陳 兵，郭俊杰，張國騫

（天津工業(yè)自動化儀表研究所有限公司，天津 300060）

智能低壓系統(tǒng)是軌道交通環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，是連接環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)和通風(fēng)空調(diào)設(shè)備的橋梁。當(dāng)前，以可編程控制器為核心的智能低壓系統(tǒng)已全面取代繼電器控制電路。為了滿足軌道交通的運營要求，在車站設(shè)置環(huán)境控制電控室，實現(xiàn)對通風(fēng)空調(diào)設(shè)備的電能供給和設(shè)備監(jiān)控。環(huán)境控制電控室主要由智能低壓控制系統(tǒng)和通風(fēng)空調(diào)電控柜組成。智能低壓控制系統(tǒng)位于環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（簡稱BAS系統(tǒng)）與通風(fēng)空調(diào)設(shè)備之間，起到承上啟下的橋梁、紐帶作用。智能低壓控制系統(tǒng)，既作為BAS系統(tǒng)的“執(zhí)行器”，替BAS系統(tǒng)驅(qū)動環(huán)境控制設(shè)備動作，又作為BAS系統(tǒng)的“采集設(shè)備”，將通風(fēng)空調(diào)設(shè)備的狀態(tài)信息采集后上傳至BAS系統(tǒng)。在狀態(tài)信息與控制指令的一上一下之間，涉及通信技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、計算機控制技術(shù)等，而利用西門子的可編程控制器（簡稱PLC）、馬達保護器可以組成系統(tǒng)級的解決方案。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)使用西門子S7_300作為主控PLC，并與上層BAS系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。為保證本系統(tǒng)與BAS系統(tǒng)通信的通用性和快速性，故本系統(tǒng)為BAS系統(tǒng)提供Modbus_TCP數(shù)據(jù)接口。除此之外，系統(tǒng)采用冗余的數(shù)據(jù)接口，以確保本系統(tǒng)與BAS系統(tǒng)之間通信穩(wěn)定、可靠。在主控PLC上通過Profibus_DP總線掛載小型PLC以及馬達保護器，以用于環(huán)境控制設(shè)備的動作控制及狀態(tài)監(jiān)控；另外，通過主控PLC的遠程IO站對風(fēng)閥進行監(jiān)控，并為小型PLC增加485通信模塊，以實現(xiàn)對智能儀表的信息采集。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 System structure diagram

2 對通風(fēng)空調(diào)設(shè)備的監(jiān)控

本系統(tǒng)所監(jiān)控的通風(fēng)空調(diào)設(shè)備包括區(qū)間隧道風(fēng)機、區(qū)間射流風(fēng)機、大系統(tǒng)排風(fēng)機、大系統(tǒng)送風(fēng)機、大系統(tǒng)回排風(fēng)機、組合空調(diào)、排煙風(fēng)機、小系統(tǒng)送風(fēng)機、人防風(fēng)機、風(fēng)閥（兩檔閥、三檔閥）等。

2.1 控制模式設(shè)計

根據(jù)地鐵車站運營規(guī)范要求，通過設(shè)置在就地控制箱上的“就地/遠方”和通風(fēng)空調(diào)電控柜上的“手動/自動”轉(zhuǎn)換選擇開關(guān)，對上述所有的通風(fēng)空調(diào)設(shè)備設(shè)置“就地”“手動”“自動”3種控制模式。其中，“就地”模式優(yōu)先級最高，“自動”模式優(yōu)先級最低，“手動”模式居中。

1）“就地”模式下，只能通過就地控制箱上的按鈕啟停設(shè)備。主要用于設(shè)備檢修和調(diào)試。

2）“遠方”模式下，可以通過通風(fēng)空調(diào)電控柜來啟停設(shè)備?？照{(diào)電控柜具有“手動”和“自動”兩種控制模式，具體模式由電控柜上的“手動/自動”轉(zhuǎn)換選擇開關(guān)決定。

3）“手動”模式下，可以通過通風(fēng)空調(diào)電控柜上的按鈕啟停設(shè)備。主要用于通風(fēng)空調(diào)電控室，通過電控柜上的按鈕來啟停設(shè)備。

4）“自動”模式下，BAS系統(tǒng)可以通過PLC控制系統(tǒng)，遠程自動啟停設(shè)備。

2.2 控制功能設(shè)計

1）隧道風(fēng)機用于地鐵軌道內(nèi)的通風(fēng)排煙功能。風(fēng)機功率較大，一般都在90KW以上，采用軟啟動的運行方式。電控柜實現(xiàn)風(fēng)機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、風(fēng)閥聯(lián)鎖等功能。隧道風(fēng)機兼用消防工況下的排煙功能，為了提供其可靠性，在“自動”模式下，增加BAS系統(tǒng)的硬線啟?？刂乒δ?。此外，隧道風(fēng)機依據(jù)車站消防規(guī)范要求，具備60s內(nèi)正反轉(zhuǎn)切換功能。

2）大系統(tǒng)排風(fēng)機用于車站內(nèi)的熱量排出功能。一般需要調(diào)速功能，采用變頻器的運行方式。電控柜實現(xiàn)風(fēng)機的工頻運行、變頻運行，風(fēng)閥聯(lián)鎖等功能。大系統(tǒng)排風(fēng)機兼用消防工況下的排煙功能，依據(jù)車站消防規(guī)范要求，在消防模式下需采用工頻運行方式。

3）組合空調(diào)機組用于車站內(nèi)的新風(fēng)和制冷功能。一般需要調(diào)速功能，采用變頻器的運行方式。電控柜實現(xiàn)風(fēng)機的工頻運行、變頻運行，風(fēng)閥聯(lián)鎖等功能。

4）風(fēng)閥用于車站內(nèi)風(fēng)道的開啟和截止功能。一般為二檔閥，在需要調(diào)風(fēng)量的工況下設(shè)置成調(diào)節(jié)閥。車站內(nèi)風(fēng)閥本體大多不具備故障信號，電控柜在實現(xiàn)風(fēng)閥開啟和關(guān)閉功能外，需要根據(jù)風(fēng)閥開啟關(guān)閉動作時間，自動生產(chǎn)風(fēng)閥故障信號。在故障工控下，切斷風(fēng)閥控制電源，避免風(fēng)閥電機因堵轉(zhuǎn)過熱燒毀。

5）排煙風(fēng)機用于車站在消防火災(zāi)工況下，將發(fā)生火災(zāi)區(qū)域的煙霧排除。排煙風(fēng)機設(shè)計成接觸器直接啟動方式，通過熱繼電器實現(xiàn)電機過熱保護。依據(jù)車站內(nèi)消防專用風(fēng)機設(shè)計要求，消防系統(tǒng)應(yīng)監(jiān)視風(fēng)機的啟停、風(fēng)機故障、控制模式等狀態(tài)信息，并以硬接線的方式傳遞狀態(tài)信息。排煙風(fēng)機控制柜在完成風(fēng)機啟停功能外，還具備與排煙風(fēng)道內(nèi)的270℃熔斷閥的聯(lián)鎖功能。在火災(zāi)工況下，排煙風(fēng)機發(fā)生故障后，只產(chǎn)生報警信號，不允許執(zhí)行故障聯(lián)鎖停機功能。

2.3 總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

以上的基本監(jiān)控功能具備后，為實現(xiàn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)對通風(fēng)空調(diào)設(shè)備的監(jiān)控，則必須將通風(fēng)空調(diào)設(shè)備的狀態(tài)信息上傳至S7_300，并從 S7_300讀取來自BAS系統(tǒng)的控制指令。由于本系統(tǒng)所采用的主控PLC、小型PLC、馬達保護器均為西門子產(chǎn)品，故可利用西門子的自有總線協(xié)議（Profibus_DP）進行數(shù)據(jù)傳遞。由于設(shè)備眾多，本系統(tǒng)在S7_300的CPU模塊及DP模塊上共建立兩條Profibus_DP總線，一條用于掛載小型PLC，另一條用于掛載馬達保護器。需要特別注意的是，由DP模塊引出的Profibus_DP總線在與馬達保護器進行通信之前需要進行特殊的軟件編程，所用到的功能塊有“DP_SEND”“DP_RECV”。

3 與BAS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信

由于主控PLC與BAS系統(tǒng)通過Modbus_TCP方式通信，而與下層西門子智能元件采用Profibus_DP方式通信，故主控PLC需要完成Profibus_DP和Modbus_TCP協(xié)議的轉(zhuǎn)換，即主控PLC實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的功能。在本系統(tǒng)中，主控PLC為BAS系統(tǒng)提供了冗余的通信接口，分別為CPU模塊的RJ45接口以及以太網(wǎng)模塊的RJ45接口。在此物理接口的基礎(chǔ)上，S7_300想要與BAS系統(tǒng)進行正常通信，還需要針對兩個接口進行軟件編程及參數(shù)設(shè)置。

表1 集成PN口通信功能參數(shù)表Table 1 Integrated PN port communication function parameter table

3.1 S7_300通過CPU模塊進行Modbus_TCP通信

在主控PLC控制器通過CPU模塊集成PN口與綜合監(jiān)控系統(tǒng)進行Modbus_TCP通信之前，首先，需要為主控PLC控制器CPU模塊集成PN口，通過Open IE（開放式以太網(wǎng)通訊）的方式與綜合監(jiān)控系統(tǒng)控制器之間建立TCP連接以用于Modbus通信。因此，需要調(diào)用SIMATIC S7標準 功 能 塊，包 括FB63（TSEND）、FB64（TRCV）、FB65（TCON）、FB66（TDISCON）完成TCP的連接管理和數(shù)據(jù)通訊，并在數(shù)據(jù)塊中為連接配置相應(yīng)的參數(shù)，隨后在DB2（MODBUS_PARAM）數(shù)據(jù)塊中完成相應(yīng)參數(shù)的初始化；然后，用于主控PLC控制器CPU模塊集成PN口與綜合監(jiān)控系統(tǒng)進行Modbus_TCP通信的服務(wù)器主功能塊FB102（MODBUSPN），其參數(shù)有些需要在OB100中初始化，有些則需要在OB1中設(shè)置。除此之外，Modbus_TCP通信功能碼、數(shù)據(jù)區(qū)起始地址、數(shù)據(jù)區(qū)長度等參數(shù)的設(shè)置見表1。

3.2 S7_300通過以太網(wǎng)模塊進行ModbusTCP通訊

通過主控PLC控制器通過CPx43-1以太網(wǎng)模塊與綜合監(jiān)控系統(tǒng)進行Modbus_TCP通信和通過主控PLC控制器CPU模塊集成PN口與綜合監(jiān)控系統(tǒng)進行Modbus_TCP通信相似，但又有所不同。在與綜合監(jiān)控系統(tǒng)進行Modbus通信之前都需要建立TCP連接，但前者并非Open IE方式，因此所用到的功能塊也有所不同。前者需要能夠用到的功能塊有FC60（AG LRECV）、FC50（AG LSEND）、FC10（AG CNTRL），分別用于TCP連接的數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送和連接管理。另外，用于主控PLC控制器通過CPx43-1與綜合監(jiān)控系統(tǒng)進行Modbus_TCP通信的服務(wù)器主功能塊FB108（MODBUSCP），類似于FB102（MODBUSPN），同樣需要在OB100中初始化某些特征參數(shù)，其他的參數(shù)則需要在OB1中設(shè)置。除此之外，Modbus_TCP通信功能碼、數(shù)據(jù)區(qū)起始地址、數(shù)據(jù)區(qū)長度等參數(shù)的設(shè)置見表2。

表2 CPx43-1以太網(wǎng)模塊通信功能參數(shù)表Table 2 CPx43-1 Ethernet module communication function parameter table

4 結(jié)語

本系統(tǒng)借助西門子智能產(chǎn)品，將BAS系統(tǒng)與通風(fēng)空調(diào)設(shè)備有機地結(jié)合起來，實現(xiàn)了BAS系統(tǒng)對通風(fēng)空調(diào)設(shè)備的監(jiān)控。目前，本系統(tǒng)已成功應(yīng)用于天津于家堡交通樞紐工程通風(fēng)空調(diào)電控柜項目、天津地鐵一號線東延工程通風(fēng)空調(diào)電控柜項目，并取得了良好的應(yīng)用推廣效果，得到了客戶的認可。此外，系統(tǒng)還獲得了天津市科學(xué)技術(shù)進步獎二等獎。