S7-1500在地鐵站綜合環(huán)境控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

蘇鍇張宏云

（眾業(yè)達電氣股份有限公司汕頭）

Application of S7-1500 in MTR integrated environmental control system

［摘要］ 本文描述了采用西門子S7-1500 PLC等自動化產(chǎn)品在地鐵站環(huán)境控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動化控制的應(yīng)用。本系統(tǒng)以“總體規(guī)劃、分步實施、注重實效”為原則，利用自動化技術(shù)手段將控制對象模塊化、數(shù)據(jù)化，并通過對系統(tǒng)數(shù)據(jù)流的實時檢測來實現(xiàn)對整個系統(tǒng)智能控制。

由于本系統(tǒng)控制單元分布在多個控制柜當(dāng)中并且控制點數(shù)比較多，而且控制對象分散，因此采用分布式I/O、PROFIBUS總線通信和PROFINET通信相結(jié)合的構(gòu)架方式來實現(xiàn)系統(tǒng)控制。利用TIA V14（博途）集成開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)快速組態(tài)、高效編程和調(diào)試，為地鐵站綜合環(huán)境控制問題提供了高效可靠的解決方案。

［關(guān)鍵詞］ S7-1500、TIA 博途

［Abstract］ This article describes the use of SIEMENS,S7-1500,PLC and other automation products in the subway station environmental control automatic control applications.This system based on the overall planning and step-by-step implementation,pragmatic “principle,the use of automation technology means to control object module and data,realize intelligent control loop through the real-time detection of the system data flow.Because the system has many control points and dispersed control objects,the system adopts the framework of distributed I/O,PROFIBUS bus communication and PROFINET network communication to realize system control.Using TIA V14 integrated development environment to achieve rapid configuration,efficient programming and debugging,it provides an efficient and reliable solution for the subway station integrated environment control problem.

［Key Words］ S7-1500、TIA Portal

一、項目簡介

本項目是成都地鐵1號線三期工程，作為成都地下公共交通的南北走廊，北至北三環(huán)片區(qū)，南到天府新區(qū)腹地科學(xué)城，以最快的速度用地下有軌交通串聯(lián)起成都市的“雙中心”，是實現(xiàn)“雙核共興，一城多市”網(wǎng)絡(luò)城市群發(fā)展格局的重要線路。

1號線三期工程作為1號線南延線工程在城市發(fā)展南北走向主軸上的延伸工程，對促進成都軌道交通加速成網(wǎng)意義重大。

該工程由北段、支線段和南段三部分組成，線路主要沿天府大道敷設(shè)，全為地下線，線路全長約18.68km，設(shè)站13座，其中換乘站6座。

所有車站環(huán)境控制系統(tǒng)分為A、B兩端，車站每端系統(tǒng)中均使用了西門子S7-1500系列的PLC,以及ET 200SP分布式I/O、G120變頻器、SIMOCODE、TP1500人機界面。其中XX站使用西門子S7-1500 PLC 2臺，G120變頻器8臺，SIMOCODE馬保24臺、ET 200SP 16套,2塊HMI人機界面觸摸屏。圖1為五根松站、紅石公園站總控室，圖2為環(huán)境設(shè)備控制室現(xiàn)場。

圖1 五根松站、紅石公園站總控室

圖2 環(huán)境設(shè)備控制室現(xiàn)場

二、控制系統(tǒng)構(gòu)成

1.硬件列表(見表1)

表1 控制系統(tǒng)硬件列表

2.設(shè)備網(wǎng)絡(luò)圖（見圖3）

圖3 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)圖

從以上信息可以看出本系統(tǒng)由7部分硬件構(gòu)成，分別為HMI、PLC、ET 200SP、G120、SIMOCODE、CM 1542通信模塊、交換機。

地鐵環(huán)境控制系統(tǒng)通過PLC與現(xiàn)場各控制單元進行通信，實現(xiàn)控制、實時數(shù)據(jù)管理，并向本地和BAS監(jiān)控系統(tǒng)提供開放的數(shù)據(jù)服務(wù)接口，通過冗余網(wǎng)絡(luò)與BAS監(jiān)控系統(tǒng)進行通信，實現(xiàn)對整個控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控。地鐵環(huán)境控制系統(tǒng)不僅實現(xiàn)對地鐵不同時段和季節(jié)的溫度控制，對設(shè)備運行工況的監(jiān)控，對運行異常設(shè)備的及時預(yù)警，還能增強對火災(zāi)等突發(fā)事件的應(yīng)變抵御能力以及地鐵其他設(shè)備的聯(lián)動控制。

環(huán)境控制系統(tǒng)主要控制對象有單/雙速風(fēng)機、雙向射流風(fēng)機、隧道風(fēng)機、空調(diào)、電動風(fēng)閥、調(diào)節(jié)閥等，主要控制單元為電動機保護器、軟起動器、變頻器、PLC、多功能儀表、雙電源切換裝置等。

控制系統(tǒng)為以控制單元、現(xiàn)場總線和PLC為基礎(chǔ)的分布式控制系統(tǒng)，現(xiàn)場控制單元通過多條現(xiàn)場總線與PLC相連并進行數(shù)據(jù)交換，PLC作為控制核心對各個控制單元狀態(tài)進行監(jiān)控并通過相應(yīng)控制策略對現(xiàn)場設(shè)備實施控制。

控制系統(tǒng)分為A、B兩端，每一端對應(yīng)一套控制系統(tǒng)并獨立運行，每端各設(shè)有一臺HMI人機界面，同一臺HMI可對A、B兩端設(shè)備狀態(tài)進行監(jiān)測，當(dāng)控制權(quán)在HMI時，可通過HMI人機界面對現(xiàn)場設(shè)備下發(fā)控制指令（包括單設(shè)備控制和模式運行組合）。當(dāng)控制權(quán)在BAS時，HMI只負責(zé)狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示，不能對設(shè)備進行控制指令下發(fā)。

三、控制系統(tǒng)完成的功能

地鐵環(huán)境控制系統(tǒng)涉及的控制對象主要包括：開關(guān)閥、調(diào)節(jié)閥、空調(diào)系統(tǒng)、風(fēng)機（通風(fēng)、排煙），因此在系統(tǒng)設(shè)計時將控制對象分為三大類：開關(guān)閥類、調(diào)節(jié)閥類和電機類。利用博途集成開發(fā)環(huán)境可快速進行系統(tǒng)硬件組態(tài)?？刂瞥绦蚣軜?gòu)設(shè)計思路是將各個控制對象創(chuàng)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（見圖4）描述并建立控制對象模型集合［DB（數(shù)據(jù)塊）］，控制對象模型中包含控制屬性。

圖4 項目樹

在實際編程過程中，以自定義結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)對PLC數(shù)據(jù)類型進行擴展，DB（數(shù)據(jù)塊）中的成員對象變量類型全部為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型，編寫鏈路數(shù)據(jù)接口程序?qū)嶋H硬件和DB（數(shù)據(jù)塊）互相關(guān)聯(lián)。在整個系統(tǒng)控制過程中，全面引入“面向結(jié)構(gòu)”和“面向?qū)ο蟆钡木幊趟枷?，以?shù)據(jù)為驅(qū)動，配合邏輯控制算法對硬件進行實時控制。

本系統(tǒng)控制程序采用模塊化編程方式，邏輯控制部分采用梯形圖，數(shù)據(jù)鏈路程序、控制算法和模式運行組合控制程序采用SCL編寫（SCL可以編寫出結(jié)構(gòu)清晰的復(fù)雜算法和復(fù)雜的過程控制程序）。按照系統(tǒng)功能，編寫相應(yīng)的FC接口控制程序，對數(shù)據(jù)對象進行分裝，可重復(fù)調(diào)用。

項目中有一部分是與車站控制室的BAS系統(tǒng)進行通信，BAS系統(tǒng)（見圖5）采用AB公司的冗余系統(tǒng)PLC。雙方通過Anybus X-gateway網(wǎng)關(guān)進行連接?？梢詫崿F(xiàn)S7-1500 PLC的PROFINET協(xié)議與ABPLC的Modbus-TCP之間無縫內(nèi)部連接。

但是Anybus X-gateway支持報文長度只有512B，而我們需要交互的內(nèi)容是656B，所以需要自己做分包發(fā)送程序和識別機制。

Anybus X-gateway網(wǎng)關(guān)在項目中使用兩個，一個工作，一個待命。當(dāng)其中一個通信有故障就切換到另外一個，并報警。確保通信不會中斷。由于網(wǎng)關(guān)自身沒有冗余硬件設(shè)置，所以這也需要在程序里做軟冗余程序判斷。

圖5 BAS系統(tǒng)采用AB的冗余PLC

對于分包發(fā)送，我們在每一包數(shù)據(jù)里定義一個標(biāo)志位標(biāo)志當(dāng)前是第幾包數(shù)據(jù)。并規(guī)定BAS接收到數(shù)據(jù)包后回復(fù)響應(yīng)接收完成的數(shù)據(jù)包編號，當(dāng)我們接收到BAS反饋的數(shù)據(jù)接收完成編號后就發(fā)送下一包數(shù)據(jù)。底層程序如圖6所示。

圖6 分包發(fā)送程序

程序里面用到了AT繼承這個指令，這個在數(shù)據(jù)處理是很好用的指令。S7-1500PLC與AB PLC數(shù)據(jù)的高8位和低8位需要互調(diào)，幾百個數(shù)據(jù)如果一一用SWAP指令那是很麻煩的。這里也可以用AT繼承這個指令來完成，只需兩三行代碼就可以。如下：

在通信數(shù)據(jù)里定義一個心跳位，雙方都監(jiān)控這個心跳信號，如果心跳信號消失說明通信出現(xiàn)問題。程序會切換到另外一臺網(wǎng)關(guān)的IP 地址進行數(shù)據(jù)傳輸，如圖7所示。

圖7 高低字節(jié)轉(zhuǎn)換程序

軟件編程特點：采用“面向結(jié)構(gòu)”和“面向?qū)ο蟆钡木幊趟枷?，將控制對象結(jié)構(gòu)化、數(shù)據(jù)化，用對象模型描述控制對象。以數(shù)據(jù)為驅(qū)動，配合邏輯控制算法，動態(tài)調(diào)用接口程序。采用混合編程方式，彌補梯形圖編程的局限性，在龐大的控制系統(tǒng)中使控制程序結(jié)構(gòu)清晰，模塊化設(shè)計執(zhí)行效率高。

還有現(xiàn)成的診斷模塊DeviceStates（見圖8）可以輕松檢測設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接情況，及時處理故障，可以實時監(jiān)控組態(tài)的DP站點情況和PN設(shè)備情況。圖8是用DeviceStates嵌套做的一個檢測網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備情況的程序塊。

圖8 組態(tài)網(wǎng)絡(luò)診斷

程序控制流程圖如圖9所示：

圖9 程序控制流程圖

四、地鐵環(huán)境控制系統(tǒng)

下面對整個地鐵站環(huán)境控制系統(tǒng)做一個簡單描述。

1.單設(shè)備控制

即完成對現(xiàn)場單設(shè)備進行控制；控制指令有兩個來源：①當(dāng)控制權(quán)在BAS（環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)）時，控制指令由BAS下發(fā)（通過BAS接口）；②當(dāng)控制權(quán)在本地時，控制指令由本地發(fā)出（HMI）。

2.模式運行控制

即按照系統(tǒng)工藝圖對整個系統(tǒng)進行自動控制。正常運行時包括三種模式：大系統(tǒng)模式、小系統(tǒng)模式、隧道風(fēng)系統(tǒng)模式，每一種模式都對應(yīng)一張工藝圖，每一張工藝圖又分多鐘設(shè)備組合方式。在系統(tǒng)運行時PLC根據(jù)BAS下發(fā)的“模式號”選擇對應(yīng)設(shè)備組合并對控制對象實施控制。三種模式獨立運行。

（1）大系統(tǒng)模式（見圖10）

圖10 大系統(tǒng)運行模式表

根據(jù)室外新風(fēng)焓值按三種工況運行：室外空氣焓值大于站廳、站臺設(shè)計參數(shù)平均值的焓值（暫定為 61.46kJ/kg，可調(diào)）時，按小新風(fēng)空調(diào)工況運行；室外空氣焓值介于室內(nèi)焓值與機器露點焓值（暫定為47kJ/kg，可調(diào)）時，按全新風(fēng)空調(diào)工況運行；小于機器露點焓值時按通風(fēng)工況運行。為避免工況頻繁轉(zhuǎn)換，每種工況連續(xù)運行時間不應(yīng)少于1h（可調(diào)）。

兩端系統(tǒng)分別（對稱）設(shè)置傳感器，形成相互獨立的控制閉環(huán)。故兩端系統(tǒng)在采用相同工況的前提下，不必捆綁執(zhí)行相同的運行模式號。

空調(diào)工況（含小新風(fēng)和全新風(fēng)）下，根據(jù)室內(nèi)焓值實測調(diào)節(jié)風(fēng)機頻率及二通閥的開度。兩個變量的運算原則為：減載時“先風(fēng)后水”，加載時“先水后風(fēng)”，室內(nèi)焓值實測值為負偏差時，先降低風(fēng)機頻率，至變頻下限后風(fēng)機保持該頻率值，再逐漸關(guān)小二通閥的開度；反之，正偏差時，先開大二通閥的開度，至全開后再逐漸升高風(fēng)機頻率。

每端空調(diào)機房內(nèi)設(shè)小新風(fēng)和全新風(fēng)兩個新風(fēng)閥。其中，小新風(fēng)閥為連續(xù)量調(diào)節(jié)型風(fēng)閥（MDA），全新風(fēng)閥為開關(guān)量風(fēng)閥（MDD）。小新風(fēng)空調(diào)工況下，根據(jù)公共區(qū)實測CO₂濃度實時調(diào)節(jié)小新風(fēng)閥以實現(xiàn)新風(fēng)需求控制。全新風(fēng)空調(diào)及通風(fēng)工況下，兩個新風(fēng)閥均全開。

通風(fēng)工況時，打開旁路上的電動風(fēng)閥。

出入口通道、銀行-自動取款機及售票機后部空間設(shè)置風(fēng)機盤管。所有風(fēng)機盤管均由人工操作其自帶的溫控器設(shè)定運行參數(shù)及控制開、關(guān)。銀行-自動取款機及售票機的盤管空調(diào)季每日24h運行，出入口通道的風(fēng)機盤管（組）在配電箱中設(shè)置時間繼電器，非運營時段統(tǒng)一關(guān)停。

（2）小系統(tǒng)模式

所有的風(fēng)機盤管均由人工操作其自帶的溫控器設(shè)定運行參數(shù)及控制開、關(guān)。

正常運行工況下，根據(jù)各焓值傳感器實測值按PID算法調(diào)節(jié)相應(yīng)柜式風(fēng)機盤管出水管上的電動二通閥。各子系統(tǒng)形成獨立的閉環(huán)控制，不捆綁執(zhí)行相同的運行模式號。

（3）隧道風(fēng)系統(tǒng)模式

正常運營時段內(nèi)，始終保持活塞風(fēng)閥開啟。按日輪換開啟單、雙號隧道風(fēng)機。車站隧道排熱風(fēng)機運行時根據(jù)感溫光纖實測的車站段隧道溫度進行線性控制，隧道溫度低于30°（可調(diào)）時則隧道排熱風(fēng)機停機。隧道風(fēng)系統(tǒng)包括區(qū)間隧道風(fēng)系統(tǒng)及車站隧道排熱系統(tǒng)。

五、項目運行

系統(tǒng)于2017年5月設(shè)計完成，2018年2月已進入試運行階段。

六、應(yīng)用體會

本系統(tǒng)硬件上有接近1500個檢測控制點，因此系統(tǒng)選用了S7-1500加ET 200SP分布式IO，這樣可以讓控制模塊分布在不同的控制柜中，不限位置而靈活地組成龐大的控制系統(tǒng)，每個控制柜里的ET 200SP再把檢測信號通過PN傳送到主電柜里的S7-1500進行處理。PROFINET和PROFIBUS-DP同樣適用于長距離的信號傳輸，其抗干擾能力很強，這樣就輕松地解決了信號的集中處理與信號采集點的分布安置。

軟件使用上，博途集成開發(fā)環(huán)境為S7-1500提供了豐富的可以調(diào)用的庫文件和程序包，這樣大大縮短了編程的時間，同時減少了程序的調(diào)試和錯誤。博途支持PLC自定義結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型，利用DB數(shù)據(jù)塊作為數(shù)據(jù)倉庫，運用靈活多樣的編程方式，可大大提高編程效率。S7-1500與ET 200SP配合使用對于地鐵環(huán)境控制項目是一個很好的解決方案，既能解決分散數(shù)據(jù)采集，又能實現(xiàn)集中控制的要求，高速通信總線也能保證控制和數(shù)據(jù)的實時性。

參考文獻

［1］西門子（中國）有限公司.SIMATIC S7-1500、ET 200MP、ET 200SP、ET 200AL、ET 200pro、ET 200eco PN 模擬值處理［Z］.

［2］西門子（中國）有限公司.SIMATIC S7-1500 入門指南［Z］.