地铁环控电控柜IMCC系统应用

赖坚仁

（宁波天安集团，浙江宁波315700）

0 引言

北京地铁昌平线二期环控电控柜项目采用的是施耐德公司的BLOKSET低压开关柜，柜体上口由0.4 kV配电柜引来，下口主要是为车站及区间通风空调设备提供电源。通风空调设备主要包括空调机组、排风机、排烟风机、送风机、风阀及冷水机组配套的冷冻泵、冷却泵等。而环控电控柜中的IMCC（智能马达控制中心）系统的主要作用就是实现对以上这些通风空调等设备的监视、测量、控制和保护，以及实现对智能模块的参数设定、复位等，以保证在地铁设备可靠、安全、高效运行的条件下，为地铁站内空间和隧道空间提供安全舒适的通风环境。

1 环控电控柜IMCC系统组成

地铁车站的A、B两端各有一个环控电控室，每个环控电控室放置一组环控电控柜，每组环控电控柜配置了一套IMCC系统，系统框架如图1所示。

环控电控柜IMCC系统作为BAS监控系统的底层设备单元由控制层和设备层组成，控制层主要由网关PLC、现场总线网络组成，设备层包括马达保护器、软启动、智能仪表等各种智能元件。IMCC系统将各类通风设备数据统一采集汇总到网关PLC，再将采集的数据上传给BAS系统，完成上层BAS系统与下层智能环控柜IMCC系统之间的网络连接转换和信息的处理交换。同时通过网关PLC将上一级BAS系统的控制命令转发给环控柜内的智能单元，以完成环控电控柜IMCC系统的控制和集成。IMCC系统与BAS系统通过冗余RS485总线连接，采用Modbus RTU协议。具体内容如下：

图1 环控电控柜IMCC系统框架结构图

（1）车站A、B两端每端的环控电控柜中各配置一台PLC控制柜，IMCC系统的网关PLC设备放置在PLC控制柜中。网关PLC由罗克韦尔公司的1769-CompactLogix 5370 L2系列PLC和Micro820小型PLC两部分组成，两者之间通过以太网进行数据交换，其中主PLC模块由多种功能模块通过拼接组合而成。

1）1769-24ER-QB1B主PLC模块，24 V供电，750 kB的用户内存，自带一个方口的USB接口，可以直接与电脑连接下载或上传程序，内置两路EtherNet/IP通信端口。

2）配置两个1769-SDN通信模块，每个通信模块自带一个DeviceNet接口。通过DeviceNet现场总线对底层设备包括马达保护器、软启动器等进行数据采集、启停控制等。通信模块上有个两位数码显示区，用于显示出现通信故障的底层设备的地址，如果多个设备出现通信故障则会循环显示，这样就可以保证维护人员在第一时间找出问题所在，提高消除设备故障的效率。

3）1769-SM2是罗克韦尔公司的一种Modbus通信模块，自带3个RJ45接口，通过Modbus总线对底层设备包括进线仪表及双电源控制器通信模块进行通信，读取底层设备各种电量参数。但这个模块只能设置为Modbus主站来使用，而不能设置为从站模式。

4）Micro820是罗克韦尔公 司Micro800系列小型PLC的一员，在这里作为网关PLC的一个重要组成部分，起到了承上启下协议转换的作用。由于BAS系统跟IMCC系统连接接的是RS485冗余接口，采用Modbus通信协议，但是1769-SM2通信模块只能作为主站使用，无法配置成从站来接收BAS系统下达的命令，因此无法采用1769-SM2模块作为BAS系统的通信从站。而罗克韦尔公司另外一种可以设置成主从站模式的Modbus通信模块MVI56-MVM价格非常昂贵，无法采用。所以，在满足所有通信功能的条件下，选用了一种价格不到千元的小型PLC Micro820来代替价格昂贵的MVI56-MVM通信模块。Micro820通过以太网连接将1769-CompactLogix主PLC采集到的底层设备的状态及数据读取过来，并把这些数据打包通过Modbus RTU协议发送给BAS系统，实现了电控柜IMCC系统和BAS系统的实时通信。

（2）IMCC系统设备层控制设备根据需要被安装在进线柜、馈线柜及软起柜中。馈线柜主要安装的是罗克韦尔公司AB品牌的E3 PLUS智能马达控制器，而双电源控制设备及智能仪表安装在进线柜内。

1）E3 PLUS智能马达控制器主要是对各种小风机设备实现风机回路的智能控制及显示，具有过载保护、电流不平衡保护、相故障保护、接地故障保护等功能，并提供三相电流、平均电流、电机运行状态显示、故障、电机操作次数、电机运行时间等监测信息。通过DeviceNet现场总线参数上传网关PLC，并经过网关PLC上传到BAS系统。

2）双电源设备在本项目中采用的是GE公司的产品，通过Modbus总线将双电源开关的两路电源状态及断路器接通状态上传至网关PLC。

3）智能电力仪表自带RS485接口，将实时检测到的三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、电度等数据上传至BAS监控系统。

2 IMCC系统软件实现的过程

软件功能的实现主要由三部分组成，包括主PLC模块编程、Micro820小型PLC编程以及组态软件RSNetworx的配置。

（1）主PLC模块程序开发包括通过DeviceNet总线对底层设备E3 PLUS马达保护器启停功能的实现及三相电流的测量，通过Modbus协议读取双电源状态，以及如何将数据传递给Micro820，实现BAS系统的控制等这些内容。

1）监视双电源控制器的运行状态是通过1769-SM2模块来实现的。读取双电源控制器的通信程序，需要MSG消息指令，每一条MSG指令可以读取指定Modbus地址的指定寄存器段的数据。然后点击MSG通信模块进行文件配置，在配置文件中源元素是一个读命令的数组，此数组文件必须先在控制器标签中建立，这里建了个CH1_MSG1_REQ的组数，其含义如下：

CH1_MSG1_REQ[0]：双电源控制器Modbus从站地址；

CH1_MSG1_REQ[1]：功能码，此处设置3；

CH1_MSG1_REQ[2]：读取寄存器首地址；

CH1_MSG1_REQ[3]：读取个数，不能超过配置文件中的源长度。

目标元素为读取数据存放数据组，通信路径表示第一个通道CH1时为SM2，2，1；第二个通道CH2时为SM2，2，2；第三个通道CH3时为SM2，2，3。

2）网关PLC控制E3 PLUS的程序如图2所示，其中FROM_M820[0].0表示来自BAS系统下发给Micro820小型PLC的风机启动信号，FROM_M820[0].1表示风机停止信号。在风机就地配电箱转换开关在环控位，环控柜上的转换开关在BAS位时，启动命令传递给马达保护器的合闸寄存器位SDN_NO1_POL_O.OutputA，E3 PLUS输出触点闭合，启动风机。

图2 控制马达保护器程序

（2）Micro820作为网关PLC的组成部分，主要用作协议转换。从1769-24ER-QB1B主PLC传输过来的数据转换成Modbus协议的数据，发送给BAS系统，以便BAS系统能实时监控底层设备的运行状况。

如图3所示，RS_W[1]为主PLC发送来的变量，数组变量名称与主PLC定义的数组名称一致。将此数组传递给有地址映射的变量C_40101，BAS系统通过读取和写入这些变量地址，比如40101、40102等来监视设备的各项运行数据，以及控制底层控制设备启动和停止状况。

图3 Modbus数据映射

（3）RSNetWorx for DeviceNet是罗 克 韦 尔 公 司 专 为DeviceNet总线而开发的一款硬件设备网络组态软件，它被内置于STUDIO 5000编程软件中，可以通过1769-SDN/B这个硬件接口文件来打开RSNetWorx。如图4所示，点击组态软件中的在线扫描按钮，软件就能扫描出DeviceNet网络总线挂了多少设备，每个设备地址多少。如果发现设备没有被扫描到，软件不会显示出来，就可以根据这个情况检查总线设备线路故障的问题。

如图4显示，地址1到地址12都是DeviceNet总线上挂的马达保护器E3 PLUS从站设备，此地址由马达保护器面板设置，其中地址15为网关PLC中的1769-SDN扫描器主模块，地址可以在模块中设定。点击马达保护器设备，可以查看到设备运行时的电流、电压、功率、脱扣记录等参数，可以对各种保护参数包括过载保护、缺相保护、接地故障保护、电压保护、失速保护、通信故障保护进行设置，以保证能达到设备运行的要求。图4所示为通信地址03马达保护器所保护的电机在运行时的各相电流以及电流负载率的在线监视状况。

3 结语

本文以北京地铁昌平线二期为例，叙述了环控电控柜IMCC系统的组成、总线构成的方式及通过罗克韦尔STUDIO 5000软件实现对设备层设备监控的过程。本系统通过小型PLC作为通信协议转换模块大大降低了制造成本，调试方便简单，并且经过一段时间的现场实际检验，系统运行良好稳定，对环控电控系统领域的智能化设计具有典型的参考意义。

图4 DeviceNet总线网络组态在线图

[1]地铁设计规范：GB 50157—2013[S].

[2]华春阳.可编程逻辑控制器在上海轨道交通6号线设备监控系统中的应用[J].城市轨道交通研究，2010，13（4）：75-78.

[3]刘颖，江泳.北京地铁车站级环境与设备监控系统设计和实施[J].电气技术，2012（12）：48-52.