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地鐵環控系統的特點及其解決方案

发布时间:2019-11-09 03:04:33

地铁环控系统的特点及其解决方案

【摘要】 介绍了地铁环控系统的特点、组成、硬件和软件设备对不同环控络技术进行了分析和比较推荐了一种车站级环控系统解决方案关键词:地铁,环控系统,控制络1 地铁环控系统的特点 地铁建筑是特殊的建筑系统它具有面积大、空间广、区域应用功能复杂、区域间无隔断、人员流动性大等特点而且,不同建筑功能区域中的负荷经常处于较快的相对变化状态这些环境特性使得地铁的空调通风系统在实际运行时常会发生许多问题,例如局部负荷突变、负荷跨区域变化、区段实际使用功能变更、出现调节空间死角等 地铁环控系统的监控对象往往是时变和非线性的,其负荷具有随机特性或者某些统计学特征因此,环控系统不能仅采用建立模型辨识的方法,而要在此基础上采用人工智能神经络控制器,以对地铁空间多输入多输出的非线性时变系统进行控制

2 地铁环控系统的组成 典型的地铁环控系统结构如图1所示 环控系统的控制可分为中央级、车站级和就地级三个层次2.1 中央级环控系统 中央级环控系统由控制中心局域构成,为确保系统的安全性和可靠性,中心局域采用双以太冗余结构,中心局域通过路由器或其他接入设备与通信主干连接中央环控系统由下列设备组成:

(1)监控工作站:采用两台互为备份的监控主机,用于调度人员的日常控制、监视、和调度管理工作;

(2)维护计算机:用于系统软件的维护、组态、运行参数的定义,系统数据库的形成和用户操作画面的修改、增加等;

(3)络服务器:采用热备结构,用于控制中心监控系统整个络的管理、数据存储与处理,并提供共享资源;

(4)路由器或其他:用于和通信主干连接;

(5)打印机:用作事件和报表打印;

(6)模拟屏:用于显示区间和车站隧道通风系统设备的运行状态和报警信息

2.2 车站级环控系统 车站级环控系统的设计思想是采用现场总线技术组进行控制,每台智能直接数字控制单元在完成自身监控任务的同时,将地铁站各区域传感器所测得环境参数和空调设备运行数据通过控制络不断地送往上层的控制管理机,提交在上位机运行的智能优化协调控制软件,智能优化软件将测量信息进行有效的融合,将融合优化的结果下传,作为系统控制的动态设定值送往现场控制器智能优化软件根据现场运行数据和测量信息不断修改控制器设定值,这等效于给原有的独立系统添加一个控制外环,在环控主机不工作时,现场设备仍可按预先设定的控制模式正常工作其控制原理如图2所示车站级环境监控系统设备主要设置在车站环控机房内,环控机房内的所有环控设备构成一个局域,此通过LON接入设备与LONWORKS控制相连

环控机房由下列设备组成:

车站环控主机:负责一切正常及事故情况下对车站各系统设备运行的监控管理;

打印机:进行操作记录、事故记录、测量数据事件和报表的打印;

光纤LON接口:用于LON和局域之间的转接;

关:与FAS(Fire Alarm System)系统相联;

LON络适配器:用于监控主机和LON接口之间的连接

2.3 就地级环控系统

2.3.1 BAS(Building Automatic System)子系统

车站环控系统的BAS子系统由车站大系统通风空调系统、车站小系统通风空调系统、区间隧道通风系统、制冷水循环系统组成

2.3.1.1 车站大系统通风空调环控系统 车站大系统空调通风环控系统又称公共区空调通风环控系统,地铁站大系统空调通风系统包括站厅层、站台层公共区的所有环控设备 在正常情况下,环控系统通过测量新风、送风、回风、混合风的温湿度和CO2浓度来调节空调机组回水管自动调节阀的开度,控制风阀开关和风机的启停

2.3.1.2 车站小系统通风空调环控系统 车站小系统空调通风环控系统主要为站内的设备及管理用房提供空调和通风服务 车站空调通风小系统是一套独立的系统其运行方式比较简单在正常运行时,送/排风机的送/排风量是固定的,不随季节的变化而变化当出现火情时,系统按照预定的灾害程序运行

2.3.1.3 隧道通风环控系统 区间隧道通风环控系统主要用做隧道的通风换气,在隧道中发生火灾时,此系统也兼有防灾报警功能

(1)正常运行状态 在这种运行状态下,打开所有的区间隧道排热风机,隧道的换气主要靠列车运行时产生的活塞风进行空气交换早、晚间地铁停止运行时,打开区间隧道通风机和隧道排热风机对隧道进行空气交换

(2)列车故障情况 列车阻塞在站内:此时只需打开此站的部分隧道通风机及相应的电动组合风门来增加排气量,依靠空气的自然流动来进行空气交换 列车阻塞在区间隧道内:此时打开区间两端隧道通风机及相应的电动组合风门对隧道区间强制进行空气交换

(3)发生火灾时列车运行状态 当列车在运行过程中发生火灾时,此时区间隧道通风系统各设备运行的原则是:必须保证隧道中的风向与旅客疏散的方向相反,以保证旅客的生命安全有四种可能的火灾模式,即隧道列车尾部发生火灾、隧道列车头部发生火灾、隧道列车中部发生火灾和站台列车发生火灾

2.3.1.4 制冷水循环环控系统

制冷水循环环控系统的主要任务是为空调系统提供足够的冷源系统由冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、冷水机组、膨胀水箱、集水器、分水器、设备之间的连接管线和一些阀门组成

3 控制络的选择 目前流行的现场总线技术有CAN、ISP(包括PROFIBUS)、SP50、LONWORKS等其中LONWORKS络技术是90年代初发展起来的新型现场总线络技术几种现场总线技术的比较见表1从表中可以看出LONWORKS络技术具有很多其它现场络总线技术所没有的优点

4 采用LONWORKS络技术的车站级环控系统方案 LONWORKS是由美国ECHELON公司开发的一种完整、全开放和可互操作的目前已十分成熟的分布式控制络技术的总称由于LONWORKS控制络技术具有节点分散、可靠性高、协议开放性和低成本等特点,故众多的制造厂和用户纷纷在其控制络方案中采用这种技术到目前为止,摩托罗拉和东芝公司是神经元芯片的指定生产商,全世界已有3000多家公司利用LONWORKS技术生产各种各样的LONWORKS产品,以满足现代化楼宇、工厂、交通运输系统、城市基础设施建设、家庭环境等自动化系统的分布式控制络要求为了保证来自于如此众多厂家的产品是真正开放的且满足LONWORKS技术要求,使众多厂家产品能在一个LONWORKS分布式控制络系统中实现即插即用,1994年由全球12个着名工业集团发起,由150家公司参加成立了一个被称为LONMARK互操作性协会,此类产品在LONWORKS控制络上具有互操作性1995年,LONWORKS控制络被美国空调与制冷协会确定为楼宇自动化控制络标准的一部分1998年,LONW ORKS控制络被美国铁路协会确定为铁路自动化控制络标准

LONWORKS控制络主要由下列核心技术组成

LonTalk通信协议:是LONWORKS控制络技术的心脏LonTalk通信协议执行ISO定义的OSI七层参考模型其通信服务功能包括通信介质存取、发送授权和优先级传送、误码检测与恢复、重复传输检测和自动重发、数据类型标准化和标识符、单节点/多节点/广播式节点寻址 神经元芯片:具有3个8位的在线处理器,芯片上固化了LonTalk通信协议,其中一个完成OSI协议的1、2层功能,实现介质访问的控制和处理,称为Mac处理器;另一个完成OSI协议的3~6层功能,进行络变量寻址和处理,称为络处理器;而第三个处理器实现OSI协议的第7层功能,执行操作系统和用户代码,完成用户指定的控制功能,称为应用处理器 控制与连接器件:与数据络(即计算机局域)相同,控制络也需要一些控制与连接器件将控制络上的节点连接起来,控制与连接器包括络收发器(双绞线收发器,光纤收发器,同轴电缆收发器,红外线收发器,无线收发器,电力线收发器)、络适配器(用于对控制络进行安装、调试及维护)、中继器(用于控制络的延长、路由器和桥)用于多个子间的互联以及关(用于不同应用络的集成) 络操作系统:利用多服务器、多客户机结构形成一个强大的操作平台,以便进行系统安装和系统更新

LONWORKS控制络具有下列特点:

·多种传输媒介和通信速度可在一个控制络内共存; ·控制络规模可以非常大,少至几个节点,大至几万个节点,但控制络的效果却与小容量控制络无异; ·任何节点都不需要主控制器或中央计算机干预即可实现相互通信; ·提供有效的互操作性规范,不同厂家的产品在一个控制络上即插即用; ·支持双绞线、同轴电缆、光缆、红外线、无线通信和电力线载波等多种媒介 图3为采用LONWORKS控制络拓扑结构的典型车站环控系统原理图地铁环控系统站间通信以高带宽的广域为传输主干,控制中心和各个车站控制室内部采用10/100M以太,它们通过以太路由器及广域接入设备进入主干通信

车站的环控络采用开放式LONWORKS控制络技术,主干络传输介质为多模光纤,拓扑结构为光纤环 如图3所示,根据地铁站设备的安装位置,环控系统分为若干个子(子是设备相对集中的区域)子主要负责车站区域的通风空调系统、自动扶梯、给排水、照明等系统设备监控,而对站内一些分散的设备则采取将智能光纤节点直接接入光纤主干环的方法来监控子下的用户节点采用双绞线自由拓扑结构,并通过路由器连接到光纤主干上主干速率为1.25Mb/s,双绞线子速率为78.8kb/s 需说明的是,为了提高系统整体的可靠性和可用性,LONWORKS光纤环使用了RAYTHON公司的光纤解决方案,它不同于先前的光缆发送和接收分离,只能进行单向传输,使用RAYTHON的光纤产品后以单根光纤即可进行双向通信,使成本和安装工时大大降低由于LONWORKS主干为环结构,主干的任意两个节点间均有两条通路,这就消除了主干的单点故障对系统可能造成的重大损害此外,RAYTHON公司的所有光纤产品均设计了一种特殊电路,此电路能以接近零延时方式从相邻节点收发数据 LONWORKS控制络的现场控制节点符合LONTALK协议的双绞线智能模块,全球有3000多家公司生产符合LONTALK通信协议的产品,选择范围十分广泛 图3中的现场双绞线控制子采用自由拓扑结构,从功能上划分,有现场空调通风监控设备、区间隧道通风设备、制冷水循环设备等 由于采用智能监控模块,均内置了8位处理器和E2PROM因此,环控系统控制功能,不需依赖上位机实现早在节点软件安装时,就以数据绑定的方式建立各控制节点间的逻辑关系,在所有逻辑关系建立完成后,将程序一次性下载到控制节点,存入节点的E2PROM中,当节点掉电后程序依然保留,无须重新下装程序,使相应控制的实现不会受影响正是LONWORKS络监控模块智能化的特点,大大增加了系统稳定性,且可有效地提高系统的自适应能力

5 软件 地铁环控系统是一个智能化的络管理和控制系统,涉及的软件有操作系统、自动控制组态软件、数据库管理系统、络配置工具、数据采集软件和应用系统其中应用系统软件应根据用户的需求和环控系统的特点自行开发,实现对地铁全线环控设备及状态的实时监视和远程遥控、数据库访问、自动报警、报表以及与其他系统之间的通信 通常包含以下集中功能:

(1)通信接口功能 实现监控主机、工程师工作站、车站级工作站、络服务器、底层控制器、FAS、信号系统之间的通信及数据交换,所有工作站及服务器之间的通信协议采用通用的TCP/IP协议(2)图形化功能 通过自动控制组态软件对监控对象进行组态,可在监控计算机中获得图形化的人机接口界面通过直观的图形对象,可实时了解监控对象的状态信息并对可控对象实施控制动作(3)数据库访问功能 通过自动控制组态软件系统提供的SQL函数,对数据库进行操作(4)报表功能 系统可根据用户需求生成表、月报表、年报表并可自动打印存档(5)用户权限管理功能 根据登录用户的操作级别,系统可为其设置操作权限(6)实时监控功能 对全线所有环控设备及环境状态提供实时监视功能,并对相应环控设备提供远程遥控功能(7)报警功能 设置报警门限,进行自动报警系统接收到报警信息时,发出报警信息,并要求操作员确认(8)控制优化功能 根据气候、设备工况、特殊事故等不同情况,调整控制方式(9)打印功能 打印分正常打印和异常打印,启动方式为定时启动、人工启动和事件驱动(10)工程资料库功能 环控系统资料的修改、查看、打印

(11)在线帮助功能 包括系统使用手册、系统配置、向导软件使用说明6 结束语 采用智能环控系统能提高地铁环境的舒适度、降低能耗、延长设备的使用寿命,从而获得较好的社会效益和经济效益不同的环控方案在投资成本和投资效益上有很大差别采用LONWORKS络,能实现对地铁环控设备的监督、控制和优化,是目前地铁环控系统的最佳方案 (收稿日期:2000—07—10)查阅:已获批28个城市的轨道交通线路规划详解图(更新中)查阅:2012年全国各省市城市轨道交通项目概览(更新中)查阅:城市轨道交通中标企业

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