轨道交通监控系统.docx
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轨道交通监控系统
３环境与设备监控系统（BAS系统）的设计方案
3.1BAS系统的车站级设计方案
BAS系统作为综合监控系统的子系统，车站控制室监控设备、控制中心设备）配置及主要功能的实现均集成于综合监控系统，车站级与中央级之间的通信网络也由综合监控系统搭建。
BAS系统现场设备主要由PLC控制器、远程I/O（RI/O）模块、通信接口模块、各类传感器等设备以及现场级网络构成。
根据BAS系统的性能要求和设计原则对BAS系统的车站级设计如下。
3.1.1BAS系统电源与接地的配置
地下车站内Ａ端BAS设备的不间断供应电源（UPS电源）由通信综合UPS电源提供，经过综合监控系统配电柜分配后，为环境与设备监控系统提供路馈出回路，回路容量为9kVA，UPS电源后备时间为满足最大负荷情况下不少于1小时，BAS控制柜设置配电回路对电源进行分配，提供给车站的BAS设备，车站内B端BAS设备的UPS电源由BAS自行设置UPS提供。
每个模块箱内部系统设备工作电源和联动控制电源需分开设置。
如图4-1是车辆段BAS系统图。
图4-1车辆段BAS系统图
3.1.2车辆段BAS系统的设计
在车辆段通风空调机房设置一套BAS控制柜，内设一套非冗余PLC，对车辆段主要建筑内的动力照明、空调、给排水设备进行监控吲，PLC与远方I/O之间采用冗余总线通信，车辆段主要模块采用与车站PLC相同的型号。
在BAS控制柜设置１套维护工作站，实现对BAS设备的维护管理功能。
PLC通过与车辆段综合监控系统、FAS系统等设备接口，实现综合监控系统对车辆段机电设备的监控，火灾联动措施的执行等功能。
图4-2车辆段BAS系统图
3.1.3高架车站BAS系统的设计
高架车站综合监控设备室内设置BAS控制柜，内设１套冗余PLC、I/O组件、通信接口组件等设备实现对车站机电设备的监控。
在车站的空调机房、照明配电室、各类水泵附近等位置设置远程I/O模块箱，实现对水泵、动力照明配电回路、各类传感器等设备的监控。
冗余PLC通过冗余现场总线连接远程I/O模块箱。
在BAS控制柜设置ｌ套维护工作站，实现对BAS设备的维护管理功能。
冗余PLC通过与车站级综合监控系统、FAS系统等设备接口，实现综合监控系
统对车站机电设备的监控，火灾联动措施的执行等功能。
图4-3高架车站BAS系统图
3.1.4地下车站BAS系统的设计
BAS系统在车站控制室IBP盘（综合监控系统提供）上设置１套非冗余PLC，用于实现IBP上的各种模式控制命令、点控命令的下发，机电设备运行状态的显示等功能。
BAS系统在车站两端的环控电控室分别设置BAS控制柜，柜内配置冗余PLC、I/O组件、通信接口组件等设备，分别对车站两端的机电设备进行监控。
其中靠近车站控制室的一端（A端）的冗余PLC为主控制器，另一端（B端）的冗余PLC为从控制器。
B端冗余PLC与A端冗余PLC之间通过高速冗余现场总线进行通信，IBP盘PL与主、从冗余PLC之间也通过高速冗余现场总线通信，此网络独立于综合监控系统的车站级网络。
主控制器（A端冗余PLC）通过与车站级综合监控系统（SISCS）、火灾报警系统（FAS）等设备接口，实现综合监控系统对车站机电设备的监控，火灾联动措施的执行等功能。
在Ａ端的BAS控制柜设置１套维护工作站，实现对BAS设备的维护管理功能。
在设备房、公共区、风管等位置设置不同温湿度、温度、二氧化碳浓度等传感器，在空调水系统设置二通调节阀等设备采集环境等参数以及控制阀门开度等。
在车站及车站所辖区间的环控机房、照明配电室、各类水泵附近、电扶梯附近，等位置设置远程I/O模块箱，实现对空调水系统阀门、水泵、动力照明配电回路、各类传感器等设备的监控。
主从控制器通过冗余现场总线连接远程I/O模块箱。
区间的远程I/O通过光纤介质与车站PLC通信。
主、从控制器通过冗余现场总线与智能低压系统、排热风机变频器、冷水机房冷水机组群控系统、EPS等连接，实现对相关设备的监控。
3.2优化BAS环控系统设计
环控（通风空调）系统主要包括车站冷水系统、车站通风系统和隧道通风系统，是BAS系统的主要和重要的监控对象。
由图5可知，车站、隧道通风系
统所需的冷风量是由冷水系统供给的，环控系统中的通风系统根据地铁环境、时间、季节的不同，运行的工况模式也不同，相应冷水系统，所要供给隧道和车站的冷风量也有所不同。
因此，通过各种先进控制方法使环控系统中的各个设备始终运行在最高效率范围内，是BAS系统的最优化状态。
实现在保障地铁环境舒适的同时，使地铁的能耗达到最低，节省不必要的能源消耗，也顺应了国家提倡的节能理念。
图4-4水系统工艺原理图
3.2.1全局优化控制方案设计
地铁空调水系统分为冷却水系统和冷冻水系统。
冷却水系统：
从冷却塔送出冷量，经过冷却水泵、冷水机组冷凝器、最终回到冷却塔；冷冻水系统：
集水器经过冷冻水泵、冷水机组蒸发器再由分水器发送到各个空调机组，冷量在各环节循环后最终回到集水器。
在冷水机组蒸发器和冷凝器中有一次热能交换，冷水通过热交换吸收室内环境的热量经冷水循环系统将这些热量传送给蒸发器，然后在制冷剂循环系统的作用下，热量转移到了冷凝器中，载冷剂与冷却水在那里进行热交换，热量最终进入冷却水循环。
环控系统循环共有5个可调节点：
冷水机组：
冷凝器和蒸发器、二级泵、二通阀、送风机和回排风机，每个环节点之间都存在紧密联系，相互影响。
因此，只要保证上述各个设备始终运行在最高效率范围，便可使整个环控系统处于性能最优状态，这是全局最优控制方案的基本思想。
设计方案具体如下：
应从终端出发，首先保证送风机工作在最高效率区域，满足车站环境所需，为避免空调区域出现压差，应是回排风机以同样效率运行。
其次，依次使二通阀，二级泵均处于效率最高状态，最后通过调节冷水机组台数与出水温度来实现所需冷量。
因此，将系统分为五个部分：
室内温度控制、室内压力控制、送风温度控制、冷冻水供回压差控制、冷源流量控制，每部分通过不同的调制方法，实在该部分的性能最优，最终达到全局最优。
3.2.2室内温度控制
1控制方案
室内温度控制采用送风机变风量调节（VIW），变风量调节原理：
利用变频器调节风机转动频率，使风机传送冷量与空调区的温度变化相互持衡，使室温Tw与环境要求温度Ts基本保持一致，从而实现室内温度控制。
根据变风量调节原理可知，变频器内置的限幅比例控制器可实现对送风机风速的闭环控制，其采用了一个温度闭环PID调节回路。
图4-5温室控制框图
其中：
T0=送风温度设定；ATs=室温偏差：
GF目标送风量；f=送风机频率；Gs=送风量：
AQ=室内负荷变化扰动：
Tf室内温度。
２问题关键
（1）过程变量选择
地铁环境十分复杂，有至少两个楼层，其中站厅、站台在不同层，公共区面积较大，人员流动分散不均，所以地铁室内的实际温度相差很大。
这使测量实际室温Ｔｗ变得十分麻烦，对于这种情况有两种方法比较常用，其中一种是以车站回风混合室的温度Tc作为测量的实际室温值；另一种是测量地铁公共区多处温度，去其加权平均作为测量的实际室温值。
（2）VAV方式下空调区域数学建模
地铁属于地下轨道交通，其大部分都在地下（高架铁占很小部分），车站温度来源与太阳的辐射无关，除车站内设备发出热量，基本是流动人员所产生。
从而可知，车站室温变化主要是由流动人员所带动的热量和新风量的变化引起的。
因此，室内温度控制是非线性、时变系统。
由能量守恒定律可知，室内的温度变化值是单位时间进入车站所带来的能量
除去单位时间从车站流出的能量。
表3-1回排风量调节符号说明
综上所述，根据变风量调节环控系统的调节通道和干扰通道的数学模型可得出图4-6所示的空调区域模型结构图。
图4-6VAV下恒温空调区域模型结构图
（3）控制实现
通过变风量调速（ⅥⅣ）调节送风机的风量，实现室内温度控制，如图4-7。
但有点需要注意，使用VAV控制时，为避免室内的气压降低使组织气流恶化，不能将送风量调的太小，应保证系统的最小新风量。
图4-7送风机变风量回路调节图
3.2.3室内压力控制
由于人体需要一个合适的大气压，当我们在地铁站里改变送风量时，要注意保持一个恒定的室内正压。
因此，要调节排风机的风机频率，使排风量与送风量相一致，以达到控制室内压力恒定的目的。
室内压力控制依然是一个PID闭环控制回路，由变频器内部的限幅比例控制器完成，其本质是随动控制系统，控制思想有三种：
1．风道静压随动控制法
（1）控制思想
先设定送风量与排风量的比，让排风道内的静压变化根据随送风道内的静压的变化而改变，使得室内正压恒定。
（2）控制算法
在排风道和送风道均安装静压压力传感器，算法如下：
表3-2回排风量调节符号说明
图4-8室内压力恒定控制法
3．转速随动近似控制法
（1）控制思想
在实际的工程中，有时并不方便安装压力传感器，这时可采用近似的随动控制法。
由于排风阀不能连续调节开度，排风量可基本上与转速成正比。
而由图11、12、13可以看出，当送风道末端没有风阀限制、风道阻力特性变化不大时，送风量能近似看作与转速成正比。
这样，就能采用排风机的转速变化随送风机的转速变化而按比例改变的近似随动控制法。
图4-9风量和转速关系实验结果
图4-10风机定风量控制时的转速调节曲线
图4-11风机定风量控制时压力曲线
（2）控制算法
因为总风量与送风机转速近似成正比，我们可以根据转速求得最小新风量，再由最小新风量求得此种情况下的排风机最小转速。
计算公式仍为式（3－7），忽略压力影响KH＝1。
所以，PF_V＝（KP/KQ）×SF-V。
令ａ＝KP/KQ，那么PF_V=ａ×SF-V，即排风机的转速随送风机的转速按比例随动。
（3）回路调节
图4-12转速比例控制法
3.2.4送风温度控制
1．控制方案
送风机的空气来源于回风和新风，二者混合后与送风机里的表冷器进行热交换，达到设定温度和湿度，再送入空调区域，其出口温度就是送风温度。
控制送风温度，是控制室内温度的最基本功能。
控制送风温度恒定是通过调节机组上的表冷器的二通阀开度，进而改变冷冻水的流量，也就改变了表冷器热交换的程度，使得送风机内的空气吸热与放热趋于平衡；最终稳定送风温度。
送风温度控制策略采用了串级控制方式，如图15所示。
外环控制回路为送风温度控制回路，控制对象为送风温度，并以室外负荷变化作为前置扰动。
内环控制回路为冷冻水流量控制回路，控制对象为表冷器上的二通阀开度，表冷阀通常都是比例调节阀，可以实现快速跟踪，消除系统的惯性延迟。
整个串级控制系统具有一定的抗干扰性和自适应性。
Ldes在基于阀门高效区要求的Lmin和Lmax之间变化。
图4-13风温度控制方框图
2．关键问题
上述的串级控制系统中，最关键的问题是外环控制回路中的控制器的选择。
在地铁BAS系统中，调节的空间范围大，易形成调节的大滞后，而且出入口的人流量大，给系统造成了一个大扰动。
对于这样一个大滞后、大扰动的系统，常规的PID调节明显不适用。
而模糊PID控制法是基于模糊算子的基础上，不需要控制对象的精确模型和精确的数学表达式。
根据地铁BAS系统的特点，我们引入模糊自适应PID控制法，利用模糊规则对PID参数进行在线自适应调节。
同时，在控制器里加入自学习控制，根据控制对象的运行过程积累经验，自行完善控制规律，使控制效果更佳。
3．周期模糊自适应PID
（1）确定PID预定参数
在模糊自适应调整之前，需要用常规的PDI对系统进行控制，PID的预定参数可按临界比例度法加经验公式法确定。
首先设定积分时间Ｔk=OO，微分时间TI＝0，比例度＆置较大数值，运行外环控制回路，然后将万逐渐减小，得到振荡过程。
这时候的比例度叫做临界比例度＆k，振荡的两个波峰之间的时间即为临界振荡周期R。
根据＆和致的值，运用经验公式：
＆＝1.6＆k,Ti＝0.5Tk,TD＝0.25TI。
计算出常规PID的各个预定参数。
（2）模糊控制器的结构设计
模糊控制器的结构设计就是对模糊控制算法进行设计。
将模糊算法的思想应用在传统的PID调节上，图16为模糊控制器的控制图，把被控设备的变化值和变化率作为输入量，经过模糊控制器调节得到所需参数。
图4-14Fuzzy-PID结构框图
模糊控制所得修正参数为△Kp、△Ki、△Kd，再由PID调节器预先估计值△Kp’、△Ki’、△Kd’，可通过下面公式计算出PID调节器的比例增益、积分增益、微分增益局：
（3）模糊化
二维模糊控制器的输入、输出变量的模糊子集依次为E、EC、△kp、△ki、△kd，语言值：
｛负大、负中、负小、零、正大、正中、正小），记作：
｛NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB）。
论域取[-6，6]范围内整数值。
隶属函数均选为灵敏度高且在论域范围内均匀分布、等距离的三角形函数。
计算误差及误差变化率的量化因子分别为：
Ke＝0.4，Kec＝0.8，输出比例因子为：
Kp＝0.18，Ki＝0.016，kd＝0.017。
（4）参数的整定规则及模糊推理
根据不同情况下的e，ec，参数整定规范为：
当ｅ偏大，要使响应速度提高必须使印取大值；若e偏小，为避免系统波动较大和过调应使幼减小；若e很小，应使kp继续减小，以实现系统迅速达到平稳状态。
与此同时，若e，ec同号，使助适当增加：
反之，kp适当减小。
由积分分离的理论分析可得，若e较大，为防止超调ki＝0；反之，e较小，为实现系统稳定，在e减小的同时可增大肠，从而使ki有效。
综上所述，△kp规则如表4-1。
同理可以推出△ki、△kd的整定规则表。
修正规则查询表可运用模糊推理合成规则推导得出。
表4-3△kp整定规则表
（5）周期自动整定参数
为是系统的控制更加精确，可通过模糊控制器对PID参数进行周期自动校正，反复进行周期校正已达到最佳效果。
图4-15空调二通阀开度调节回路
4．自学习控制
BAS系统具有自学习控制能力。
依据地铁站内出入人员量、车站设备发热量、公共区范围大小等情况，分析出系统一天内对室内环境冷量的需求，图18为自学习控制的冷量需求曲线，并把数据输入控制器中，然后根据当天的实际情况进行调整，并将每半小时的冷量需求值输入控制器中。
每天将前一天的数据进行调整，用作第二天的参考，这样便可对冷量的基本需求有提前的预知。
与模糊控制结合使用效果更佳。
图4-16地铁车站冷量需求曲线
自学习控制与模糊控制相结合的调节结果图，二通阀开度可在在图中的上限与下限范围内进行调节。
图4-17PID+自学习调节法
5．变送风温度设定控制
从节能和舒适性的角度考虑，送风温度的设定值可以在一定的范围内变化。
结合送风机运行高效率的思想，得出以下变送风温度设定规律：
当V0＞90％，ts0＝ts0－△ts0；当80％＜V0＜90％，系统工况不变；当V0＜80％，ts0＝ts0+△ts0。
其中，V0表示送风机的转速，ts0表示送风温度设定值，△ts0表示送风温度设定浮动值。
3.2.5冷水压差控制
在空调系统中，改变表冷器二通阀的开度可以改变冷冻水的流量，进而改变末端负荷。
为了保障水力热力的工况稳定性，冷水机组的流量波动通常都很小。
在地铁系统中，采用二次泵供水系统，可以把冷冻水系统分成两个回路：
冷冻水生产回路和冷冻水运输回路，这两个回路的水力工况相对独立。
二次泵变水量（VWV）系统是一种基于需求的控制策略，它能够跟踪末端负荷的在线变化，经过对单一水泵的变频调速和多个水泵的台数控制，改变供水管网内的冷冻水流量口引，并保证管网上最不利回路的空调末端压差控制在合理的范围内。
由此可知，对冷水压力差的控制实际上是对二次泵变流量变压力差的控制。
图20是二次泵变流量变压差的控制图。
调节流程：
首先从末端阀门开度得到系统公共区的需求冷量，再传输到通过PI控制器从而可发现二次泵供水压差正常与否，最后进行反馈调节。
其中，二次泵运行台数由BAS系统的控制器直接进行控制。
图4-18冷冻水变压差变流量控制方框图
2变压差控制
（1）选择压差设定值
最佳压差值应该是在各个末端二通阀尽量全开的情况下，使得水管阻力最小、系统最高效节能的那个压差值。
地铁系统中的二通阀存在于各个车站里，水管线路也是错综复杂。
要保证各个二通阀尽量全开，就要找出管道上的最不利条件点，并以该点的最小压差作为固定的控制设定值。
通常取最远端或最重要末端为最不利条件点。
但是，对于地铁这样流动性比较大的空间，最不利压差点是在不断变化的。
随着最不利压差点的变化，压差设定值也要随之变化。
根据负荷端的需求量，通过比较找出最不利压差点，并以此点改变压差设定值。
该系统需要检测到所有末端二通阀的开度和负荷率水平，通过不断调整压差设定值，就能够保证最不利压差点的支路得到足够的压力，同时把系统压力维持在刚好满足负荷需求的水平上。
负荷率水平不同时，系统的压差也不同。
二次泵系统的节能效率就依赖于变压差的设置和控制算法。
这些设置和控制算法通过地铁BAS系统的控制网络，将各个末端二通阀的信息送给执行相应策略控制的控制器中，再调节各末端的二通阀开度。
（2）压差设定算法
首先，将初始值设为设计压差。
其次，选择最坏回路。
通常，系统使用同程式管网时，各个回路管道的压力损失可认为是一致的。
因此，末端负载能力是唯一决定供水压差变化的参量。
由△P＝KQ2；（Q近似L）其中，△P-末端压差；Q-末端流量；L-二通阀开度；K-常量。
可知，当前空调水系统的压差负载能力可通过阀门的开度情况判定。
从而可发现二通阀开度最大的末端Lmax并由此找出最不利回路。
（3）调整压差设定值
一般来说，二通阀开度最高效率范围：
80％～95％。
因此，将其设定为重设压差的上下限，具体方法如下所示：
当Lmax＞95％，△P＝△P＋△△Pinc；当80％≤Lmax≤95％，压差设定值保持不变；当Lmax≤80％，△P＝△P－△△Pdec；其中：
△△P-压差设定浮动值。
一般情况下，△△Pinc与△△Pdec把不相同，需要在系统初始进行设置。
在设置重设压差时，为确定上次的调节对末端起到效果，需要延迟一定的时间，以避免频繁调节压差所带来的不良影响。
3变流量控制
二次泵是冷水压差控制系统的执行器，通过变频调速来控制冷冻水总供水量保持在刚好能够满足负荷需求的水平上，并使最不利点的压差趋于设定值。
（1）二次泵变频调速
图4-19二次泵变频调速回路
在变频调速回路中首先设定压差的底限、超低限、高限和超高限，保护整个系统，对二次泵的变频调速，也要设定工作频率下限（15Hz）和工作频率上限（50Hz）。
为满足系统需求，可在系统刚启动时强制为50Hz运转，然后进入调速阶段。
（2）二次泵台数控制
二次泵系统中是多台泵并联工作的，变频器只能控制一台泵的工作频率，而多台泵的台数控制以及变台数运行的稳定性则由地铁的BAS控制系统集中完成。
BAS控制器具有三种模式的自动切换变频/工频控制，这三种模式分别为固定模式、交替模式与循环模式。
其中固定模式是先固定启动一台泵，当该泵运行到最大频率时，启动其他泵；如果其他泵运行到最小频率时，先停止最先启动的泵。
交替模式也是先启动一台泵，当该泵运行到最大频率时，启动其他泵。
与固定方式唯一不同的是最先启动泵的序号是交替变换的。
循环模式是先启动一台泵，运行到最大频率后启动下一台，依次启动。
停止顺序与启动顺序一致。
为了保证二次泵系统的整体使用寿命，可平衡各泵的使用时间，定时轮换运行。
在固定模式中，工频泵要定时交替运行而变频固定泵由于是主调节泵不可以进行交替运行。
由于系统的首次运行时会导致热力交换不充分的问题，可在每天的首次启动时使二次泵全速运行一段时间后，在进入无极调速变流量控制。
3.2.6冷源流量控制
1控制方案
通常情况下，地铁冷冻站里都有多台冷水机组，每台机组不能变流量控制产生冷量，但我们能控制冷水机组的工作台数。
这种“按需生产”的控制方案既能起到很好的节能效果，又能保障机组的安全可靠。
由于冷水机组的性能系数COP效率最高点总会出现在最大制冷量附近，如果两台冷水机组均工作在50％的负荷时，可以改用一台冷水机组，提高机组本身效率的同时也达到了节电的目的。
用冷量来控制冷水机组的运行台数，是目前最合理和节能的控制方式。
台数控制的基本原则是：
让冷水机组尽可能地处于高负荷运转；让同型号的机组的工作时间尽可能地接近以保持其同样的使用寿命（通常优先启动累计运行小时数最少的设备）；满足用户侧低负荷运行的需求。
2关键问题
根据系统的负荷需求和当前冷水机组的供应能力的差值，寻找最佳切换点来启停下一台机组，并使机组工作在最佳工作效率点附近。
3控制实现
（1）通用算法
计算空调水系统当前冷量（冷负荷）
Q＝KｘGｘ（T1－T2）（3－9）
其中：
Q－冷量；K－常量；G－流量；T1－回水总管温度；T2－供水总管温度。
将额定冷量蜴与冷水机组实际冷量Q0比较：
当Q＞NｘQ0＋10％Q0，（N：
工作的冷水机组数）另开启；当Q＜NｘQ0－10％Q0，关闭一台冷水机组，一般选工作时间最久的。
（2）二次泵系统简化算法
一般使用二次泵系统基本可忽略冷水机组蒸发器水量的变化，由此可知，冷水机组的相对产冷量rc可由（3-9）式得出：
rc＝△t/△t0（3-10）
其中，△t0一机组在全负荷时可产生的降温，△t一当前符合下蒸发器进出口温差。
3.2.7性能分析
上述的各种设计方案均在实际工程有所运用，效果显著。
水泵及风机能依据实际负荷的变化而自行调节其转速，使冷量可以实时随负荷的变化而发生变化，从而达到节能目的且效果显著。
这样做不仅节省了大量的能耗，而且设备改为变频运行可以延长使用寿命。
根据理论并结合实际案例，经过分析得出，上述方案效果明显。
由此可见，在BAS系统控制下，采用环控系统优化设计是非常必要的。
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