S7-1500在地铁站综合环境控制系统中的应用

苏锴 张宏云

（众业达电气股份有限公司 汕头）

Application of S7-1500 in MTR integrated environmental control system

［摘要］ 本文描述了采用西门子S7-1500 PLC等自动化产品在地铁站环境控制系统实现自动化控制的应用。本系统以“总体规划、分步实施、注重实效”为原则，利用自动化技术手段将控制对象模块化、数据化，并通过对系统数据流的实时检测来实现对整个系统智能控制。

由于本系统控制单元分布在多个控制柜当中并且控制点数比较多，而且控制对象分散，因此采用分布式I/O、PROFIBUS总线通信和PROFINET通信相结合的构架方式来实现系统控制。利用TIA V14（博途）集成开发环境实现快速组态、高效编程和调试，为地铁站综合环境控制问题提供了高效可靠的解决方案。

［关键词］ 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、项目简介

本项目是成都地铁1号线三期工程，作为成都地下公共交通的南北走廊，北至北三环片区，南到天府新区腹地科学城，以最快的速度用地下有轨交通串联起成都市的“双中心”，是实现“双核共兴，一城多市”网络城市群发展格局的重要线路。

1号线三期工程作为1号线南延线工程在城市发展南北走向主轴上的延伸工程，对促进成都轨道交通加速成网意义重大。

该工程由北段、支线段和南段三部分组成，线路主要沿天府大道敷设，全为地下线，线路全长约18.68km，设站13座，其中换乘站6座。

所有车站环境控制系统分为A、B两端，车站每端系统中均使用了西门子S7-1500系列的PLC,以及ET 200SP分布式I/O、G120变频器、SIMOCODE、TP1500人机界面。其中XX站使用西门子S7-1500 PLC 2台，G120变频器8台，SIMOCODE马保24台、ET 200SP 16套,2块HMI人机界面触摸屏。图1为五根松站、红石公园站总控室，图2为环境设备控制室现场。

图1 五根松站、红石公园站总控室

图2 环境设备控制室现场

二、控制系统构成

1.硬件列表(见表1)

表1 控制系统硬件列表

2.设备网络图（见图3）

图3 设备网络图

从以上信息可以看出本系统由7部分硬件构成，分别为HMI、PLC、ET 200SP、G120、SIMOCODE、CM 1542通信模块、交换机。

地铁环境控制系统通过PLC与现场各控制单元进行通信，实现控制、实时数据管理，并向本地和BAS监控系统提供开放的数据服务接口，通过冗余网络与BAS监控系统进行通信，实现对整个控制系统的实时监控。地铁环境控制系统不仅实现对地铁不同时段和季节的温度控制，对设备运行工况的监控，对运行异常设备的及时预警，还能增强对火灾等突发事件的应变抵御能力以及地铁其他设备的联动控制。

环境控制系统主要控制对象有单/双速风机、双向射流风机、隧道风机、空调、电动风阀、调节阀等，主要控制单元为电动机保护器、软起动器、变频器、PLC、多功能仪表、双电源切换装置等。

控制系统为以控制单元、现场总线和PLC为基础的分布式控制系统，现场控制单元通过多条现场总线与PLC相连并进行数据交换，PLC作为控制核心对各个控制单元状态进行监控并通过相应控制策略对现场设备实施控制。

控制系统分为A、B两端，每一端对应一套控制系统并独立运行，每端各设有一台HMI人机界面，同一台HMI可对A、B两端设备状态进行监测，当控制权在HMI时，可通过HMI人机界面对现场设备下发控制指令（包括单设备控制和模式运行组合）。当控制权在BAS时，HMI只负责状态数据显示，不能对设备进行控制指令下发。

三、控制系统完成的功能

地铁环境控制系统涉及的控制对象主要包括：开关阀、调节阀、空调系统、风机（通风、排烟），因此在系统设计时将控制对象分为三大类：开关阀类、调节阀类和电机类。利用博途集成开发环境可快速进行系统硬件组态。控制程序架构设计思路是将各个控制对象创建数据结构（见图4）描述并建立控制对象模型集合［DB（数据块）］，控制对象模型中包含控制属性。

图4 项目树

在实际编程过程中，以自定义结构数据对PLC数据类型进行扩展，DB（数据块）中的成员对象变量类型全部为数据结构类型，编写链路数据接口程序将实际硬件和DB（数据块）互相关联。在整个系统控制过程中，全面引入“面向结构”和“面向对象”的编程思想，以数据为驱动，配合逻辑控制算法对硬件进行实时控制。

本系统控制程序采用模块化编程方式，逻辑控制部分采用梯形图，数据链路程序、控制算法和模式运行组合控制程序采用SCL编写（SCL可以编写出结构清晰的复杂算法和复杂的过程控制程序）。按照系统功能，编写相应的FC接口控制程序，对数据对象进行分装，可重复调用。

项目中有一部分是与车站控制室的BAS系统进行通信，BAS系统（见图5）采用AB公司的冗余系统PLC。双方通过Anybus X-gateway网关进行连接。可以实现S7-1500 PLC的PROFINET协议与ABPLC的Modbus-TCP之间无缝内部连接。

但是Anybus X-gateway支持报文长度只有512B，而我们需要交互的内容是656B，所以需要自己做分包发送程序和识别机制。

Anybus X-gateway网关在项目中使用两个，一个工作，一个待命。当其中一个通信有故障就切换到另外一个，并报警。确保通信不会中断。由于网关自身没有冗余硬件设置，所以这也需要在程序里做软冗余程序判断。

图5 BAS系统采用AB的冗余PLC

对于分包发送，我们在每一包数据里定义一个标志位标志当前是第几包数据。并规定BAS接收到数据包后回复响应接收完成的数据包编号，当我们接收到BAS反馈的数据接收完成编号后就发送下一包数据。底层程序如图6所示。

图6 分包发送程序

程序里面用到了AT继承这个指令，这个在数据处理是很好用的指令。S7-1500PLC与AB PLC数据的高8位和低8位需要互调，几百个数据如果一一用SWAP指令那是很麻烦的。这里也可以用AT继承这个指令来完成，只需两三行代码就可以。如下：

在通信数据里定义一个心跳位，双方都监控这个心跳信号，如果心跳信号消失说明通信出现问题。程序会切换到另外一台网关的IP 地址进行数据传输，如图7所示。

图7 高低字节转换程序

软件编程特点：采用“面向结构”和“面向对象”的编程思想，将控制对象结构化、数据化，用对象模型描述控制对象。以数据为驱动，配合逻辑控制算法，动态调用接口程序。采用混合编程方式，弥补梯形图编程的局限性，在庞大的控制系统中使控制程序结构清晰，模块化设计执行效率高。

还有现成的诊断模块DeviceStates（见图8）可以轻松检测设备网络连接情况，及时处理故障，可以实时监控组态的DP站点情况和PN设备情况。图8是用DeviceStates嵌套做的一个检测网络上设备情况的程序块。

图8 组态网络诊断

程序控制流程图如图9所示：

图9 程序控制流程图

四、地铁环境控制系统

下面对整个地铁站环境控制系统做一个简单描述。

1.单设备控制

即完成对现场单设备进行控制；控制指令有两个来源：①当控制权在BAS（环境与设备监控系统）时，控制指令由BAS下发（通过BAS接口）；②当控制权在本地时，控制指令由本地发出（HMI）。

2.模式运行控制

即按照系统工艺图对整个系统进行自动控制。正常运行时包括三种模式：大系统模式、小系统模式、隧道风系统模式，每一种模式都对应一张工艺图，每一张工艺图又分多钟设备组合方式。在系统运行时PLC根据BAS下发的“模式号”选择对应设备组合并对控制对象实施控制。三种模式独立运行。

（1）大系统模式（见图10）

图10 大系统运行模式表

根据室外新风焓值按三种工况运行：室外空气焓值大于站厅、站台设计参数平均值的焓值（暂定为 61.46kJ/kg，可调）时，按小新风空调工况运行；室外空气焓值介于室内焓值与机器露点焓值（暂定为47kJ/kg，可调）时，按全新风空调工况运行；小于机器露点焓值时按通风工况运行。为避免工况频繁转换，每种工况连续运行时间不应少于1h（可调）。

两端系统分别（对称）设置传感器，形成相互独立的控制闭环。故两端系统在采用相同工况的前提下，不必捆绑执行相同的运行模式号。

空调工况（含小新风和全新风）下，根据室内焓值实测调节风机频率及二通阀的开度。两个变量的运算原则为：减载时“先风后水”，加载时“先水后风”，室内焓值实测值为负偏差时，先降低风机频率，至变频下限后风机保持该频率值，再逐渐关小二通阀的开度；反之，正偏差时，先开大二通阀的开度，至全开后再逐渐升高风机频率。

每端空调机房内设小新风和全新风两个新风阀。其中，小新风阀为连续量调节型风阀（MDA），全新风阀为开关量风阀（MDD）。小新风空调工况下，根据公共区实测CO₂浓度实时调节小新风阀以实现新风需求控制。全新风空调及通风工况下，两个新风阀均全开。

通风工况时，打开旁路上的电动风阀。

出入口通道、银行-自动取款机及售票机后部空间设置风机盘管。所有风机盘管均由人工操作其自带的温控器设定运行参数及控制开、关。银行-自动取款机及售票机的盘管空调季每日24h运行，出入口通道的风机盘管（组）在配电箱中设置时间继电器，非运营时段统一关停。

（2）小系统模式

所有的风机盘管均由人工操作其自带的温控器设定运行参数及控制开、关。

正常运行工况下，根据各焓值传感器实测值按PID算法调节相应柜式风机盘管出水管上的电动二通阀。各子系统形成独立的闭环控制，不捆绑执行相同的运行模式号。

（3）隧道风系统模式

正常运营时段内，始终保持活塞风阀开启。按日轮换开启单、双号隧道风机。车站隧道排热风机运行时根据感温光纤实测的车站段隧道温度进行线性控制，隧道温度低于30°（可调）时则隧道排热风机停机。隧道风系统包括区间隧道风系统及车站隧道排热系统。

五、项目运行

系统于2017年5月设计完成，2018年2月已进入试运行阶段。

六、应用体会

本系统硬件上有接近1500个检测控制点，因此系统选用了S7-1500加ET 200SP分布式IO，这样可以让控制模块分布在不同的控制柜中，不限位置而灵活地组成庞大的控制系统，每个控制柜里的ET 200SP再把检测信号通过PN传送到主电柜里的S7-1500进行处理。PROFINET和PROFIBUS-DP同样适用于长距离的信号传输，其抗干扰能力很强，这样就轻松地解决了信号的集中处理与信号采集点的分布安置。

软件使用上，博途集成开发环境为S7-1500提供了丰富的可以调用的库文件和程序包，这样大大缩短了编程的时间，同时减少了程序的调试和错误。博途支持PLC自定义结构数据类型，利用DB数据块作为数据仓库，运用灵活多样的编程方式，可大大提高编程效率。S7-1500与ET 200SP配合使用对于地铁环境控制项目是一个很好的解决方案，既能解决分散数据采集，又能实现集中控制的要求，高速通信总线也能保证控制和数据的实时性。

参考文献

［1］ 西门子（中国）有限公司.SIMATIC S7-1500、ET 200MP、ET 200SP、ET 200AL、ET 200pro、ET 200eco PN 模拟值处理［Z］.

［2］ 西门子（中国）有限公司.SIMATIC S7-1500 入门指南［Z］.