城市轨道交通综合节能技术研究及应用示范-控制系统

1、广州地铁目录1项目概况31.1节能控制系统概况31.2节能控制系统定位32科研课题方案42.1系统方案42.1.1 硬件.52.1.2.52.2系统主要功能62.2.1 接口管理功能62.2.2功能72.2.3 控制功能82.3科研实施模式83三元里改造实施方案93.1三元里现状简介93.2三元里节能控制系统方案103.3三元里节能控制系统主要功能113.3.1 接口管理功能113.3.2功能113.2.3 控制功能123.4三元里节能控制系统与相关系统的接口143.4.1 与综合节能系统的接口1413.4.2 与三元里站 EMCS 系统的接口153.4.3 与通风空调的接口163.5三元里改

2、造实施的影响2121项目概况1.1 节能控制系统概况目前轨道交通的节能技术研究均仅限于单一系统或设备，节能控制方法在民用建筑或其它行业中有一些应用，但针对轨道交通的节能控制系统处于起步阶段，而且主要是某个设备的节能运行方面。对于适合轨道交通某个系统节能控制系统尚不完善，如通风空调系统，存在对某个设备的单独变频控制，或简单的闭环控制。城市轨道交通专业众多，车站环控系统、车站照明系统、车站设备系统等在专业范围内自成系统，节能控制系统主要针对这些专业特点，系统性的制定节能控制方案、选择最节能的运行模式，实现整个轨道交通节能运行。本次研究的节能控制系统将针对轨道交通的多个系统进行节能控制系统研究和试验

3、，主要是结合环控系统变流量技术、照明节能技术、扶梯节能技术制定地铁车站各机电系统的节能控制模式，实现各机电系统的节能运行。1.2 节能控制系统定位本课题中对地铁车站的节能研究将通过三个系统共同完成，分别是节能控制系统、能源管理系统和综合节能系统，每个系统既可独立运行又相互协作。节能控制系统负责对环境参数、设备参数的；根据通风空调、照明和自动扶梯的节能控制策略进行节能控制；节能控制系统将的数据上传综合节能系统，并执行综合节能系统下达的节能优化调整指令。能源管理系统负责对能耗参数（电量）、电能质量相关的参数进行和显示，并按综合节能系统的要求进行筛选、分类、汇总后上传综合节能系统。3综合节能系统根据

4、上传的数据对节能效果和能耗水平的进行分析和评估，并结合服务水平、对节能控制目标提出节能控制的优化调整建议，可向节能控制系统下发节能优化调整指令，对现有节能方案进行优化调整。节能控制系统在本次研究中的系统定位如下图所示。数据分析数据数据管理界面展示人机交互接口管理（信号、AFC等）调整指令下发数据上传数据上传（温度、湿度、压力、流量、照度等）对象控制（通风空调、照明、扶梯等）（电流、电压、功率、电能质量等）数据处理（分类汇总、统计）图 1.2 -1 节能控制系统定位图2科研课题方案2.1 系统方案节能控制系统利用现传感设备和模块对节能控制相关的环境参数和设备参数进行，配置高性能现场控制器根据通风

5、空调、照明和扶梯等专业的节能控制策略进行计算，再通过执行机构和控制输出模块对节能专业设备进行控制，从而实现对通风空调、照明和扶梯等专业的节能控制目的。4能源管理系统节能控制系统综合节能系统2.1.1 硬件节能控制系统主要由管理计算机、现场控制器、传感器、执行机构、变频器、输入输出模块等硬件设备。其中传感器根据通风空调工艺要求进行设置，包括温度、湿度、压力、压差、流量等传感设备。传感器和输入模块等设备负责进行，数据上传到现场控制器，现场控制器负责按照通风空调、照明专业和扶梯专业的节能策略进行计算，通过下发控制指令到执行机构和变频器等设备达到对对象进行节能控制的目的。节能控制系统的硬件如下图所示。

6、图 2.1.1 -1 节能控制系统硬件图2.1.2综合节能系统分为四层：业务层：包括环控系统节能模块、照明节能控制模块和扶梯节能模块等。每个模块可通过对本系统范围内支撑层的现场设备进行、数据分析对5比，并根据各系统的工艺要求进行节能控制，并根据能源管理交互模块提供的能耗分析结果实现模式切换，选择最节能的运行模式。管理层：将节能标准作为基础的节能管理判断依据，从而对业务层的节能模式进行指导、考核。另外，还考虑了系统的基础管理功能，包括：提醒、事件日志保存、设备状态以及相关的应用统计支撑层：支撑层主要包括现场的设备，支撑层的数据直接上传到业务层，并接收业务层的控制管理接口层：接口层主要完成与综合节

7、能系统的数据交互。节能控制系统如下图所示。图 2.1.2 -1 节能控制系统框图2.2 系统主要功能2.2.1 接口管理功能6节能控制系统支撑层设备接口层综合节能系统业务层其它节能模块扶梯节能模块照明节能模块环控系统节能模块管理层应用统计设备状态事件日志提醒节能标准1）与环境与设备系统进行信息交互，获取节能控制相关的数据信息。2）向综合节能系统上传主要的环境参数、设备参数、模式运行状态；3）接收综合节能系统下达的优化调整指令。2.2.2功能1）通风空调系统、照明系统、电/扶梯、门等的设备状态参数。包括如下：（1）隧道通风系统设备隧道风机、轨道排热风机、风阀、变频器等设备状态参数（2）车站通风空

8、调系统大系统：空调机组、新风机、回/排风机、电动风阀、变送器和变频器等设备状态参数小系统：设备用房的送风机，排风机、电动风阀等设备状态参数水系统：冷水机组、变送器、电动蝶阀、水泵、冷却塔和各种调节阀等设备状态参数（3）照明系统工作照明、照明、出照明、区间照明等设备状态参数（4）自动扶梯、电梯出扶梯、站内自动扶梯、电梯设备状态2）通风空调系统、照明系统控制技术的应用所需的各类变送器实测参数。包括如下：站厅温湿度、站台温湿度、新风温湿度、冷冻水流量、冷却水流量、冷冻7水供水压力、冷冻水回水压力、供回水压差、隧道温度、隧道浓度、站厅照度、站台照度等。2.2.3 控制功能1）根据通风空调系统的控制方案

9、实现对通风空调系统的模式控制；2）根据照明系统节能控制方案实现对照明系统的模式控制；3）电扶梯的节能控制模式；3）根据综合节能系统提供的优化调整指令实现对通风空调系统进行节能控制调整；4）根据综合节能系统提供的优化调整指令对照明系统进行节能控制调整；2.3 科研实施模式本研究在形成产品成果后应能适应不同需求的轨道交通建设模式。1）直接应用模式直接的节能控制系统成品，进行相应配置即可。可构建独立综合节能系统硬件库及。建议按照节能控制系统的硬件、数据库进行配置，经济合理。应用于多站或全线的节能控制系统在传输网络上建议采用网络，可利用轨道交通通信传输通道，也可独立组建系统传输网络。2）结合应用模式节

10、省硬件投资建设模式下，将节能控制系统产品功能以方式集成在轨道交通的环境与设备系统能控制系统不再另行配置的硬件，在原有的轨道交通环境与设备系统功能中增加节能控制系统的功能模8块，环境与设备系统负责实现节能数据与分析，执行结果由环境与设备系统显示。该方式可节省投资。应用于多站或全线的节能控制系统在传输网络上也可按结合应用模式进行实施，即应用轨道交通的传输网络（可由通信系统或综合系统提供）。3）按需订制模式可按照用户需要在现有产品基础上再进一步开发研究，且经济条件较好。可按用户需求将硬件、数据库及结合其他管理系统进行部分合建，部分单独构建的订制模式。3三元里改造实施方案3.1 三元里现状简介三元里站

11、是广州地铁 2 号线的一座车站。2 号线全线设置了环境与设备监控系统（EMCS），环境与设备系统负责车站及区间机电设备管理，包括隧道通风、通风空调、给排水、照明、自动扶梯及电梯、门、防淹门。环境与设备系统分、车站级、现场级三级。设置在公园前控制中心，负责全线集中管理，三元里站设置车站级，负责站内管理，现场设置控制器进行环境参数、设备状态及控制。三元里车站 EMCS 在 A 端环控电控室、B 端环控电控室、冷水机组电控室、车站控制室和站台照明配电室共设置有九套 PLC 控制器，同时在 A 端环控电控室、B 端环控电控室和车站控制室设置以太网交换机，组成车站级以太环网。各处控制器均接入该以太环网实

12、现数据通信。三元里车站 EMCS 系统图如下：9图 3.1 -1 三元里站 EMCS 系统图3.2 三元里节能控制系统方案在三元里站设置节能控制系统，包括 A 端现场控制器、B 端现场控制器、各类传感器、执行机构、变频器、输入输出模块等。其中传感器根据通风空调工艺要求进行设置，包括温度、湿度、压力、压差、流量等传感设备。传感器和输入模块等设备负责进行，数据上传到现场控制器，现场控制器负责按照通风空调、照明专业和扶梯专业的节能策略进行计算，通过下发控制指令到执行机构和变频器等设备达到对对象进行节能控制的目的。节能控制系统 A 端现场控制器接入 A 端 EMCS 交换机，节能控制系统 B端现场控制

13、器接入 A 端 EMCS 交换机，利用目前 EMCS 的车站以太网进行 A、B 端之间的数据通信。三元里站节能控制系统图如下所示：10图 3.2 -1 三元里站节能控制系统图3.3 三元里节能控制系统主要功能3.3.1 接口管理功能1）与环境与设备系统进行信息交互，获取节能控制相关的数据信息。2）向综合节能系统上传主要的环境参数、设备参数、模式运行状态；3）接收综合节能系统下达的优化调整指令。3.3.2功能1）通风空调系统、照明系统、电/扶梯、门等的设备状态参数。包括如下：（1）隧道通风系统设备隧道风机、轨道排热风机、风阀、变频器等设备状态参数（2）车站通风空调系统大系统：空调机组、新风机、回

14、/排风机、电动风阀、变送器和变频器等设备状态参数11总线总线小系统：设备用房的送风机，排风机、电动风阀等设备状态参数水系统：冷水机组、变送器、电动蝶阀、水泵、冷却塔和各种调节阀等设备状态参数（3）照明系统工作照明、照明、出照明、区间照明等设备状态参数（4）自动扶梯、电梯出扶梯、站内自动扶梯、电梯设备状态（5）门各侧门的状态2）通风空调系统、照明系统控制技术的应用所需的各类变送器实测参数。包括如下：站厅温湿度、站台温湿度、新风温湿度、冷冻水流量、冷却水流量、冷冻水供水压力、冷冻水回水压力、供回水压差、隧道温度、隧道浓度、站厅照度、站台照度等。3.2.3 控制功能1）根据通风空调系统的控制方案实现

15、对通风空调系统的模式控制三元里站空调节能控制系统按照通风空调系统的节能控制策略的研究，实现如下控制功能：风系统控制（含空调器风频及二通阀开度控制，即联动控制）冷冻水系统节能控制（冷冻水泵变频控制策略）冷却水系统节能控制（冷冻水泵变频控制策略）12冷水机组群控控制动态水力平衡控制变流量工况下安全保护控制。2）根据隧道系统的控制方案实现对隧道通风系统的节能控制根据列车运行时间表分春秋季、夏季、冬季三个季节，在每个季节每天中再根据不同的运行对数编制车站隧道排热系统运行时间表；同时虑温度与区间CO2 浓度反馈保护的方案。温度保护分车站隧道温度与区间隧道两个不同标准，只要一处即启动保护模式。保护模式建议

16、采用温度或 CO2 浓度达标后稳定运行 1 小时为解除条件，恢复至解除时所处的阶段模式。3）根据综合节能系统提供的优化调整指令实现对通风空调系统和照明系统进行节能模式的参数优化调整根据对三元里车站各类用电设备的能耗分析，综合考虑行车密度、进出站客流、环境参数（温度、湿度等）、服务质量的各种，可以对模式的参数进行调优，产生节能优化预案。综合节能管理系统向节能控制管理系统下发该节能优化预案。可进行参数调整的模式包括以下：13序号系统可调整参数的模式备注1通风空调系统非空调季节模式空调季节全新风模式空调季节小新风模式不同冷负荷下的水系统模式大/小系统夜间运行模式2照明系统照明的时间表模式3.4 三元

17、里节能控制系统与相关系统的接口3.4.1 与综合节能系统的接口1）接口分界图接口分界节能控制系统综合节能系统配线架P01(以太网)节能控制系统交换机综合节能系统设备房节能控制系统设备房2）物理接口3）功能接口14功能要求相关物理接口综合节能系统节能控制系统F01设备状态监视P01显示隧道通风、通风空调、照明、自动扶梯等设备运 行状态及环境参数，如温 湿度。设备状态并上传综合节能系统综合节能系统节能控制系统接口类型接口位置备注P01提供配线架及相关接口端子提供连接到综合节能系统设备配线架的电缆以太网配线架相关接口端子处4）接口协议协议采用 TCP MODBUS 协议，双方通口可以采用轮询的方式，

18、则接口通信的轮询时间间隔可以根据接口通信数据的类型和重要性等属性分类区分，具体的轮询时间间隔将在改造实施中由两个系统协商确定。系统对时采用NTP 协议。3.4.2 与三元里站 EMCS 系统的接口1）接口分界图15F02设备故障P01显示设备故障，如风机、风阀、水泵、扶梯、空调器、冷水机组等收集设备故障信息上传综合节能系统F03设备控制功能P01具备对通风空调和照明的节能模式优化调整功能接收并执行节能模式优化调整命令，反馈执行状态。F04节能评估P01根据节能控制系统提供的节能评估素材进行节能控制效果的评估从环控工艺中获得节能评估所需的工艺参数及的对应关系，并提供给综合节能系统F05故障分析P

19、01结合节能控制系统上传的节能控制效果及设备状态分析故障类型上传节能控制相关设备的状态及故障信息F06对时P01下发时钟对时信号与综合节能系统进行对时接口分界节能控制系统EMCSP01(以太网)节能控制系统设备房EMCS设备房2）物理接口3）功能接口4）接口协议具体在改造实施中由两个系统协商确定。3.4.3 与通风空调的接口1）接口分界图16功能要求相关物理接口节能控制系统EMCSF01P01、 P02节能控制所需的设备状态和环境参数。按照约定好的数据格式，准备节能控制系统所需的信息节能控制系统EMCS接口类型接口位置备注P01提供连接到 EMCS交换机的电缆提供交换机及相关接口端子以太网EM

20、CS 交换机电口端P02提供连接到 EMCS交换机的电缆提供交换机及相关接口端子以太网EMCS 交换机电口端A端EMCS交换机节能控制系统P02(以太网)B端EMCS交换机2）物理接口3）功能接口17功能要求相关物理接口通风空调专业节能控制系统通风空调专业节能控制系统接口类型接口位置备注P01各类帯传感器安装位置传感器安装位置传感器安装位置附近P02制冷机及控制器端子排（帯）超五类双绞线（帯）RS485通风空调专业设备房P03流体机械（风机、水泵、空调器）连接至通风空调专业设备的动力线缆动力电缆风机、水泵、空调器等设备动力电缆接线端4）接口协议具体协议协商待定。5）对象表（1）三元里由通风空调

21、提出，节能控制系统负责实施的传感器、二通阀、变频器等设备：18序号设备数量规格要求位置1电动二通阀MOV-122DN125更换站厅环控机房,组合式空调器回水管MOV-353DN100新增支走道支管回水主管2水流量传感器F-11DN200新增站台冷水机房,冷冻水主管F-21DN250新增站台冷水机房,冷却水主管F01监视各类参 数，二通变频器P01确定工艺安装位置，传感器及二通阀工艺要求、精度、量程等参数要求提供设备，负责安装F02制冷机、风冷冷水机组状态P02负责提供制冷机及风冷冷水机组参数参数F03节能控制P01、 P02、 P03提供设备工艺要求和基本节能方案，与节能控制系统共同制定控制策

22、略。按照工艺要求完成控制策略制定，并进试19F-342DN125新增站厅环控机房,组合式空调器供水管F-573DN100新增支走道支管供水主管3水系统压差传感器P-122新增站厅环控机房,组合式空调器供回水管P-353新增支走道支管供回水主管4公共区温湿度传感器4新增5公共区 CO2传感器4新增6水系统温度传感器T14新增7水系统压力传感器P8新增8风系统温湿度传感器T8新增9风系统压力传感器P2新增10变频器530KW新增722KW新增27.5KW新增215KW新增21.5KW新增11区间感温光1新增区间（三元里两侧）（2）三元里由通风空调主要设备及相关参数20序号设备数量规格要求工作方式位置1制冷机2冷量 679kW;功率:127kW2冷却水泵CWP-133流量 150m3/h;扬程 35m;功率 30kW更换原设备(