李珂 王妍萍 郭飛

摘要：隨著城市城市化程度深化，地鐵作為一種快速、舒適和環(huán)保的交通工具在各大城市陸續(xù)投入。本課題分析了地鐵空調(diào)系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，為了實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)各個(gè)控制環(huán)節(jié)，采用群控系統(tǒng)方案，通過采集系統(tǒng)設(shè)備信號，由PLC完成冷水機(jī)組各個(gè)設(shè)備的監(jiān)控功能和連鎖保護(hù)功能，通過MCGSE組態(tài)軟件進(jìn)行人機(jī)界面編程及現(xiàn)場運(yùn)行，可以準(zhǔn)確地看到整個(gè)冷水機(jī)組的運(yùn)行情況，并反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。該空調(diào)系統(tǒng)降低了地鐵工作人員的工作量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，提高效率，通過上線運(yùn)行說明地鐵空調(diào)系統(tǒng)控制方案合理可行。

關(guān)鍵詞：地鐵空調(diào)系統(tǒng)；自動(dòng)化；PLC；人機(jī)界面；HMI

中圖分類號：TH-39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）32-0235-04

Abstract： As the urbanization of the city deepens， the subway is being invested in major cities as a fast， comfortable and environmentally friendly means of transportation. This topic analyzes the complex structure of the subway air conditioning system. In order to realize intelligent adjustment of various control links， the group control system scheme is adopted. By collecting the system equipment signals， the monitoring function and interlock protection function of each device of the chiller are completed by the PLC， and the MCGSE configuration is adopted. The software performs man-machine interface programming and on-site operation， which can accurately see the operation of the entire chiller and reflect the operating status of the equipment. The air conditioning system reduces the workload of the subway staff， realizes automation， improves efficiency， and demonstrates that the subway air conditioning system control scheme is reasonable and feasible through on-line operation..

Key words： Air conditioning system； automation； PLC； man-machine interface； HMI

地鐵空調(diào)系統(tǒng)采用群控系統(tǒng)控制方案，實(shí)現(xiàn)在地鐵密閉、空氣流通不暢的環(huán)境下，通過收集出水進(jìn)水溫度、水力壓強(qiáng)、冷卻塔液位等相關(guān)信息，將其進(jìn)行分析、歸類、處理、判斷，對站內(nèi)及冷水機(jī)組溫度的系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控和管理，使系統(tǒng)設(shè)備始終高效、有序運(yùn)行。

1 系統(tǒng)的總體方案

地鐵空調(diào)群控系統(tǒng)是由PLC控制、冷凍水泵控制、冷卻水控制和人機(jī)界面組成，用來實(shí)現(xiàn)對冷卻水/冷凍水壓力、流量、溫度等參數(shù)以及設(shè)備狀態(tài)信息采集，并且對主要設(shè)備進(jìn)行控制，最后實(shí)現(xiàn)與BAS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信。群控系統(tǒng)設(shè)備主要有：冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、水處理設(shè)備、定壓補(bǔ)水裝置、差壓旁通閥。主要結(jié)構(gòu)見圖1。

地鐵空調(diào)群控系統(tǒng)主要分為冷水機(jī)組控制系統(tǒng)、水循環(huán)控制系統(tǒng)和輔助控制系統(tǒng)三大部分。

1.1 冷水機(jī)組控制系統(tǒng)

冷水機(jī)組系統(tǒng)有本地控制和群控系統(tǒng)控制2種模式的控制，主要是啟?？刂?、冷水出水溫度控制和遠(yuǎn)程控制。

每個(gè)地鐵站的冷水機(jī)組系統(tǒng)都各自有自己的控制柜與控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能和連鎖保護(hù)功能。通過本地控制柜實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)、泵、閥等的本地控制與監(jiān)控連鎖。并且每個(gè)本地控制柜都與群控機(jī)柜連接，受其控制與監(jiān)視。

群控機(jī)柜在遠(yuǎn)程的條件下，首先需要監(jiān)視冷水機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)；其次冷凍水供/回水溫度、冷凍水流量、冷卻水供/回水溫度、冷卻水流量、冷凍水流以及冷卻水流開關(guān)狀態(tài)；然后分別記錄冷水機(jī)組主要設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間；還需要控制設(shè)備的啟停、冷水機(jī)組需要開啟的臺數(shù)；最后也是最重要的自動(dòng)監(jiān)測各個(gè)設(shè)備故障報(bào)警。

1.2 水循環(huán)控制系統(tǒng)

水循環(huán)控制系統(tǒng)包括冷凍水泵控制、冷卻水泵控制、冷卻塔控制、水處理設(shè)備控制、定壓補(bǔ)水裝置控制、差壓旁通閥控制。群控機(jī)柜對冷水機(jī)組進(jìn)行啟停控制并監(jiān)視冷水機(jī)組的狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)，監(jiān)視冷卻塔的內(nèi)部溫度判斷風(fēng)機(jī)開啟速度；冷卻水泵、冷凍水泵是否開啟；電動(dòng)蝶閥的開度；通過水壓等參數(shù)判斷定壓補(bǔ)水裝置是否需要開啟；以及全效水處理器等的狀態(tài)、控制及連鎖。

1.3 輔助控制系統(tǒng)

輔助控制系統(tǒng)主要包括防反復(fù)啟動(dòng)控制、報(bào)警保護(hù)控制功能、防丟失和自適應(yīng)控制功能等。

地鐵空調(diào)控制系統(tǒng)主要靠電力驅(qū)動(dòng)，那么在保證設(shè)備正常的情況下也要考慮外在因素的影響。冷水機(jī)組自身的控制系統(tǒng)記錄兩次啟動(dòng)的時(shí)間間隔，保證兩次啟動(dòng)的時(shí)間間隔在安全的范圍內(nèi)，以保護(hù)機(jī)組；壓縮機(jī)和節(jié)流裝置的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)最大程度的節(jié)能；吸氣壓力過低保護(hù)、排氣壓力過高保護(hù)、油溫過高保護(hù)、油壓差過低保護(hù)、電流過大保護(hù)急停保護(hù)等34項(xiàng)保護(hù)功能；故障狀態(tài)信息記錄顯示機(jī)組具備故障狀態(tài)信息記錄顯示功能，記錄20條信息，并將該故障信息上傳至群控系統(tǒng)，打印故障信息記錄；機(jī)組設(shè)定的基本設(shè)置參數(shù)和控制參數(shù)具有防丟失功能，發(fā)生掉電事故時(shí)，通電后仍為掉電前設(shè)定狀態(tài)等。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC的選型和其硬件電路設(shè)計(jì)

一個(gè)完善的地鐵站空調(diào)控制系統(tǒng)根據(jù)站的大小以及一年四季溫差、水壓等環(huán)境特點(diǎn)，配備冷水機(jī)組并配有對應(yīng)的補(bǔ)水裝置、水處理、閥、流量計(jì)、壓力計(jì)等設(shè)備。經(jīng)過分析和測試，考慮到可升級性和靈活性，最終選用PM582-AC500編程控制器?？紤]到空調(diào)控制系統(tǒng)中有輸入輸出開關(guān)、水泵開關(guān)等數(shù)字量還有輸入輸出溫度、壓力等模擬量，根據(jù)環(huán)境以及所處理的數(shù)據(jù)量等各種因素本地鐵站選擇輸入、輸出模塊各為：

PLC模塊分配見圖3，PLC輸入輸出信號端口設(shè)定如表2所示。

2.2 冷水機(jī)組算法設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，如果外界溫度發(fā)生變化，群控系統(tǒng)也必須能夠自動(dòng)調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行臺數(shù)。因此冷水機(jī)組作為空調(diào)系統(tǒng)的核心設(shè)備，臺數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)尤為重要。

冷水機(jī)組臺數(shù)控制采用負(fù)荷控制法，其基本思路是根據(jù)冷凍水供回水溫度差和回水流量，計(jì)算實(shí)時(shí)冷負(fù)荷。

當(dāng)實(shí)時(shí)大于機(jī)組額定產(chǎn)冷能力的95%，且冷凍水供水溫度也已經(jīng)大于7℃的時(shí)候，則激活負(fù)荷階段運(yùn)行條件，階梯增加制冷機(jī)的運(yùn)行臺數(shù)，從而達(dá)到制冷要求。相反，當(dāng)實(shí)時(shí)小于機(jī)組額定產(chǎn)冷能力的30%，則需要減少制冷機(jī)的運(yùn)行臺數(shù)。

使用平滑程序、限制負(fù)荷變化率來保證系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定，防止負(fù)荷值突然改變引起的冷機(jī)不必要的啟停，因此設(shè)定增減冷機(jī)運(yùn)行臺數(shù)的時(shí)間間隔最小不少于10分鐘，從而避免冷機(jī)頻繁啟動(dòng)。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

地鐵空調(diào)群控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括PLC軟件設(shè)計(jì)和HMI軟件設(shè)計(jì)。PLC采用的ABB的CoDeSys V2.3開發(fā)軟件進(jìn)行編程，HMI采用的MCGS組態(tài)軟件。

3.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于選用的CPU是ABB AC500系列的PM582，這個(gè)型號需要用ABB Configurator 軟件進(jìn)行各個(gè)模塊的設(shè)置，再進(jìn)行程序編寫。當(dāng)開機(jī)命令發(fā)送給冷水機(jī)組后，首先系統(tǒng)要進(jìn)行自我檢測。監(jiān)測內(nèi)容包括系統(tǒng)中的冷卻水/冷凍水閥門是否打開；并且判斷冷卻/冷凍水泵是否正常運(yùn)；水流開關(guān)是否達(dá)到系統(tǒng)運(yùn)行需要的最低水量；冷卻水/冷凍水溫度是否達(dá)到開機(jī)要求。只有當(dāng)檢測完畢，沒有故障，達(dá)到開機(jī)條件時(shí)，冷水機(jī)組才允許啟動(dòng)。并且群控系統(tǒng)發(fā)出的開啟指令應(yīng)為非強(qiáng)制性指令，就像電梯一樣，當(dāng)設(shè)備或部件不能正常工作時(shí)，冷水機(jī)組均不能開啟，只有這樣才可以保護(hù)設(shè)備、不影響設(shè)備的使用壽命。運(yùn)行過程中當(dāng)設(shè)備或部件發(fā)生問題時(shí)，各個(gè)設(shè)備均依次停止工作，等維修過后再重新開啟設(shè)備。

冷水機(jī)組開啟時(shí)，開啟順序是首先選定機(jī)組，然后開啟冷凍、冷卻水閥，再開啟冷卻塔風(fēng)機(jī)，其次冷卻水泵，冷凍水泵，最后在開啟冷水機(jī)組。開啟每一部分都需要先檢測是否有故障，有故障則需要報(bào)警，然后清除動(dòng)作，檢修后繼續(xù)開啟動(dòng)作。如果正常則確認(rèn)開啟。由于閥開啟之后通水需要一定時(shí)間為了節(jié)能以及安全冷卻塔風(fēng)機(jī)開啟則需要延時(shí)2到3分鐘之后開啟，當(dāng)泵開啟后同理也要延時(shí)3到4分再開啟制冷機(jī)組。開機(jī)流程圖見圖4.

冷水機(jī)組關(guān)閉時(shí)首先需要停止的是冷水機(jī)組，讓它停止制冷然后再關(guān)閉冷卻塔風(fēng)機(jī)，停止降溫，接著是冷卻/冷凍水泵，最后才是閥。先停止制冷，如果先關(guān)閥水冷凍住會脹壞管道，并且關(guān)掉冷水機(jī)組后仍需要延時(shí)3到5分鐘，水溫不是很低后再關(guān)風(fēng)機(jī)，閥門關(guān)閉前也需要泵關(guān)掉4到5分鐘水流差不多不動(dòng)時(shí)再關(guān)閉水閥，不然水流速度還是很快會導(dǎo)致閥門損壞。停機(jī)流程圖見圖5。

3.2 HMI軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 HIM與PLC的MODBUS通訊設(shè)置

將通訊接口與BAS系統(tǒng)測試設(shè)備連接，設(shè)置相關(guān)通訊參數(shù)，給BAS發(fā)信息，對方應(yīng)能讀到相關(guān)數(shù)值或狀態(tài)值，BAS系統(tǒng)向群控設(shè)備發(fā)信號，群控系統(tǒng)也應(yīng)能夠讀到相關(guān)狀態(tài)值。因?yàn)樵贖MI與PLC之間是MODBUS通訊，所以要求修改兩者的通訊參數(shù)，使之匹配。

對通訊參數(shù)設(shè)置完成后，即可以看到PLC與HMI可以進(jìn)行正確的通訊，即HMI起到上位機(jī)的作用，可以進(jìn)行對PLC的控制，并讀取PLC的相關(guān)反饋信息及采集到的數(shù)據(jù)信息，真正起到了對PLC的監(jiān)控作用，使操作人員的工作更加直觀方便。與機(jī)組通訊測試，要求能夠準(zhǔn)確穩(wěn)定的獲得機(jī)組相關(guān)通訊數(shù)據(jù)。

3.2.2 HIM頁面設(shè)置

觸摸屏使用MCGS組態(tài)軟件開發(fā)。通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)在啟動(dòng)畫面可以看到系統(tǒng)的總括圖，以及設(shè)備之間的流程并能夠動(dòng)態(tài)顯示、上位控制命令發(fā)送后能夠自動(dòng)/手動(dòng)切換設(shè)備、設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及參數(shù)、警報(bào)報(bào)警；有控制流程的窗口入口；有報(bào)警以及事件記錄、數(shù)據(jù)處理。HIM啟動(dòng)畫面如圖8所示。

主頁面顯示整個(gè)系統(tǒng)組成以及流向，每個(gè)設(shè)備點(diǎn)擊能夠查看狀態(tài)如圖9所示。菜單能夠顯示用戶管理、故障記錄、參數(shù)設(shè)置、設(shè)備列表和聯(lián)系方式。

4 結(jié)論

1） 此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對空調(diào)控制系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，對各個(gè)設(shè)備信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警，現(xiàn)場工作人員能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理設(shè)備運(yùn)行故障，提高工作效率。

2） 此系統(tǒng)滿足空調(diào)控制要求的前提下，使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)，提高系統(tǒng)的自動(dòng)化水平、管理效率，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組高效運(yùn)行。通過了企業(yè)的技術(shù)項(xiàng)目評審，達(dá)到項(xiàng)目指標(biāo)要求上線運(yùn)行并取得良好效果。

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