒烟气排放到地面。特别说明的是，目前国内地铁项目均按照同一时间发生一次火灾进行通风系统设计，因此当火灾发生扩散或转移时，设备监控系统需要环调人员手动执行相应的火灾模式，以避免损失的进一步扩大。

当火灾发生在区间时，还必须判断出火灾是发生在车辆上，还是区间隧道内。这时需要环调人员根据车辆的行进方向、起火点的位置，组织起火区间的两端车站同时执行相应的火灾模式，引导区间的人员按照逆风向方向迅速疏散到安全地带［10］。

需要特别说明的是，只有区间阻塞模式和区间火灾模式需要由控制中心下发火灾模式的控制命令以外，其他的应急模式都是通过火灾报警系统发来的联动控制命令。车站设备监控系统获得火灾模式命令运行指令后，即时将环控系统、空调水系统、照明系统和乘客导向系统由正常工况切换到相应的火灾工况［11］，组织相应的风机、风阀，按照火灾工况进行工作。由于通风系统中风机和风阀设备存在联动关系，因此在火灾模式指令下达后，所有设备均需要在一段时间以后，方能完成控制命令［12］。因此设备监控系统在控制模式下达后，仍需要对这些设备进行实时监测，待环控系统、照明系统、导向系统均按照火灾模式执行到位后，再将火灾模式执行成功的信息反馈给火灾报警系统。

对于发生二次火灾工况，或火灾发生后火情有所蔓延，火灾报警系统须将最新的火灾报警模式发送给设备监控系统，由车站工作人员根据具体情况，进行判断分析以后，通过手动方式决定是否需要设备监控系统执行其他的火灾模式。

3.4 照明系统

同环控通风系统一样，也分为正常运营工况和事故工况。正常运营工况包括夜间模式、运营模式等控制模式。火灾发生时运行相应的火灾模式，将工作照明、广告照明、三级负荷等非重要正常负荷切除，投入应急照明。由于照明系统不需要进行联锁控制，因此控制逻辑较环控系统容易实现。对于城市轨道交通项目中的地面站、高架站，照明控制逻辑中可以引入室外光照度信息。照明控制系统的控制逻辑结合光照度信息进行设计，据此启动相应的照明模式，可以有效地节约能源。

3.5 乘客导向系统

乘客导向系统是正常运营时引导乘客正常地出入车站，火灾发生时，引导乘客按照正确的路线迅速撤离车站避免伤亡的指示系统。乘客导向系统和照明系统的控制逻辑几乎是相同的，因此一部分逻辑程序可以共用或直接复制使用。

3.6 综合后备应急控制盘

综合后备应急控制盘是设备监控系统的重要组成部分，也是重要防灾救灾设备的备用控制设备，具有最高的控制优先级，同时设有可靠的防误操作装置。

综合后备应急控制盘主要实现了以下几方面功能:

第一，负责提供紧急情况下后备手动操作按钮;

第二，实现重要设备和模式执行情况的报警和显示功能;

第三，实现部分重要外围系统的接口功能。如，实现火灾报警控制器对检票闸机和门禁装置的紧急解锁控制，实现消防栓泵/高压细水雾系统启动等功能。

虽然综合后备应急控制盘要求完成的功能较多，且均是直接关系到地铁的安全运营，但单就控制逻辑而言，综合后备应急控制盘的许多功能只需实现数据接收和转发即可，因此其控制逻辑相对于其他系统而言算是简单容易的。综合后备应急控制盘的控制逻辑考虑的主要内容是数据传递的可靠性和稳定性。

4 结语

在城市轨道交通项目中，设备监控系统负责的工作比较繁杂，特别是设备监控系统又负责监控地铁车站内大多数核心设备，因此设备监控系统对于地铁运营的安全、效率、节约能源都是非常重要的。控制逻辑是设备监控系统的核心，控制逻辑实现的成功与否直接决定着地铁设备监控系统的成败，甚至对地铁运营效率的高低都将产生决定性影响，因此，设备监控系统的控制逻辑的实现过程应引起工程设计单位的高度重视。目前国内工程中往往是先确定被控设备，然后根据设备的情况确定控制逻辑，在这种情况下控制逻辑的设计规划受到了一定程度的限制。在此建议当条件允许的情况下，监控专业应根据运营需要先行确定控制逻辑，并据此确定被控设备的种类。

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