楼宇设备自动化监控技术在地铁机电设备中的应用

北京地铁机电设备众多,包括通风空调系统、给排水系统、动力照明系统、自动扶梯等设备设施。设备正常运行非常关键,这就要求车站管理人员对车站内各类设备实行有效的控制,以保证车站设备的正常运转。很显然依靠增加管理人员数量来加强设备的管理是不能适应现代企业运营机制要求的,而且会降低设备监控的有效性。为此,我们在地铁一号线和复八线分别设置了机电设备自动监控系统。此系统对机电设备实行实时数据采集、数据存储、数据统计及自动监控等,从而可以实现全系统的*优控制和优化管理,使机电设备的运行管理更具合理化、规范化、科学化,降低了设备的运营及维修成本,提高了机电设备的自动化管理水平,为地铁设备的自动化监控管理开辟了一条新路。但是,两套系统在应用中也暴露出了一些问题。本文仅就系统的应用情况、出现的问题和改进意见等进行介绍。

 

1 楼宇设备自动化监控技术简述
  机电设备自动化监控系统实际上是从楼宇设备自动监控技术引伸而来的,为此我们在介绍地铁机电设备自动化监控系统之前,首先介绍一下智能大厦中的楼宇设备自动监控技术。

1.1 楼宇设备自动化监控技术的发展
  楼宇设备自动化监控的发展史,是一个从监控到管理的发展史。国外早在数十年前就有超高层大楼了,一栋大楼内的设备非常多,各种专业系统同时共存,如空调系统、给排水系统、变配电系统、消防系统等等,操作和运行这些系统,便成了一个大问题。在当时的技术条件下,只能采用大型仪表集中盘对各个重要设备的状态进行监视,并通过操作盘进行集中式的操作。80年代,微电脑技术的发展突飞猛进,大楼内部的中央监控系统也开始起了变化。由于信号传送技术的进步,对楼内各种设备的状态监测不必再一对一地配置线路了。一对信号线路就可传送多种信号,所有的设备状态都可以显示于中央监控室内,很容易进行操作和管理,既节省了人力,又提高了效率。

  但是在控制功能方面,由于当时的现场控制器价格昂贵,功能也不完善,所以大部分系统运算及处理功能仍需集中到中央控制室内由计算机主机进行处理,使系统的监控管理功能过于集中,降低了系统的可靠性,同时加重了系统的工作负担。当时中央监控系统的功能,多限于初级的设备状态变化显示、时间表和直接控制管理,以及对现场传送来的数据进行运算。

  如今,以前需要由中央监控主机完成的功能,已由一些低价格、高处理能力的现场控制器取代,中央监控室的操作人员,只要下达所需要的指令,现场控制器就会自动参考其它数据进行演算并控制相关的设备,以达到操作者的要求。这样一来,中央监控系统和主机,就不需要再负担大量的数据运算工作,而中央监控的功能也逐渐由控制改为提供各种数据报表和专项的统计文件。此时,"中央监控系统"的名称就逐步改为"中央管理系统"。其涵盖的范围也由以前的集监视、集中控制,扩大到集中监视、集中管理、分散式控制,即集散型控制方式。至此楼宇设备自动化监控技术产生了质的飞越。

1.2 楼宇设备自动化监控系统
  通常楼宇设备自动化系统(Building Automation System-BAS)包括空调系统、给排水系统、变配电系统、照明系统、电梯系统等。其基本功能是对各种系统机电设备的运行状态进行监视。故障报警和启停控制,以及相应的节能管理,可以取得节省能源和人力资源的良好效益。

  归纳起来,楼宇设备自动化监控系统具备三个基本特点:

(1)集中操作管理与分散性控制,控制功能分散,负荷分散,从而分散了系统的危险性,提高了系统的可靠性。
(2)各层工作站之间可以很方便地相互交换信息,形成计算机监控系统的信息管理一体化,以便更好地完成控制系统的总体功能和优化处理。
(3)系统的硬件和软件采用开放式、标准化和模块化设计,具有灵活的组态,配置能力强。

  总之,楼宇设备自动化控制系统作为智能大厦的一部分,向人们提供**的、高质量的、安全、舒适、快捷的综合服务功能。它以其独特的高适应性、高灵活性和高可靠性,得到了世界的广泛应用,它是现代高科技的结晶。

2 楼宇设备自动化控制技术在地铁机电设备中应用
  在54km的地铁沿线上分布着各类机电设备,它们为地铁的安全运营及营造舒适的运营环境提供了保证。但由于分布广,地下环境恶劣,设备的科学化运行、管理、维修便成为十分棘手的问题,而基础设备的监控手段落后,与现代化的企业发展趋势不相适应。这解决以上问题,地铁引入了楼宇设备自动监控技术,通过先进的检测与计算机控制技术对地铁车站内各类机电设备实行群控,使整个系统实现资源的节省,达到智能化控制的效果。地铁机电设备环控自动化监控系统即为此技术应用的具体体现。

2.1 地铁一号线环控自动化监控系统
  北京地铁一号线环控自动化监控系统,是1997年由北京地铁公司与太极计算机公司联合研制开发成功的机电设备自动监控系统,它由中央控制级和车站控制级二级监控组成,中央级集中监控管理。其主要任务是完成对一号线14个车站(复兴门站-高井站)及区间地下通风系统、给排水系统、环境监测系统、地下管网、自动扶梯等系统设备设施进行自动控制与管理。此系统预留与车站防灾系统接口,能够接受防灾系统的报警信息及指令,做防灾灭火联动运行。

  系统主要由主机(热备份)、切换单元、I/O输入输出通道、模拟显示屏、系统打印机及车站子系统控制机柜组成。其网络构成为星形拓朴结构,其数据传送为点对点传递方式,通讯接口为RS-232串行接口,传递速率为2400bps,通讯电缆采用阻燃双屏蔽四芯双绞线电缆。主要产品为太极计算机公司生产,监控总点数约为700余点,所控设备约110余台。

2.2 复八线环控自动化监控系统
  复八线环控自动化监控系统,采用美国霍尼韦尔公司提供的楼宇智能自动控制产品,它由中央控制级和车站控制级二级监控组成。此系统实行中央级集中管理,车站级分散控制的原则。其主要任务是完成对复八线9个车站(西单站-大望站)及区间地下通风空调系统、给排水系统环境监测系统、自动扶梯等系统设备设施进行自动控制与管理。且此系统与车站防灾系统经通讯联接,接受防灾系统的报警信号及灭火指令,做防灾灭火联动运行。

  系统主要由双主机(热备份)、I/O输入输出通道、数字投影仪、系统打印机及车站子系统主机、、现场控制器等组成。其网络构成为总线拓朴,其数据传送为令牌传递方式,通讯接口为RS-422串行接口,传递速率为9600bps,通讯电缆采用光纤电缆,。其监控总点数约为6234点,所控设备约为1293台。

  地铁复八线机电设备自动监控系统,它的突出特点是集设备监控、防灾灭火、CCTV电视监控为一身,真正体现出自动化监控系统的强大功力。

  上述的两套自动化监控系统经测试系统的综合技术指标为:

遥控成功率≥99.9%
遥控指令传递时间<0.1秒
通讯误码率≤10-5(信杂比17db时)
遥测精度误差:
温度±0.5℃
相对湿度±5%
电参数≤1%
系统平均无故障工作时间>8000小时
  其技术性能各项指标能符合系统的设计及使用要求,对各种机电设备的监控和各种数据检测均做到了高准确性和正确性,系统可靠性和高效性也是十分显著的。

  总之,地铁机电设备自动监控系统是以计算机为基础的自动化系统,通过计算机系统对所控设备的运行情况进行实时监控与动态跟踪分析。同时根据运营要求对这些设备发出的相应指令进行动态调整,使系统运行保持高稳定性。此系统的应用已收到了一定效果,地铁一号线各车站的机电设备管理人员已减至原来的一半,复八线目前也在进行设备管理人员的结构调整,力争取得*优化的人力物力资源配置,直接节约了人力物力资源。同时设备的管理水平上了一个新台阶。可见自动化监控系统的应用,大大地降低了机电管理的人力物力消耗及工人的劳动强度,提高了工人的维护、检修安全系数及设备的自动化运行管理水平。

  设备自动化控制系统在应用过程中也暴露了一些问题,需要我们进一步分析解决。

  北京地铁设备自动化监控系统多为直流24V设备及元器件,其敏感元件极易受到电磁场的干扰。地铁一号线环控自动化控制系统曾出现的异常现象就说明了此问题。
(1)列车进、出站的一瞬间,车站监控主机CRT屏幕显示画面常出现严重扭曲及变色现象;
(2)风机正常运行电流及水池液位模拟量信号有时同时出现虚假信号显示(如:电流>300A,液位深度>水池深度)。
上述问题,笔者认为由以下几个原因造成:
(1)北京地铁采用的是三轨上部接触受流方式,其供电电压为750V直流,列车在行进过程中产生瞬间电弧,三轨断电区域犹为严重,由此而带来的电磁干扰影响范围较大;
(2)一号线环控自动化监控系统其设备及屏蔽电缆均采用悬浮地方式(由于老线的现有条件所限),悬浮地易产生静电积累和静电放电,同时屏蔽电缆采用悬浮地方式也大大地降低了其屏蔽效能;
(3)地铁的设备分布较集中,运行环境较差,高、低压及强弱电常有相互交叉或同区域敷设现象,相互间的干扰难于避免,此电磁环境是由多个电磁干扰源构成的综合电磁环境。

  本系统虽然对干扰问题采取了一些解决措施,但由于对上述一些问题如:列车行进时产生的瞬间电弧等造成的影响考虑不够,致使效果不理想。建议针对地铁的实际情况,对此系统的设备和元器件信号输入端加强光电隔离、变压器隔离和信号滤波等相应的处理措施。易受到干扰的信号电缆应加穿金属管路,并做好管路及屏蔽电缆的接地处理,提高对电缆的屏蔽保护作用,在出入箱、柜处做好强弱电的隔离处理。

3.2 机电设备与自动化控制系统不相适应的问题
  在机电设备自动化控制系统应用过程中,经常出现部分设备不能完全实施自动控制的现象。比如复八线空调系统,在实施自动控制开启设备前后,有些阀门或开关需人为打开、关闭。另外,一号线环控自动化监控系统,在对污水泵实施自动控制的过程中,需要人工到现场放气……这些无疑会阻碍自动控制功能的实现,降低系统的使用效率,使其不能充分发挥应有的作用。建议对此类机电设备设施进行相应的改造,同时在设备选型时考虑与自控系统的配套问题,使之适应自动控制系统的要求。

  由于地铁运营环境比较恶劣,粉尘密度高于一般的楼宇环境,同时粉尘所含的成分也十分复杂,由此造成自动控制系统设备元器件常受到粉尘的侵蚀、过早的老化或损坏。另外由于粉尘造成的静电感应使设备受到不同程度的干扰。建议易受侵蚀的设备箱柜在不影响其散热的前提下加装高质量的密封条,做好密封防尘处理。同时应对此类设备定期进行清扫、吹、吸尘处理,在维护过程中还可以在其受侵蚀部件上喷洒电子器件清洁液,保持元器件的清洁。另外,可在设备机柜中加装粉尘自动吸附装置,将产生的粉尘及时处理掉,使元器件得到相应的保护。

  在复八线环控自动化监控系统中,多数产品采用的是美国霍尼韦尔公司生产的原装自控元器件,如各种模块、探测器等。由于其价格昂贵,一般储备量较少;又由于其封装严密,不具备可维性;故此类设备一旦损坏,更换修复的周期长,影响系统的正常运转。目前我国的电子元器件及各种探测器等产品的加工工艺和产品质量均有很大提高,多数能与国外的产品相媲美,地铁一号线机电设备自动化监控系统其国产元器件应用即说明了此问题。建议在今后的应用中注重于产品的国产化问题,不断地探索产品国产化的新路,改变其被动状况。

  在地铁一号线和复八线环控自动化监控系统应用中,均存在与其它系统(如防灾系统)或元器件不兼容的问题。这里包含两个方面:其一是各家的产品不具有通用性,使系统在应用中,其元器件的更换选型受到局限。其二是各集成商家的技术保密,通讯协议不公开,使系统间不能实现联网通讯,系统资源不能共享。随着自动化监控技术日趋成熟,各集成商家从中看到了发展的机遇,同时也发现了自身产品的缺憾。产品的不通用性及系统的不兼容性,大大限制了自身事业的发展。为此世界各大集团公司和用户,均在呼吁产品的标准化、通用化,并为此付出努力。建议今后将产品的通用性及系统通讯协议的开放性指标作为系统中标的重要条件之一。

3.6 维护、检修技术水平过低
  地铁一号线环控自动化监控系统已运行近四年的时间,复八线环控自动监控系统已调试运行了近二年的时间。智能化、自动化监控技术对地铁来说是一门新技术,而现有的维护、检修人员技术水平,远远不能满足系统正常运转的需要。建议各级管理层在调整职工文化知识结构的同时,注重于职工的专业技术培训,加大培训力度;坚持考核和持证上岗制度,并保持操作管理人员的相对稳定;尽快建立一支具有一定的专业知识,懂管理、懂维修、会使用的技术队伍,提高系统的维护、检修和管理水平。

4 自动化监控技术在地铁的应用前景展望
  北京地铁在今后的改制转轨过程中,将不断地深化改革。而新技术的不断应用,又是地铁改革能否成功的重要因素。降低运营成本,降低各种消耗,节省人力和物力资源,其重要的途径之一就是不断地应用新技术,不断地进行技术**。

  地铁轨道交通车站设备控制体系是由许多要素或子系统构成,各要素和子系统之间必须能顺利进行包括物质、能量和信息等在内的要素传递与交换,真正实现信息、资源和任务的共享,达到多快好省的经济、高效、安全的目标。自动化监控技术在地铁机电设备中的应用,仅仅在自动化、智能化方面迈出了一小步,在产品智能化、一体化、标准化的国际市场潮流中,我们有理由相信,智能化技术的发展与应用将成为我国乃至世界的发展目标。

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