成都地铁1号线隧道内通风空调环境控制系统设计与开发

游翔 陈维

地铁网是城市交通的动脉血管，为了尽早实现城市、人口、交通、经济的共同和谐发展，这项超级工程的建设速度就必须要加快。文中将环境控制系统简称环控系统，文章围绕隧道内通风环控系统设计与开发做介绍，值得类似工程借鉴参考。

城市地铁; 隧道内; 通风空调; 环控系统; PLC可编程控制器

U453.5   A

[定稿日期]2021-06-29

[作者简介]游翔（1984～），男，本科，工程师，从事机电一体化与市政工程施工技术与管理工作;陈维（1982～），男，专科，工程师，从事工业控制系统PCL设计、开发和调试工作。

成都地铁1号线工程北起大丰站，南至广都站，规划线路全长约31.6 km ，设23个站，其中地下站18座，高架站5座，1座控制中心，1处停车场，1处车辆段，2座主变电站。其中1期工程为成都地铁1号线初期建设线路，北起升仙湖站，南至世纪城站，全长18.5 km ，全部为地下线，共设17座地下车站。

1 国内地铁BAS系统技术现状

1.1 国家标准对地铁建筑物内的BAS系统的定义

2003年5月，国家质量监督检验检疫总局和建设部，联合发布了国家标准GB 50157-2003《地铁设计规范》，标准中正式命名“环境与设备监控系统，Building Automation System（BAS）”，并对其定义为：“对地铁建筑物内的环境与空气条件、通风、空调、给排水、照明、乘客导向、自动扶梯及电梯、屏蔽门、防淹门等建筑设备和系统进行集中监视、控制和管理的系统”。

1.2 国内现有技术的BAS系统

主要对车站的通风空调环控系统、低压配电系统、防淹门、常规冷源、冰蓄冷、给排水、电梯、扶梯、动力照明、导向标识、EPS系统、气体消防等系统进行监控。车站分为A、B两端BAS系统、两端环控系统，BAS两端分别设计一套双机热备PLC，环控系统不设计PLC，各端BAS系统对各端环控系统采用现场总线通讯方式与现地I/O、变频器和智能马达保护控制器进行数据交换，其中，大系统空调、大系统排风机、隧道风机采用变频器控制，隧道射流风机采用智能马达保护控制器控制，其它系统设备的状态量和控制量采用现地I/O方式控制。环控系统所有单设备的状态信息、控制功能、保护功能、参数配置功能及模式的状态信息、控制功能、参数配置功能的PLC程序都只能设计在BAS系统（图1）。

1.3 BAS系统的特点

BAS系统程序结构复杂，编程难度大，工程量大，需要在同一个软件平台上开发程序的技术人员多、耗时长、工作效率低;当BAS系统PLC故障或网络故障时，环控设备将无法实现模式控制操作，可能直接威胁到乘客的安全;当BAS系统的其它设备需要维护、检修时，将可能对BAS系统停运或网络中断时，将直接导致环控设备不能自动运行;当对环控系统的硬件或软件升级，都涉及到BAS系统的硬件接入、软件编程功能的调整，升级工作将很难开展。

1.4 通风空调环控系统在BAS系统结构中的特点

由于通风空调环控系统控制了车站的大系统、小系统、隧道通风系统的空调机、风机、风阀、水阀的总数超过100多个，各系统各端的控制模式总和也达到100多个，被整个PCL（可编程控制器）工业控制行业公认为环控系统是BAS系统中工作量最大，难度最大、最复杂的其中一个系统。

现场调试条件要求不只是通风空调环控柜安装接线通电完成，还需要与BAS系统完成现场总线通讯后方可开展调试工作，现场调试单设备和模式时，会占用BAS系统调试的大量时间，而影响调试其它子系统的调试进度，造成調试时间周期过长。

2 成都地铁1号线BAS系统技术

2.1 成都地铁1号线新型的BAS系统结构

其仍将车站分为A、B两端BAS系统、两端环控系统（图2），BAS两端分别设计一套双机热备PLC监控其它系统设备，两端环控系统分别设计一套单机PLC和一台液晶触摸显示屏（HMI）。两端环控系统PLC直接采用现场总线通讯方式与现地I/O、变频器和智能马达保护控制器进行数据交换。环控系统所有单设备的状态信息、控制功能、保护功能、参数配置功能及模式的状态信息、控制功能、参数配置等PLC程序均设置在环控PLC中。环控系统PLC与BAS系统PLC采用冗余的以太网通讯，BAS系统可通过以太网通讯方式监视和控制环控系统所有设备和模式命令下发。环控系统两端PLC与两端HMI之间采用以太网通讯，在本端的HMI终端可监视和控制远端的所有设备和模式命令下发。

2.2 采用此结构的BAS系统和环控系统之间的特点

（1）所有单设备的状态信息采集、控制功能、保护功能、参数配置功能及模式的状态信息、控制功能、参数配置功能的PLC程序均设计在环控系统，从而简化了BAS系统PLC程序的结构，减小了编程开发的工作量。

（2）增设了环控集中控制级，操作地点位于两端环控室的HMI，操作对象包括车站所有环控单设备和所有环控模式，即利用两端PLC和两端HMI相互之间的以太网通讯实现在任意环控HMI上的监视和操作整个车站的设备和模式。

（3）现场调试时，不论BAS系统的工程进度如何，只要环控柜具备调试条件，可使作环控集控级的HMI对系统网络、所有单设备、所有系统模式调试完成，与BAS系统只需作通讯接口测试即可。这样大大节省了BAS系统对环控系统的调试时间。

（4）当BAS系统故障或与BAS通讯中断时，可以在环控HMI上取得控制权限实现对单设备和模式的操作，使系统可以灵活、安全的运行。

（5）当需要对车站BAS系统或其它系统进行检修、升级改造时，环控系统可以将控制极限切换为环控集中控制级的HMI，使环控系统正常安全运行;当需要环控系统检修、升级改造时，BAS系统仍可以管理其它系统的正常安全运行。

3 成都地铁1号线隧道通风空调环控系统技术

通过集成、开发、调试，并采用先进的控制技术理念和积累的专业自动化设备控制经验将通风空调环控系统集成入成都地铁1号线BAS系统，PLC程序结构有5项新技术，其应用效果良好。

3.1 安全的操作权限管理

操作权限的管理分为环控机房（HMI）、BAS系统、OCC控制中心、现场（按钮开关）。如果按操作地方来划分从近到远的顺序为：现场→HMI→BAS→OCC，距离控制设备越远的操作地点，都需要更多的通讯接口，更远的通讯电缆来实现控制命令的下发。很显然，距离控制设备越近则故障率越低，可靠性越高，所以操作权限高低的划分原则为从最底层到最上层，即：现场>HMI>BAS>OCC（图3），对于HMI的操作权限管理，为了方便各系统各端的安全操作管理，大系统和隧道通风系统分别各设定一个权限标志位，小系统为每个端设定一个权限标志位。

3.2 缜密的优先级控制

每个设备都分为三种控制方式（图4），即现场手动控制、单设备自动控制、模式自动控制，正常情况下所有系统的设备都要处于模式运行，所以模式自动运行的优先级高于单设备自动控制，当某个单设备需要现场手动检修维护时，为了不退出模式运行，此时该单设备的控制优先级高于模式。因此，对于系统和设备来说，控制优先级为：单设备自动控制<模式自动控制<现场手动控制。

3.3 智能化的联动控制

当联锁风阀全关时，联锁风机不能启动;当联锁风机运行时，联锁风阀不能关闭（图5）。国内项目常规做法是将全关和运行信号分别串入联锁设备控制回路达到联锁的功能，当PLC关闭风阀或启动风机失败时，采用动作超时警告或提示联锁设备状态。由操作员自行操作满足联锁设备的状态控制流程（图6）。

为了简便操作流程和减少系统过多的警告，此项目创新做法是智能化联动控制功能，即当操作指令为启动风机时，PLC自动判定相关联锁风阀的状态，如果联锁风阀未全开，则自动打开风阀后再启动风机;当操作指令为关闭风阀时，PLC自动判定相关联锁风机的状态，如果联锁风机在运行，则自动停止风机后再延时关闭风阀（图7）。

3.4 方便用户直观的监视系统内所有设备状态

系统设备的状态采用了友好的人机界面，在一个画面以标准的色彩、旋转、闪烁动画来表示设备的各种状态，不用对画面作二次点击就可以把系统内所有设备的运行状态看的一目了然（图8）。

3.5 人性化的操作流程

需要在环控HMI操作设备时，如果两端的HMI都登录拥有操作权限，各自的操作必将起冲突，引起设备误动作或造成安全事故，如果HMI没有获取操作控制权，如果要操作的设备没有投入远控，如果要操作的设备电源未合闸，下发的操作指令至PLC必将执行失败，如果PLC程序不返回各种报警，使用户不清楚是何种故障，需要分析并作故障清查。如果PLC程序返回各种报警，会使用户得到过多的报警信息，也影响操作时间的有效性。现创新的环控系统采用把不满足设备动作的各种条件按操作流程每一时间闭锁并直接提示给用户，使用户在操作流程中的每个步骤的条件都满足后才允许下发操作指令（图9）。（闭锁提示信息有：未登录，禁止发控制命令;远端已登录，本端禁止登錄操作;控制权限在BAS，ECS禁止控制;该设备控制方式非远控，禁止操作;该设备电源未合闸，禁止操作。）

4 结束语

成都地铁1号线在国内是首条将BAS系统结构改为分级控制，环控系统交由下一级PLC控制，强化了环控系统设备的专业控制，提高了BAS系统和环控系统的开发效率，现场调试周期。1号线的17个车站在具备调试条件后，环控系统仅用35天，BAS系统也仅用60多天就完成了现场调试。由于环控系统的先进的、标准的PLC程序设计，使所有车站的PLC程序和HMI组态，从没有发生任何软件故障。同时，成都地铁1号线也是国内首条一直将BAS系统和环控系统投入自动化控制的地铁线路。成都地铁2号线也成功运用1号线的先进经验顺利投运。相信成都地铁后续线路也不会辜负成都人的期盼，将高效、高质的投运，从而加快成都城市轨道交通建设的步伐。