大型鐵路站房建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)研究與展望

李國(guó)忠, 沈 丹, 喻 威

(中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司,武漢 430071)

0 引言

與發(fā)達(dá)國(guó)家相比,我國(guó)高速鐵路的規(guī)劃和建設(shè)雖然起步較晚,但是發(fā)展非常迅速。 目前,中國(guó)已經(jīng)成為世界上高速鐵路發(fā)展最快、系統(tǒng)技術(shù)最全、集成能力最強(qiáng)、在建規(guī)模最大、運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)、運(yùn)營(yíng)速度最高、產(chǎn)品性價(jià)比最優(yōu)的國(guó)家。 鐵路站房作為高速鐵路發(fā)展的重要組成部分,也在大規(guī)模建設(shè)。

建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)是在綜合運(yùn)用自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、通信、傳感器等技術(shù)的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)對(duì)站房?jī)?nèi)的各機(jī)電設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制的智能化管理平臺(tái),建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)是智慧鐵路站房建設(shè)的一個(gè)重要組成部分,可降低能耗、提高機(jī)電設(shè)備運(yùn)維效率、降低生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本。

1 鐵路站房建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控對(duì)象分析

鐵路站房建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控對(duì)象主要包括:空調(diào)通風(fēng)、給排水、垂直交通、冷熱源等系統(tǒng)。其中冷熱源系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)各自采用獨(dú)立監(jiān)控系統(tǒng),通過(guò)網(wǎng)關(guān)接口方式接入建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行監(jiān)控。 各系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備:(1)空調(diào)系統(tǒng):新風(fēng)機(jī)組、空調(diào)機(jī)組、定(變)風(fēng)量空調(diào)機(jī)等;(2)通風(fēng)系統(tǒng):送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)等;(3)給排水系統(tǒng):生活水泵、潛水泵、排污泵等;(4)冷熱源系統(tǒng):冷凍機(jī)組、熱源機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔等;(5)垂直交通系統(tǒng):電梯、扶梯等。

鐵路站房一般為鐵路交通樞紐,空間大、機(jī)電設(shè)備多、分布距離遠(yuǎn)、出行人員多、連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng),對(duì)建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性及可擴(kuò)展性要求極高。

2 基于PLC 的鐵路站房建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)

PLC 控制系統(tǒng)是在傳統(tǒng)順序控制器的基礎(chǔ)上引入了微電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制和通信技術(shù)而形成的一代新型工業(yè)控制裝置,目的是用來(lái)取代繼電器、執(zhí)行邏輯、記時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制功能,建立柔性的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。 具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、擴(kuò)展性高、抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

PLC 初期是專門應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化方面的,國(guó)內(nèi)幾乎全部的工業(yè)生產(chǎn)流水線控制均采用PLC 控制系統(tǒng)。 通過(guò)多年的發(fā)展,現(xiàn)在的PLC 控制系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)方面可以支持多種協(xié)議及分層結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。 PLC 上位機(jī)軟件本身具有的靈活性和兼容性的特點(diǎn),使PLC 控制系統(tǒng)在建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用成為可能。 近年來(lái),很多建筑設(shè)備監(jiān)控工程都應(yīng)用了PLC 控制系統(tǒng),特別是大型復(fù)雜、對(duì)可靠性要求較高的建筑設(shè)備監(jiān)控工程,積累了大量控制流程程序,可針對(duì)不同項(xiàng)目迅速做出量身定制的功能,展示了PLC 控制系統(tǒng)在建筑設(shè)備監(jiān)控中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。

基于PLC 鐵路站房建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)采用 “集散型控制系統(tǒng)”,分為控制中心層、網(wǎng)絡(luò)層和現(xiàn)場(chǎng)控制層三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 控制中心層主要以監(jiān)控管理為主,實(shí)現(xiàn)可控設(shè)備的時(shí)間表控制和模式控制;網(wǎng)絡(luò)層采用以太網(wǎng)通信技術(shù),實(shí)現(xiàn)控制層PLC主控制主機(jī)之間通信;現(xiàn)場(chǎng)控制層由PLC、受控設(shè)備、傳感器、閥門等組成,即可實(shí)現(xiàn)受控單元的獨(dú)立控制,也可與上位機(jī)通信,接受上位機(jī)的集中控制。 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖1 所示。

根據(jù)鐵路站房的規(guī)模、重要性以及受控設(shè)備的重要性,設(shè)備部署上可采取冗余服務(wù)器、冗余PLC、冗余I/O 模塊等多種冗余策略,保證系統(tǒng)的可靠性。網(wǎng)絡(luò)選擇上也可根據(jù)可靠性需求,靈活選取工業(yè)環(huán)形以太網(wǎng)、星型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)等多種網(wǎng)絡(luò)形式。 傳輸網(wǎng)絡(luò)采用TCP/IP 協(xié)議,可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模自由擴(kuò)展,滿足站房受控設(shè)備的發(fā)展需求。

3 基于DDC 的鐵路站房建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)

圖1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

現(xiàn)階段鐵路站房廣泛使用的建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)是基于DDC 的控制系統(tǒng),DDC 是由PLC 發(fā)展而來(lái)的,它是在PLC 的基礎(chǔ)上根據(jù)建筑設(shè)備控制特點(diǎn)固化了一些應(yīng)對(duì)建筑設(shè)備控制的程序,從而為用戶提供了簡(jiǎn)單實(shí)用的控制方案。 因此可以說(shuō)DDC就是PLC 在建筑設(shè)備監(jiān)控中的特殊應(yīng)用。

基于DDC 的鐵路站房建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)主要由中央管理主機(jī)、工作站、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、DDC 控制器、前端傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。 系統(tǒng)采用分布式集散控制方式,根據(jù)系統(tǒng)規(guī)?？刹捎萌龑踊蚨拥木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 管理層建立在以太網(wǎng)絡(luò)上,控制層則采用總線技術(shù),兩個(gè)層面均可以自由拓?fù)洹?/p>

管理層網(wǎng)絡(luò)以以太網(wǎng)為物理鏈路,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP 通信協(xié)議高速通信,管理網(wǎng)絡(luò)層主要由操作站、服務(wù)器等組成;控制層網(wǎng)絡(luò)可采用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)也可采用多條開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)(BACNET 等),將直接數(shù)字控制器、擴(kuò)展模塊等設(shè)備連接在一起;現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)層主要由傳感器、儀表、閥門等末端設(shè)備組成,現(xiàn)場(chǎng)控制層采用現(xiàn)行國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線通信(Modbus、LonWorks 等)。 基于DDC 的鐵路站房建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 鐵路站房PLC 與DDC 控制系統(tǒng)對(duì)比分析

由以上系統(tǒng)可以看出,PLC 與DDC 在控制原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上有聯(lián)系也有區(qū)別,他們之間的功能特點(diǎn)對(duì)比分析如表1。

由表1 對(duì)比可以看出,DDC 控制系統(tǒng)是針對(duì)建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的專業(yè)系統(tǒng),在建筑設(shè)備監(jiān)控領(lǐng)域有著更加廣泛的應(yīng)用背景和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),更容易被建筑領(lǐng)域使用者所接受。 PLC 控制系統(tǒng)以其在擴(kuò)展、安全、兼容、響應(yīng)速度等方面的優(yōu)勢(shì),也適合應(yīng)用在大型特別是超大型鐵路站房的設(shè)備監(jiān)控領(lǐng)域。

圖2 鐵路站房建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

5 鐵路站房建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展展望

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能以及5G 技術(shù)的發(fā)展與成熟,也會(huì)給鐵路站房建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的進(jìn)步和發(fā)展注入新的活力。

物聯(lián)網(wǎng)在鐵路站房的廣泛應(yīng)用,將會(huì)在鐵路站房?jī)?nèi)建立一套泛在接入網(wǎng)絡(luò),傳統(tǒng)建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(PLC 或DDC)的接入系統(tǒng)必將受到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的改變,建設(shè)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)形式也將發(fā)生質(zhì)的變化。 而隨著大量數(shù)據(jù)的接入,人們將不會(huì)滿足于現(xiàn)有的建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)控制邏輯,大數(shù)據(jù)及人工智能在建筑設(shè)備控制中必將起到更加重要的作用,目前已經(jīng)有基于人工智能(AI)的空調(diào)控制系統(tǒng)在工程中應(yīng)用,并取得了較好的控制和節(jié)能效果。PLC 控制系統(tǒng)的通用性和開(kāi)放性將更加有利于大數(shù)據(jù)和人工智能的植入。

PLC 與DDC 控制系統(tǒng)對(duì)比分析 表1

6 結(jié)束語(yǔ)

DDC 控制系統(tǒng)在鐵路站房設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中已經(jīng)取得了廣泛的應(yīng)用,并獲得了較強(qiáng)的接受度。PLC 控制系統(tǒng)憑借其多方面的優(yōu)勢(shì)也可應(yīng)用于鐵路站房設(shè)備領(lǐng)域。 隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能以及5G 技術(shù)等信息化技術(shù)在建筑設(shè)備監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用,將來(lái)的鐵路站房建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)必將更加智能、開(kāi)放、靈活,也必將為鐵路站房提供更加節(jié)能、高效、智能的建筑設(shè)備運(yùn)維管理平臺(tái)。