基于PLC的地铁通风空调控制系统设计.pdf

2 4 工业仪表与自动化装置 2 0 1 3年第 1 期 基 于 P L C 的地铁 通风 空调 控 制 系统设 计 何军红， 吴毅哲， 史常胜 西北工业大学 航海学院， 西安 7 1 0 0 7 2 摘要 随着计算机控制技术的迅速发展 ， 以微处理器为核 心的可编程序控制器 已逐步取代继电 器， 普遍应用于各行各业的自 动化控制领域。该文主要探讨了A B公司的 P L C及其网络技术在西 安地铁一号线通风空调控制 系统中的应用， 详细阐述 了通风空调控制 系统的组成与控制策略 ， 并介 绍了 P L C控制程序与触摸屏上位监控程序 的开发设计。该控制 系统 已在西安地铁 实际工程项 目 中成功应用， 取得 了良好效果。 关键词 P L C； 网络技术； 地铁 ； 通风空调 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 3 0 1 0 0 2 4 0 3 The de s i g n o f t he s u bwa y v e nt i l a t i o n a n d a i r c o nd i t i o n i n g c o nt r o l s y s t e m ba s e d o n PLC HE J u n h o n g ，WU Yi z h e ，S HI C h a n g s h e n g S c h o o l o fMa r i n e ， N o r t h w e s t e r n P o ly t e c h n i c a l U n iv e r s i t y ， Xi a n 7 1 0 0 7 2 ，C h i n a Abs t r a c t W i t h t h e r a p i d d e v e l o pme nt o f c o mp u t e r c o n t r o l t e c h n o l o g y，t h e mi c r o p r o c e s s o r a s t he c o r e p r o g r a mma bl e l o g i c c o n t r o l l e r h a s b e e n g r a d u a l l y r e p l a c i n g t h e r e l a y，c o mmo n l y u s e d i n t he fi e l d o f a u t o ma t i c c o n t r o l o f a l l wa l k s o f l i f e ． Th i s p a pe r ma i nl y d i s c u s s e s t h e a pp l i c a t i o n o f t h e AB’ S PLC a n d n e t wo r k t e c h n o l o g y i n Xi ’ a n Me t r o Li ne v e n t i l a t i o n a nd a i r c o n d i t i o n i n g c o n t r o l s y s t e m ，e l a b o r a t e t h e o o m p o n e n t s a n d c o n t r o l s t r a t e g y o f t h e v e n t i l a t i o n a n d a i r c o n d i t i o n i n g c o n t r o l s y s t e m， a n d i n t r o d u c e d t h e P L C c o n t r o l p r o gra m a n d d e s i g n o f t h e t o u c h - s c r e e n h o s t mo n i t o r i n g p r o g r a m． Th e c o n t r o l s y s t e m h a s b e e n s u c c e s s f u l l y a p p l i e d i n t h e a c t u a l p r o j e c t o f X i ’ a n s u b w a y ， a n d a c h i e v e d g o o d r e s u l t s ． Ke y wo r ds PLC；n e t wo r k t e c h n o l o g y；me t r o；v e n t i l a t i o n a n d a i r c o n d i t i o n i n g 0 引言 西安地铁一号线 一期全长 2 5 ． 3 6 k m， 设置 1 9 个车站 ， 西起西安市西大门后 围寨 ， 途经玉祥 门、 朝 阳门等， 跨’产河后沿纺北路至终点纺织城车站。车 站通风空调控制系统以 P L C为核心 ， 选用 A B L o g i x 平台 C o m p a c t L o g i x系列产品， 该系列 C P U为 中高端 产品 ， 采用模块化结构 ， 所有硬件均为标准产 品， 系 统中的所有模块 C P U 、 I ／ O 、 通信、 电源等 均为插 接式， 便于系统维护。 1 系统构架 1 ． 1 地铁通风空调控制系统 地铁控制系统分为中央综合监控系统和车站级 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 0 7 作者简介 g E 1 9 7 1 ， 男， 浙江义乌人， 博士， 副教授， 研究方向 为 自动化控制工程 ， 系统辨识 ， 嵌入式系统及工业网络应用研究等 。 综合监控系统两部分， 中央综合监控系统连接着综 合监控系统骨干网， 其中骨干网将全部地铁 1 9 个站 连接在一起 ， 每个站通过 2台交换机连接各 自车站级 综合监控系统 ， 这样既能达到中央级与车站级两级监 控， 同时通过综合监控骨干网还可以实现不同车站之 间的状态查看。图 1 为地铁控制系统整体构架。 中央综合监控系统 综合监控 系统骨 r 网 车站级综合监控系统 电 力临 控 l I火灾报警 I l 环境与没备l l乘客信息 系统 l I 系统 I I监控系统 l l 系统 l 垦 塑l I 竺 查l L 皇 图 1 地铁控制系统构架 2 0 1 3年第 1 期 工业仪表与 自动化装置 2 5 在通风空调的控制系统中， 每个车站的 A端、 B 端通风空调电控柜各设有一套网关 P L C ， 每套网关 P L C由以下单元组成 ， 如图 2所示。 图 2 通风空调控制系统 1 1个 C o m p a c t L o g i x P L C主站 ， 安装在进线柜 上， 包括以下设备 1个 1 7 6 9一L 3 5 C R型 C P U， 集成有与 B A S系统 通信 的 C o n t r o l N e t 总线接 口。 1个 1 7 6 9一P A 2型电源模块。 1 个 1 7 6 9一E C R型 P L C右槽盖板。 2 个 1 7 6 9一 S D N型D e v i c e N e t 通信模块， 用于连 接智能 I ／ O、 E 3、 变频器、 软启动器等设备 。 1 个 2 7 1 1 P C T 1 0 C 4 D1型 1 0 ． 4英寸触摸屏。 2 多个分布式智能 I ／ 0 P i o n t I／ O 站， 各智能 I ／ O站根据需要分别安装在相应的电控柜中， 主要 用于风阀的状态监测和控制 ； 风机设备的监测 和控 制由各 自的智能低压单元 E 3 ／ 变频器／ 软启动 器 完成 ， 不 占用 P L C的 I ／ O通道。每个智 能 I ／ 0 站包括 以下设备 1个 1 7 3 4一A D N型 D e v i c e N e t 通 信模块 ， 用于连接 P L C主站 。若 干个 I ／ O模块 和端 子座。必要 的 P o i n t I ／ O扩展电源模块 。 3 2个 D e v i c e N e t 总线 网络 ， 包括 网线、 分支器 、 连接仪表的协议转换器 通信网关 。 1 ． 2 控制方式 通过设在环控柜上的“ 远方 、 就地 ” 方式选择开 关和就地控制箱 手操箱 上的“ 手动、 自动” 方式选 择开关 ， 来设置系统的控制方式 。 1 “ 手动” 方式 属 于机旁控制就地手动方 式 ， 主要用于设 备检修、 调试 。B A S系统 环境与设 备 监控系统 及通 风空调 电控 柜控制信 号将 不起 作 用 ， B A S系统和通风空调电控柜仅能监视相关数据 和状态。设备的启停操作， 通过机旁就地控制箱来 实现。就地手动方式优先级别最高。 2 “ 自动” 方式 该方式是相对于机旁控制就地 手动方式而言， 为正常工作方式。机旁就地控制箱 的操作将不起作用， 设备的启停操作由环控电控室 通风空调电控柜来实现。只有在该方式下 ， 才能实 现“ 远方／ 就地” 操作。 3 “ 就地 ” 方 式 属 于环控 电控室 控制 方 式 ， B A S 系统发来的启停控制信号将不起作用， 仅 向 B A S 系统上传环控设备相关数据和状态。设备的 启停操作， 通过通风空调电控柜操作面板来实现。 4 “ 远方 ” 方式 对环控 电控室来说属于“ 远方” 控制方式 ， 通风空调电控柜上的设备启停操作将不 起作用 ， 通风空调电控柜 网关 P L C接收 B A S系统通 过现场总线方式发来的启停控制信号 ， 完成设备 的 启动／ 停止控制 。用于实现中央控制 、 车站控制 。 5 消防模式不受“ 远方／ 就地” 控制方式制约， B A S系统可强启设备 。 系统不同控制方式的关系如图 3所示 。 图3 系统控制方式 系统 _ __ _● ●_ _ 控柜 ●●●-__●。 制箱 2 控制功能 2 ． 1 设备控制功能 1 能实现风机 的正转、 逆 转、 启停与相关 电动 组合风阀联锁开关 ； 2 风机在 2 0 s内能从启动达到额定转速 ， 配置 有制动停机功能 ， 保证风机正反转切换时间≤6 0 s ； 3 在现场能实现风机的手动／自动切换功能 ； 4 在通风空调 电控 室能实现风机的就地／ 远程 切换功能 ； 5 实现风机 中央、 车站、 就地三级监控 ； 6 消防排烟时若风机故障， 则只报警不停机。 7 紧急情 况下可屏蔽变频器而强制工频启 动 运行。 2 ． 2 设备动作操作流程 设备的动作操作指令来源可以分为两种形式 ， 一 是由模式操作指令 解析得 出的设备动作指令 ； 另 一 个是由H M I 人机界面 进行设备点动而发出的 设备动作指令。对于前者来说， 主 P L C得出设备动 作指令后会直接将其通信到相关执行方， 进行设备 控制。对于后者来说， 将遵从以下步骤进行处理 从 设备操作指令来源发来的设备控制指令会先被送到 主 P L C中， P L C经过逻辑计算 ， 判断此指令是否为 权限允许 的指令 。如果指令来源和系统当前的权限 状态相符合则把相应的动作指令通过通信下发到低 2 6 工业仪表与自动化装置 2 0 1 3年第 1 期 压设备控制系统、 远程 I ／ O等 ， 由低压设备控制系统 和远程 I ／ O对设 备 的控制 回路进行 控制 ， 如 图 4 所示。 图4 设备动作操作流程逻辑图 3 系统软件开发 3 ． 1 编程软件 系统控制器编程及 配置软件选用 R o c k w e l l 公 司的 R S L o g i x S 0 0 0 带 R S L i n x通信 驱动软件包 和 RS Ne t wo r x。 R S L o g i x 5 0 0 0编程软件为 C o n t r o l L o g i x 控制系统 提供编程环境。它运行于Win d o w s N T 3 2 位操作系 统。R S L o g i x 5 0 0 0系统用户可 以观察所有 的组态参 数、 任务、 程序和例程的状态， 提供了通用的系统工 具 ， 具有丰富的诊断和维护功能。 R S L i n x可以为所有的 A B网络提供完整 的驱动 程序 ； R S L i n x提供 O P C、 D D E和 C u s t o m C ／ C的 接 口； R S L i n x 还可 以为用 户提供 多个 网络、 本地工 作站和 D D E ／ O P C性能诊断工具 ， 便于进 行系统维 护和故障排除。 在设计阶段， R S N e t Wo r x 用于 B A S系统的现场 总线控制网 C o n tr o l N e t 的组态和网络参数设 置， 进行点地址 N o d e 、 F l e x I ／ O地址分配， 以及网 络冗余属性设置。在 B A S系统运行维护 阶段， R S N e tWo r x 是 C o n t r o l N e t网络诊断和维护的重要 工具。 输入输出配置如图 5所示 。 一 鬯 输人， 输出配置 誊图 背 板， C o m p EtL o g ix 系 统 酾 1 7 6 9 4 _ z 1 7 6 9 - L 3 5 C o n t r o l N e 黼儿 。 国l 0|掘 箧馨c 甜 辫鼬e 船 【 i 】 1 7 6 9 ． s 0 N 声￡ ； c 一 l ⋯ 1 7 6 9 - S D N t B S D N - 2 图5 输入输出配置 部分 E 3 读命令程序如图6 所示。 图 6 部分 E 3读命令程序 3 ． 2 触摸屏 在每个车站 的 A、 B两端各设有一套通风空调 电控 柜人机 界 面系统 ， 系统 硬件选 用 A B品牌 的 P a n e l V i e w P l u s 系列 1 0 ． 4 ” T 兀’ 触摸显示屏， 采用模 块化设计 ， 结构灵活 ， 升级方便 ， 高可靠性 ， 包含 1个 以太网接 口， 1个 R S一2 3 2接 口， 2个 U S B接 口， 提 供趋势 图、 表达式运算 、 数据记录、 图形 动画以及标 记地址直接浏 览等功 能， 可实现控 制系统 P L C与 H MI 的无缝链接 ， 将 P L C所采集的各种信息在触摸 屏上显示。触摸屏主画面布置结构如图7 所示。 西安地铁一号线一期通风空调控制系统 大 系 统 设 备 状 态 l I小 系 统 设 备 状 态 I 隧 道 系 统 设 备 状 态 f 电 机运 行电 流监 视f l 系 统网 络 结 构 f 故障 报 警查 询 历 史 事件 记录 l l 电 机参数 设定 l 退出 系统 图7 触摸屏主画面 下转第 3 5页 2 0 1 3年第 1期 工业仪表与 自动化装置 3 5 2 O 1 5 l 0 5 0 ，5 1 0 ．1 5 2 0 2 O 1 5 1 0 5 0 5 1 0 1 5 ．2 0 b鲁棒控制的参考电流与实际输出电流波形 图6 低电网电压下的仿真波形 a P I 控制的参考电流与实际输 出电流波形 b鲁棒控制的参考电流与实际输出电流波形 图7 高电网电压下的仿真波形 由局部放大波形 可以清楚地看到 当电网电压 较低时 ， 两种控制方法 的输 出电流均能很好地跟随 给定正弦参考信号 ， 稳态误差几乎为零 ， 控制效果 比 较令人满意 ； 但 当电网电压较 高时 ， P I 控制_ 6 - 8 ] 虽 然幅值误差很小， 但是却出现了相移， 而鲁棒控制在 任何情况下均能零稳态误差跟踪参考正弦电流 ， 因 而其性能更加优越 。另外 ， 可以看到 ， 当参考信号为 零时 ， 系统存在输 出误差 ， P I 控制 的效果也不如鲁 棒控制。 4 结论 该文从并 网逆变器的数学建模 出发 ， 构建了闭 环控制系统 ， 在分析系统控制 目标和性能要求 的基 础上 ， 提出了 P I 控制和鲁棒控制 的控制策略。但经 过分析得出 P I 控制不 能完全稳态地跟踪正弦给定 信号， 也不能抑制电网干扰。而基于状态空间设计 法的鲁棒控 制器则能零稳态误差跟踪 正弦给定信 号， 并能抑制电网干扰。仿真验证了理论分析的正 确性 。 参考文献 [ 1 ] 冯国语． 风力发电并网逆变控制系统研究[ D] ． 吉林大 学 ， 2 0 0 9 ． [ 2 ] J S e l v a r a j ， N A R a h i m， C K r i s m a d i n a t a ． D i g i t a l P I C u r r e n t C o n t r o l f o r G r i d C o n n e c t e d P V I n v e r t e r [ C ] ． I n d u s t r i a I E1 e c t r o n i c s a n d Ap p l i c a t i o n， I C I E A 2 0 0 8， 3 r d I E EE Co n f e r e n c e， 2 0 0 8 7 4 27 4 6 ． [ 3 ] 陈伯时． 电力拖动自动控制系统[ M] ． 3版． 北京 机械 工业出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 4 ] 郭小强， 邬伟扬 ， 赵清林 ， 等． 三相并网逆变器比例复 数积分电流控制技术 [ J ] ． 中国电机工程学报， 2 0 0 9 ， 2 9 1 5 81 4 ． [ 5 ] G e n e E F r a n k l i n ， J D a v i d P o w e l l ，A b b a s E m a m i N a e i n i ． 自动控制原理与设计[ M] ． 5版． 李中华， 张雨浓， 译． 北京 人民邮电出版社 ， 2 0 0 7 4 1 4 4 1 9 ． [ 6 ] 马兆彪 ， 惠晶， 潘建． 基于重复 P I 控制的光伏并网逆变 器的研究[ J ] ． 电力电子技术， 2 0 0 8 ， 4 2 3 2 5 2 7 ． [ 7 ] 郭小强 ， 邬伟扬， 赵清林． 新型并网逆变器控制策略比 较和数字实现[ J ] ． 电工技术学报， 2 0 0 7 ， 2 2 5 1 1 1 1 1 5． [ 8 ] 吴浩伟 ， 段善旭． 一种新颖的电压控制型逆变器并网 控制方案 [ J ] ． 中国电机工程学报， 2 0 0 8 ， 2 8 3 3 1 9 2 3 上接第 2 6页 4结论 该文设计的地铁通风控制系统已成功运用于西 安地铁二号线， 运行结果表明， 该系统完全满足其设 计要求， 具有操作方便、 可靠性强、 数据完整、 监控及 时等突出优点， 与此同时西安地铁一号线一期的通 风空调控制柜全部生产完成 ， 现 已进入现场调试 阶段 。 参考文献 [ 1 ] 薛迎成． R o c k w e l l P L C技术基础与应用 [ M] ． 北京 中 国电力出版社， 2 0 0 9 ． [ 2 ] A B公司． L o g i x _ 5 0 0 0控制器指令集参考手册[ Z ] ． 1 9 9 9 ． [ 3 ] A B公司． F a e t o r y T a l k V i e w S E用户手册[ Z] ． 1 9 9 9 ． [ 4 ] A B公司． A l l e nB r a d l e y I ／ O M o d u l e s [ Z ] ． 2 0 0 5 ． [ 5 ] 赵明生． 电气工程师手册 [ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 0 ． 如 ∞ O m 加