論南京地鐵四號線集中冷站控制策略

徐飛

南京地鐵運(yùn)營有限責(zé)任公司機(jī)電分公司

摘要：南京地鐵四號線集中冷站系統(tǒng)負(fù)責(zé)對車站冷水機(jī)組、清水泵、電動蝶閥等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。通過與綜合監(jiān)控（Integrated Supervisory Control System，以下簡稱“ISCS” ）系統(tǒng)對接，共同對車站環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)地計(jì)算，保證在夏季為車站提供一個(gè)最優(yōu)的乘車候車環(huán)境。本文針對此控制系統(tǒng)，對其控制工藝進(jìn)行全面的論述。

關(guān)鍵詞：南京地鐵四號線;ISCS系統(tǒng);冷水機(jī)組;控制策略

1.概述

南京地鐵四號線集中冷站系統(tǒng)監(jiān)控對象有：冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷凍水閥、冷卻水泵、冷卻水閥、冷卻塔風(fēng)機(jī)、各類溫度壓力傳感器等，系統(tǒng)采用現(xiàn)代化的4C技術(shù)（Computer、Control、Communication、CRT），本著“智能、便捷、節(jié)能”的原則，對車站冷水系統(tǒng)進(jìn)行全面智能控制，保證為通風(fēng)大系統(tǒng)提供穩(wěn)定的8-15攝氏度的冷水，提高空調(diào)季節(jié)車站的整體舒適度。

2.冷站系統(tǒng)總體功能

冷站系統(tǒng)需同時(shí)與冷水機(jī)組和ISCS系統(tǒng)進(jìn)行通訊，前者采用modbus485通訊，后者采用modbus TCP通訊，系統(tǒng)除完成通訊任務(wù)外，還應(yīng)具備如下功能：

1）對設(shè)備和控制系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，系統(tǒng)應(yīng)能對冷卻塔、水泵、冷水機(jī)組、閥門等主要設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，包括顯示各類運(yùn)行狀態(tài)、輸出各類運(yùn)行指令等，同時(shí)能對供回水溫度、壓力、供回水壓差等數(shù)值進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)設(shè)備有故障時(shí)，能給出報(bào)警信息。

2）冷站工作站除了與控制器進(jìn)行通訊外，不得進(jìn)行其他通訊。

3）冷站系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)ISCS遠(yuǎn)程及本機(jī)兩級控制。

4）實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備點(diǎn)動操作及檢修掛牌的功能。

5）采用科學(xué)調(diào)度的方法，對冷水機(jī)組的啟停次序進(jìn)行優(yōu)化。

6）制定可靠安全的設(shè)備聯(lián)鎖關(guān)系，如水閥在關(guān)閉狀態(tài)下，與之連通的水泵將不能開啟。

7）應(yīng)具備將相關(guān)報(bào)警、狀態(tài)信息生成甲方需要的電子檔報(bào)告功能。

8）應(yīng)有科學(xué)的冷卻塔啟停算法，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行的同時(shí)降低能耗。

9）應(yīng)有切實(shí)可行的冷卻水路控制策略，以保證冷水機(jī)組平穩(wěn)開機(jī)。

10）應(yīng)有完善可行的冷機(jī)關(guān)閉后處理措施。

11）冷站系統(tǒng)應(yīng)采用分布式控制，上位軟件的監(jiān)控畫面應(yīng)獨(dú)立存放于各自的工作站中，不得使用服務(wù)器存放全線的監(jiān)控畫面。

3.控制策略分析

3.1 開關(guān)機(jī)控制

冷站機(jī)組總啟動、停止命令均來自地鐵ISCS系統(tǒng)，集控系統(tǒng)接到命令后，進(jìn)入負(fù)荷群控機(jī)組加載程序。

ISCS系統(tǒng)具體控制方式：ISCS系統(tǒng)命令分為“運(yùn)營時(shí)段”與“空調(diào)季節(jié)”兩個(gè)命令，當(dāng)ISCS系統(tǒng)發(fā)出“運(yùn)營時(shí)段-ON”命令時(shí)，小機(jī)組進(jìn)入負(fù)荷群控機(jī)組開機(jī)程序，小機(jī)組投入運(yùn)營;當(dāng)ISCS系統(tǒng)發(fā)出“運(yùn)營時(shí)段-OFF”命令時(shí)，小機(jī)組進(jìn)入負(fù)荷群控機(jī)組關(guān)機(jī)程序，小機(jī)組停止運(yùn)營;

在ISCS系統(tǒng)發(fā)出“運(yùn)營時(shí)段-ON”命令的基礎(chǔ)上，ISCS系統(tǒng)再發(fā)出“空調(diào)季節(jié)-ON”命令，大機(jī)組進(jìn)入負(fù)荷群控機(jī)組開機(jī)程序，大機(jī)組投入運(yùn)營，當(dāng)ISCS系統(tǒng)發(fā)出“空調(diào)季節(jié)-OFF”命令，大機(jī)組進(jìn)入負(fù)荷群控機(jī)組關(guān)機(jī)程序，大機(jī)組停止運(yùn)營。

3.2 負(fù)荷群控控制說明

冷水機(jī)組系統(tǒng)由一臺小機(jī)組和二臺大機(jī)組組成，接到ISCS系統(tǒng)開機(jī)命令后，小機(jī)組和相應(yīng)的冷凍和冷卻水泵24小時(shí)開機(jī)。當(dāng)小機(jī)組故障時(shí)，自動開啟大冷水機(jī)組并打開分水器上通往小系統(tǒng)的電動閥門，依照“以大帶小”的原則進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。若在運(yùn)營時(shí)段內(nèi)，人工操作大小機(jī)組的集分水器開關(guān)閥解決小機(jī)組負(fù)荷問題;在小機(jī)組故障消除后，恢復(fù)小機(jī)組開機(jī)運(yùn)行。

機(jī)組加載程序：，當(dāng)大機(jī)組分水器出水溫度超過T1（7℃）+t（t=0.5℃死區(qū)值）、啟動第一臺大機(jī)組對應(yīng)的冷卻水泵，延時(shí)1分鐘后，啟動該臺大機(jī)組。檢測本臺大機(jī)組達(dá)到滿載后（目標(biāo)容量百分比大于等于98%），累時(shí)2分鐘后，出水溫度仍然超過T1+t值，啟動第二臺大機(jī)組對應(yīng)的冷卻水泵和冷凍水泵，延時(shí)1分鐘后，啟動該臺大機(jī)組。

機(jī)組卸載程序：判斷大機(jī)組分水器出水溫度低于T1-t，同時(shí)判斷第二臺運(yùn)行大機(jī)組的負(fù)荷，該機(jī)組負(fù)荷（目標(biāo)容量百分比）低于20%（此負(fù)荷值做成可調(diào)節(jié)量）時(shí)，延時(shí)1分鐘，則停掉這臺大機(jī)組，該大機(jī)組負(fù)荷（目標(biāo)容量百分比）為0%時(shí)延時(shí)3分鐘停掉該臺大機(jī)組對應(yīng)的冷卻水泵和冷凍水泵。

機(jī)組停機(jī)程序：關(guān)閉所有正在運(yùn)行的大機(jī)組，延時(shí)3分鐘停掉大機(jī)組對應(yīng)的冷卻水泵和冷凍水泵。每次重新啟動機(jī)組前，應(yīng)判斷各大機(jī)組壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間（若有兩臺壓縮機(jī)時(shí)，取二臺壓縮機(jī)累計(jì)運(yùn)行小時(shí)數(shù)最大者作為機(jī)組運(yùn)行時(shí)間），根據(jù)時(shí)間長短，最先啟動運(yùn)行時(shí)間最短的大機(jī)組，以平衡各大機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間。每次重新啟動機(jī)組前，首先判斷本大機(jī)組總報(bào)警狀況，機(jī)組報(bào)警狀態(tài)下，不能啟動該機(jī)組。

3.3 冷卻塔風(fēng)機(jī)控制說明

冷卻塔主要在冷卻水路上冷卻量不夠時(shí)投入使用，衡量冷卻效果的標(biāo)準(zhǔn)是冷凝器出、入水之間的溫差，但在實(shí)際使用過程中，一般采用冷凝器入水溫度來判斷，根據(jù)現(xiàn)場觀測的冷凝效果和冷機(jī)符合，一般冷卻水回水溫度在29-30度之間，系統(tǒng)效率較高，所以本項(xiàng)目通過冷卻塔的啟停，盡量將冷凝器入水溫度控制在29-30度之間，下圖是冷卻塔的控制流程圖：

考慮到冷卻水循環(huán)需要一定時(shí)間，所以以上判斷邏輯需要一定的時(shí)間間隔，不僅可以保證效果，而且也可以避免設(shè)備的頻繁啟動，系統(tǒng)采用的時(shí)間間隔是2分鐘。

關(guān)于冷卻塔啟動和關(guān)閉的順序：一個(gè)車站有3-8臺冷卻塔不等，先開哪臺，先關(guān)哪臺是本次程序考慮的一個(gè)重點(diǎn)。為了保證設(shè)備運(yùn)營時(shí)間平衡，系統(tǒng)給每臺冷卻塔運(yùn)行進(jìn)行記錄，每次需要啟動時(shí)，優(yōu)先啟動運(yùn)行時(shí)間短的冷卻塔，優(yōu)先停止運(yùn)行時(shí)間長的冷卻塔。

3.4 冷卻水流量閥控制說明

對應(yīng)冷卻水流量閥的開度，根據(jù)機(jī)組冷卻水的回水溫度調(diào)整。開度的隨水溫的調(diào)整條件如下：

以上三個(gè)參數(shù)需在界面上可設(shè)定。

3.5 聯(lián)動工藝分析

1）溫控設(shè)定：ISCS系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)車站內(nèi)的溫濕度傳感器反饋的數(shù)值和車站設(shè)定溫度進(jìn)行比對，當(dāng)超過設(shè)定溫度時(shí)，ISCS系統(tǒng)應(yīng)給冷站系統(tǒng)下發(fā)開機(jī)指令，為了很好地實(shí)現(xiàn)溫控設(shè)定，防止系統(tǒng)頻繁啟停也是一個(gè)重要的技術(shù)點(diǎn)，地鐵車站內(nèi)列車進(jìn)進(jìn)出出會產(chǎn)生大量的活塞風(fēng)，同時(shí)現(xiàn)場的傳感器電信號傳輸或多或少也會有擾動情況存在，所以溫度上下波動是常有的事情。比如車站設(shè)定29度，如果僅以此為判斷標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)車站溫度在29度附近上下波動時(shí)，就很有可能導(dǎo)致系統(tǒng)一會下發(fā)開機(jī)指令，一會下發(fā)停機(jī)指令，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，同時(shí)頻繁開啟也容易造成電機(jī)損壞等情況，所以應(yīng)采用技術(shù)措施避免此類情況發(fā)生，一般常用的是設(shè)定死區(qū)和設(shè)定時(shí)間周期。

所謂設(shè)定死區(qū)，就是讓溫度允許在一定范圍區(qū)間內(nèi)波動，當(dāng)然死區(qū)的范圍越大，系統(tǒng)越不靈敏。例如，車站設(shè)定溫度29度，死區(qū)為2度，則只有當(dāng)車站溫度超過31度時(shí)，系統(tǒng)才會啟動，當(dāng)溫度低于27度時(shí)，系統(tǒng)才會關(guān)閉，當(dāng)溫度在27到31度之間波動時(shí)，系統(tǒng)不予理會，仍保持原先的執(zhí)行狀態(tài)。

所謂時(shí)間周期，就是每隔一段時(shí)間，系統(tǒng)執(zhí)行一次判斷，產(chǎn)生的結(jié)果一直保持到下個(gè)時(shí)間周期。同樣，時(shí)間周期越長，系統(tǒng)靈敏度越差。

由于冷水機(jī)組不是一個(gè)即時(shí)啟停的設(shè)備，為了保證機(jī)組安全，每次啟停后應(yīng)有一定的時(shí)間間隔，所以四號線采用的是時(shí)間周期控制方式，可以把最短運(yùn)行時(shí)間加上開機(jī)準(zhǔn)備時(shí)間再加上停機(jī)保護(hù)時(shí)間作為最小檢測周期，這樣，可以最大程度上保護(hù)冷水機(jī)組，提高系統(tǒng)使用壽命。

2）災(zāi)害模式下運(yùn)行：根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，當(dāng)車站發(fā)生火災(zāi)等災(zāi)害時(shí)，冷水機(jī)組應(yīng)該立刻停止運(yùn)行，所以，ISCS系統(tǒng)在接收到火災(zāi)報(bào)警等相關(guān)信號時(shí)，應(yīng)該將火災(zāi)報(bào)警信號傳遞給冷站，冷站系統(tǒng)應(yīng)在所有的判斷程序前，將火災(zāi)信號以與邏輯寫入程序，并直接發(fā)出所有設(shè)備的停止指令，以保證系統(tǒng)的安全。

3）連鎖運(yùn)行：當(dāng)車站送風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行時(shí)，ISCS系統(tǒng)應(yīng)給冷站系統(tǒng)下發(fā)停機(jī)指令，以確保冷凍水路的安全。比如當(dāng)車站的所有送風(fēng)系統(tǒng)停掉，這時(shí)如果水系統(tǒng)不關(guān)閉，則會導(dǎo)致冷凍水末端沒有負(fù)載，產(chǎn)生的冷水又通過冷凍水循環(huán)回來再一次被制冷劑降溫，當(dāng)溫度低于零攝氏度時(shí)，就有可能造成凍管現(xiàn)場，更嚴(yán)重的可能損壞蒸發(fā)器，雖然冷水機(jī)組自身有保護(hù)，在檢測到溫度低時(shí)會自動停機(jī)，但是這樣的情況出現(xiàn)，對于冷水機(jī)組而言也是會產(chǎn)生影響的。而且如果冷水系統(tǒng)開啟指令一直存在，就會導(dǎo)致冷水機(jī)組頻繁啟停，可能開機(jī)不到20秒就自動關(guān)機(jī)了，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，類似這種情況，在以前的系統(tǒng)中普遍存在，一個(gè)空調(diào)季節(jié)，一臺冷水機(jī)組能啟動上千次，從設(shè)備維護(hù)角度考慮，該問題亟待解決，不然每年的設(shè)備折舊費(fèi)用會直線上升。

4.結(jié)束語

綜上，地鐵車站的集中冷站控制系統(tǒng)在地鐵運(yùn)營服務(wù)中起著舉足輕重的作用，做好地鐵自動控制策略研究更是地鐵運(yùn)營事業(yè)走可持續(xù)發(fā)展道路的一項(xiàng)戰(zhàn)略性措施，因此，在今后的運(yùn)營過程中，要不斷總結(jié)，大膽創(chuàng)新，因地制宜，讓地鐵集中冷站控制策略能夠滿足運(yùn)營環(huán)境的變化，更好地服務(wù)乘客。