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BAS系统在地铁环境控制中的应用与研究

发表时间：2020/6/15 来源：《基层建设》2020年第6期作者：包坤

[导读] 摘要：为使得更多的人能够了解BAS系统，同时令BAS系统的优势效用能够在地铁环境控制中得到充分发挥。

        上海电气自动化设计研究所有限公司上海 200023
        摘要：为使得更多的人能够了解BAS系统，同时令BAS系统的优势效用能够在地铁环境控制中得到充分发挥。通过采用文献研究法、实践观察与案例分析的研究方法，分别从系统基本组成、监控点设置以及网络配置与主要功能入手，在尝试优化设计地铁环境控制中的BAS系统上。结合具体应用实例，指明BAS系统在地铁环境控制中具有控制灵活、精准性高等特点，拥有较高的应用价值。
        关键词：BAS系统；地铁环境控制；实际应用
        引言：在我国科技水平的飞速发展下，以BAS系统为代表的各种先进技术被逐渐运用在地铁环境控制中，并已经取得了初步的应用成效。本文通过探究BAS系统在地铁环境控制中的应用，可有效丰富相关理论研究的同时，也为该系统在地铁环境控制中实现充分利用提供必要实践指导，并为该系统日后的应用发展指明方向。
        一、地铁环境控制中BAS系统的设计分析
        （一）系统基本组成
        BAS系统即Building Automation System，地铁车站设备监控系统，其基本构成如图1所示：

        图1 BAS系统的基本结构示意图
        在地铁环境控制中，BAS系统的基本组成，主要由PCU、UCI、MPI、HLI等共同构成。其中PCU和UCI分别为过程控制单元与单元控制器接口，前者多采用具有可扩展性的8入8出过程控制单元，后者则多采用带有众多单元控制器与监控点数，通信形式为主从通讯的单元控制器接口。MPI和HLI均为接口，但前者应用于模拟屏驱动，后者则用于连接各种高级数据。通常地铁车站控制室内分别各设一个UCI，对车站两端环境控制设备以及模拟屏进行实时监控管理。另增设一块UCI用于准确检测车站公共区域与部分设备用房的环境温度与相对湿度，当火警信号从防灾报警系统，即FAS当中发出后，UCI需立即对其进行接收。地铁车站冷水机房与各端空调机房中，均分别设有一块PCU，用于对冷水机组运行情况，以及风室或部分设备用房的环境温度、相对湿度进行实时监控[1]。在BAS系统中，HLI接口可将FAS系统、冷水机组数据等进行相互连接、传输，实现地铁车站环境控制中各项设施设备相关数据的高效交互。
        （二）各监控点设置
        在地铁环境控制系统中，包括大系统与小系统在内的各系统中，均需要设置车站监控点，具体监控点数则需要视地铁车站中，在BAS系统监控范围内的具体环境控制设备总数而定。例如当某地铁车站中，共有100台由BAS系统负责监视与管控的环境控制设备，则需要至少设置430个环境控制监控点，其中用于监控和检测环境温度与相对湿度等环境参数的监控点应当控制在60个左右。在地铁车站大、小通风空调系统中，BAS系统主要负责实时监视与管控空调机、新风机与联动阀、调节阀等设备，其中大系统中BAS系统还需要对风机过载故障报警信号进行实时监视，并对新风机、排风机以及车站公共区域，包括站厅与站台等的湿度与温度值进行动态监控，对组合风柜出水二通阀开度进行灵活调整控制，以此有效保障空调器始终具有适宜、恒定的送风温度。在大系统中，共设置DO与DI点各44个与72个，所设置的AI与AO点数则分别为30点与4点。而在小系统中，BAS系统还需要对车站设备以及部分管理用房中的温度与湿度值进行动态监测，其在调控设备房的环境温度过程中，所采用的控制方式相同。即利用调节小空调器出水二通阀开度。该系统中设置的DO与DI点数相同，均为41点，所设置的AI与AO点数则分别为17点与3点[2]。
        在地铁车站水系统中，考虑到一般情况下各地铁地下车站中设有主用与备用离心机组，以及至少一台活塞机组，BAS系统主要用于对设备运行状态、设备故障进行监视与控制。同时还需要联动控制地铁地下车站中的水泵与冷却塔等设备，动态、在线准确检测水系统中各项重要参数，如冷冻水水温、回水流量等。从而为后续灵活、准确控制水系统提供重要参考依据。因此在该系统中，需要设置的DI与DO点数应分别为49点与14点，需设置8个AI点与1个AO点。此外值得注意的是，为了能够对各台冷水机组运行中产生的信息数据进行实时接收，在BAS系统中还需要设置HLI高级数据接口。最后在地铁车站的自动扶梯设备、给排水等当中也需要设置1个AI点和2个DO点，所设置的DI点数则需要控制在54点左右。
        （三）网络配置设计、
        BAS系统中的网络通信方式多种多样，除了传统的RS485通信传输外，其同时支持包括光纤通信与以太网在内的多种通信方式。现阶段我国应用在地铁环境控制中的BAS系统，在操作站与备份站中，以使用IBM及其兼容机为主。配合使用专业的环控软件，在引入PLC可编程控制技术下，实现全天候监控地铁车站各种环境系统如暖通空调、照明等运行情况，并按照事前设置好的程序自动根据实际环境情况对相关参数进行优化调整。本文在设计BAS系统网络配置时，通过参考相关资料，还同时引入局域网技术与广域网技术，令系统同时具备多种带状分层网络。在该网络结构顶部为以太网，负责将操作与备份工作站进行相互连接，以太网之下为主网络，用于间操作工作站和对应接头进行相互连接。与主网相互连接的为控制器网，其主要用于连接DCU。在控制器网下方的子网中则分布设置具有较高独立性的控制器。
        （四）主要功能设计
        1.中央级
        本文设计的应用在地铁环境控制中的BAS系统，在中央级所具备的功能主要包括对地铁全线各个车站、OCC大楼的暖通空调设备与给排水等，以及全线区间范围内，所有隧道通风系统设备的实际运行情况，进行实时监控与统筹协调。在线准确检测车站机电设备总运行时间、设备运行异常及故障问题，一旦设备出现无法正常运行的情况，系统需要立即向控制中心发送报警信息。同时系统还需要完成在线实时检测和分析地铁全线以及水系统的各项环境参数，包括温度与湿度等，并根据实际情况及时生成报警信息。基于中央级的BAS系统需保障系统时针与主时针始终保持一致，当BAS系统在接收到经由FAS系统，所发出的火灾报警信息后，将会自动切换至灾害运行模式，对环境控制设备进行相应控制。当遇到火灾、地震等突发紧急事故时，BAS系统需要利用车站模拟屏对各环境控制设备进行灵活控制，使其能够按要求快速、准确执行命令。
        2.车站级
        BAS系统的车站级功能主要包括对各探测点检测得到的环境温度值、相对湿度值以及二氧化碳浓度值等进行实时接收，并迅速将所得到的各探测点数据以及各种警报信号传输至中央级。在车站级中，要求BAS系统对地铁车站及其管辖的隧道区间内的各种暖通空调、给排水等实际运行状态进行实时监控。对地铁车站内各运行设备进行规划协调与灵活调节，及时根据实际情况调整设备参数与运行模式。车站级BAS系统同样还需具备对设备故障信息进行准确、及时显示，随后生成并发送报警信号，提醒相关工作人员注意，对故障设备运行模式进行灵活调整[3]。
        3.就地级
        应用在地铁环境控制当中BAS系统，通常会在环境控制机房、泵房内设置就地级别的控制器，该类控制器主要用于向车站级计算机，实时传输设备状态信息，并在准确接收车站级下达的命令后自动执行该命令。一旦出现车站级故障，就地级可单独对设备进行监控。另外，本文所设计的BAS系统在就地级功能中，还通过运用该级别控制器，负责接收来自各探测点，探测得到的相关信息数据。地级控制器还需接收，由被控制机电设备所发出的返回信号。在信号或数据接收后，就地级控制器将会立即发布开关或模拟信号，用以对指定设备进行有效控制。
        二、地铁环境控制中BAS系统的实际应用
        （一）环境控制系统基本组成
        为有效说明BAS系统在地铁环境控制中的实际应用，本文选择以某城市已投入运行的地铁1号线为例，该地铁全线总长超过18km，共有15个车站，其中地上13个，地下2个。在该地铁1号线中，地铁环境控制系统中，涉及大、小系统、水、风系统等。其中大系统主要包括地铁车站公共区域内的所有暖通空调系统，小系统则集中为地铁车站设备用房中的全部通风空调系统。水系统与风系统分别为地下车站冷水机组系统以及在隧道区间处于正常状态，或是其发生紧急情况时的环境控制子系统，该系统可实时、真实客观地反映当前隧道区间的通风排烟工况。图2为该地铁地下车站公共区域的通风空调系统：

        图2 地下车站公共区域通风空调系统布设结构图
        （二）车站大系统运行自判断
        对于该地铁1号线中车站的室外与回风空气焓值，分别用与进行表示，车站空调的送风温度与室外空气温度，分别用与进行表示。车站室外与室内焓值则各用与进行表示。则地铁车站大系统运用BAS系统对其运行情况进行自判断时，系统在正式运行后，首先将依次进行夜间时间表、预通风时间与空调季节的判断[4]。车站运营时间除正常运营时间外，还包括夜间运营时间以及预通风时间，地铁全线BAS控制器的时间和主时钟保持一致，即全线时间表同步。当车站室外空气温度比站内空调送风温度要高，即时，大系统将会自动切换至空调季节模式。其次，BAS系统主要通过对比分析车站室外空气焓值和既定的送风焓值，对具体运行模式进行有效明确。当比要大时，需采用工况I即最小新风量降温除湿工况。如果与相同甚至超过，且车站室外空气温度始终高于站内空调送风温度，则需采用工况II，即全新风降温除湿工况。反之，若室外空气温度明显低于车站空调送风温度，则需直接采用工况III，即通风工况。最后，在判断车站负荷时，系统主要依据水系统冷冻水的出水温度即分水器温度，在其控制过程中使用死区7.5℃至8.5℃控制的方式，除空调季节以外的其他季节中，BAS系统自动控制设备执行车站负荷至少为50%模式工况。图3展示的就是基于BAS系统下车站大系统判断自动模式的具体流程：

        图3 车站大系统判断自动模式的流程示意图
        （三）车站水系统运行自判断
        在将BAS系统运用在自动判断地铁车站水系统工况时，空调季节判定中，采用的判定条件，也是车站大系统中所采用的判定条件。即车站运营时间，不仅包括正常运营时间，还包括夜间运营时间以及预通风时间，但在夜间仅依照重要设备房的环境温度，启动活塞机组。并在实际运营前进行车站预冷，在预冷期间内工作人员需要先启动主用与备用离心机组，经过0.5h后再对车站冷负荷进行判定。工作人员在对车站负荷进行明确，对其进行科学判定的过程中，主要依靠水系统冷冻水的出水温度即分水器温度，系统一旦检测其超出规定允许值，将会自动发送指令控制主用与备用离心机组进行自启动[5]。而如果在系统检测中，发现分水器温度并未达到设定值时，将会只控制主用离心机组进行自启动。分水器温度控制同样也使用死区控制方式，在该地铁1号线中，初步设定分水器温度死区控制在7℃至9℃之间。如果主用与备用冷水机组均处于启动状态，并且容积率至少为98%，在经过0.5h之后系统检测发现分水器温度仍然比设定值要低，将会迅速向第三台冷水机组发出自启动命令，额外启动一台冷水机组。如果分别用与表示基于传感器感测和系统内部设定下的环境焓值，则采用BAS进行地铁环境控制时，在水系统工况模式自判断中，其流程如下图所示：

        图4 基于BAS系统的地铁车站水系统工况判断流程示意图
        （四）车站风与水系统的运行
        该地铁1号线在环境控制中运用BAS系统时，在车站站厅与站台等公共区域以及风机进出风管等位置处，均安装设有温度传感器。借助温度传感器BAS系统能够随时获取车站公共区域等位置的环境温度值，并进行相应计算，即可对地铁车站大、小系统所需冷量进行统一明确。根据得到的具体冷量值，对各台空调机冷冻水出水电动二通阀开度进行灵活控制，即可有效保障工作人员，分配冷水机组总数量时具有较高的科学合理性，实现动态调控空调机送风温度的效果。在采用BAS系统进行地铁环境控制中，系统主要运用冷冻水出水温度，客观判断地铁车站大系统与水系统的实际负荷情况。其中在车站水系统中，采用死区控制方式，即控制中7℃至9℃之间。而为了防止在不足50%工况下运行分系统，在超过100%工况下运行水系统而导致系统冷负荷始终无法达到设定值，从而出现冷水机组跳机等异常情况。BAS系统在判断车站大系统负荷中，选择使用冷水系统模式执行条件。在实现车站风与水系统的和谐运行时，两个系统中判定空调季节的条件保持高度一致。并且因两个系统工况转换限时存在明显差异，即大系统与水系统的工况转换限时计时分别为20min与90min，故而在实际运用BAS系统控制地铁环境，协调车站风、水系统运行时还需要对各系统所需运行工况进行充分考量。
        结束语：总之，将BAS系统运用在地铁环境控制中，对于提升环控效率与控制自动化程度等，有着明显的促进作用。未来在地铁环境控制中，相关工作人员还需要充分结合实际情况，并严格按照相关规定要求，在对BAS系统进行优化设计的同时，设置合理的系统网络结构，加强相关基础设施配置与建设，使其能够更好地应用在地铁环境控制中，并获得良好的环控成效。
        参考文献：
        [1]王孟强.地铁BAS系统建设方案研究[J].现代城市轨道交通，2020(02):7-11.
        [2]李乐.地铁bas系统在环控中的应用[J].科技风，2020(04):95.
        [3]王传宦.地铁BAS系统的新技术与BAS系统机电设备管理阐述[J].装备维修技术，2019(03):136.
        [4]徐深，陈霈，徐卫峰，牛洪海.基于接口特征的地铁BAS系统PLC组态数据建模[J].电工技术，2018(18):31-32+35.
        [5]赵正凯. 基于BAS的地铁环控系统优化与节能设计[D].大连理工大学，2018.