1  引言
  北京地鐵五號線南起豐臺宋家莊，經天壇，崇文門，東單，北至昌平太平莊北站。線路全長約27公里，其中地下線約17公里。全線共設有22個車站，其中16座地下站，6座地上站，一個車輛段、一個停車場、一個指揮中心，預計2006年底建成通車。

2  地鐵工程空調通風系統(tǒng)工藝要求概述
  地鐵工程中地下車站及區(qū)間除車站出入口、風亭及地下線路兩端隧道洞口外，基本與大氣隔絕。通風空調系統(tǒng)的任務是對地下車站，區(qū)間隧道內溫度、濕度、風速、事故工況排煙等進行全面控制。車站兩端各設置新風井及排風井各一座，風井面積因通風量而異。
  北京地鐵五號線工程空調通風系統(tǒng)制式采用閉式系統(tǒng)，開、閉式運行?？照{通風系統(tǒng)由以下四部分組成:車站公共區(qū)空調通風/區(qū)間通風系統(tǒng)(大系統(tǒng))、設備管理用房空調通風系統(tǒng)(小系統(tǒng)),空調水系統(tǒng)(水系統(tǒng))、其他區(qū)間通風系統(tǒng)(中間風井，洞口空氣幕，即射流風機)。
  隧道通風系統(tǒng)中車站的公共區(qū)夏季采用空調，其余季節(jié)通風換氣。車站公共區(qū)空調通風機與至車站的區(qū)間隧道風機合而為一，及車站空調通風兼容區(qū)間隧道風機功能。采用變頻控制，工況不同時，風量不同，達到節(jié)能運行。
  地鐵運營正常工況時，通風空調設備排除余熱和余濕，為乘客在地鐵車站創(chuàng)造一個往返于地面至列車內的過渡性舒適環(huán)境。隧道通風機通過送，回風管對車站公共區(qū)空調通風。當區(qū)間夜間通風和區(qū)間隧道阻塞工況時，通過組合風閥轉換開關控制實現對區(qū)間的通風換氣。風機根據運行模式的要求進行正轉或反轉運行，已達到向車站和區(qū)間隧道送風和排風的目的。同時該風機兼送車站機區(qū)間火災事故風，通風空調設備向乘客和消防人員提供必要的新風量，形成一定迎面風速，誘導乘客安全撤離，并具有排煙功能。

3  地鐵隧道風機對變頻控制的要求
  基于以上地鐵工程隧道通風系統(tǒng)工藝要求，對于采用變頻器控制隧道風機，有以下綜合功能要求。
3.1 控制方式要求
  由于風機需要由中央控制、車站控制、就地控制三級組成，所以變頻器的受控要考慮三地的命令，以及不同的運轉方式。
  其中中央控制室對全線風機變頻通風設備進行監(jiān)控。在正常工況下，中控室顯示風機的工作狀態(tài)，在事故工況下，風機及其相應的風閥接受中央控制室的信號，通過變頻進行正轉/逆轉運行，以保證列車正常運行及乘客疏散;火災工況下，由中央控制室統(tǒng)一調度。
  車站控制室確保在正常工況下，對車站及其所控區(qū)間風機作變頻控制及顯示，在事故工況下，風機及相應的變頻器能接受車站控制、中央控制室控制;火災工況下，由中央控制室統(tǒng)一調度。
  就地控制是在風機變頻控制柜處進行操作，供機組安裝、調試、檢修時在現場使用。
  根據控制方式的不同要求，變頻控制系統(tǒng)要求設有就地(手動)/遠程(自動)控制轉換開關，工頻/變頻運行控制轉換開關。就地控制時其他操作屏蔽。遠程自動控制通過BAS(環(huán)控系統(tǒng))，實現遠程啟停風機，同時可以反饋風機啟、停、正、逆轉運行狀態(tài)、故障信號、變頻運行控制轉換開關位置信號，反饋自動控制/就地轉換開關位置信號等。而在火災發(fā)生時，遠程控制要通過FAS(火災控制系統(tǒng))系統(tǒng)實現，可反饋風機運行狀態(tài)和故障信號、運行控制轉換位置信號，可遠程啟停風機，同時還能屏蔽BAS系統(tǒng)運行操作。
3.2 變頻器的性能及要求
  北京地鐵五號線工程項目車站可逆轉耐高溫軸流風機，區(qū)間風井隧道可逆轉軸流風機共計采用施耐德ATV38HC13NX變頻器56臺，ATV38HC15NX變頻器8臺，ATS48C21Q軟啟動器2臺。其中ATV38HC13NX變頻器對應軸流風機電機功率為90kW，ATV38HC15NX變頻器對應軸流風機電機功率為110kW，為可靠運行考慮計，要求變頻器按風機的負載功率均加大一檔選擇。
  ATV38變頻器是施耐德電氣公司針對風機水泵等變轉矩負載而開發(fā)的一款用于三相異步電動機的變頻器，功率范圍從0.75kW到315kW,電壓范圍:380V~10%至460V+10%,廣泛用于工業(yè)與民用建筑供熱，通風，供水，空調等各類應用場合。其主要特點如下:
  (1) 產品適用性強
  針對風機應用，ATV38變頻器可以通過磁通優(yōu)化，調節(jié)優(yōu)化電動機效率，提高節(jié)能效果，根據速度調整電流限制，使用速度檢測自動捕捉旋轉負載，內置PID調節(jié)，自動降低電機噪音等。
  (2) 集成性好
  ATV38系列變頻器具有4個邏輯輸入，2個繼電器輸出，2個模擬輸入和1個模擬輸出，另可通過I/O擴展卡滿足增加要求，標準配置一個符合Modbus協(xié)議的RS-485多點串口連接。因此可以滿足多方控制及多種控制要求。
  (3) 保護功能齊全
  可以在連續(xù)運行中防止過電流和過載，以及缺相，短路保護，可以實現PTC熱傳感器對電機進行熱保護，并可配置各種報警輸出等。
  (4) 電磁兼容性好
  可配置各種濾波器，輸入、輸出電抗器，以滿足抗射頻輻射干擾和傳導輻射干擾要求，以及降低對電網的諧波注入。
3.3 變頻器與控制系統(tǒng)簡介
  變頻器控制系統(tǒng)主回路如圖1所示。
  主回路(以110kW)為例，由塑殼斷路器1QF(施耐德產品，型號NS250-MA)，進線交流接觸器、出線交流接觸器、工頻旁路正轉接觸器、工頻旁路反轉接觸器1KM,2KM,3KM,4KM(施耐德產品，型號LC1D245M5C),熱繼電器1FR(施耐德產品，型號LR9F7375),構成 過載，過流，過熱等保護功能執(zhí)行回路系統(tǒng)，以及完成故障分斷隔離(進線接觸器)，強制通風，排煙(工頻正反轉)等工藝運行要求。
  變頻器FC(ATV38HC15N4X),進線端增加射抗頻干擾濾波器C(型號VW368402)，進線電抗器L(型號VW 368503),用于控制風機，改善變頻器對電網的諧波影響，及用于滿足最嚴格的電磁兼容性標準要求。
  變頻器的4個邏輯輸入端，分別定義為風機正轉，反轉，直流制動，給定切換功能，兩路繼電器輸出信號分別定義為報警輸出，出線接觸器控制等，在模擬輸入AI1的+10V與AI1端，通過KI5的控制，實現強制變頻器在緊急情況下，達到最高頻率輸出。
  為實現于BAS,FAS系統(tǒng)對變頻器的控制，變頻器附有Modbus通訊選件卡，型號VW3A58303,該卡配有一9針SUB-D插頭。
  變頻器控制回路如圖2所示。

圖1     變頻器控制系統(tǒng)主回路

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圖2    變頻器控制回路

  控制回路采用施耐德小型PLC,NEZA系列產品，具有編程靈活，運行可靠等優(yōu)點。由本地控制，FAS控制，BAS控制風機的正轉，反轉，停止分別進入PLC輸入信號,同時分別由轉換開關選擇本地/遠程，工頻/變頻運行作為PLC輸入信號。
  PLC輸出側，主要用于控制風機工頻正轉，工頻反轉，變頻器進線接觸器，出線接觸器控制，變頻全速運行等。同時控制變頻器的四個邏輯輸入端。
3.4 地鐵風機變頻通訊網絡控制
  北京地鐵五號線風機變頻器，與車站BAS系統(tǒng)之間，其通信采用Modbus RTU傳輸協(xié)議，ATV38變頻器的物理接口采用RS-485接口，傳輸介質采用兩芯雙絞線屏蔽電纜，采用RS-485 D型9針插頭連接器件。
  ATV38變頻器的串行鏈路配置可以在COM菜單中進行配置。從站地址可以在1~247之間，傳輸速率可以在4800bps,9600bps,19200bps選擇。
  以下分別介紹Modbus RTU傳輸模式及相應控制功能。
  (1) 協(xié)議簡介 
  Modbus通訊采用主—從技術，即主設備查詢從設備，從設備根據主設備的查詢指令，提供數據響應。
  查詢:
  查詢指令中的功能代碼告之被選中的從設備要執(zhí)行何種功能。數據段包含了從設備要執(zhí)行功能的任何附加信息。例如功能代碼3是要求從設備讀保持寄存器并返回它們的內容。數據段包含了告之從設備的信息:從何寄存器開始讀及要讀的寄存器數量。錯誤檢測域為從設備提供了一種驗證消息內容是否正確的方法。
  響應:
  如果從設備產生一個正常的響應，響應信息中的功能代碼是對查詢信息中的功能代碼的回應。數據段包括了從設備收集的數據:如寄存器值或狀態(tài)。
  如果有錯誤發(fā)生，響應功能碼將被修改，表明響應信息是錯誤的，同時數據段包含了描述此錯誤信息的代碼。
  在RTU模式中，其信息幀中不含報文報頭字節(jié)，也不含報文結尾字節(jié)，其格式如表1所示:
表1   RTU模式中的格式

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  數據以二進制代碼傳輸。
  數據區(qū):數據區(qū)包含需要從設備執(zhí)行什么動作或由從設備采集的返送信息。這些信息可以是數值、參考地址等等。例如，功能碼告訴從設備讀取寄存器的值，則數據區(qū)必需包含要讀取寄存器的起始地址及讀取長度。對于不同的從設備，地址和數據信息都不相同。
  錯誤校驗碼:主設備或從設備可用校驗碼進行判別接收信息是否出錯。錯誤校驗采用CRC－16校驗方法。
  請求代碼(功能代碼)有以下四種類型，“讀”，“寫”功能都是從主站的角度上定義的，如表2所示。
表2請求代碼(功能代碼)的四種類型

  (2) 地鐵BAS系統(tǒng)通訊與變頻控制功能簡介
  BAS對風機ATV變頻器進行啟?？刂撇⒈O(jiān)視風機ATV變頻器的狀態(tài)和運行參數，同時BAS根據負荷變化，自動調整風機ATV變頻器的頻率輸出。
寫風機ATV變頻器的控制命令BAS PLC采用ModbusRTU功能碼16向風機ATV變頻器發(fā)送啟動、停止指令及頻率給定。
  如將給定值50Hz寫入變頻器中，采用如下格式:將16#0032寫入從站2的W401(16#0191)中，如表3所示。
表3   給定值寫入變頻器中的格式

  讀風機ATV變頻器的狀態(tài):
  BAS PLC采用Modbus功能碼03讀取風機ATV變頻器的運行狀態(tài)、參數和報警。
  例:在從站2中讀取從W250到W253(16#00FA到16#00FD)四個字，使用功能3請求，如表4所示。
表4   讀風機ATV變頻器的狀態(tài)

  響應:響應如表5所示。
表5   響應代碼

  值:      W250   W251   W252  W253
  參數:     HSP    LSP    ACC   DEC
  對于通訊中的故障，BAS系統(tǒng)有如下處理:
  BAS發(fā)出命令后，如果風機ATV變頻器沒有報文響應(1s)，BAS認為出現通信或設備故障，產生報警信息，并在監(jiān)控畫面上顯示報警信息。
  BAS發(fā)出命令后，如果風機ATV變頻器有響應，但響應的數據包含了錯誤碼，BAS產生報警信息。

4  結束語
  隨著我國城市軌道交通事業(yè)的發(fā)展與建設水平的不斷提高，以及節(jié)能意識的普遍提高，在地鐵隧道通風工程中對變頻器的需求亦日益高漲，同時控制方式亦向遠程化，智能化發(fā)展，采用變頻控制地鐵隧道風機，將以便利，節(jié)能，安全及時等特點為地鐵運行提供良好的運營保障。