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基于PLC的地铁站内空调群控系统设计

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李珂王妍萍郭飞

摘要：随着城市城市化程度深化，地铁作为一种快速、舒适和环保的交通工具在各大城市陆续投入。本课题分析了地铁空调系统的复杂结构，为了实现智能调节各个控制环节，采用群控系统方案，通过采集系统设备信号，由PLC完成冷水机组各个设备的监控功能和连锁保护功能，通过MCGSE组态软件进行人机界面编程及现场运行，可以准确地看到整个冷水机组的运行情况，并反映设备的运行状态。该空调系统降低了地铁工作人员的工作量，实现自动化，提高效率，通过上线运行说明地铁空调系统控制方案合理可行。

关键词：地铁空调系统；自动化；PLC；人机界面；HMI

中图分类号：TH-39 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）32-0235-04

Abstract： As the urbanization of the city deepens， the subway is being invested in major cities as a fast， comfortable and environmentally friendly means of transportation. This topic analyzes the complex structure of the subway air conditioning system. In order to realize intelligent adjustment of various control links， the group control system scheme is adopted. By collecting the system equipment signals， the monitoring function and interlock protection function of each device of the chiller are completed by the PLC， and the MCGSE configuration is adopted. The software performs man-machine interface programming and on-site operation， which can accurately see the operation of the entire chiller and reflect the operating status of the equipment. The air conditioning system reduces the workload of the subway staff， realizes automation， improves efficiency， and demonstrates that the subway air conditioning system control scheme is reasonable and feasible through on-line operation..

Key words： Air conditioning system； automation； PLC； man-machine interface； HMI

地铁空调系统采用群控系统控制方案，实现在地铁密闭、空气流通不畅的环境下，通过收集出水进水温度、水力压强、冷却塔液位等相关信息，将其进行分析、归类、处理、判断，对站内及冷水机组温度的系统设备进行集中监控和管理，使系统设备始终高效、有序运行。

1 系统的总体方案

地铁空调群控系统是由PLC控制、冷冻水泵控制、冷却水控制和人机界面组成，用来实现对冷却水/冷冻水压力、流量、温度等参数以及设备状态信息采集，并且对主要设备进行控制，最后实现与BAS系统网络通信。群控系统设备主要有：冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、水处理设备、定压补水装置、差压旁通阀。主要结构见图1。

地铁空调群控系统主要分为冷水机组控制系统、水循环控制系统和辅助控制系统三大部分。

1.1 冷水机组控制系统

冷水机组系统有本地控制和群控系统控制2种模式的控制，主要是启停控制、冷水出水温度控制和远程控制。

每个地铁站的冷水机组系统都各自有自己的控制柜与控制系统，实现监控功能和连锁保护功能。通过本地控制柜实现风机、泵、阀等的本地控制与监控连锁。并且每个本地控制柜都与群控机柜连接，受其控制与监视。

群控机柜在远程的条件下，首先需要监视冷水机组的运行状态；其次冷冻水供/回水温度、冷冻水流量、冷却水供/回水温度、冷却水流量、冷冻水流以及冷却水流开关状态；然后分别记录冷水机组主要设备的运行时间；还需要控制设备的启停、冷水机组需要开启的台数；最后也是最重要的自动监测各个设备故障报警。

1.2 水循环控制系统

水循环控制系统包括冷冻水泵控制、冷却水泵控制、冷却塔控制、水处理设备控制、定压补水装置控制、差压旁通阀控制。群控机柜对冷水机组进行启停控制并监视冷水机组的状态和运行参数，监视冷却塔的内部温度判断风机开启速度；冷却水泵、冷冻水泵是否开启；电动蝶阀的开度；通过水压等参数判断定压补水装置是否需要开启；以及全效水处理器等的状态、控制及連锁。

1.3 辅助控制系统

辅助控制系统主要包括防反复启动控制、报警保护控制功能、防丢失和自适应控制功能等。

地铁空调控制系统主要靠电力驱动，那么在保证设备正常的情况下也要考虑外在因素的影响。冷水机组自身的控制系统记录两次启动的时间间隔，保证两次启动的时间间隔在安全的范围内，以保护机组；压缩机和节流装置的调节，实现最大程度的节能；吸气压力过低保护、排气压力过高保护、油温过高保护、油压差过低保护、电流过大保护急停保护等34项保护功能；故障状态信息记录显示机组具备故障状态信息记录显示功能，记录20条信息，并将该故障信息上传至群控系统，打印故障信息记录；机组设定的基本设置参数和控制参数具有防丢失功能，发生掉电事故时，通电后仍为掉电前设定状态等。

2 系统的硬件设计

2.1 PLC的选型和其硬件电路设计

一个完善的地铁站空调控制系统根据站的大小以及一年四季温差、水压等环境特点，配备冷水机组并配有对应的补水装置、水处理、阀、流量计、压力计等设备。经过分析和测试，考虑到可升级性和灵活性，最终选用PM582-AC500编程控制器。考虑到空调控制系统中有输入输出开关、水泵开关等数字量还有输入输出温度、压力等模拟量，根据环境以及所处理的数据量等各种因素本地铁站选择输入、输出模块各为：

PLC模块分配见图3，PLC输入输出信号端口设定如表2所示。

2.2 冷水机组算法设计

在系统运行的过程中，如果外界温度发生变化，群控系统也必须能够自动调整设备的运行台数。因此冷水机组作为空调系统的核心设备，台数优化设计尤为重要。

冷水机组台数控制采用负荷控制法，其基本思路是根据冷冻水供回水温度差和回水流量，计算实时冷负荷。

当实时大于机组额定产冷能力的95%，且冷冻水供水温度也已经大于7℃的时候，则激活负荷阶段运行条件，阶梯增加制冷机的运行台数，从而达到制冷要求。相反，当实时小于机组额定产冷能力的30%，则需要减少制冷机的运行台数。

使用平滑程序、限制负荷变化率来保证系统的运行稳定，防止负荷值突然改变引起的冷机不必要的启停，因此设定增减冷机运行台数的时间间隔最小不少于10分钟，从而避免冷机频繁启动。

3 系统的软件设计

地铁空调群控系统软件设计包括PLC软件设计和HMI软件设计。PLC采用的ABB的CoDeSys V2.3开发软件进行编程，HMI采用的MCGS组态软件。

3.1 PLC控制系统设计

由于选用的CPU是ABB AC500系列的PM582，这个型号需要用ABB Configurator 软件进行各个模块的设置，再进行程序编写。当开机命令发送给冷水机组后，首先系统要进行自我检测。监测内容包括系统中的冷却水/冷冻水阀门是否打开；并且判断冷却/冷冻水泵是否正常运；水流开关是否达到系统运行需要的最低水量；冷却水/冷冻水温度是否达到开机要求。只有当检测完毕，没有故障，达到开机条件时，冷水机组才允许启动。并且群控系统发出的开启指令应为非强制性指令，就像电梯一样，当设备或部件不能正常工作时，冷水机组均不能开启，只有这样才可以保护设备、不影响设备的使用寿命。运行过程中当设备或部件发生问题时，各个设备均依次停止工作，等维修过后再重新开启设备。

冷水机组开启时，开启顺序是首先选定机组，然后开启冷冻、冷却水阀，再开启冷却塔风机，其次冷却水泵，冷冻水泵，最后在开启冷水机组。开启每一部分都需要先检测是否有故障，有故障则需要报警，然后清除动作，检修后继续开启动作。如果正常则确认开启。由于阀开启之后通水需要一定时间为了节能以及安全冷却塔风机开启则需要延时2到3分钟之后开启，当泵开启后同理也要延时3到4分再开启制冷机组。开机流程图见图4.

冷水机组关闭时首先需要停止的是冷水机组，让它停止制冷然后再关闭冷却塔风机，停止降温，接着是冷却/冷冻水泵，最后才是阀。先停止制冷，如果先关阀水冷冻住会胀坏管道，并且关掉冷水机组后仍需要延时3到5分钟，水温不是很低后再关风机，阀门关闭前也需要泵关掉4到5分钟水流差不多不动时再关闭水阀，不然水流速度还是很快会导致阀门损坏。停机流程图见图5。

3.2 HMI软件系统设计

3.2.1 HIM与PLC的MODBUS通讯设置

将通讯接口与BAS系统测试设备连接，设置相关通讯参数，给BAS发信息，对方应能读到相关数值或状态值，BAS系统向群控设备发信号，群控系统也应能够读到相关状态值。因为在HMI与PLC之间是MODBUS通讯，所以要求修改两者的通讯参数，使之匹配。

对通讯参数设置完成后，即可以看到PLC与HMI可以进行正确的通讯，即HMI起到上位机的作用，可以进行对PLC的控制，并读取PLC的相关反馈信息及采集到的数据信息，真正起到了对PLC的监控作用，使操作人员的工作更加直观方便。与机组通讯测试，要求能够准确稳定的获得机组相关通讯数据。

3.2.2 HIM页面设置

触摸屏使用MCGS组态软件开发。通过触摸屏实现在启动画面可以看到系统的总括图，以及设备之间的流程并能够动态显示、上位控制命令发送后能够自动/手动切换设备、设备的运行状态以及参数、警报报警；有控制流程的窗口入口；有报警以及事件记录、数据处理。HIM启动画面如图8所示。

主页面显示整个系统组成以及流向，每个设备点击能够查看状态如图9所示。菜单能够显示用户管理、故障记录、参数设置、设备列表和联系方式。

4 结论

1）此系统实现了对空调控制系统各个设备进行实时控制，对各个设备信息进行实时监控和报警，现场工作人员能及时发现并处理设备运行故障，提高工作效率。

2）此系统满足空调控制要求的前提下，使整个系统达到最经济的运行状态，提高系统的自动化水平、管理效率，从而实现机组高效运行。通过了企业的技术项目评审，达到项目指标要求上線运行并取得良好效果。

参考文献：

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[5] 邹金慧.可编程控制器及系统[M].重庆大学出版社，2011：55- 83.

【通联编辑：梁书】

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