華春陽(yáng),曹建成
(中交鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司,北京 100088)
為了實(shí)現(xiàn)地鐵運(yùn)營(yíng)高安全性、高可靠性、高度自動(dòng)化、低損耗、低維護(hù),即三高兩低[1],實(shí)現(xiàn)緊急工況快速動(dòng)作,有效節(jié)約能源,目前國(guó)內(nèi)城市軌道交通項(xiàng)目基本上采用通過(guò)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)控通風(fēng)、動(dòng)力照明、給排水等機(jī)電設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控[2]。目前國(guó)內(nèi)的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)主流方案是通過(guò)可編程控制器(PLC)實(shí)現(xiàn)對(duì)被控設(shè)備的監(jiān)控[3]。因此,基于PLC開(kāi)發(fā)的邏輯程序就成為設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的靈魂。
結(jié)合天津地鐵1號(hào)線和廣州地鐵2號(hào)線設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng),通過(guò)分析工程的特點(diǎn),展開(kāi)對(duì)相關(guān)子系統(tǒng)接口目的的分析,結(jié)合系統(tǒng)特點(diǎn)和運(yùn)營(yíng)實(shí)際需求,討論如何實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的控制邏輯。
地鐵工程中,地下站及區(qū)間隧道構(gòu)成一個(gè)貫通的、體量龐大的地下空間,僅有車站的出入口、通風(fēng)亭及隧道口等數(shù)量有限的通道與室外大氣相通。地鐵正式運(yùn)營(yíng)以后,隨著客流量上升和行車密度加大,這個(gè)地下空間內(nèi)將聚集大量的熱及有害氣體和帶電粉塵,如不采取有效措施,必將造成地鐵內(nèi)環(huán)境的不斷惡化,甚至導(dǎo)致不可逆的洞體損壞。因此需要建立一套完善的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)和控制預(yù)案,通過(guò)對(duì)地鐵內(nèi)的溫度、濕度和空氣流向等進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)控制洞體升溫、為乘客提供適宜的乘車環(huán)境的目的,并在緊急情況下減少人員傷亡,保證乘客的安全[4]。
在城市軌道交通項(xiàng)目中設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)的工作比較繁雜,其主要職責(zé)為:快速有效地實(shí)現(xiàn)通風(fēng)及環(huán)境控制,并在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中盡量節(jié)約能源;配合消防系統(tǒng)完成相關(guān)的消防動(dòng)作,控制煙氣流向,協(xié)助人員疏散;減少站務(wù)人員勞動(dòng)強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)設(shè)備操作智能化、模式化;提高設(shè)備維修人員工作效率,為設(shè)備維修策略由故障維修向定期維修提供量化的數(shù)據(jù)依據(jù)。
設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)需要與各種類型的設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,體現(xiàn)出來(lái)的特點(diǎn)就是接口類型繁多、數(shù)量眾多。常見(jiàn)的設(shè)備接口包括通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備,如變頻風(fēng)機(jī)、雙速風(fēng)機(jī)、雙向風(fēng)機(jī)、單向風(fēng)機(jī)、組合風(fēng)閥、可調(diào)節(jié)風(fēng)閥、組合空調(diào)、防火閥等;水系統(tǒng)接口設(shè)備,如調(diào)節(jié)閥、水泵、水閥等;還有照明、導(dǎo)向標(biāo)志、溫濕度傳感器、潛污泵等。同時(shí),還有部分系統(tǒng)與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)直接連接,如電扶梯系統(tǒng)、VRV空調(diào)系統(tǒng)、FAS(火災(zāi)報(bào)警)系統(tǒng)、時(shí)鐘系統(tǒng)、屏蔽門(mén)系統(tǒng)、冷水機(jī)組系統(tǒng)、應(yīng)急電源系統(tǒng)等[5]。
由于接口數(shù)量眾多,接口的電氣形式、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)流向、功能和目的也各不相同,為了便于后續(xù)模式控制的討論方便,在此僅對(duì)部分與控制邏輯相關(guān)接口的目的進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。
(1)與通風(fēng)系統(tǒng)的接口
一方面是為了快速有效地實(shí)現(xiàn)通風(fēng)及環(huán)境控制,并在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中盡可能節(jié)約能源;另一方面是當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí),能夠協(xié)助消防系統(tǒng)盡快將有毒煙氣排到地面。
(2)與水系統(tǒng)的接口
地鐵水系統(tǒng)包括冷水系統(tǒng)和給排水系統(tǒng)。
冷水系統(tǒng)是為車站提供冷源的獨(dú)立控制系統(tǒng)。設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)控制二通調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)冷水流量,控制可變制冷劑流量空調(diào)機(jī)組等方式調(diào)節(jié)車站冷水系統(tǒng)的負(fù)荷,從而調(diào)節(jié)車站內(nèi)的溫度和濕度。
給排水系統(tǒng)的監(jiān)控主要包括根據(jù)水位實(shí)現(xiàn)相關(guān)水泵的監(jiān)控及對(duì)生活用供水設(shè)備的監(jiān)控。
(3)與消防系統(tǒng)的接口
設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)接受消防系統(tǒng)預(yù)定的模式控制指令,以實(shí)現(xiàn)模式控制方式的選取。設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)對(duì)火災(zāi)發(fā)生位置相關(guān)的通風(fēng)、空調(diào)設(shè)備實(shí)施控制,進(jìn)行對(duì)應(yīng)防火分區(qū)的防排煙控制。
(4)與屏蔽門(mén)系統(tǒng)接口
采集被監(jiān)控車站屏蔽門(mén)/安全門(mén)的狀態(tài)信息和故障報(bào)警信息,并在綜合后備應(yīng)急控制盤(pán)上設(shè)置屏蔽門(mén)/安全門(mén)的狀態(tài)指示、應(yīng)急控制按鈕,以保證在火災(zāi)等緊急工況下迅速打開(kāi)或關(guān)閉屏蔽門(mén)/安全門(mén)。
(5)與照明系統(tǒng)接口
根據(jù)時(shí)間及室外照度情況控制工作照明、節(jié)電照明、廣告照明、出入口照明、隧道照明等設(shè)備的開(kāi)啟和關(guān)閉[6]。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)根據(jù)模式控制指令的要求啟動(dòng)應(yīng)急照明,關(guān)閉工作照明等操作。
(6)與導(dǎo)向系統(tǒng)接口
實(shí)現(xiàn)在正常、停運(yùn)及火災(zāi)等緊急工況下提供可視的客流導(dǎo)向功能。
(7)與電扶梯系統(tǒng)的接口
監(jiān)視電扶梯的工作狀態(tài)及故障報(bào)警,保證火災(zāi)等緊急工況下將垂直電梯控制到安全層[7]。
在設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)工程實(shí)施中,控制程序中的控制邏輯部分是項(xiàng)目的核心,控制邏輯部分功能是否完整直接關(guān)系到項(xiàng)目的成?。?]。根據(jù)筆者近幾年實(shí)施過(guò)的工程經(jīng)驗(yàn),現(xiàn)將控制邏輯設(shè)計(jì)規(guī)劃過(guò)程中需要注意的問(wèn)題總結(jié)如下。
設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的核心控制邏輯單元包括模式控制、環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)控制、應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制、照明系統(tǒng)控制、乘客導(dǎo)向系統(tǒng)控制、綜合后備應(yīng)急控制盤(pán)的控制邏輯、區(qū)間通風(fēng)系統(tǒng)控制邏輯等。
與控制邏輯相關(guān)的幾個(gè)主要子系統(tǒng)見(jiàn)圖1。
圖1 與控制邏輯相關(guān)的子系統(tǒng)關(guān)系
模式控制單元是所有控制邏輯的核心。模式控制一般包括2種工況:一種工況是根據(jù)時(shí)間表進(jìn)行控制,另一種工況則是在應(yīng)急工況下控制。
時(shí)間表控制是指設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)在不同時(shí)間段內(nèi)運(yùn)行不同模式的控制方式。常見(jiàn)的時(shí)間表工況包括夜間模式、早晚通風(fēng)模式、正常運(yùn)營(yíng)模式和停運(yùn)模式等。正常運(yùn)營(yíng)模式又可以根據(jù)地鐵項(xiàng)目所在的地域分為冬季模式、空調(diào)季模式和通風(fēng)季模式等。
應(yīng)急工況通常分為大系統(tǒng)火災(zāi)、小系統(tǒng)火災(zāi)和阻塞模式,其中大系統(tǒng)火災(zāi)又分為站廳層火災(zāi)、站臺(tái)層火災(zāi)以及區(qū)間火災(zāi)3種工況。當(dāng)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)需要運(yùn)行某一個(gè)模式的時(shí)候,環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)控制,火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制,照明系統(tǒng)控制,乘客導(dǎo)向系統(tǒng)控制,綜合后備應(yīng)急控制盤(pán)的控制邏輯,區(qū)間通風(fēng)系統(tǒng)控制這些子單元均需要根據(jù)相應(yīng)的模式控制的要求執(zhí)行各自對(duì)應(yīng)的模式,從而形成整個(gè)車站的機(jī)電設(shè)備同時(shí)聯(lián)動(dòng)保證模式執(zhí)行的效果。
因此模式控制可以說(shuō)是設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的控制中樞,而其他的各個(gè)控制單元都是圍繞著這個(gè)中樞完成各自的任務(wù)。模式控制流程見(jiàn)圖2。
通過(guò)模式控制功能塊調(diào)用設(shè)備控制功能塊,實(shí)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)的有機(jī)統(tǒng)一。設(shè)備控制流程見(jiàn)圖3。
圖2 模式控制流程
圖3 設(shè)備控制流程
這2個(gè)單元都是屬于環(huán)境控制環(huán)節(jié),地鐵項(xiàng)目的環(huán)境控制具有其特殊性,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
第一,地下車站及區(qū)間空間體量較大,空調(diào)系統(tǒng)滯后現(xiàn)象較為嚴(yán)重,因此控制邏輯應(yīng)適當(dāng)考慮一定的時(shí)間因素和誤差的變化速率。只有這樣,才能更加有效地實(shí)現(xiàn)溫濕度的調(diào)節(jié),以達(dá)到人體較舒適的熱焓值,同時(shí)最大限度的節(jié)省能源。
第二,地下車站及區(qū)間屬于人員高度密集區(qū),一旦出現(xiàn)緊急情況極易導(dǎo)致重大人員傷亡,并造成嚴(yán)重的社會(huì)影響。因此,這就要求控制系統(tǒng)在第一時(shí)間內(nèi)控制住事故的危險(xiǎn)源,完成滅火、排煙、疏散等工作內(nèi)容,必須保證在最短的時(shí)間內(nèi)快速完成所有的緊急操作。
第三,地鐵工程是重大的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)項(xiàng)目,投資巨大,設(shè)計(jì)壽命都是百年以上,只有精心維護(hù)才能使洞體的熱套厚度穩(wěn)定在一個(gè)適中的數(shù)值上,一個(gè)完善的控制系統(tǒng)能夠有效地幫助運(yùn)營(yíng)人員從容完成相應(yīng)的控制操作。
第四,目前,國(guó)內(nèi)城市軌道交通項(xiàng)目的趨勢(shì)是網(wǎng)絡(luò)化、規(guī)?;绕涫谴笮秃吞卮笮统鞘腥绫本⑸虾?、廣州等城市。這也就給設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)帶來(lái)一個(gè)新的挑戰(zhàn),在換乘車站或樞紐車站,對(duì)已建成投入運(yùn)營(yíng)的地鐵線路的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行控制方案的重新考量,確認(rèn)是否存在優(yōu)化和調(diào)整既有控制預(yù)案的可能性和空間。
第五,地鐵投入運(yùn)營(yíng)以后,隨著客流量上升和行車密度加大,將在地下空間內(nèi)積累大量的熱量及有害氣體和粉塵,如不采取有效措施,必將造成地鐵內(nèi)環(huán)境的不斷惡化。因此設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的控制方案不應(yīng)是一成不變的,而應(yīng)根據(jù)地鐵內(nèi)實(shí)際的污染物數(shù)量和濃度定期進(jìn)行調(diào)整,以適應(yīng)不斷變化的地鐵空間內(nèi)的環(huán)境。
結(jié)合地鐵環(huán)境的特殊性,設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)控制和區(qū)間通風(fēng)系統(tǒng)控制需要根據(jù)時(shí)間表進(jìn)行正常工況的控制。
通常來(lái)說(shuō)地鐵正式運(yùn)營(yíng)期間存在全新風(fēng)模式、小新風(fēng)模式和閉式運(yùn)行3種模式。設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)針對(duì)各城市的氣候環(huán)境設(shè)置不同水平的BAS[9],在北方的冬季常常采用冬季模式運(yùn)行即閉式運(yùn)行,而在南方的夏季通常運(yùn)行空調(diào)季模式即小新風(fēng)模式,其他季節(jié)常常采用全新風(fēng)模式運(yùn)行。具體采用哪種運(yùn)行模式要根據(jù)運(yùn)行的時(shí)間段、客流分布的情況、車站內(nèi)二氧化碳濃度以及車站內(nèi)熱焓值等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合判斷并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)而最終確定。
區(qū)間阻塞模式控制是指當(dāng)?shù)罔F車輛運(yùn)行到區(qū)間發(fā)生故障停運(yùn)時(shí),環(huán)控系統(tǒng)需要緊急運(yùn)行的模式指令。區(qū)間阻塞模式指令的實(shí)現(xiàn)可以有效地保證地鐵車輛上的表冷器正常工作。當(dāng)車輛故障停在區(qū)間的時(shí)候,需要維持表冷器的正常工作以保證車上乘客身心健康。由于車輛上表冷器的散熱受到狹長(zhǎng)的地鐵區(qū)間的限制,如果車輛故障時(shí)間較長(zhǎng),會(huì)導(dǎo)致表冷器過(guò)熱故障。因此當(dāng)運(yùn)營(yíng)車輛故障停在區(qū)間時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)需要環(huán)控系統(tǒng)運(yùn)行區(qū)間阻塞模式。
火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制是設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)在地鐵車站發(fā)生火災(zāi)時(shí)需要運(yùn)行的模式。
當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在車站時(shí),針對(duì)火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)的不同,設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)應(yīng)運(yùn)行相應(yīng)的火災(zāi)模式,以盡快將車站內(nèi)人員疏散到站外,同時(shí)盡快將車站內(nèi)的有毒煙氣排放到地面。特別說(shuō)明的是,目前國(guó)內(nèi)地鐵項(xiàng)目均按照同一時(shí)間發(fā)生一次火災(zāi)進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì),因此當(dāng)火災(zāi)發(fā)生擴(kuò)散或轉(zhuǎn)移時(shí),設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)需要環(huán)調(diào)人員手動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的火災(zāi)模式,以避免損失的進(jìn)一步擴(kuò)大。
當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在區(qū)間時(shí),還必須判斷出火災(zāi)是發(fā)生在車輛上,還是區(qū)間隧道內(nèi)。這時(shí)需要環(huán)調(diào)人員根據(jù)車輛的行進(jìn)方向、起火點(diǎn)的位置,組織起火區(qū)間的兩端車站同時(shí)執(zhí)行相應(yīng)的火災(zāi)模式,引導(dǎo)區(qū)間的人員按照逆風(fēng)向方向迅速疏散到安全地帶[10]。
需要特別說(shuō)明的是,只有區(qū)間阻塞模式和區(qū)間火災(zāi)模式需要由控制中心下發(fā)火災(zāi)模式的控制命令以外,其他的應(yīng)急模式都是通過(guò)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)來(lái)的聯(lián)動(dòng)控制命令。車站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)獲得火災(zāi)模式命令運(yùn)行指令后,即時(shí)將環(huán)控系統(tǒng)、空調(diào)水系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和乘客導(dǎo)向系統(tǒng)由正常工況切換到相應(yīng)的火災(zāi)工況[11],組織相應(yīng)的風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥,按照火災(zāi)工況進(jìn)行工作。由于通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)和風(fēng)閥設(shè)備存在聯(lián)動(dòng)關(guān)系,因此在火災(zāi)模式指令下達(dá)后,所有設(shè)備均需要在一段時(shí)間以后,方能完成控制命令[12]。因此設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)在控制模式下達(dá)后,仍需要對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),待環(huán)控系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)均按照火災(zāi)模式執(zhí)行到位后,再將火災(zāi)模式執(zhí)行成功的信息反饋給火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。
對(duì)于發(fā)生二次火災(zāi)工況,或火災(zāi)發(fā)生后火情有所蔓延,火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)須將最新的火災(zāi)報(bào)警模式發(fā)送給設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng),由車站工作人員根據(jù)具體情況,進(jìn)行判斷分析以后,通過(guò)手動(dòng)方式?jīng)Q定是否需要設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)執(zhí)行其他的火災(zāi)模式。
同環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)一樣,也分為正常運(yùn)營(yíng)工況和事故工況。正常運(yùn)營(yíng)工況包括夜間模式、運(yùn)營(yíng)模式等控制模式?;馂?zāi)發(fā)生時(shí)運(yùn)行相應(yīng)的火災(zāi)模式,將工作照明、廣告照明、三級(jí)負(fù)荷等非重要正常負(fù)荷切除,投入應(yīng)急照明。由于照明系統(tǒng)不需要進(jìn)行聯(lián)鎖控制,因此控制邏輯較環(huán)控系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)。對(duì)于城市軌道交通項(xiàng)目中的地面站、高架站,照明控制邏輯中可以引入室外光照度信息。照明控制系統(tǒng)的控制邏輯結(jié)合光照度信息進(jìn)行設(shè)計(jì),據(jù)此啟動(dòng)相應(yīng)的照明模式,可以有效地節(jié)約能源。
乘客導(dǎo)向系統(tǒng)是正常運(yùn)營(yíng)時(shí)引導(dǎo)乘客正常地出入車站,火災(zāi)發(fā)生時(shí),引導(dǎo)乘客按照正確的路線迅速撤離車站避免傷亡的指示系統(tǒng)。乘客導(dǎo)向系統(tǒng)和照明系統(tǒng)的控制邏輯幾乎是相同的,因此一部分邏輯程序可以共用或直接復(fù)制使用。
綜合后備應(yīng)急控制盤(pán)是設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分,也是重要防災(zāi)救災(zāi)設(shè)備的備用控制設(shè)備,具有最高的控制優(yōu)先級(jí),同時(shí)設(shè)有可靠的防誤操作裝置。
綜合后備應(yīng)急控制盤(pán)主要實(shí)現(xiàn)了以下幾方面功能:
第一,負(fù)責(zé)提供緊急情況下后備手動(dòng)操作按鈕;
第二,實(shí)現(xiàn)重要設(shè)備和模式執(zhí)行情況的報(bào)警和顯示功能;
第三,實(shí)現(xiàn)部分重要外圍系統(tǒng)的接口功能。如,實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警控制器對(duì)檢票閘機(jī)和門(mén)禁裝置的緊急解鎖控制,實(shí)現(xiàn)消防栓泵/高壓細(xì)水霧系統(tǒng)啟動(dòng)等功能。
雖然綜合后備應(yīng)急控制盤(pán)要求完成的功能較多,且均是直接關(guān)系到地鐵的安全運(yùn)營(yíng),但單就控制邏輯而言,綜合后備應(yīng)急控制盤(pán)的許多功能只需實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和轉(zhuǎn)發(fā)即可,因此其控制邏輯相對(duì)于其他系統(tǒng)而言算是簡(jiǎn)單容易的。綜合后備應(yīng)急控制盤(pán)的控制邏輯考慮的主要內(nèi)容是數(shù)據(jù)傳遞的可靠性和穩(wěn)定性。
在城市軌道交通項(xiàng)目中,設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)的工作比較繁雜,特別是設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)又負(fù)責(zé)監(jiān)控地鐵車站內(nèi)大多數(shù)核心設(shè)備,因此設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于地鐵運(yùn)營(yíng)的安全、效率、節(jié)約能源都是非常重要的??刂七壿嬍窃O(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的核心,控制邏輯實(shí)現(xiàn)的成功與否直接決定著地鐵設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的成敗,甚至對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)效率的高低都將產(chǎn)生決定性影響,因此,設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的控制邏輯的實(shí)現(xiàn)過(guò)程應(yīng)引起工程設(shè)計(jì)單位的高度重視。目前國(guó)內(nèi)工程中往往是先確定被控設(shè)備,然后根據(jù)設(shè)備的情況確定控制邏輯,在這種情況下控制邏輯的設(shè)計(jì)規(guī)劃受到了一定程度的限制。在此建議當(dāng)條件允許的情況下,監(jiān)控專業(yè)應(yīng)根據(jù)運(yùn)營(yíng)需要先行確定控制邏輯,并據(jù)此確定被控設(shè)備的種類。
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