軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)

３環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS系統(tǒng))的設計方案3.1BAS系統(tǒng)的車站級設計方案BAS系統(tǒng)作為綜合監(jiān)控系統(tǒng)的子系統(tǒng)，車站控制室監(jiān)控設備、控制中心設備）配置及主要功能的實現(xiàn)均集成于綜合監(jiān)控系統(tǒng)，車站級與中央級之間的通信網(wǎng)絡也由綜合監(jiān)控系統(tǒng)搭建。BAS系統(tǒng)現(xiàn)場設備主要由PLC控制器、遠程I/O（RI/O）模塊、通信接口模塊、各類傳感器等設備以及現(xiàn)場級網(wǎng)絡構(gòu)成。根據(jù)BAS系統(tǒng)的性能要求和設計原則對BAS系統(tǒng)的車站級設計如下。3.1.1BAS系統(tǒng)電源與接地的配置地下車站內(nèi)Ａ端BAS設備的不間斷供應電源（UPS電源）由通信綜合UPS電源提供，經(jīng)過綜合監(jiān)控系統(tǒng)配電柜分配后，為環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)提供路饋出回路，回路容量為9kVA，UPS電源后備時間為滿足最大負荷情況下不少于1小時，BAS控制柜設置配電回路對電源進行分配，提供給車站的BAS設備，車站內(nèi)B端BAS設備的UPS電源由BAS自行設置UPS提供。每個模塊箱內(nèi)部系統(tǒng)設備工作電源和聯(lián)動控制電源需分開設置。如圖4-1是車輛段BAS系統(tǒng)圖。圖4-1車輛段BAS系統(tǒng)圖3.1.2車輛段BAS系統(tǒng)的設計在車輛段通風空調(diào)機房設置一套BAS控制柜，內(nèi)設一套非冗余PLC，對車輛段主要建筑內(nèi)的動力照明、空調(diào)、給排水設備進行監(jiān)控吲，PLC與遠方I/O之間采用冗余總線通信，車輛段主要模塊采用與車站PLC相同的型號。在BAS控制柜設置１套維護工作站，實現(xiàn)對BAS設備的維護管理功能。PLC通過與車輛段綜合監(jiān)控系統(tǒng)、FAS系統(tǒng)等設備接口，實現(xiàn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)對車輛段機電設備的監(jiān)控，火災聯(lián)動措施的執(zhí)行等功能。圖4-2車輛段BAS系統(tǒng)圖3.1.3高架車站BAS系統(tǒng)的設計高架車站綜合監(jiān)控設備室內(nèi)設置BAS控制柜，內(nèi)設１套冗余PLC、I/O組件、通信接口組件等設備實現(xiàn)對車站機電設備的監(jiān)控。在車站的空調(diào)機房、照明配電室、各類水泵附近等位置設置遠程I/O模塊箱，實現(xiàn)對水泵、動力照明配電回路、各類傳感器等設備的監(jiān)控。冗余PLC通過冗余現(xiàn)場總線連接遠程I/O模塊箱。在BAS控制柜設置ｌ套維護工作站，實現(xiàn)對BAS設備的維護管理功能。冗余PLC通過與車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)、FAS系統(tǒng)等設備接口，實現(xiàn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)對車站機電設備的監(jiān)控，火災聯(lián)動措施的執(zhí)行等功能。圖4-4水系統(tǒng)工藝原理圖3.2.1全局優(yōu)化控制方案設計地鐵空調(diào)水系統(tǒng)分為冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)。冷卻水系統(tǒng)：從冷卻塔送出冷量，經(jīng)過冷卻水泵、冷水機組冷凝器、最終回到冷卻塔；冷凍水系統(tǒng)：集水器經(jīng)過冷凍水泵、冷水機組蒸發(fā)器再由分水器發(fā)送到各個空調(diào)機組，冷量在各環(huán)節(jié)循環(huán)后最終回到集水器。在冷水機組蒸發(fā)器和冷凝器中有一次熱能交換，冷水通過熱交換吸收室內(nèi)環(huán)境的熱量經(jīng)冷水循環(huán)系統(tǒng)將這些熱量傳送給蒸發(fā)器，然后在制冷劑循環(huán)系統(tǒng)的作用下，熱量轉(zhuǎn)移到了冷凝器中，載冷劑與冷卻水在那里進行熱交換，熱量最終進入冷卻水循環(huán)。環(huán)控系統(tǒng)循環(huán)共有5個可調(diào)節(jié)點：冷水機組：冷凝器和蒸發(fā)器、二級泵、二通閥、送風機和回排風機，每個環(huán)節(jié)點之間都存在緊密聯(lián)系，相互影響。因此，只要保證上述各個設備始終運行在最高效率范圍，便可使整個環(huán)控系統(tǒng)處于性能最優(yōu)狀態(tài)，這是全局最優(yōu)控制方案的基本思想。設計方案具體如下：應從終端出發(fā)，首先保證送風機工作在最高效率區(qū)域，滿足車站環(huán)境所需，為避免空調(diào)區(qū)域出現(xiàn)壓差，應是回排風機以同樣效率運行。其次，依次使二通閥，二級泵均處于效率最高狀態(tài)，最后通過調(diào)節(jié)冷水機組臺數(shù)與出水溫度來實現(xiàn)所需冷量。因此，將系統(tǒng)分為五個部分：室內(nèi)溫度控制、室內(nèi)壓力控制、送風溫度控制、冷凍水供回壓差控制、冷源流量控制，每部分通過不同的調(diào)制方法，實在該部分的性能最優(yōu)，最終達到全局最優(yōu)。3.2.2室內(nèi)溫度控制1控制方案室內(nèi)溫度控制采用送風機變風量調(diào)節(jié)（VIW），變風量調(diào)節(jié)原理：利用變頻器調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)動頻率，使風機傳送冷量與空調(diào)區(qū)的溫度變化相互持衡，使室溫Tw與環(huán)境要求溫度Ts基本保持一致，從而實現(xiàn)室內(nèi)溫度控制。根據(jù)變風量調(diào)節(jié)原理可知，變頻器內(nèi)置的限幅比例控制器可實現(xiàn)對送風機風速的閉環(huán)控制，其采用了一個溫度閉環(huán)PID調(diào)節(jié)回路。圖4-5溫室控制框圖其中：T0=送風溫度設定；ATs=室溫偏差：GF目標送風量；f=送風機頻率；Gs=送風量：AQ=室內(nèi)負荷變化擾動：Tf室內(nèi)溫度。２問題關鍵（1）過程變量選擇地鐵環(huán)境十分復雜，有至少兩個樓層，其中站廳、站臺在不同層，公共區(qū)面積較大，人員流動分散不均，所以地鐵室內(nèi)的實際溫度相差很大。這使測量實際室溫Ｔｗ變得十分麻煩，對于這種情況有兩種方法比較常用，其中一種是以車站回風混合室的溫度Tc作為測量的實際室溫值；另一種是測量地鐵公共區(qū)多處溫度，去其加權平均作為測量的實際室溫值。（2）VAV方式下空調(diào)區(qū)域數(shù)學建模地鐵屬于地下軌道交通，其大部分都在地下（高架鐵占很小部分），車站溫度來源與太陽的輻射無關，除車站內(nèi)設備發(fā)出熱量，基本是流動人員所產(chǎn)生。從而可知，車站室溫變化主要是由流動人員所帶動的熱量和新風量的變化引起的。因此，室內(nèi)溫度控制是非線性、時變系統(tǒng)。由能量守恒定律可知，室內(nèi)的溫度變化值是單位時間進入車站所帶來的能量除去單位時間從車站流出的能量。表3-1回排風量調(diào)節(jié)符號說明綜上所述，根據(jù)變風量調(diào)節(jié)環(huán)控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)通道和干擾通道的數(shù)學模型可得出圖4-6所示的空調(diào)區(qū)域模型結(jié)構(gòu)圖。圖4-6VAV下恒溫空調(diào)區(qū)域模型結(jié)構(gòu)圖（3）控制實現(xiàn)通過變風量調(diào)速(ⅥⅣ)調(diào)節(jié)送風機的風量，實現(xiàn)室內(nèi)溫度控制，如圖4-7。但有點需要注意，使用VAV控制時，為避免室內(nèi)的氣壓降低使組織氣流惡化，不能將送風量調(diào)的太小，應保證系統(tǒng)的最小新風量。圖4-7送風機變風量回路調(diào)節(jié)圖3.2.3室內(nèi)壓力控制由于人體需要一個合適的大氣壓，當我們在地鐵站里改變送風量時，要注意保持一個恒定的室內(nèi)正壓。因此，要調(diào)節(jié)排風機的風機頻率，使排風量與送風量相一致，以達到控制室內(nèi)壓力恒定的目的。室內(nèi)壓力控制依然是一個PID閉環(huán)控制回路，由變頻器內(nèi)部的限幅比例控制器完成，其本質(zhì)是隨動控制系統(tǒng)，控制思想有三種：1．風道靜壓隨動控制法（1）控制思想先設定送風量與排風量的比，讓排風道內(nèi)的靜壓變化根據(jù)隨送風道內(nèi)的靜壓的變化而改變，使得室內(nèi)正壓恒定。（2）控制算法在排風道和送風道均安裝靜壓壓力傳感器，算法如下：表3-2回排風量調(diào)節(jié)符號說明圖4-8室內(nèi)壓力恒定控制法3．轉(zhuǎn)速隨動近似控制法（1）控制思想在實際的工程中，有時并不方便安裝壓力傳感器，這時可采用近似的隨動控制法。由于排風閥不能連續(xù)調(diào)節(jié)開度，排風量可基本上與轉(zhuǎn)速成正比。而由圖11、12、13可以看出，當送風道末端沒有風閥限制、風道阻力特性變化不大時，送風量能近似看作與轉(zhuǎn)速成正比。這樣，就能采用排風機的轉(zhuǎn)速變化隨送風機的轉(zhuǎn)速變化而按比例改變的近似隨動控制法。圖4-9風量和轉(zhuǎn)速關系實驗結(jié)果圖4-10風機定風量控制時的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)曲線圖4-11風機定風量控制時壓力曲線（2）控制算法因為總風量與送風機轉(zhuǎn)速近似成正比，我們可以根據(jù)轉(zhuǎn)速求得最小新風量，再由最小新風量求得此種情況下的排風機最小轉(zhuǎn)速。計算公式仍為式（3－7），忽略壓力影響KH＝1。所以，PF_V＝(KP/KQ)×SF-V。令ａ＝KP/KQ，那么PF_V=ａ×SF-V，即排風機的轉(zhuǎn)速隨送風機的轉(zhuǎn)速按比例隨動。（3）回路調(diào)節(jié)圖4-12轉(zhuǎn)速比例控制法3.2.4送風溫度控制1．控制方案送風機的空氣來源于回風和新風，二者混合后與送風機里的表冷器進行熱交換，達到設定溫度和濕度，再送入空調(diào)區(qū)域，其出口溫度就是送風溫度?？刂扑惋L溫度，是控制室內(nèi)溫度的最基本功能。控制送風溫度恒定是通過調(diào)節(jié)機組上的表冷器的二通閥開度，進而改變冷凍水的流量，也就改變了表冷器熱交換的程度，使得送風機內(nèi)的空氣吸熱與放熱趨于平衡；最終穩(wěn)定送風溫度。送風溫度控制策略采用了串級控制方式，如圖15所示。外環(huán)控制回路為送風溫度控制回路，控制對象為送風溫度，并以室外負荷變化作為前置擾動。內(nèi)環(huán)控制回路為冷凍水流量控制回路，控制對象為表冷器上的二通閥開度，表冷閥通常都是比例調(diào)節(jié)閥，可以實現(xiàn)快速跟蹤，消除系統(tǒng)的慣性延遲。整個串級控制系統(tǒng)具有一定的抗干擾性和自適應性。Ldes在基于閥門高效區(qū)要求的Lmin和Lmax之間變化。圖4-13風溫度控制方框圖2．關鍵問題上述的串級控制系統(tǒng)中，最關鍵的問題是外環(huán)控制回路中的控制器的選擇。在地鐵BAS系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)的空間范圍大，易形成調(diào)節(jié)的大滯后，而且出入口的人流量大，給系統(tǒng)造成了一個大擾動。對于這樣一個大滯后、大擾動的系統(tǒng)，常規(guī)的PID調(diào)節(jié)明顯不適用。而模糊PID控制法是基于模糊算子的基礎上，不需要控制對象的精確模型和精確的數(shù)學表達式。根據(jù)地鐵BAS系統(tǒng)的特點，我們引入模糊自適應PID控制法，利用模糊規(guī)則對PID參數(shù)進行在線自適應調(diào)節(jié)。同時，在控制器里加入自學習控制，根據(jù)控制對象的運行過程積累經(jīng)驗，自行完善控制規(guī)律，使控制效果更佳。3．周期模糊自適應PID（1）確定PID預定參數(shù)在模糊自適應調(diào)整之前，需要用常規(guī)的PDI對系統(tǒng)進行控制，PID的預定參數(shù)可按臨界比例度法加經(jīng)驗公式法確定。首先設定積分時間Ｔk=OO，微分時間TI＝0，比例度＆置較大數(shù)值，運行外環(huán)控制回路，然后將萬逐漸減小，得到振蕩過程。這時候的比例度叫做臨界比例度＆k，振蕩的兩個波峰之間的時間即為臨界振蕩周期R。根據(jù)＆和致的值，運用經(jīng)驗公式：＆＝1.6＆k,Ti＝0.5Tk,TD＝0.25TI。計算出常規(guī)PID的各個預定參數(shù)。（2）模糊控制器的結(jié)構(gòu)設計模糊控制器的結(jié)構(gòu)設計就是對模糊控制算法進行設計。將模糊算法的思想應用在傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)上，圖16為模糊控制器的控制圖，把被控設備的變化值和變化率作為輸入量，經(jīng)過模糊控制器調(diào)節(jié)得到所需參數(shù)。圖4-14Fuzzy-PID結(jié)構(gòu)框圖模糊控制所得修正參數(shù)為△Kp、△Ki、△Kd，再由PID調(diào)節(jié)器預先估計值△Kp’、△Ki’、△Kd’，可通過下面公式計算出PID調(diào)節(jié)器的比例增益、積分增益、微分增益局：（3）模糊化二維模糊控制器的輸入、輸出變量的模糊子集依次為E、EC、△kp、△ki、△kd，語言值：｛負大、負中、負小、零、正大、正中、正小），記作：｛NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB）。論域取[-6，6]范圍內(nèi)整數(shù)值。隸屬函數(shù)均選為靈敏度高且在論域范圍內(nèi)均勻分布、等距離的三角形函數(shù)。計算誤差及誤差變化率的量化因子分別為：Ke＝0.4，Kec＝0.8，輸出比例因子為：Kp＝0.18，Ki＝0.016，kd＝0.017。（4）參數(shù)的整定規(guī)則及模糊推理根據(jù)不同情況下的e，ec，參數(shù)整定規(guī)范為：當ｅ偏大，要使響應速度提高必須使印取大值；若e偏小，為避免系統(tǒng)波動較大和過調(diào)應使幼減??；若e很小，應使kp繼續(xù)減小，以實現(xiàn)系統(tǒng)迅速達到平穩(wěn)狀態(tài)。與此同時，若e，ec同號，使助適當增加：反之，kp適當減小。由積分分離的理論分析可得，若e較大，為防止超調(diào)ki＝0；反之，e較小，為實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定，在e減小的同時可增大腸，從而使ki有效。綜上所述，△kp規(guī)則如表4-1。同理可以推出△ki、△kd的整定規(guī)則表。修正規(guī)則查詢表可運用模糊推理合成規(guī)則推導得出。表4-3△kp整定規(guī)則表（5）周期自動整定參數(shù)為是系統(tǒng)的控制更加精確，可通過模糊控制器對PID參數(shù)進行周期自動校正，反復進行周期校正已達到最佳效果。圖4-15空調(diào)二通閥開度調(diào)節(jié)回路4．自學習控制BAS系統(tǒng)具有自學習控制能力。依據(jù)地鐵站內(nèi)出入人員量、車站設備發(fā)熱量、公共區(qū)范圍大小等情況，分析出系統(tǒng)一天內(nèi)對室內(nèi)環(huán)境冷量的需求，圖18為自學習控制的冷量需求曲線，并把數(shù)據(jù)輸入控制器中，然后根據(jù)當天的實際情況進行調(diào)整，并將每半小時的冷量需求值輸入控制器中。每天將前一天的數(shù)據(jù)進行調(diào)整，用作第二天的參考，這樣便可對冷量的基本需求有提前的預知。與模糊控制結(jié)合使用效果更佳。圖4-16地鐵車站冷量需求曲線自學習控制與模糊控制相結(jié)合的調(diào)節(jié)結(jié)果圖，二通閥開度可在在圖中的上限與下限范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。圖4-17PID+自學習調(diào)節(jié)法5．變送風溫度設定控制從節(jié)能和舒適性的角度考慮，送風溫度的設定值可以在一定的范圍內(nèi)變化。結(jié)合送風機運行高效率的思想，得出以下變送風溫度設定規(guī)律：當V0＞90％，ts0＝ts0－△ts0；當80％＜V0＜90％，系統(tǒng)工況不變；當V0＜80％，ts0＝ts0+△ts0。其中，V0表示送風機的轉(zhuǎn)速，ts0表示送風溫度設定值，△ts0表示送風溫度設定浮動值。3.2.5冷水壓差控制在空調(diào)系統(tǒng)中，改變表冷器二通閥的開度可以改變冷凍水的流量，進而改變末端負荷。為了保障水力熱力的工況穩(wěn)定性，冷水機組的流量波動通常都很小。在地鐵系統(tǒng)中，采用二次泵供水系統(tǒng)，可以把冷凍水系統(tǒng)分成兩個回路：冷凍水生產(chǎn)回路和冷凍水運輸回路，這兩個回路的水力工況相對獨立。二次泵變水量（VWV）系統(tǒng)是一種基于需求的控制策略，它能夠跟蹤末端負荷的在線變化，經(jīng)過對單一水泵的變頻調(diào)速和多個水泵的臺數(shù)控制，改變供水管網(wǎng)內(nèi)的冷凍水流量口引，并保證管網(wǎng)上最不利回路的空調(diào)末端壓差控制在合理的范圍內(nèi)。由此可知，對冷水壓力差的控制實際上是對二次泵變流量變壓力差的控制。圖20是二次泵變流量變壓差的控制圖。調(diào)節(jié)流程：首先從末端閥門開度得到系統(tǒng)公共區(qū)的需求冷量，再傳輸?shù)酵ㄟ^PI控制器從而可發(fā)現(xiàn)二次泵供水壓差正常與否，最后進行反饋調(diào)節(jié)。其中，二次泵運行臺數(shù)由BAS系統(tǒng)的控制器直接進行控制。圖4-18冷凍水變壓差變流量控制方框圖2變壓差控制（1）選擇壓差設定值最佳壓差值應該是在各個末端二通閥盡量全開的情況下，使得水管阻力最小、系統(tǒng)最高效節(jié)能的那個壓差值。地鐵系統(tǒng)中的二通閥存在于各個車站里，水管線路也是錯綜復雜。要保證各個二通閥盡量全開，就要找出管道上的最不利條件點，并以該點的最小壓差作為固定的控制設定值。通常取最遠端或最重要末端為最不利條件點。但是，對于地鐵這樣流動性比較大的空間，最不利壓差點是在不斷變化的。隨著最不利壓差點的變化，壓差設定值也要隨之變化。根據(jù)負荷端的需求量，通過比較找出最不利壓差點，并以此點改變壓差設定值。該系統(tǒng)需要檢測到所有末端二通閥的開度和負荷率水平，通過不斷調(diào)整壓差設定值，就能夠保證最不利壓差點的支路得到足夠的壓力，同時把系統(tǒng)壓力維持在剛好滿足負荷需求的水平上。負荷率水平不同時，系統(tǒng)的壓差也不同。二次泵系統(tǒng)的節(jié)能效率就依賴于變壓差的設置和控制算法。這些設置和控制算法通過地鐵BAS系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡，將各個末端二通閥的信息送給執(zhí)行相應策略控制的控制器中，再調(diào)節(jié)各末端的二通閥開度。（2）壓差設定算法首先，將初始值設為設計壓差。其次，選擇最壞回路。通常，系統(tǒng)使用同程式管網(wǎng)時，各個回路管道的壓力損失可認為是一致的。因此，末端負載能力是唯一決定供水壓差變化的參量。由△P＝KQ2；（Q近似L）其中，△P-末端壓差；Q-末端流量；L-二通閥開度；K-常量?？芍?，當前空調(diào)水系統(tǒng)的壓差負載能力可通過閥門的開度情況判定。從而可發(fā)現(xiàn)二通閥開度最大的末端Lmax并由此找出最不利回路。（3）調(diào)整壓差設定值一般來說，二通閥開度最高效率范圍：80％～95％。因此，將其設定為重設壓差的上下限，具體方法如下所示：當Lmax＞95％，△P＝△P＋△△Pinc；當80％≤Lmax≤95％，壓差設定值保持不變；當Lmax≤80％，△P＝△P－△△Pdec；其中：△△P-壓差設定浮動值。一般情況下，△△Pinc與△△Pdec把不相同，需要在系統(tǒng)初始進行設置。在設置重設壓差時，為確定上次的調(diào)節(jié)對末端起到效果，需要延遲一定的時間，以避免頻繁調(diào)節(jié)壓差所帶來的不良影響。3變流量控制二次泵是冷水壓差控制系統(tǒng)的執(zhí)行器，通過變頻調(diào)速來控制冷凍水總供水量保持在剛好能夠滿足負荷需求的水平上，并使最不利點的壓差趨于設定值。（1）二次泵變頻調(diào)速圖4-19二次泵變頻調(diào)速回路在變頻調(diào)速回路中首先設定壓差的底限、超低限、高限和超高限，保護整個系統(tǒng)，對二次泵的變頻調(diào)速，也要設定工作頻率下限（15Hz）和工作頻率上限（50Hz）。為滿足系統(tǒng)需求，可在系統(tǒng)剛啟動時強制為50Hz運轉(zhuǎn)，然后進入調(diào)速階段。（2）二次泵臺數(shù)控制二次泵系統(tǒng)中是多臺泵并聯(lián)工作的，變頻器只能控制一臺泵的工作頻率，而多臺泵的臺數(shù)控制以及變臺數(shù)運行的穩(wěn)定性則由地鐵的BAS控制系統(tǒng)集中完成。BAS控制器具有三種模式的自動切換變頻/工頻控制，這三種模式分別為固定模式、交替模式與循環(huán)模式。其中固定模式是先固定啟動一臺泵，當該泵運行到最大頻率時，啟動其他泵；如果其他泵運行到最小頻率時，先停止最先啟動的泵。交替模式也是先啟動一臺泵，當該泵運行到最大頻率時，啟動其他泵。與固定方式唯一不同的是最先啟動泵的序號是交替變換的。循環(huán)模式是先啟動一臺泵，運行到最大頻率后啟動下一臺，依次啟動。停止順序與啟動順序一致。為了保證二次泵系統(tǒng)的整體使用壽命，可平衡各泵的使用時間，定時輪換運行。在固定模式中，工頻泵要定時交替運行而變頻固定泵由于是主調(diào)節(jié)泵不可以進行交替運行。由于系統(tǒng)的首次運行時會導致熱力交換不充分的問題，可在每天的首次啟動時使二次泵全速運行一段時間后，在進入無極調(diào)速變流量控制。3.2.6冷源流量控制1控制方案通常情況下，地鐵冷凍站里都有多臺冷水機組，每臺機組不能變流量控制產(chǎn)生冷量，但我們能控制冷水機組的工作臺數(shù)。這種“按需生產(chǎn)”的控制方案既能起到很好的節(jié)能效果，又能保障機組的安全可靠。由于冷水機組的性能系數(shù)C