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基于PLC的地鐵通風(fēng)空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文檔作者：何軍紅吳毅哲史常勝文檔來(lái)源：西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年03月23日
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· 24· 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置 2013年第1期
基于PLC 的地鐵通風(fēng)空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
何軍紅，吳毅哲，史常勝
(西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，西安710072)
摘要：隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，以微處理器為核心的可編程序控制器已逐步取代繼電
器，普遍應(yīng)用于各行各業(yè)的自動(dòng)化控制領(lǐng)域。該文主要探討了AB公司的PLC及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在西
安地鐵一號(hào)線通風(fēng)空調(diào)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，詳細(xì)闡述了通風(fēng)空調(diào)控制系統(tǒng)的組成與控制策略，并介
紹了PLC控制程序與觸摸屏上位監(jiān)控程序的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。該控制系統(tǒng)已在西安地鐵實(shí)際工程項(xiàng)目
中成功應(yīng)用，取得了良好效果。
關(guān)鍵詞：PLC；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；地鐵；通風(fēng)空調(diào)
中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1000—0682(2013)01—0024—03
The design of the subway ventilation and air conditioning control system based on PLC
HE Junhong，WU Yizhe，SHI Changsheng
(School ofMarine，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China)
Abstract：With the rapid development of computer control technology，the microprocessor as the
core programmable logic controller has been gradually replacing the relay，commonly used in the field of
automatic control of all walks of life．This paper mainly discusses the application of the AB’S PLC and
network technology in Xi’an Metro Line ventilation and air conditioning control system，elaborate the oom—
ponents and control strategy of the ventilation and air conditioning control system，and introduced the PLC
control program and design of the touch-screen host monitoring program．The control system has been
successfully applied in the actual project of Xi’an subway，and achieved good results．
Key words：PLC；network technology；metro；ventilation and air conditioning
0 引言
西安地鐵一號(hào)線一期全長(zhǎng)25．36 km，設(shè)置19
個(gè)車(chē)站，西起西安市西大門(mén)后圍寨，途經(jīng)玉祥門(mén)、朝
陽(yáng)門(mén)等，跨’?產(chǎn)河后沿紡北路至終點(diǎn)紡織城車(chē)站。車(chē)
站通風(fēng)空調(diào)控制系統(tǒng)以PLC為核心，選用AB Logix
平臺(tái)CompactLogix系列產(chǎn)品，該系列CPU為中高端
產(chǎn)品，采用模塊化結(jié)構(gòu)，所有硬件均為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，系
統(tǒng)中的所有模塊(CPU、I／O、通信、電源等)均為插
接式，便于系統(tǒng)維護(hù)。
1 系統(tǒng)構(gòu)架
1．1 地鐵通風(fēng)空調(diào)控制系統(tǒng)
地鐵控制系統(tǒng)分為中央綜合監(jiān)控系統(tǒng)和車(chē)站級(jí)
收稿日期：2012—06—07
作者簡(jiǎn)介：~ gE(1971)，男，浙江義烏人，博士，副教授，研究方向
為自動(dòng)化控制工程，系統(tǒng)辨識(shí)，嵌入式系統(tǒng)及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究等。
綜合監(jiān)控系統(tǒng)兩部分，中央綜合監(jiān)控系統(tǒng)連接著綜
合監(jiān)控系統(tǒng)骨干網(wǎng)，其中骨干網(wǎng)將全部地鐵19個(gè)站
連接在一起，每個(gè)站通過(guò)2臺(tái)交換機(jī)連接各自車(chē)站級(jí)
綜合監(jiān)控系統(tǒng)，這樣既能達(dá)到中央級(jí)與車(chē)站級(jí)兩級(jí)監(jiān)
控，同時(shí)通過(guò)綜合監(jiān)控骨干網(wǎng)還可以實(shí)現(xiàn)不同車(chē)站之
間的狀態(tài)查看。圖1為地鐵控制系統(tǒng)整體構(gòu)架。
中央綜合監(jiān)控系統(tǒng)
綜合監(jiān)控系統(tǒng)骨 r網(wǎng)
車(chē)站級(jí)綜合監(jiān)控系統(tǒng)
電力臨控l I火災(zāi)報(bào)警I l環(huán)境與沒(méi)備l l乘客信息
系統(tǒng) l I 系統(tǒng) I I監(jiān)控系統(tǒng)l l 系統(tǒng)
! l 墾 塑l I竺 查l L皇
圖1 地鐵控制系統(tǒng)構(gòu)架
2013年第1期 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置 ·25·
在通風(fēng)空調(diào)的控制系統(tǒng)中，每個(gè)車(chē)站的A端、B
端通風(fēng)空調(diào)電控柜各設(shè)有一套網(wǎng)關(guān)PLC，每套網(wǎng)關(guān)
PLC由以下單元組成，如圖2所示。
圖2 通風(fēng)空調(diào)控制系統(tǒng)
1)1個(gè)CompactLogix PLC主站，安裝在進(jìn)線柜
上，包括以下設(shè)備：
1個(gè)1769一L35CR型CPU，集成有與BAS系統(tǒng)
通信的ControlNet總線接口。
1個(gè)1769一PA2型電源模塊。
1個(gè)1769一ECR型PLC右槽蓋板。
2個(gè)1769一SDN型DeviceNet通信模塊，用于連
接智能I／O、E3+、變頻器、軟啟動(dòng)器等設(shè)備。
1個(gè)271 1PCT10C4D1型10．4英寸觸摸屏。
2)多個(gè)分布式智能I／0(Piont I／O)站，各智能
I／O站根據(jù)需要分別安裝在相應(yīng)的電控柜中，主要
用于風(fēng)閥的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和控制；風(fēng)機(jī)設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控
制由各自的智能低壓?jiǎn)卧?E3+／變頻器／軟啟動(dòng)
器)完成，不占用PLC的I／O通道。每個(gè)智能I／0
站包括以下設(shè)備：1個(gè)1734一ADN型DeviceNet通
信模塊，用于連接PLC主站。若干個(gè)I／O模塊和端
子座。必要的Point I／O擴(kuò)展電源模塊。
3)2個(gè)DeviceNet總線網(wǎng)絡(luò)，包括網(wǎng)線、分支器、
連接儀表的協(xié)議轉(zhuǎn)換器(通信網(wǎng)關(guān))。
1．2 控制方式
通過(guò)設(shè)在環(huán)控柜上的“遠(yuǎn)方、就地”方式選擇開(kāi)
關(guān)和就地控制箱(手操箱)上的“手動(dòng)、自動(dòng)”方式選
擇開(kāi)關(guān)，來(lái)設(shè)置系統(tǒng)的控制方式。
1)“手動(dòng)”方式：屬于機(jī)旁控制就地手動(dòng)方式，
主要用于設(shè)備檢修、調(diào)試。BAS系統(tǒng)(環(huán)境與設(shè)備
監(jiān)控系統(tǒng))及通風(fēng)空調(diào)電控柜控制信號(hào)將不起作
用，BAS系統(tǒng)和通風(fēng)空調(diào)電控柜僅能監(jiān)視相關(guān)數(shù)據(jù)
和狀態(tài)。設(shè)備的啟停操作，通過(guò)機(jī)旁就地控制箱來(lái)
實(shí)現(xiàn)。就地手動(dòng)方式優(yōu)先級(jí)別最高。
2)“自動(dòng)”方式：該方式是相對(duì)于機(jī)旁控制就地
手動(dòng)方式而言，為正常工作方式。機(jī)旁就地控制箱
的操作將不起作用，設(shè)備的啟停操作由環(huán)控電控室
通風(fēng)空調(diào)電控柜來(lái)實(shí)現(xiàn)。只有在該方式下，才能實(shí)
現(xiàn)“遠(yuǎn)方／就地”操作。
3)“就地”方式：屬于環(huán)控電控室控制方式，
BAS系統(tǒng)發(fā)來(lái)的啟?？刂菩盘?hào)將不起作用，僅向
BAS系統(tǒng)上傳環(huán)控設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)和狀態(tài)。設(shè)備的
啟停操作，通過(guò)通風(fēng)空調(diào)電控柜操作面板來(lái)實(shí)現(xiàn)。
4)“遠(yuǎn)方”方式：對(duì)環(huán)控電控室來(lái)說(shuō)屬于“遠(yuǎn)方”
控制方式，通風(fēng)空調(diào)電控柜上的設(shè)備啟停操作將不
起作用，通風(fēng)空調(diào)電控柜網(wǎng)關(guān)PLC接收BAS系統(tǒng)通
過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線方式發(fā)來(lái)的啟?？刂菩盘?hào)，完成設(shè)備的
啟動(dòng)／停止控制。用于實(shí)現(xiàn)中央控制、車(chē)站控制。
5)消防模式不受“遠(yuǎn)方／就地”控制方式制約，
BAS系統(tǒng)可強(qiáng)啟設(shè)備。
系統(tǒng)不同控制方式的關(guān)系如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)控制方式
系統(tǒng)
_ _ _ _ ● ● _ _
控柜
●● ●- __ ●。
制箱
2 控制功能
2．1 設(shè)備控制功能
1)能實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、逆轉(zhuǎn)、啟停與相關(guān)電動(dòng)
組合風(fēng)閥聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)；
2)風(fēng)機(jī)在20 s內(nèi)能從啟動(dòng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，配置
有制動(dòng)停機(jī)功能，保證風(fēng)機(jī)正反轉(zhuǎn)切換時(shí)間≤60 s；
3)在現(xiàn)場(chǎng)能實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的手動(dòng)／自動(dòng)切換功能；
4)在通風(fēng)空調(diào)電控室能實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的就地／遠(yuǎn)程
切換功能；
5)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)中央、車(chē)站、就地三級(jí)監(jiān)控；
6)消防排煙時(shí)若風(fēng)機(jī)故障，則只報(bào)警不停機(jī)。
7)緊急情況下可屏蔽變頻器而強(qiáng)制工頻啟動(dòng)
運(yùn)行。
2．2 設(shè)備動(dòng)作操作流程
設(shè)備的動(dòng)作操作指令來(lái)源可以分為兩種形式，
一是由模式操作指令解析得出的設(shè)備動(dòng)作指令；另
一個(gè)是由HMI(人機(jī)界面)進(jìn)行設(shè)備點(diǎn)動(dòng)而發(fā)出的
設(shè)備動(dòng)作指令。對(duì)于前者來(lái)說(shuō)，主PLC得出設(shè)備動(dòng)
作指令后會(huì)直接將其通信到相關(guān)執(zhí)行方，進(jìn)行設(shè)備
控制。對(duì)于后者來(lái)說(shuō)，將遵從以下步驟進(jìn)行處理：從
設(shè)備操作指令來(lái)源發(fā)來(lái)的設(shè)備控制指令會(huì)先被送到
主PLC中，PLC經(jīng)過(guò)邏輯計(jì)算，判斷此指令是否為
權(quán)限允許的指令。如果指令來(lái)源和系統(tǒng)當(dāng)前的權(quán)限
狀態(tài)相符合則把相應(yīng)的動(dòng)作指令通過(guò)通信下發(fā)到低
· 26· 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置 2013年第1期
壓設(shè)備控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程I／O等，由低壓設(shè)備控制系統(tǒng)
和遠(yuǎn)程I／O對(duì)設(shè)備的控制回路進(jìn)行控制，如圖4
所示。
圖4 設(shè)備動(dòng)作操作流程邏輯圖
3 系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)
3．1 編程軟件
系統(tǒng)控制器編程及配置軟件選用Rockwell公
司的RSLogixS000(帶RSLinx通信驅(qū)動(dòng)軟件包)和
RSNetworx。
RSLogix5000編程軟件為ControlLogix控制系統(tǒng)
提供編程環(huán)境。它運(yùn)行于Windows NT 32位操作系
統(tǒng)。RSLogix5000系統(tǒng)用戶可以觀察所有的組態(tài)參
數(shù)、任務(wù)、程序和例程的狀態(tài)，提供了通用的系統(tǒng)工
具，具有豐富的診斷和維護(hù)功能。
RSLinx可以為所有的AB網(wǎng)絡(luò)提供完整的驅(qū)動(dòng)
程序；RSLinx提供OPC、DDE和Custom C／C++的
接口；RSLinx還可以為用戶提供多個(gè)網(wǎng)絡(luò)、本地工
作站和DDE／OPC性能診斷工具，便于進(jìn)行系統(tǒng)維
護(hù)和故障排除。
在設(shè)計(jì)階段，RSNetWorx用于BAS系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)
總線——控制網(wǎng)(ControlNet)的組態(tài)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)
置，進(jìn)行點(diǎn)地址(Node)、Flex I／O地址分配，以及網(wǎng)
絡(luò)冗余屬性設(shè)置。在BAS系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)階段，
RSNetWorx是ControlNet網(wǎng)絡(luò)診斷和維護(hù)的重要
工具。
輸入輸出配置如圖5所示。
一鬯 輸人，輸出配置
謄圖背板，CompEtLogix系統(tǒng)
釃17694_~ z
1769-L35~ ControlNe 黼兒。國(guó)l0|掘
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【i】1769．s0N聲￡；c 一l
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圖5 輸入輸出配置
部分E3讀命令程序如圖6所示。
圖6 部分E3讀命令程序
3．2 觸摸屏
在每個(gè)車(chē)站的A、B兩端各設(shè)有一套通風(fēng)空調(diào)
電控柜人機(jī)界面系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件選用AB品牌的
PanelView Plus系列10．4”T?！|摸顯示屏，采用模
塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)靈活，升級(jí)方便，高可靠性，包含1個(gè)
以太網(wǎng)接口，1個(gè)RS一232接口，2個(gè)USB接口，提
供趨勢(shì)圖、表達(dá)式運(yùn)算、數(shù)據(jù)記錄、圖形動(dòng)畫(huà)以及標(biāo)
記地址直接瀏覽等功能，可實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)PLC與
HMI的無(wú)縫鏈接，將PLC所采集的各種信息在觸摸
屏上顯示。觸摸屏主畫(huà)面布置結(jié)構(gòu)如圖7所示。
西安地鐵一號(hào)線一期通風(fēng)空調(diào)控制系統(tǒng)
大系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)l I小系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)I 隧道系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)
f電機(jī)運(yùn)行電流監(jiān)視f l 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) f 故障報(bào)警查詢
歷史事件記錄 l l 電機(jī)參數(shù)設(shè)定 l 退出系統(tǒng)
圖7 觸摸屏主畫(huà)面
(下轉(zhuǎn)第35頁(yè))
2013年第1期 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置 ·35·
2O
15
l0
5
0
， 5
10
． 15
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2O
15
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5
0
— 5
— 10
15
．20
b魯棒控制的參考電流與實(shí)際輸出電流波形
圖6 低電網(wǎng)電壓下的仿真波形
a PI控制的參考電流與實(shí)際輸出電流波形
b魯棒控制的參考電流與實(shí)際輸出電流波形
圖7 高電網(wǎng)電壓下的仿真波形
由局部放大波形可以清楚地看到：當(dāng)電網(wǎng)電壓
較低時(shí)，兩種控制方法的輸出電流均能很好地跟隨
給定正弦參考信號(hào)，穩(wěn)態(tài)誤差幾乎為零，控制效果比
較令人滿意；但當(dāng)電網(wǎng)電壓較高時(shí)，PI控制_6-8]雖
然幅值誤差很小，但是卻出現(xiàn)了相移，而魯棒控制在
任何情況下均能零穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤參考正弦電流，因
而其性能更加優(yōu)越。另外，可以看到，當(dāng)參考信號(hào)為
零時(shí)，系統(tǒng)存在輸出誤差，PI控制的效果也不如魯
棒控制。
4 結(jié)論
該文從并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)建模出發(fā)，構(gòu)建了閉
環(huán)控制系統(tǒng)，在分析系統(tǒng)控制目標(biāo)和性能要求的基
礎(chǔ)上，提出了PI控制和魯棒控制的控制策略。但經(jīng)
過(guò)分析得出PI控制不能完全穩(wěn)態(tài)地跟蹤正弦給定
信號(hào)，也不能抑制電網(wǎng)干擾。而基于狀態(tài)空間設(shè)計(jì)
法的魯棒控制器則能零穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤正弦給定信
號(hào)，并能抑制電網(wǎng)干擾。仿真驗(yàn)證了理論分析的正
確性。
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— 23
(上接第26頁(yè))
4 結(jié)論
該文設(shè)計(jì)的地鐵通風(fēng)控制系統(tǒng)已成功運(yùn)用于西
安地鐵二號(hào)線，運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)完全滿足其設(shè)
計(jì)要求，具有操作方便、可靠性強(qiáng)、數(shù)據(jù)完整、監(jiān)控及
時(shí)等突出優(yōu)點(diǎn)，與此同時(shí)西安地鐵一號(hào)線一期的通
風(fēng)空調(diào)控制柜全部生產(chǎn)完成，現(xiàn)已進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試
階段。
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