地铁车站空调通风系统变频节能控制的设计

　　0 引言
　　地铁系统正常运行，除了要有驱动列车所必须的电力牵引系统外，还应有其他各种相应的设施，如空调通风系统、通信控制系统。地铁内的车站空调通风系统和隧道通风系统又称地铁环控系统，是地铁系统的一个重要组成部分，其任务就是通过控制车站和区间隧道内的温度、湿度、气流速度、二氧化碳浓度、含尘量和噪声，为乘客创造一个舒适安全的乘车环境，同时也为紧急工况和火灾事故下的人员安全疏散提供必要的措施。
　　地铁环控系统需要设置制冷设备、空调通风设备以及自控装置等，因此需要很大的用电负荷。根据资料统计，地铁空调设备的用电量一般相当于整个地铁运营系统用电量的 40% ，上海地铁二号线平均每座地下车站空调系统运行耗电量 37 万 kW·h/月[1] 。因此 ，如何降低空调能耗，减少地铁运行成本是地铁环控系统亟待解决的问题。
　　本文针对地铁车站空调通风系统进行研究，应用 PLC 控制器、变频器及 MODBUS 网络总线等设备设计了一套变频控制系统，采用 MODBUS 总线作为通信方式，并且应用 PLC 控制器的组态软件 CONCEPT 完成模糊控制算法的设计，实现离线编程、在线调试、电机远程控制等功能。
　　1 系统节能原理
　　车站空调通风系统包括：车站公共区空调通风系统 [2] ，设备及管理用房空调通风系统。对于某一车站而言，设备及管理用房空调冷负荷受车站结构型式、规模限制，不采用变频控制系统。笔者只针对车站公共区空调通风系统。图 1 为上海地铁四号线浦电路站公共区空调通风系统的左端图，图的右侧连接车站站厅、站台公共区。室外新风通过新风机送至“新回风混合室”，新风与回风混合后，经过“组合式空调机组”降温处理后送至车站站厅、站台等公共区。回 / 排风机将室内空气一部分送至“新回风混合室”重复利用，另一部分排至室外。
　　2 　变频控制系统设计
　　为了研究变频控制系统及分析控制算法对节能效果的影响，设计了一套变频控制平台，它能实现根据外界温度的变化，应用模糊控制算法 [5] ，通过 MODBUS 网络总线远程调整变频器的频率，从而改变风机的转速，达到节能目的。
　　2.1 　试验平台的搭建
　　目前实验室已建立了基本的试验平台，用于调试 PLC 与变频器和电机的通信。通过该试验平台可以方便地实现： PLC 对变频器和风机的控制;模糊控制算法的实现;程序数据的离线计算和在线查询。其硬件构成见图 2 ，器件清单如下：
　　电源： 220V 和 380V 交流电
　　CPS ： 140-CPS-114-20
　　风机： 鼓风机( 2.2kW 220V/380V )
　　变频器： ATV71HU55N4Z ( 5.5kW 380V/480V )
　　PLC ： 140-CPU-434-12 [6]
　　计算机： Windows
　　网络： MODBUS 总线
　　

　　在试验中，由 220V 交流电向计算机和 PLC 上的 CPS 电源模块供电;由 380V 三相交流电向 ATV71 系列变频器供电。计算机通过 MODBUS 总线与 PLC 控制器的编程接口连接，用于程序的下载与在线修改;变频器通过 MODBUS 总线与 PLC 控制器的通信接口连接。 PLC 根据温度信号控制变频器的输出频率值，变频器输出 380V 变频交流电向电机供电。 PLC 通过向变频器写入不同的指令来控制电机的运行状态。
　　2.2 系统流程图
　　系统主要由 6 个模块组成：系统自检、中断模块、采样模块、控制模块、变频器通信模块和风机控制模块。系统流程图见图 3 ，控制模块分为 PID 控制和模糊控制两种，图 3 中采用的是模糊控制模块，其中模糊控制模块包含 3 个子程序：模糊化子程序进行输入量的论域变换，将输入的精确量转化为模糊量;模糊推理子程序根据模糊规则库查出对应的输出值;解模糊子程序就是将模糊推理得到的控制量 ( 模糊量 ) 变换为实际可用于控制的精确量。
　　 　　2.3 　系统节能效果分析
　　本次变频控制节能系统在试验情况下运行，风机启动平缓，运行稳定。上午 9~12h 的风机的运行数据见表 1 。
　　表 1 风机运行数据
　　时间 t / h 9~10 10~11 11~12
　　温度 T / ℃ 29 30 32
　　频率 f / Hz 15 22 40
　　

　　这说明，流量仅降低 20% ，节电率高达 48.8% ，由此可见，使用变频器来控制风机的电机节电效果十分显著。当然变频器本身也消耗一定的能量，但由于其效果很好，耗能比例很小，大约在 2% ，因此在环控系统中采用变频调