大型铁路站房建筑设备监控系统研究与展望

李国忠, 沈 丹, 喻 威

(中南建筑设计院股份有限公司,武汉 430071)

0 引言

与发达国家相比,我国高速铁路的规划和建设虽然起步较晚,但是发展非常迅速。 目前,中国已经成为世界上高速铁路发展最快、系统技术最全、集成能力最强、在建规模最大、运营里程最长、运营速度最高、产品性价比最优的国家。 铁路站房作为高速铁路发展的重要组成部分,也在大规模建设。

建筑设备监控系统是在综合运用自动控制、计算机、通信、传感器等技术的基础上,实现对站房内的各机电设备进行集中监测、自动控制的智能化管理平台,建筑设备监控系统是智慧铁路站房建设的一个重要组成部分,可降低能耗、提高机电设备运维效率、降低生产运营成本。

1 铁路站房建筑设备监控系统监控对象分析

铁路站房建筑设备监控系统监控对象主要包括:空调通风、给排水、垂直交通、冷热源等系统。其中冷热源系统、能源管理系统、照明系统、变配电系统各自采用独立监控系统,通过网关接口方式接入建筑设备监控系统中进行监控。 各系统的监控设备:(1)空调系统:新风机组、空调机组、定(变)风量空调机等;(2)通风系统:送风机、排风机等;(3)给排水系统:生活水泵、潜水泵、排污泵等;(4)冷热源系统:冷冻机组、热源机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等;(5)垂直交通系统:电梯、扶梯等。

铁路站房一般为铁路交通枢纽,空间大、机电设备多、分布距离远、出行人员多、连续运行时间长,对建筑设备监控系统的可靠性及可扩展性要求极高。

2 基于PLC 的铁路站房建筑设备监控系统

PLC 控制系统是在传统顺序控制器的基础上引入了微电子、计算机、自动控制和通信技术而形成的一代新型工业控制装置,目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能,建立柔性的远程控制系统。 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、扩展性高、抗干扰能力强、响应速度快、编程简单等特点。

PLC 初期是专门应用在工业自动化方面的,国内几乎全部的工业生产流水线控制均采用PLC 控制系统。 通过多年的发展,现在的PLC 控制系统在网络方面可以支持多种协议及分层结构,实现点对点通信。 PLC 上位机软件本身具有的灵活性和兼容性的特点,使PLC 控制系统在建筑设备监控系统中应用成为可能。 近年来,很多建筑设备监控工程都应用了PLC 控制系统,特别是大型复杂、对可靠性要求较高的建筑设备监控工程,积累了大量控制流程程序,可针对不同项目迅速做出量身定制的功能,展示了PLC 控制系统在建筑设备监控中应用的优势。

基于PLC 铁路站房建筑设备监控系统采用 “集散型控制系统”,分为控制中心层、网络层和现场控制层三层网络结构。 控制中心层主要以监控管理为主,实现可控设备的时间表控制和模式控制;网络层采用以太网通信技术,实现控制层PLC主控制主机之间通信;现场控制层由PLC、受控设备、传感器、阀门等组成,即可实现受控单元的独立控制,也可与上位机通信,接受上位机的集中控制。 网络架构图如图1 所示。

根据铁路站房的规模、重要性以及受控设备的重要性,设备部署上可采取冗余服务器、冗余PLC、冗余I/O 模块等多种冗余策略,保证系统的可靠性。网络选择上也可根据可靠性需求,灵活选取工业环形以太网、星型结构网络等多种网络形式。 传输网络采用TCP/IP 协议,可根据网络规模自由扩展,满足站房受控设备的发展需求。

3 基于DDC 的铁路站房建筑设备监控系统

图1 网络架构图

现阶段铁路站房广泛使用的建筑设备监控系统是基于DDC 的控制系统,DDC 是由PLC 发展而来的,它是在PLC 的基础上根据建筑设备控制特点固化了一些应对建筑设备控制的程序,从而为用户提供了简单实用的控制方案。 因此可以说DDC就是PLC 在建筑设备监控中的特殊应用。

基于DDC 的铁路站房建筑设备监控系统主要由中央管理主机、工作站、网络交换机、DDC 控制器、前端传感器及执行机构等组成。 系统采用分布式集散控制方式,根据系统规模可采用三层或二层的网络结构。 管理层建立在以太网络上,控制层则采用总线技术,两个层面均可以自由拓扑。

管理层网络以以太网为物理链路,通过标准TCP/IP 通信协议高速通信,管理网络层主要由操作站、服务器等组成;控制层网络可采用以太网网络也可采用多条开放的标准化现场总线网络(BACNET 等),将直接数字控制器、扩展模块等设备连接在一起;现场网络层主要由传感器、仪表、阀门等末端设备组成,现场控制层采用现行国际标准的现场总线通信(Modbus、LonWorks 等)。 基于DDC 的铁路站房建筑设备监控系统网络结构如图2所示。

4 铁路站房PLC 与DDC 控制系统对比分析

由以上系统可以看出,PLC 与DDC 在控制原理与系统结构上有联系也有区别,他们之间的功能特点对比分析如表1。

由表1 对比可以看出,DDC 控制系统是针对建筑设备监控系统的专业系统,在建筑设备监控领域有着更加广泛的应用背景和应用经验,更容易被建筑领域使用者所接受。 PLC 控制系统以其在扩展、安全、兼容、响应速度等方面的优势,也适合应用在大型特别是超大型铁路站房的设备监控领域。

图2 铁路站房建筑设备监控系统网络结构

5 铁路站房建筑设备监控系统发展展望

随着物联网、大数据、人工智能以及5G 技术的发展与成熟,也会给铁路站房建筑设备监控系统的进步和发展注入新的活力。

物联网在铁路站房的广泛应用,将会在铁路站房内建立一套泛在接入网络,传统建筑设备监控系统(PLC 或DDC)的接入系统必将受到物联网应用的改变,建设设备监控系统的组网形式也将发生质的变化。 而随着大量数据的接入,人们将不会满足于现有的建筑设备监控系统控制逻辑,大数据及人工智能在建筑设备控制中必将起到更加重要的作用,目前已经有基于人工智能(AI)的空调控制系统在工程中应用,并取得了较好的控制和节能效果。PLC 控制系统的通用性和开放性将更加有利于大数据和人工智能的植入。

PLC 与DDC 控制系统对比分析 表1

6 结束语

DDC 控制系统在铁路站房设备监控系统中已经取得了广泛的应用,并获得了较强的接受度。PLC 控制系统凭借其多方面的优势也可应用于铁路站房设备领域。 随着物联网、大数据、人工智能以及5G 技术等信息化技术在建筑设备监控领域的应用,将来的铁路站房建筑设备监控系统必将更加智能、开放、灵活,也必将为铁路站房提供更加节能、高效、智能的建筑设备运维管理平台。