BAS系統在地鐵環境控制中的應用及實現
[摘要] 隨著祖國現代化的發展，新型城市交通——地下鐵道的建設方興未艾。應用不斷發展的自動化技術，對地鐵機電設備尤其是環控設備進行集中控制、管理，為地鐵環控設備科學、高效的運行提供了可能，同時保障了地下環境的安全、舒適。本文對廣州地鐵一號線車站設備監控系統（BAS系統）環控設備的自動控制方案及具體實施辦法進行了具體的闡述，并做了進一步的探討。1 概述
廣州地鐵一號線共有14個地下車站、2個地面車站和一座地鐵控制中心（OCC）大樓，全長18.6公里，采用了集散控制系統（DCS）對地鐵全線環控設備及其它車站機電設備進行集中監控，由于引進了樓宇控制概念，地鐵車站設備監控系統亦被稱為BAS（Building Automation System）系統。廣州地鐵一號線采用美國CSI公司的I/NET2000系統對全線環控系統進行監控，并對全線車站的扶梯、給排水設備、應急電源進行監視報警。
2 BAS系統在地鐵環控中的作用及功能
2.1. 地鐵BAS系統在地鐵環控中的主要作用：
控制全線車站及區間的環控及其它機電設備安全、高效、協調的運行，保證地鐵車站及區間環境的良好舒適，產生最佳的節能效果，并在突發事件（如火災）時指揮環控設備轉向特定模式，為地鐵乘車環境提供安全保證。
2.2. 廣州地鐵一號線BAS系統主要功能：
(1) 監控并協調全線各車站及OCC大樓通風空調設備、冷水系統設備的運行。
(2) 監控并協調全線區間隧道通風系統設備的運行。
(3) 對車站機電設備故障進行報警，統計設備累積運行時間。
(4) 對全線環境參數（溫、濕度）及水系統運行參數進行檢測、分析及報警。
(5) 接收地鐵防災系統（FAS系統）火災接收報警信息并觸發BAS系統的災害運行模式，控制環控設備按災害模式運行。
(6) 通過與信號ATS接口接收區間堵車信息，控制相關環控設備執行相應命令。
(7) 緊急狀況下，可通過車站模擬屏控制環控設備執行相關命令。
(8) 監視全線各站及隧道區間給排水、自動扶梯等機電設備的運行狀態。
(9) 管理資料并定期打印報表。
(10) 與主時鐘接口，保證BAS系統時鐘同步。
3 BAS系統對環控設備的監控原理及內容：
3.1. 環控系統組成：
大系統——車站公共區（站廳/站臺）通風空調系統；
小系統——車站設備用房通風空調系統；
水系統——地下站冷水機組系統；
隧道通風系統——執行隧道區間正常及緊急情況下通風排煙工況的環控子系統。
3.2. BAS系統監控點數的配置：
以陳家祠站為例，納入BAS監控的環控設備總數約100臺（包括風機、風閥和水系統設備等），環控監控總點數約430點（包括溫濕度等參數檢測約60點），車站監控點數分布情況如下：
(1) 隧道通風系統 ：BAS系統對4臺隧道風機及聯動風閥、兩臺推力風機和組合風閥進行監視控制，監視風機過載故障報警信號，檢測兩端隧道入口溫濕度，共計點數DO 20點、DI 28點，AI 8點
(2) 車站大通風空調系統：BAS系統對空調機、新風機、回排風機及聯動風閥和調節風閥等設備進行監視控制，監視風機過載故障報警信號，檢測新/排/混/送風及站廳/臺溫濕度，控制組合風柜出水二通閥開度來調節空調器送風溫度，共計DO 44點、DI 72點，AI 30點、AO 4點
(3) 車站小通風空調系統：BAS系統對空調機、送/排風機及聯動閥、調節閥監視控制，檢測設備/管理用房溫濕度，控制小空調器出水二通閥開度來調節相關設備房的溫度，共計DO 41點、DI 41點，AI 17點、AO 3點
(4) 車站水系統：通常情況，每個地下車站配有兩臺離心機組和一臺活塞機組（勻由美國開利公司提供），對離心機組BAS系統僅發出起停命令，其相應水泵、冷卻塔、蝶閥的聯動控制由機組SM模塊完成，BAS系統僅負責監視狀態及故障。活塞機組由于不具備該模塊，其總控及水泵、冷卻塔、蝶閥的聯動控制由BAS完成。檢測必要的水系統參數，如冷凍/冷卻水水溫，冷凍水回水流量，供/回水壓差等參數作為水系統控制計算依據。共計DO 14點、DI 49點，AI 8點、AO 1點，同時BAS系統設有開利冷水機組DATAPORT的高級數據接口，接收三臺冷水機組的運行數據。
(5) 其它：扶梯、給排水、緊急照明共計DI 54點、DO 2點，AI 1點。
3.3. 對環控設備監控內容配置的幾點注意事項
在監控點的編制上，合理、全面的監控點數的編制可以使系統監控功能更加完善，軟件編程更加簡單、合理、可靠。根據廣州地鐵一號線的經驗，應注意以下幾點：
(1) 在廣州地鐵一號線，每臺環控設備帶有BAS系統中“就地/遠方”，“環控/車控”兩個轉換開關，分別位于設備現場和環控電控室。由于設計上的點數限制（每站10個手/自動信號），BAS系統僅對隧道風機，大系統空調機、送排風機等重要設備的“就地/遠方” 轉換開關進行監視，并將部分設備的“就地/遠方” 轉換開關信號進行合并，如空調機手/自動信號為車站一端兩臺空調機的“就地/遠方”并聯信號。因為BAS系統無法獲知設備的具體控制權限，控制帶有一定的盲目性，因此很有必要在BAS系統中對所有環控設備“就地/遠方”和 “環控/車控”轉換開關的位置進行監視，確保控制的合理性和可靠性；
(2) 在對電動風閥（包括蝶閥）的控制中，一號線為節省監控點數，采用了一個輸出點的中間繼電器常開、常閉接點來控制風閥（水閥）的正轉和反轉；并僅用一個DI點檢測風閥全開信號。這種單DO，單DI 的監控方式使BAS不能依據設備的動作情況撤消輸出命令。輸出信號的長期存在，給設備的正常運行造成了故障隱患，增加了軟件編程的難度：如當系統模式工況轉換過程中時，風閥進行開關轉換，相應風機由于無法獲知風閥是否處于轉換過程中而被迫關停無須動作的風機。因此，對于該類設備的監控仍應采用2個DO點分別控制開和關以及使用2個DI點檢測風閥開到位和關到位信號，以表示全開、全關、中間狀態。
(3) 冷水機組若本身帶有自動控制功能，如離心機組，可考慮BAS僅負責總的起停命令，相關水泵等設備BAS系統僅負責監視。并設置數據接口接收對冷水機組運行數據，對機組運行集中科學管理。同時盡量減少檢測參數的重復設置（如地鐵一號線，BAS同活塞機組同時設置水流開關）以簡化控制，節省投資。
(4) BAS系統在車站級設有同FAS系統的數據接口，FAS系統將經確認后的火災分區信號通過數據接口送BAS系統接收，BAS系統在接收到FAS系統火災報警信號后啟動相應的火災模式。對于地鐵而言，由于車站級火警信息量不是很大（廣州地鐵一號線每站約30個火警信息），除通過數據接口外還可考慮通過硬線（I/O）連接的方式完成，使用硬線I/O方式連接替代通信接口的使用，可增加系統的可靠性，降低接口開發的費用。但硬線I/O連接同時增加了輸入輸出模塊，因此具體的連接方式可根據實際情況進行選擇。
(5) 關于防火閥的監控，因屬消防設備，廣州地鐵一號線將其納入FAS系統進行監控，但作為環控系統的組成部分，出于控制系統完整性的考慮，亦應納入BAS系統監控范圍，根據實際情況，可考慮以下幾種方式。
①完全納入BAS系統，由BAS系統進行防火閥監控。
②通過BAS/FAS數據接口或硬線接口，通過FAS系統進行防火閥的監控
③BAS、FAS均對防火閥進行監控——需設置控制轉換開關。（香港地鐵便采用該種方法）
4 地鐵車站設備監控系統（BAS）的系統構成及網絡配置
4.1. I/NET2000系統的主要特點：
(1) 采用分層局域網（LAN）技術，可實現幾點到十萬以上點的控制網絡，車站間采用以太網（TCP/IP協議）通信，車站級主網（CONTROLLER LAN）采用令牌總線網絡通信，子網（SUB LAN）采用輪詢（MASTER/SLAVER）方式通信。
(2) 靈活的輸入/輸出配置，PCU、UC輸入點可在軟件中配置為AI、DI、PI等，對于模擬量輸入可通過跳線的設置，接收0~20mA、0~5v、0~10v 、RTD溫感等多種信號。
(3) 編程組態采用點的概念，直接在控制點上完成邏輯、數學及其它控制算法，組態方式簡單靈活。
(4) 作為典型的樓控產品，提供多種節能控制程序模塊，如自適應最佳起停控制，自整定PID算法、死區控制算法等。
4.2. BAS系統網絡結構
廣州地鐵車站設備監控系統分中央級、車站級、就地級三級對環控設備及其它機電設備進行監控，系統網絡圖如下：
PCU：過程控制單元，8輸入8輸出，可擴展至32輸入或16入16出
UCI：單元控制器接口，可下帶最多32個單元控制器UC，采用主從通訊方式進行通信，監控點數可多達512點
MPI：模擬屏驅動接口
HLI：高級數據接口
圖1 BAS系統網絡結構圖
通常在車控室放置3塊UCI，其中兩塊UCI分別負責監控車站兩端的環控設備并實現環控電控房模擬屏控制功能，另外一塊UCI負責站廳/臺和部分設備用房溫濕度檢測并接收FAS火警信號以及對車控室模擬屏以及其他系統（扶梯，給排水等）設備的監控。冷水機房設置一塊PCU負責對冷水機組進行監控；每端空調機房設置一塊PCU檢測風室及設備/管理用房的溫濕度，并負責控制空調機出水二通閥的開度。每端環控電控室設置2~4塊PCU輔助UCI對本端環控系統進行監控。 BAS系統在車站設置有與FAS及冷水機組的數據接口HLI，用來接收第三方設備的數據。
4.3. 中央級局域網的配置
中央級設置工作站及備份站各一套，工作站同備份站實現以太網級別的熱備。OCC局域網有與信號ATS及通信主時鐘的數據接口及模擬屏一塊，網絡配置如下：
圖2 BAS系統中央級網絡配置圖
由圖2可見，OCC中央級除負責接收通信系統時間同步信號外，在OCC局域網中還連接有與ATS數據接口HLI以及模擬屏設備，并通過中央工作站（PC機）將數據傳輸到BAS以太網上，同其它車站級BAS系統進行數據交換。需要指出的是：正常情況下，所有隧道通風模式由連接在中央級局域網上的BAS控制器根據ATS列車阻塞信號或人工指令，進行計算確定，并通過以太網下發環控模式指令號到相關車站，再由相關車站BAS控制器指揮相關設備正確動作。當該工作站死機或故障時，則模式無法正確下達，只能由相關車站通過就地模擬屏超弛控制，影響了事故情況下的反映速度。由于隧道通風涉及乘客人身安全，對隧道通風模式正確及時執行有很高的要求，因此BAS系統中央級局域網應通過專門網關（交換機）或服務器連接以太網。4.4. 車站模擬屏的設置：
作為緊急情況下、或BAS工作站故障情況下的緊急后備操作手段，廣州地鐵一號線分別在每站的車控室和兩端環控電控室設置了地圖式模擬屏。模擬屏的操作主要以執行區間事故及車站火災模式為主，模擬屏的設置應遵循以下原則：
(1) 模擬屏應突出隧道區間及車站事故運行模式下的執行，模式執行完畢或執行失敗應有相應的反饋指示。
(2) 帶有鑰匙轉換開關。可以對工作站、車控室模擬屏、環控電控室模擬屏操作權限進行轉換，保證控制命令由唯一的地點發出。
(3) 模擬屏是以按鍵來觸發相應模式的執行。作為緊急操作手段，模擬屏應具有超弛其他控制指令的能力，例如，當操作站軟件設定設備控制方式為單控（點對點控制）而非程序（模式）控制時用模擬屏執行的模式指令應能超弛該單控命令，為此模擬屏控制模式軟件算法應獨立于操作站模式軟件算法。在系統軟件中要考慮該部分軟件資源的配置。
(4) 最好配置獨立于主控制器的的模擬屏控制器，同主控制器共享I/O，增強緊急控制的可靠性。
5 環控工藝模式的實現
根據季節、負荷、突發事故（火災、列車阻塞）等情況，環控專業制定了大量的環控模式，控制環控設備在不同的條件下運行不同的工況模式。包括大系統、小系統、水系統和隧道通風等環控工藝模式，以陳家祠為例約有環控工藝模式近百個。
5.1. 硬件配置
系統主要采用兩種控制器完成環控系統的控制工藝流程，即PCU和UCI，以下是其主要性能：
(1) 過程控制單元PCU：多達640個點地址可自由組態，包括軟件內部點（Internal points）和間接點（Indirect points），提供最多可擴展至96K的用戶程序存儲器，提供布爾邏輯、時間表、節能算法等擴展功能供軟件編程組態，并且提供多種DDC控制算法模塊如：事件（Event sequence ）、PID、浮點控制（Floating）等；
(2) 單元控制器接口UCI：總共640個地址空間可自由組態，提供24K用戶程序存儲器，具有布爾邏輯、時間表、節能算法等擴展功能供軟件編程組態。
由于地鐵環控工藝復雜，模式工況眾多，在系統配置上要充分考慮控制器CPU資源和內存資源的配置，留有充分的裕量。在廣州地鐵一號線BAS系統中，由于大部分環控設備主要由本端的UCI進行控制管理，造成UCI超負載工作，（部分UCI內存占用率高達80%以上，CPU負載最高達95%以上），降低了設備運行的可靠性，同時一些優化控制算法也受制于資源分布而難以實現。此外這種把幾乎全部監控功能集中于UCI的做法也不符合DCS系統風險分散的原則：當一個UCI發生故障將會導致BAS系統對車站一端環控設備的控制癱瘓，最好應考慮大、小系統及隧道通風系統各自使用獨立DDC控制器（即UCI）進行控制。
5.2. 設備基本保護與自動模式的實現
以車站大系統為例，環控系統設備如下圖
圖3 陳家祠站A端大系統原理圖
通常，環控設備低壓二次回路設計只考慮單體設備的保護聯鎖要求，即風機同其聯動風閥的聯鎖，因此需要BAS系統從系統出發考慮設備的保護和優化運行，廣州地鐵一號線主要考慮的方面有以下幾點。(1) 確保環控模式風路的暢通
(2) 當設備故障時可及時啟動備用設備
(3) 環控主/備用設備應平衡運行
(4) 避免設備的頻繁動作
(5) 優化開關機順序
以陳家祠站A端大系統空調器（圖3）為例，程序邏輯關系如下：
if S3-1 or S3-2 is not run &（Runtime (S3-1) — Runtime (S3-2)>0）
then output (Runtime change)=1
if S3-1 or S3-2 is not run &（Runtime (S3-1) — Runtime (S3-2)<0）
then output (Runtime change)=0
if S3-1 or S3-2 is run
then Runtime change not change
*以上求得Runtime change邏輯值
if mode(LD<50%) & (~Runtime change) | mode(LD>50%)
then output ( S3-1 mode=1)
if mode(LD<50%) & Runtime change | mode(LD>50%)
then output (S3-2 mode=1)
*設備平衡運行 if S3-1 mode | (S3-2 mode & any S3-2 associated equipment in fault) & not any S3-1 associated equipment in fault *故障轉換
then output ( S3-1 Call=1) if S3-2 mode| (S3-1 mode & any S3-1 associated equipment in fault) & not any S3-2 associated equipment in fault *故障轉換
then output ( S3-2 Call=1)
if S3-1 Call & all associated damper is open *檢測風路
then start S3-1 *開啟S3-1
if S3-2 Call & all associated damper is open *檢測風路
then start S3-2 *開啟S3-1
說明：& ——邏輯與；| ——邏輯或；~ ——邏輯非
mode(LD<50%) 表示所有負荷小于50%的工藝模式，即開單臺空調機的模式
通過以上例子，可以看出廣州地鐵在實現環控設備程序控制主要從以下幾方面考慮設備基本運行要求：
(1) 將模式的主備用轉換變為單體設備的轉換，合并備用模式。減少了模式轉換的頻率，提高了模式執行的效率。
(2) 在設備未運行時，通過主備用設備運行時間的比較，決定下次模式執行時開啟哪一臺設備（包括聯動風閥），設備開啟后，該值保持不變，避免運行中的設備轉換。
(3) 對設備的故障情況進行實時檢測，若有自身設備故障或相關設備故障，則啟動另一臺備用設備。故障信號為設備過載故障與命令/反饋不一致和超時故障的邏輯或。
(4) 對該模式風路上相關風閥及設備進行檢測，待相關風閥全部到位，風路暢通后，才輸出命令啟動現場設備。
(5) 在模式啟動過程中應盡可能先開空調機，后開送風機，關機則順序相反，以避免啟動中風機有可能出現的過流，保護設備的合理運行；出于保護設備考慮，風機關閉后應盡能按需要延時一段時間再關閉聯動風閥。
(6) 若該工藝模式本身無備用模式，當模式中由于某臺設備無法動作，模式正常執行時，可考慮轉入指定模式或關停該模式，以避免設備長期不平衡運行對設備造成的損害。
6 環控工藝模式的判定與執行
由于廣州地鐵環控系統設計為定風量系統，因此BAS系統控制的重點不在于調節而在于環控工藝模式工況的選擇判斷上。下面以車站大系統和水系統的正常運行模式為例，對地鐵環控工藝的自動執行做進一步的說明：
6.1. 車站大系統工藝模式自動判斷的實現
大系統正常工藝模式的自動判定執行主要依據如下條件：①依據室外溫度判定大系統執行空調或非空調季節模式②依據車站內外空氣焓值的比較判定全新風或小新風模式 ③依據車站負荷情況判定執行負荷大于50%模式或小于50%模式 4)依據時間判定夜間或白天模式。圖4為正常運行自動模式判斷執行流程。
(1) 正常運營時間劃分為三段：夜間、預通風時間、正常運營時間三段，全線BAS控制器通過主時鐘獲得時間同步，確保全線時間表統一。
(2) 空調季節采用外界焓值與送風設定焓值的比較判定。當外界焓值大于設定焓值時，即進入空調季節，為避免空調季節頻繁切換導致模式的頻繁轉換，判斷條件采用死區控制，并限時轉換（如至少20分鐘方能轉換一次）。全新風及小新風工況選擇使用外界焓值同站廳/臺平均焓值相比較來確定，同樣采用限時轉換，并且全/小新風工況選擇和空調/非空調季節選擇使用統一的限時計時器，以確保同步轉換，減少設備動作頻度。
(3) 車站負荷判定采用水系統分水器溫度（冷凍水出水溫度）判定，采用死區7.5℃~8.5 ℃控制，非空調季節則默認執行車站負荷>50%模式工況。
(4) 環控工藝模式可通過人工選定及自動判定執行來實現。通常環控工藝模式由BAS系統根據計算結果自動判定執行，同時設置手動模式，以便特殊情況下，人工強制選定模式，在災害狀況（如火災），則優先執行火災模式（須人工確認后方可執行，以防止誤動作）。
圖4 大空調通風系統自動模式判斷流程圖
6.2. 車站水系統工藝模式的實現BAS系統負責對車站三臺冷水機組進行群控。當由BAS系統自動控制冷水系統時，根據以下原則選定水系統正常運行工藝模式：①依據時間表判定白天或夜間模式運行 ②依據室外焓值判定水系統是否進入空調季節運行 ③依據車站冷負荷判定開機數量。下圖為車站水系統工況判定流程圖：
圖5 水系統工藝模式流程圖
(1) 空調季節的判定與車站大系統相同的判定條件。(2) 正常運營時間劃分為三段：夜間、車站預冷時間、正常運營時間三段。夜間只根據重要設備房溫度開啟活塞機組，運營前車站預冷時間內首先開啟兩臺離心機組30分鐘后再進行車站冷負荷的判斷。
(3) 根據環控要求，車站負荷判定采用水系統分水器溫度（冷凍水出水溫度）判定，當分水器溫度高過某定值開啟兩臺離心機組，低過該值時則僅開一臺離心機組，該值采用死區控制，廣州地鐵一號線初定為7℃~9 ℃。
(4) 為保護設備，避免冷水機組頻繁動作，設定冷水系統模式最少運行時間（如至少90分鐘方能轉換一次）。
6.3. 風系統與水系統的協調運作
BAS通過調節每臺空調機冷凍水出水二通調節閥開度調節空調機送風溫度，同時該二通閥兼做水系統工況轉換水閥，根據空調機開啟情況和水系統運行模式來輸出相應控制開度或者關閉二通閥，保障風系統和水系統的協調動作。大系統車站負荷和水系統負荷情況均由冷凍水出水溫度值來判定，廣州地鐵初定大系統負荷判定為7.5℃~8.5 ℃設置死區控制，水系統為7℃~9 ℃設置死區控制，為避免當風系統運行在小于50%工況時，水系統運行在大于100%工況（7℃~7.5℃）時，水系統冷負荷過低造成冷水機組跳機，大系統負荷判定加入冷水系統模式執行條件，如圖6：
曲線2 ：開啟兩臺離心機組大系統負荷判定曲線
圖6 大系統負荷判定曲線圖
為保證風、水系統的協調運行，水系統與大系統采用統一的空調季節判定條件。同時由于大系統、水系統的工況轉換限時計時器不同（大系統為20分鐘，水系統為90分鐘），存在沖突的可能性，因此，風系統工況轉換時要考慮到水系統的運行工況。7 結束語
由于地鐵環控系統的復雜性和特殊性，對車站設備監控系統的控制要求往往同一般樓宇自動化系統區別很大，在硬件的配置和軟件功能上有其特殊的要求，因此，在今后的地鐵建設中，要根據地鐵的實際情況，合理配置系統，完善系統功能，最大限度的提高地鐵環境控制系統的自動化水平。
原文作者：廣州市地下鐵道總公司 張劭、陳曉東
