引言

地鐵BAS系統(tǒng)是地鐵機(jī)電設(shè)備的自動(dòng)化監(jiān)控管理系統(tǒng)。現(xiàn)階段大部分高職院校城軌機(jī)電專業(yè)的地鐵BAS系統(tǒng)課程授課過(guò)程中存在教學(xué)情境缺乏、教學(xué)體驗(yàn)差、實(shí)訓(xùn)操作場(chǎng)地受限、實(shí)訓(xùn)操作設(shè)備耗材成本較高、重復(fù)利用率低等情況。本文結(jié)合地鐵BAS系統(tǒng)檢修崗位技能要求,開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一種基于Niagara軟件平臺(tái)的地鐵BAS實(shí)訓(xùn)系統(tǒng),使學(xué)生能使用主機(jī)對(duì)軟件場(chǎng)景進(jìn)行編程控制與接收反饋,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力具有十分重要的意義。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)以集中管理、分散控制為設(shè)計(jì)思想,基于Niagara軟件平臺(tái),設(shè)計(jì)了3層分布式地鐵BAS實(shí)訓(xùn)系統(tǒng),分為現(xiàn)場(chǎng)層、控制層和管理層?，F(xiàn)場(chǎng)層為各類開(kāi)關(guān)、傳感器、閥門(mén)、風(fēng)機(jī)、工作照明、廣告照明、出入口照明等設(shè)備:控制層主要是空調(diào)送回風(fēng)控制PLC及照明控制PLC:管理層由網(wǎng)絡(luò)控制器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、Niagara工控機(jī)及編程電腦組成。系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

其中,編程電腦通過(guò)網(wǎng)線直連PLC控制器進(jìn)行在線編程,PLC控制模塊通過(guò)硬線與最底層的各類傳感器、閥門(mén)、照明等設(shè)備進(jìn)行連接,完成PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的聯(lián)動(dòng)調(diào)試工作,PLC控制器基于RS485通信接口配置BACnetMS/TP協(xié)議或ModbusRTU協(xié)議,與網(wǎng)絡(luò)控制器聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換,網(wǎng)絡(luò)控制器與Niagara工控機(jī)通過(guò)交換機(jī)相連,完成系統(tǒng)智能化集成管理。

2系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件主要由空調(diào)送回風(fēng)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、PLC、網(wǎng)絡(luò)控制器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、Niagara工控電腦、編程電腦組成。主要設(shè)備要求如下:

2.1.1PLC

選用SIEMENSS7-400系列產(chǎn)品,不要求冗余配置,采用模塊化結(jié)構(gòu),包括CPU、電源、通信、I/o和底板等部件。PLC的CPU處理I/o的最大能力應(yīng)為實(shí)際I/o總點(diǎn)數(shù)4倍以上,數(shù)字量不少于64K,模擬量不少于4K,能夠提供10M/100M以太網(wǎng)接口以及符合國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的各類現(xiàn)場(chǎng)總線接口,滿足網(wǎng)絡(luò)通信及PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信的要求。

2.1.2智能交換機(jī)

采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī),交換機(jī)端口數(shù)量應(yīng)滿足要求,要求至少提供2個(gè)單模光口,4個(gè)以太網(wǎng)電口,速率不小于100Mbps。

2.1.3網(wǎng)絡(luò)控制器

采用JACE8000,直接與PLC控制器通信獲取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)信息,并與Niagara上位機(jī)工作站通信,以便Niagara工控機(jī)通過(guò)獲取Jace網(wǎng)絡(luò)控制器工作的數(shù)據(jù)信息間接讀取PLC控制器監(jiān)控點(diǎn)位的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

2.1.4Niagara工控機(jī)

Niagara是Tridium公司所研發(fā)的設(shè)計(jì)用于解決設(shè)備連接應(yīng)用的軟件框架平臺(tái)技術(shù)。Niagara工控機(jī)作為上位機(jī),具備服務(wù)器功能,可以實(shí)現(xiàn)采集網(wǎng)絡(luò)控制器數(shù)據(jù)和對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制器發(fā)出控制指令,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.2PLC控制與組態(tài)編程的實(shí)現(xiàn)

以下以空調(diào)送回風(fēng)監(jiān)控子系統(tǒng)為例,闡述系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)流程。

2.2.1PLC邏輯控制實(shí)現(xiàn)

（1）建立空調(diào)送回風(fēng)系統(tǒng)I/o分配表,如表1所示。

（2）根據(jù)控制需求,進(jìn)行PLC邏輯控制編程。制冷模式冷水閥、加濕閥、新風(fēng)閥控制要求:

通過(guò)PID調(diào)節(jié),設(shè)定制冷模式的站內(nèi)目標(biāo)溫度、目標(biāo)濕度、目標(biāo)Co2濃度值,系統(tǒng)能根據(jù)實(shí)時(shí)溫度、濕度、Co2濃度值,對(duì)冷水閥、加濕閥、新風(fēng)閥進(jìn)行PID控制,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度高于目標(biāo)溫度、實(shí)時(shí)濕度低于目標(biāo)濕度、實(shí)時(shí)Co2濃度比設(shè)定的目標(biāo)Co2濃度大時(shí),增加冷水閥、新風(fēng)閥開(kāi)度:實(shí)時(shí)溫度低于目標(biāo)溫度、實(shí)時(shí)濕度高于目標(biāo)濕度、Co2濃度比設(shè)定的目標(biāo)Co2濃度小時(shí),減少冷水閥、加濕閥、新風(fēng)閥開(kāi)度。

從以上的控制要求中可知,此控制邏輯需要用到設(shè)定目標(biāo)值、采集實(shí)時(shí)值、閥門(mén)控制(開(kāi)度調(diào)節(jié)）、PID算法這4個(gè)核心部分,PID控制算法的表達(dá)式如下:

式中,KP為比例增益:7l為積分時(shí)間常數(shù):7D為微分時(shí)間常數(shù):U(1）為控制量(控制器輸出）:e(1）為被控量和設(shè)定值的偏差。

冷水閥控制邏輯簡(jiǎn)述如下:手動(dòng)建"設(shè)定溫度"軟件點(diǎn)與PLC溫度采集輸入,利用已集成PID的核心算法組件,將PID算法組件的"kp/ki/kd/max"屬性分別設(shè)置為"0.5/50/l00/l00",其他按缺省設(shè)置即可。當(dāng)送風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)"SFSta"為"oN/true"時(shí),選擇輸出結(jié)果到冷水閥控制點(diǎn)"CVMod":否則,不輸出。

使用與建立冷水閥控制邏輯相同的方法,實(shí)現(xiàn)濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)的加濕閥PID調(diào)節(jié)控制邏輯和Co2濃度自動(dòng)調(diào)節(jié)的新風(fēng)閥PID調(diào)節(jié)控制邏輯。

此外要求送風(fēng)機(jī)在系統(tǒng)上可以根據(jù)時(shí)間表和系統(tǒng)手動(dòng)分別進(jìn)行控制,其控制邏輯如圖2所示,不再一一贅述。

2.2.2Niagara組態(tài)編程

實(shí)現(xiàn)控制層PLC對(duì)現(xiàn)場(chǎng)層各設(shè)備的數(shù)據(jù)采集后,需要建立控制層與管理層的通信,Niagara上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的建立實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

3結(jié)語(yǔ)

本文建立了由現(xiàn)場(chǎng)層、控制層、管理層構(gòu)成的3層分布式地鐵BAS實(shí)訓(xùn)系統(tǒng),控制層的功能主要由S7-400HPLC實(shí)現(xiàn),完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的第一次處理和收集,將底層設(shè)備的數(shù)據(jù)集中和處理后供管理層使用。管理層的網(wǎng)絡(luò)控制器通過(guò)BACnetMS/TP協(xié)議或ModbusRTU協(xié)議添加驅(qū)動(dòng)連接PLC,完成數(shù)據(jù)的第二次采集和處理,并將數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)工作站(服務(wù)站點(diǎn)）,上位機(jī)工作站提供用于人機(jī)交互的圖形接口,系統(tǒng)通過(guò)該接口向操作者顯示設(shè)備狀態(tài)信息、運(yùn)行信息等。同時(shí)對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、設(shè)置、控制等。

通過(guò)聯(lián)動(dòng)測(cè)試證明,所設(shè)計(jì)的BAS實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)能夠可靠、穩(wěn)定運(yùn)行,其投資小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可面向?qū)W員開(kāi)展地鐵BAS系統(tǒng)檢修崗位技能培訓(xùn)。