地鐵“風(fēng)- 水”聯(lián)動(dòng)智能化節(jié)能控制系統(tǒng)架構(gòu)的淺析

薛婷婷

（上海申通地鐵集團(tuán)有限公司，上海200000）

1 概述

根據(jù)現(xiàn)有軌道交通運(yùn)營(yíng)線路的能耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，牽引用電及通風(fēng)空調(diào)動(dòng)力用電是軌道交通機(jī)電各系統(tǒng)中的主要能耗單元，其中牽引用電約占機(jī)電總能耗44.39%，通風(fēng)空調(diào)動(dòng)力用電也占到30.29%左右，而其他系統(tǒng)能耗均不足10%。特別地，在車站常規(guī)機(jī)電系統(tǒng)能耗中，通風(fēng)空調(diào)動(dòng)力用電更是主要能耗單元，占到常規(guī)機(jī)電系統(tǒng)總能耗的60%左右。由此可見通風(fēng)空調(diào)是軌道交通中的用電大戶。

在車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，冷水機(jī)組、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)、送排風(fēng)機(jī)的設(shè)備選擇通常是按照地鐵運(yùn)行遠(yuǎn)期最大負(fù)荷選擇的。在空調(diào)季節(jié)中，系統(tǒng)長(zhǎng)期在固定的最大水流量和最大風(fēng)量下工作，由于季節(jié)、晝夜、客流量不同情況下負(fù)荷的不斷變化，通風(fēng)空調(diào)最大冷負(fù)荷的出現(xiàn)時(shí)間較短，絕大部分時(shí)間車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)都是在部分負(fù)荷條件下運(yùn)行[1]。

隨著地鐵運(yùn)營(yíng)線路的增加，地鐵的能耗也隨之增加。面臨車站每天巨大的電力能耗，地鐵系統(tǒng)節(jié)能降耗勢(shì)在必行。那么如何在保證滿足站廳和站臺(tái)的舒適度要求的前提下，盡可能的節(jié)約能耗，降低運(yùn)行費(fèi)用，是地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)必須要研究的問題[2]。

2 地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的現(xiàn)狀

上海新建線路地下車站采用站臺(tái)設(shè)置屏蔽門的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由5 個(gè)子系統(tǒng)組成：（1）車站站廳和站臺(tái)公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，原則上兼排煙系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱大系統(tǒng)）；（2）車站設(shè)備管理用房通風(fēng)空調(diào)兼排煙系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱小系統(tǒng)）；（3）空調(diào)冷源及水系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱水系統(tǒng)）；（4）區(qū)間隧道（含輔助線）通風(fēng)系統(tǒng)兼排煙系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)）；（5）車站車軌區(qū)排熱兼排煙系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱車軌區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)）[3]。5 個(gè)子系統(tǒng)既相互獨(dú)立又密切關(guān)聯(lián)，子系統(tǒng)存在兼顧2 種功能要求的情況，這些兼用設(shè)備如何在最佳工況點(diǎn)運(yùn)行并且不影響突發(fā)情況（如火災(zāi)工況）下的功能實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要，這也是地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)營(yíng)的前提。

目前樓宇中的群控技術(shù)已經(jīng)非常成熟，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)和水的變頻控制策略有多種，都可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制[4]。現(xiàn)在在地鐵建設(shè)工程實(shí)施過程中，存在的問題主要集中在如何將風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)融入到傳統(tǒng)的地鐵設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（EMCS）的架構(gòu)中。

3 風(fēng)水聯(lián)動(dòng)節(jié)能系統(tǒng)架構(gòu)的分析

地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中，變頻運(yùn)行的節(jié)能技術(shù)措施主要使用于大系統(tǒng)，大系統(tǒng)、水系統(tǒng)。實(shí)施變頻運(yùn)行的設(shè)備包括大系統(tǒng)的排熱風(fēng)機(jī)、組合式空調(diào)箱、回排風(fēng)機(jī)、空調(diào)新風(fēng)機(jī)；小系統(tǒng)的空調(diào)箱、回排風(fēng)機(jī)；水系統(tǒng)的冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵；還包括各類調(diào)節(jié)閥和溫度、流量、壓差等現(xiàn)場(chǎng)傳感[5]。

在筆者參與的項(xiàng)目中，考慮將風(fēng)水聯(lián)動(dòng)節(jié)能系統(tǒng)納入地鐵設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（EMCS）,作為其一個(gè)子系統(tǒng)設(shè)置，本文針對(duì)如何將風(fēng)水聯(lián)動(dòng)節(jié)能系統(tǒng)納入到設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)中，進(jìn)行了三種方案的對(duì)比分析，討論各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出優(yōu)化方案。

3.1 方案一：風(fēng)水聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)控制路徑最簡(jiǎn)方案

3.1.1 風(fēng)水聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)

3.1.1.1 風(fēng)系統(tǒng)：環(huán)控電控室設(shè)智能控制箱，與風(fēng)系統(tǒng)各終端設(shè)備連接采集設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)，各智能控制箱通過網(wǎng)絡(luò)連接至車站風(fēng)水聯(lián)動(dòng)集中控制柜，集中控制柜通過計(jì)算分析下發(fā)控制策略，智能控制箱接收控制策略進(jìn)行參數(shù)計(jì)算并將指令下發(fā)至各終端設(shè)備。

3.1.1.2 水系統(tǒng)：環(huán)控電控室設(shè)水系統(tǒng)智能控制柜，與水系統(tǒng)各終端設(shè)備連接采集設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)，各智能控制箱通過網(wǎng)絡(luò)連接至水系統(tǒng)中央控制柜，同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)有控制箱，接入各類傳感器及水閥，采集溫度、濕度、水流量等參數(shù)匯聚至水系統(tǒng)中央控制柜，水系統(tǒng)中央控制柜與車站集中控制柜通信連接，便于整個(gè)控制策略的完善，從而起到車站整體節(jié)能。

3.1.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

EMCS 系統(tǒng)PLC 與風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)通過RS485 通信線連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、信息互通功能。風(fēng)- 水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能控制。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1。

圖1 方案一系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.1.3 各工況下系統(tǒng)運(yùn)行關(guān)系

3.1.3.1 在正常工況下，EMCS 下發(fā)節(jié)能控制指令，風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，各智能控制箱及現(xiàn)場(chǎng)控制柜采集數(shù)據(jù)，通過風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)置的總線傳至車站集中控制柜，車站集中控制柜下發(fā)控制策略，相關(guān)風(fēng)系統(tǒng)、水系統(tǒng)接收指令動(dòng)作，在需要調(diào)節(jié)風(fēng)閥的情況下，EMCS 接收風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)指令，對(duì)閥門進(jìn)行操作。

3.1.3.2 當(dāng)火災(zāi)工況觸發(fā)時(shí)，F(xiàn)AS 系統(tǒng)按原有方式向EMCS 系統(tǒng)發(fā)送模式指令，由EMCS 系統(tǒng)將模式指令傳送給“風(fēng)- 水”聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)，“風(fēng)- 水”聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)再傳送指令至水系統(tǒng)變頻控制柜或配電控制柜進(jìn)行執(zhí)行。

在EMCS 系統(tǒng)故障或通訊故障時(shí)，車控室的IBP 盤可直接對(duì)受控設(shè)備的變頻控制柜或配電控制柜發(fā)送硬件指令，此時(shí)火災(zāi)指令不經(jīng)過“風(fēng)- 水”聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)。

3.1.4 系統(tǒng)分析

3.1.4.1 優(yōu)點(diǎn)。風(fēng)水聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)能夠直接與參與變頻節(jié)能控制的設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)傳感器進(jìn)行連接，以便保證節(jié)能變頻控制精度，該方案風(fēng)水聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)控制路徑比較直接簡(jiǎn)單，工程界面劃分較為清晰，工程實(shí)施及調(diào)試也相對(duì)簡(jiǎn)單易行。在EMCS 確定運(yùn)行工況模式并允許的情況下，風(fēng)- 水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)全部的空調(diào)節(jié)能控制功能。

3.1.4.2 缺點(diǎn)?；馂?zāi)工況下，EMCS 需要通過風(fēng)水聯(lián)動(dòng)節(jié)能系統(tǒng)將火災(zāi)指令傳至風(fēng)機(jī)終端，中間多出一個(gè)環(huán)節(jié)，控制故障點(diǎn)增多。

3.2 方案二：優(yōu)化架構(gòu)方案

3.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制水系統(tǒng)部分不參與火災(zāi)工況，因此，水系統(tǒng)變頻還是由風(fēng)水聯(lián)動(dòng)直接控制。風(fēng)系統(tǒng)的終端設(shè)備均接入EMCS 的遠(yuǎn)程模塊箱中，見圖2。

3.2.1.1 公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)設(shè)備。公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)設(shè)備包括大系統(tǒng)組合空調(diào)機(jī)組、回/排風(fēng)機(jī)。節(jié)能運(yùn)行時(shí)，由EMCS 確定運(yùn)行工況，風(fēng)- 水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)進(jìn)行策略運(yùn)算，并通過與EMCS 的通信接口，將運(yùn)算接口需進(jìn)行的操作發(fā)送給EMCS，由EMCS 最終實(shí)施控制。

3.2.1.2 軌行區(qū)排熱風(fēng)機(jī)。排熱風(fēng)機(jī)與公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)設(shè)備類似由EMCS 確定運(yùn)行工況，風(fēng)- 水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)進(jìn)行策略運(yùn)算，并通過與EMCS 的通信接口，將運(yùn)算接口需進(jìn)行的操作發(fā)送給EMCS，由EMCS 最終實(shí)施控制。

3.2.1.3 設(shè)備及管理用房通風(fēng)空調(diào)設(shè)備。設(shè)備及管理用房通風(fēng)空調(diào)設(shè)備包括小系統(tǒng)空調(diào)送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)，本方案風(fēng)- 水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)不對(duì)其進(jìn)行直接控制，而是通過EMCS 實(shí)現(xiàn)控制。正常情況下，由EMCS 確定運(yùn)行工況，風(fēng)- 水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)進(jìn)行策略運(yùn)算，并通過與EMCS 的通信接口，將運(yùn)算接口需進(jìn)行的操作發(fā)送給EMCS，由EMCS 最終實(shí)施控制。

3.2.1.4 水系統(tǒng)。水系統(tǒng)主要設(shè)備包括冷水機(jī)組、冷凍、冷卻水泵、冷卻塔等，接口位置在冷水機(jī)組通信接口、冷凍、冷卻水泵變頻柜、冷卻塔環(huán)控柜處，均接入風(fēng)- 水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)。正常情況下，由風(fēng)- 水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控與節(jié)能調(diào)節(jié)；火災(zāi)情況下，由于水系統(tǒng)設(shè)備均為三類負(fù)荷，可由車站FAS 實(shí)現(xiàn)電源的切除。

3.2.2 各工況下系統(tǒng)運(yùn)行關(guān)系

3.2.2.1 正常工況下，風(fēng)系統(tǒng)變頻是RIO 模塊箱采集各設(shè)備數(shù)據(jù)，通過與EMCS 的通信口，實(shí)現(xiàn)通信傳輸，EMCS 通過總線連接至風(fēng)水聯(lián)動(dòng)節(jié)能控制模塊，風(fēng)水聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)通過設(shè)備的數(shù)據(jù)及自己采集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，將控制策略下發(fā)至EMCS 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備調(diào)控。

常規(guī)水系統(tǒng)設(shè)備冷凍水泵、冷卻水泵變頻柜、冷卻塔馬達(dá)保護(hù)器均為通信接口，并由智能低壓PLC 整合后統(tǒng)一提供給EMCS。該方案中，水系統(tǒng)設(shè)備均接入風(fēng)- 水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)，上述設(shè)備無需智能低壓PLC 進(jìn)行整合，由風(fēng)- 水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)直接接入。

圖2 方案二系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖3 方案三系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.2.2.2 火災(zāi)工況下，F(xiàn)AS 系統(tǒng)下發(fā)模式指令，通過EMCS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)動(dòng)。風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)不參與火災(zāi)工況。

3.2.3 系統(tǒng)分析

3.2.3.1 優(yōu)點(diǎn)?；馂?zāi)工況下，F(xiàn)AS 下發(fā)火災(zāi)指令，EMCS 可直接控制參與火災(zāi)運(yùn)行的終端設(shè)備，安全可靠性較高。

本方案中EMCS 與風(fēng)- 水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)功能適度融合，可減少部分風(fēng)- 水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)模塊數(shù)量，可相應(yīng)節(jié)省部分投資。

3.2.3.2 缺點(diǎn)。節(jié)能控制功能的實(shí)現(xiàn)需EMCS 與風(fēng)- 水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)協(xié)同完成，系統(tǒng)數(shù)據(jù)流較復(fù)雜，控制環(huán)節(jié)相對(duì)較多。

由于EMCS 與風(fēng)- 水智能控制系統(tǒng)部分功能融合，兩個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試、驗(yàn)收以及后期維護(hù)的責(zé)任界面劃分較困難。對(duì)施工管理要求較高，后期施工需加強(qiáng)該環(huán)節(jié)的管理。

3.3 方案三：理想方案

3.3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)作為EMCS 系統(tǒng)的子系統(tǒng)，所有參與風(fēng)水聯(lián)動(dòng)的終端設(shè)備均接入EMCS 的遠(yuǎn)程模塊箱中，在環(huán)控電控室的PLC 柜內(nèi)增設(shè)一套風(fēng)水聯(lián)動(dòng)算法服務(wù)器，通過通信口與EMCS 系統(tǒng)PLC相連，所有設(shè)備參數(shù)均由EMCS 采集后交由算法服務(wù)器計(jì)算并提供控制策略，再交由EMCS 系統(tǒng)下發(fā)指令實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

EMCS 系統(tǒng)PLC 與風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)算法服務(wù)器通過RS485 通信線連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

所有車站設(shè)備均接入EMCS 系統(tǒng)中，風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)終端設(shè)備無直接接口。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3 所示。

3.3.2 各工況下系統(tǒng)運(yùn)行關(guān)系

3.3.2.1 正常工況下，風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)運(yùn)行，EMCS 系統(tǒng)RIO 采集設(shè)備數(shù)據(jù)，通過EMCS光纖環(huán)網(wǎng)上傳至冗余PLC，通過與風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)通信接口傳至算法服務(wù)器，算法服務(wù)器進(jìn)行計(jì)算并下發(fā)控制策略，EMCS 接收指令，下發(fā)至相關(guān)風(fēng)系統(tǒng)、水系統(tǒng)設(shè)備及閥門，同時(shí)EMCS 接收反饋信號(hào)，返至風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)，相關(guān)的溫度傳感器、水流指示器等均與EMCS 相接，由EMCS 提供給風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)。

3.3.2.2 火災(zāi)工況下，F(xiàn)AS 系統(tǒng)下發(fā)模式指令，通過EMCS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)動(dòng)，風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)不參與火災(zāi)工況。

3.3.3 系統(tǒng)架構(gòu)分析

該方案是EMCS 系統(tǒng)可以直接進(jìn)行計(jì)算后，進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)，相較于現(xiàn)有的地鐵EMCS 系統(tǒng)，無需新增機(jī)柜設(shè)備，算法服務(wù)器安裝在環(huán)控電控室PLC 柜內(nèi)，硬件方面僅是增加了一些傳感器及水閥。

理想的方案架構(gòu)簡(jiǎn)單，不僅節(jié)省了設(shè)備投資及設(shè)備用房的房間面積，而且在火災(zāi)工況下的兼用風(fēng)機(jī)不存在兩個(gè)控制主體的危險(xiǎn)，更加安全可靠。

4 結(jié)論

本文對(duì)比了三種風(fēng)水聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的架構(gòu)方案，從運(yùn)營(yíng)安全可靠性方面，方案一欠佳，方案二和方案三較為安全可靠。從工程可實(shí)施性方面，方案一和方案二目前可實(shí)施性強(qiáng)一些，方案三牽涉到學(xué)科交叉，需要EMCS 和風(fēng)水控制算法深度集成，目前工程案例較少。從節(jié)省投資方面，方案三優(yōu)于方案二，方案二優(yōu)于方案一。

綜上分析，方案二在可實(shí)施性和投資方面綜合較優(yōu)，目前工程實(shí)施考慮采用方案二。希望往后工程在不斷總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn)及實(shí)踐的過程中實(shí)現(xiàn)方案三。