基于Niagara软件平台的地铁BAS实训系统设计与实践

引言

地铁BAS系统是地铁机电设备的自动化监控管理系统。现阶段大部分高职院校城轨机电专业的地铁BAS系统课程授课过程中存在教学情境缺乏、教学体验差、实训操作场地受限、实训操作设备耗材成本较高、重复利用率低等情况。本文结合地铁BAS系统检修岗位技能要求,开发设计了一种基于Niagara软件平台的地铁BAS实训系统,使学生能使用主机对软件场景进行编程控制与接收反馈,对培养学生的动手实践能力具有十分重要的意义。

1系统总体设计方案

本系统以集中管理、分散控制为设计思想,基于Niagara软件平台,设计了3层分布式地铁BAS实训系统,分为现场层、控制层和管理层。现场层为各类开关、传感器、阀门、风机、工作照明、广告照明、出入口照明等设备:控制层主要是空调送回风控制PLC及照明控制PLC:管理层由网络控制器、网络交换机、Niagara工控机及编程电脑组成。系统的总体架构设计如图1所示。

图1系统网络结构拓扑图

其中,编程电脑通过网线直连PLC控制器进行在线编程,PLC控制模块通过硬线与最底层的各类传感器、阀门、照明等设备进行连接,完成PLC与现场设备的联动调试工作,PLC控制器基于RS485通信接口配置BACnetMS/TP协议或ModbusRTU协议,与网络控制器联网实现数据交换,网络控制器与Niagara工控机通过交换机相连,完成系统智能化集成管理。

2系统具体设计与实现

2.1硬件设计

本系统硬件主要由空调送回风系统和照明系统等现场设备、PLC、网络控制器、网络交换机、Niagara工控电脑、编程电脑组成。主要设备要求如下:

2.1.1PLC

选用SIEMENSS7-400系列产品,不要求冗余配置,采用模块化结构,包括CPU、电源、通信、I/o和底板等部件。PLC的CPU处理I/o的最大能力应为实际I/o总点数4倍以上,数字量不少于64K,模拟量不少于4K,能够提供10M/100M以太网接口以及符合国际和国家标准的各类现场总线接口,满足网络通信及PLC与现场设备通信的要求。

2.1.2智能交换机

采用工业以太网交换机,交换机端口数量应满足要求,要求至少提供2个单模光口,4个以太网电口,速率不小于100Mbps。

2.1.3网络控制器

采用JACE8000,直接与PLC控制器通信获取现场设备状态信息,并与Niagara上位机工作站通信,以便Niagara工控机通过获取Jace网络控制器工作的数据信息间接读取PLC控制器监控点位的实时状态。

2.1.4Niagara工控机

Niagara是Tridium公司所研发的设计用于解决设备连接应用的软件框架平台技术。Niagara工控机作为上位机,具备服务器功能,可以实现采集网络控制器数据和对网络控制器发出控制指令,从而实现对远程设备的实时监控。

2.2PLC控制与组态编程的实现

以下以空调送回风监控子系统为例,阐述系统的实现流程。

2.2.1PLC逻辑控制实现

（1）建立空调送回风系统I/o分配表,如表1所示。

（2）根据控制需求,进行PLC逻辑控制编程。制冷模式冷水阀、加湿阀、新风阀控制要求:

通过PID调节,设定制冷模式的站内目标温度、目标湿度、目标Co2浓度值,系统能根据实时温度、湿度、Co2浓度值,对冷水阀、加湿阀、新风阀进行PID控制,实现实时温度高于目标温度、实时湿度低于目标湿度、实时Co2浓度比设定的目标Co2浓度大时,增加冷水阀、新风阀开度:实时温度低于目标温度、实时湿度高于目标湿度、Co2浓度比设定的目标Co2浓度小时,减少冷水阀、加湿阀、新风阀开度。

从以上的控制要求中可知,此控制逻辑需要用到设定目标值、采集实时值、阀门控制(开度调节）、PID算法这4个核心部分,PID控制算法的表达式如下:

式中,KP为比例增益:7l为积分时间常数:7D为微分时间常数:U(1）为控制量(控制器输出）:e(1）为被控量和设定值的偏差。

冷水阀控制逻辑简述如下:手动建"设定温度"软件点与PLC温度采集输入,利用已集成PID的核心算法组件,将PID算法组件的"kp/ki/kd/max"属性分别设置为"0.5/50/l00/l00",其他按缺省设置即可。当送风机运行状态"SFSta"为"oN/true"时,选择输出结果到冷水阀控制点"CVMod":否则,不输出。

使用与建立冷水阀控制逻辑相同的方法,实现湿度自动调节的加湿阀PID调节控制逻辑和Co2浓度自动调节的新风阀PID调节控制逻辑。

此外要求送风机在系统上可以根据时间表和系统手动分别进行控制,其控制逻辑如图2所示,不再一一赘述。

2.2.2Niagara组态编程

实现控制层PLC对现场层各设备的数据采集后,需要建立控制层与管理层的通信,Niagara上位机监控系统的建立实现流程如图3所示。

3结语

本文建立了由现场层、控制层、管理层构成的3层分布式地铁BAS实训系统,控制层的功能主要由S7-400HPLC实现,完成现场数据的第一次处理和收集,将底层设备的数据集中和处理后供管理层使用。管理层的网络控制器通过BACnetMS/TP协议或ModbusRTU协议添加驱动连接PLC,完成数据的第二次采集和处理,并将数据上传给上位机工作站(服务站点）,上位机工作站提供用于人机交互的图形接口,系统通过该接口向操作者显示设备状态信息、运行信息等。同时对远程设备进行监视、设置、控制等。

通过联动测试证明,所设计的BAS实训系统能够可靠、稳定运行,其投资小、结构简单,可面向学员开展地铁BAS系统检修岗位技能培训。