1、3環境與設備監控系統（BAS系統）的設計方案3.1BAS系統的車站級設計方案BAS系統作為綜合監控系統的子系統，車站控制室監控設備、控制中心設備）配置及主要功能的實現均集成于綜合監控系統，車站級與中央級之間的通信網絡也由綜合監控系統搭建。BAS系統現場設備主要由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場級網絡構成。根據BAS系統的性能要求和設計原則對BAS系統的車站級設計如下。3.1.1BAS系統電源與接地的配置地下車站內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，經過綜合監控系統配電柜分配后，為環境與設備監控系統提供路饋出回路，

2、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B端BAS設備的UPS電源由BAS自行設置UPS提供。每個模塊箱內部系統設備工作電源和聯動控制電源需分開設置。如圖4-1是車輛段BAS系統圖。圖4-1車輛段BAS系統圖3.1.2車輛段BAS系統的設計在車輛段通風空調機房設置一套BAS控制柜，內設一套非冗余PLC，對車輛段主要建筑內的動力照明、空調、給排水設備進行監控吲，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，實現對BAS設備的維

3、護管理功能。PLC通過與車輛段綜合監控系統、FAS系統等設備接口，實現綜合監控系統對車輛段機電設備的監控，火災聯動措施的執行等功能。綜合監控系統接備信設通口事故電源冷水機組LCP通風空給排水動明壓照低力IBP風機/風閥/照明給排水/空調設備洛類傳感器/執行器車站控制室IBP盤PLC圖4-2車輛段BAS系統圖3.1.3高架車站BAS系統的設計高架車站綜合監控設備室內設置BAS控制柜，內設1套冗余PLC、I/O組件、通信接口組件等設備實現對車站機電設備的監控。在車站的空調機房、照明配電室、各類水泵附近等位置設置遠程I/O模塊箱，實現對水泵、動力照明配電回路、各類傳感器等設備的監控。冗余PLC通過冗

4、余現場總線連接遠程I/O模塊箱。在BAS控制柜設置1套維護工作站，實現對BAS設備的維護管理功能。冗余PLC通過與車站級綜合監控系統、FAS系統等設備接口，實現綜合監控系統對車站機電設備的監控，火災聯動措施的執行等功能。（風機/風閥/照明給排水/空調設備/各類傳感器/執行器圖4-3高架車站BAS系統圖3.1.4地下車站BAS系統的設計BAS系統在車站控制室IBP盤（綜合監控系統提供）上設置1套非冗余PLC,用于實現IBP上的各種模式控制命令、點控命令的下發，機電設備運行狀態的顯示等功能。BAS系統在車站兩端的環控電控室分別設置BAS控制柜，柜內配置冗余PLC、I/O組件、通信接口組件等設備，分

5、別對車站兩端的機電設備進行監控。其中靠近車站控制室的一端（A端）的冗余PLC為主控制器，另一端（B端）的冗余PLC為從控制器。B端冗余PLC與A端冗余PLC之間通過高速冗余現場總線進行通信，IBP盤PL與主、從冗余PLC之間也通過高速冗余現場總線通信，此網絡獨立于綜合監控系統的車站級網絡。主控制器（A端冗余PLC）通過與車站級綜合監控系統（SISCS）、火災報警系統（FAS）等設備接口，實現綜合監控系統對車站機電設備的監控，火災聯動措施的執行等功能。在A端的BAS控制柜設置1套維護工作站，實現對BAS設備的維護管理功能。在設備房、公共區、風管等位置設置不同溫濕度、溫度、二氧化碳濃度等傳感器，在

6、空調水系統設置二通調節閥等設備采集環境等參數以及控制閥門開度等。在車站及車站所轄區間的環控機房、照明配電室、各類水泵附近、電扶梯附近，等位置設置遠程I/O模塊箱，實現對空調水系統閥門、水泵、動力照明配電回路、各類傳感器等設備的監控。主從控制器通過冗余現場總線連接遠程I/O模塊箱。區間的遠程I/O通過光纖介質與車站PLC通信。主、從控制器通過冗余現場總線與智能低壓系統、排熱風機變頻器、冷水機房冷水機組群控系統、EPS等連接，實現對相關設備的監控。3.2優化BAS環控系統設計環控（通風空調）系統主要包括車站冷水系統、車站通風系統和隧道通風系統，是BAS系統的主要和重要的監控對象。由圖5可知，車站、

7、隧道通風系統所需的冷風量是由冷水系統供給的，環控系統中的通風系統根據地鐵環境、時間、季節的不同，運行的工況模式也不同，相應冷水系統，所要供給隧道和車站的冷風量也有所不同。因此，通過各種先進控制方法使環控系統中的各個設備始終運行在最高效率范圍內，是BAS系統的最優化狀態。實現在保障地鐵環境舒適的同時，使地鐵的能耗達到最低，節省不必要的能源消耗，也順應了國家提倡的節能理念。圖4-4水系統工藝原理圖321全局優化控制方案設計地鐵空調水系統分為冷卻水系統和冷凍水系統。冷卻水系統：從冷卻塔送出冷量，經過冷卻水泵、冷水機組冷凝器、最終回到冷卻塔；冷凍水系統：集水器經過冷凍水泵、冷水機組蒸發器再由分水器發送

8、到各個空調機組，冷量在各環節循環后最終回到集水器。在冷水機組蒸發器和冷凝器中有一次熱能交換，冷水通過熱交換吸收室內環境的熱量經冷水循環系統將這些熱量傳送給蒸發器，然后在制冷劑循環系統的作用下，熱量轉移到了冷凝器中，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。環控系統循環共有5個可調節點：冷水機組：冷凝器和蒸發器、二級泵、二通閥、送風機和回排風機，每個環節點之間都存在緊密聯系，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，便可使整個環控系統處于性能最優狀態，這是全局最優控制方案的基本思想。設計方案具體如下：應從終端出發，首先保證送風機工作在最高效率區域，滿足車站環境所需

9、，為避免空調區域出現壓差，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，最后通過調節冷水機組臺數與出水溫度來實現所需冷量。因此，將系統分為五個部分：室內溫度控制、室內壓力控制、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制方法，實在該部分的性能最優，最終達到全局最優。322室內溫度控制1控制方案室內溫度控制采用送風機變風量調節(VIW)，變風量調節原理：利用變頻器調節風機轉動頻率，使風機傳送冷量與空調區的溫度變化相互持衡，使室溫Tw與環境要求溫度Ts基本保持一致，從而實現室內溫度控制。根據變風量調節原理可知，變頻器內置的限幅比例控制器可實現對送

10、風機風速的閉環控制，其采用了一個溫度閉環PID調節回路。圖4-5溫室控制框圖其中：丁0=送風溫度設定；ATs=S溫偏差：GF目標送風量；f=送風機頻率；Gs=送風量：AQ=室內負荷變化擾動：Tf室內溫度。2問題關鍵(1) 過程變量選擇地鐵環境十分復雜，有至少兩個樓層，其中站廳、站臺在不同層，公共區面積較大，人員流動分散不均，所以地鐵室內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方式下空調區域數學建模地鐵屬于地下軌道

11、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，除車站內設備發出熱量，基本是流動人員所產生。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，室內溫度控制是非線性、時變系統。由能量守恒定律可知，室內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回排風量調節符號說明符號單位c(恒相怛浸寵肋密就系救KJ/°C寶內Ift熱量KJ/hr悄很室鑿護蠟構的熱陰h/CZKJ匚XP空吒密度.可取尸1總Kg/m1tf冋鳳趾度可認為-J9C送風溫度ycmJ/h&空定JK比驚.艦"】.時Kj/K&

12、;.°Cu言井空T溫度Xrs恒湖空時何常或hK1恒獵逐河節通逍的放大系16KM叵溫寶擾話通遒的枚丸系數iqt恆褊宅翰人就室內外F擾量的變化擁算成室內熱的變化AG'恒溫堂入最，起調琴作用Atn怛端寶輸沙番數威號調址RU綜上所述，根據變風量調節環控系統的調節通道和干擾通道的數學模型可得出圖4-6所示的空調區域模型結構圖圖4-6VAV下恒溫空調區域模型結構圖(3) 控制實現通過變風量調速(WW)調節送風機的風量，實現室內溫度控制，如圖4-7但有點需要注意，使用VAV控制時，為避免室內的氣壓降低使組織氣流惡化,不能將送風量調的太小，應保證系統的最小新風量。k«A*«

13、;«CEtwmeMVilDM阿LLFVWHfiRflLV毗ph膚枳11魚低主脂不童(£MTM©SC:C丄.FIX?圖4-7送風機變風量回路調節圖323室內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正壓。因此，要調節排風機的風機頻率，使排風量與送風量相一致，以達到控制室內壓力恒定的目的。室內壓力控制依然是一個PID閉環控制回路，由變頻器內部的限幅比例控制器完成，其本質是隨動控制系統，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，讓排風道內的靜壓變化根據隨送風道內的靜壓的變化而改變，使得

14、室內正壓恒定。(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回排風量調節符號說明審治用力二)K內扳力(闇二-HHLLPV雲數將號SF_Q送鳳*未知變址PF_Q來慟變錢KQ送撐鳳就比已知幣址SF_H送風口爪力已知變戢PF_H排風口壓力已知變址KH送掙鳳口壓力比己知娶歎SF_P送風機功率已知常甦PF_PIt風機功呃KP送并鳳功拿比已知常樓5F_V送鳳機轉逋已卻笈HPF_VIt興機轉it椅求變時KV進撐鳳機轉連持求變駐圖4-8室內壓力恒定控制法3轉速隨動近似控制法(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調節開

15、度，排風量可基本上與轉速成正比。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速成正比。這樣，就能采用排風機的轉速變化隨送風機的轉速變化而按比例改變的近似隨動控制法。1400012000(Eg<1000080006000400020000500700900110013001500圖4-9風量和轉速關系實驗結果轉速（rpmK16U）2護5642°050100150200250300350T（s）圖4-10風機定風量控制時的轉速調節曲線圖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速近似成正比，我們可以

16、根據轉速求得最小新風量，再由最小新風量求得此種情況下的排風機最小轉速。計算公式仍為式(3-7),忽略壓力影響KH=1。所以，PF_V=(KP/KQ)XSF-V。令a=KP/KQ,那么PF_V=aXSF-V即排風機的轉速隨送風機的轉速按比例隨動。(3) 回路調節n*itwA圖4-12轉速比例控制法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，再送入空調區域，其出口溫度就是送風溫度。控制送風溫度，是控制室內溫度的最基本功能。控制送風溫度恒定是通過調節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

17、程度，使得送風機內的空氣吸熱與放熱趨于平衡；最終穩定送風溫度。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。內環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節閥，可以實現快速跟蹤，消除系統的慣性延遲。整個串級控制系統具有一定的抗干擾性和自適應性。Ldes在基于閥門高效區要求的Lmin和Lmax之間變化。r鴉幡自話用門加L*和LI-171-*0酋學習捽制KiiFfS'M-1*'I"-:二一；溥門押虜曲愎*，iI-=一(pH-LJ圖4-13風溫度控制

18、方框圖2. 關鍵問題上述的串級控制系統中，最關鍵的問題是外環控制回路中的控制器的選擇。在地鐵BAS系統中，調節的空間范圍大，易形成調節的大滯后，而且出入口的人流量大，給系統造成了一個大擾動。對于這樣一個大滯后、大擾動的系統，常規的PID調節明顯不適用。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學表達式。根據地鐵BAS系統的特點，我們引入模糊自適應PID控制法，利用模糊規則對PID參數進行在線自適應調節。同時，在控制器里加入自學習控制，根據控制對象的運行過程積累經驗，自行完善控制規律，使控制效果更佳。3. 周期模糊自適應PID(1)確定PID預定參數在模糊自適應

19、調整之前，需要用常規的PDI對系統進行控制，PID的預定參數可按臨界比例度法加經驗公式法確定。首先設定積分時間Tk=OO，微分時間T=0,比例度&置較大數值，運行外環控制回路，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&和致的值，運用經驗公式：&=1.6&k,Ti=0.5Tk,TD=0.25TI。計算出常規PID的各個預定參數。(2)模糊控制器的結構設計模糊控制器的結構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的PID調節上，圖16為模糊控制器的控制圖，把被控設備的變

20、化值和變化率作為輸入量，經過模糊控制器調節得到所需參數。Kp,Ki,Ed圖4-14Fuzzy-PID結構框圖模糊控制所得修正參數為Kp、Ki、Kd，再由PID調節器預先估計值Kp'Ki'Kd',可通過下面公式計算出PID調節器的比例增益、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、NB、kd，語言值：負大、負中、負小、零、正大、正中、正小)，記作：NM、NS、ZO、PSPM、PB）。論域取-6，6范圍內整數值。隸屬函數均選為靈敏度高且在論域范圍內均勻分布、等距離的三角形函數。計算誤差及誤差變化率的量化因子分別為

21、：Ke=0.4,Kec=0.8,輸出比例因子為：Kp=0.18,Ki=0.016,kd=0.017。(4) 參數的整定規則及模糊推理根據不同情況下的e，ec,參數整定規范為：當e偏大，要使響應速度提高必須使印取大值；若e偏小，為避免系統波動較大和過調應使幼減小；若e很小,應使kp繼續減小，以實現系統迅速達到平穩狀態。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ki=0；反之，e較小，為實現系統穩定，在e減小的同時可增大腸，從而使ki有效。綜上所述，kp規則如表4-1。同理可以推出ki、kd的整定規則表。修正規則查詢表可運用模糊推理合

22、成規則推導得出。表4-3Akp整定規則表NN離20國P«PBn陽THFMFSPSJOEttHIFSPSffSMSPM?S20NS10EVPSFS罰NSI*IWF5P5捲NSNSMiNM幗PS120隔W限MlNBFB7AZDNWW冊NF(5) 周期自動整定參數為是系統的控制更加精確，可通過模糊控制器對PID參數進行周期自動校正，反復進行周期校正已達到最佳效果。送乩"度圧&*堪也£郵Hi亀<?>圖4-15空調二通閥開度調節回路4.自學習控制BAS系統具有自學習控制能力。依據地鐵站內出入人員量、車站設備發熱量、公共區范圍大小等情況，分析出系統一天內對

23、室內環境冷量的需求，圖18為自學習控制的冷量需求曲線，并把數據輸入控制器中，然后根據當天的實際情況進行調整，并將每半小時的冷量需求值輸入控制器中。每天將前一天的數據進行調整，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。與模糊控制結合使用效果更佳。Q1：正常冷量供應R動掙機¥fnft4充/何人謙iLffiT況關閉冷札桑冷供應a02晚何人流亂片補充AQi01天吋問h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合的調節結果圖，二通閥開度可在在圖中的上限與下限范圍內進行調節。一一通閥幵度5變送風溫度設定控制從節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變化

24、。結合送風機運行高效率的思想，得出以下變送風溫度設定規律：當Vo>90%,tso=tso-tso；當80%vVov90%，系統工況不變；當Vov80%，tso=tso+Atso。其中，Vo表示送風機的轉速，tso表示送風溫度設定值，tso表示送風溫度設定浮動值。325冷水壓差控制在空調系統中，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定性，冷水機組的流量波動通常都很小。在地鐵系統中，采用二次泵供水系統，可以把冷凍水系統分成兩個回路：冷凍水生產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）系統是一種基于需求的控制策略，

25、它能夠跟蹤末端負荷的在線變化，經過對單一水泵的變頻調速和多個水泵的臺數控制，改變供水管網內的冷凍水流量口引，并保證管網上最不利回路的空調末端壓差控制在合理的范圍內。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。調節流程：首先從末端閥門開度得到系統公共區的需求冷量，再傳輸到通過PI控制器從而可發現二次泵供水壓差正常與否，最后進行反饋調節。其中，二次泵運行臺數由BAS系統的控制器左皚丄乙直接進行控制。II1”二撫爲-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

26、阻力最小、系統最高效節能的那個壓差值。地鐵系統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

27、統的壓差也不同。二次泵系統的節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系統的控制網絡，將各個末端二通閥的信息送給執行相應策略控制的控制器中，再調節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，系統使用同程式管網時，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。由厶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。可知，當前空調水系統的壓差負載能力可通過閥門的開度情況判定。從而可發現二通閥開度最大的末端Lmax并由此找出最不利回路。(3)調整壓差設

28、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+AAPinc；當80%4max電5%,壓差設定值保持不變；當Lmax0%,P-AAPdec其中：P-壓差設定浮動值。一般情況下，P"。與厶厶Pdec把不相同，需要在系統初始進行設置。在設置重設壓差時，為確定上次的調節對末端起到效果，需要延遲一定的時間，以避免頻繁調節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的執行器，通過變頻調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)二次泵變頻調速

29、1I.TVHHLLPV亞劭說応<>圖4-19二次泵變頻調速回路在變頻調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，對二次泵的變頻調速，也要設定工作頻率下限（15Hz）和工作頻率上限（50Hz）。為滿足系統需求，可在系統剛啟動時強制為50Hz運轉，然后進入調速階段。（2）二次泵臺數控制二次泵系統中是多臺泵并聯工作的，變頻器只能控制一臺泵的工作頻率，而多臺泵的臺數控制以及變臺數運行的穩定性則由地鐵的BAS控制系統集中完成。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