基于自主可控PLC的地铁BAS系统节能控制策略研究与实现

摘要：地铁属于城市公共交通中的重要组成部分，其能耗问题正日益受到广泛关注，环境与设备监控系统也就是BAS是地铁节能的关键环节所在，自主可控PLC的应用为BAS系统节能控制提供新解决方案。本文重点分析基于自主可控PLC的地铁BAS系统节能控制策略，目的是为地铁BAS系统的节能优化提供理论支持与实践参考 。

关键词：自主可控PLC；地铁BAS系统；节能控制策略；实现

Abstract: The subway is a crucial component of urban public transportation, and its energy consumption issue has garnered increasing attention. The Building Automation System (BAS) serves as a key link in subway energy efficiency, with the application of autonomous and controllable PLCs providing new solutions for energy-saving control in BAS systems. This paper focuses on analyzing energy-saving control strategies for subway BAS systems based on autonomous and controllable PLCs, aiming to offer theoretical support and practical references for optimizing subway BAS system energy efficiency.

Keywords: Autonomous and Controllable PLC; Subway BAS System; Energy-saving Control Strategy; implement

随着城市化进程不断加速，地铁凭借高效快捷大运量特点成为城市公共交通首选。因此，如何实现BAS系统节能控制并降低地铁运营能耗，成为当前地铁建设与运营中的重要课题，自主可控PLC也就是可编程逻辑控制器具备高可靠性灵活性开放性等优点，能够满足地铁BAS系统对设备监控的复杂需求，把自主可控PLC应用到地铁BAS系统中，再结合先进节能控制策略，可有效提高系统节能效果并提升地铁运营经济性与环保性。

1地铁BAS系统的组成与能耗特点

1.1地铁BAS系统的组成

地铁BAS系统（如图1）是集成监控管理优化控制功能的综合性自动化平台，其核心架构由中央级监控层、车站级控制层和现场级设备层这三部分构成。中央级监控层一般设置在运营控制中心，借助冗余服务器与操作员站实现全线环境与设备集中监视、报警管理和策略调度；车站级控制层以可编程逻辑控制器为核心负责本站内通风空调等机电设备逻辑联锁、模式运行与数据中继，现场级设备层包含各类传感器等直接完成物理参数采集与控制指令响应。三层结构通过工业以太网与现场总线紧密协同形成从感知到决策再到执行的闭环链路，自主可控PLC引入意味着在硬件芯片等层面实现国产化替代保障控制逻辑安全可信与供应链稳定可靠为后续节能控制算法部署提供坚实底层支撑[1]。

图1：地铁BAS系统

1.2地铁BAS系统的能耗特点

地铁BAS系统的能耗有着显著的三大特点，分别是随动性、时空分布不均性和多设备耦合性。随动性的表现是车站热湿负荷和列车活塞风、区间温度梯度、乘客密度变化以及室外气象条件实时关联，这就使得通风空调等主要耗能设备必须动态调整运行状态才能维持环境舒适度。时空分布不均性体现为早高峰时段站厅层与站台层客流密度存在巨大差异，并且不同车站因为周边功能区划（像商业区、交通枢纽、居民区）存在峰谷时段错位的情况，让冷量、风量需求在空间上呈现非对称分布，在时间上呈现多峰波动特征。多设备耦合性意味着空调机组、回排风机、冷水机组、水泵及风阀等执行机构并非独立运行，它们的能耗是相互影响的。比如风机频率改变会直接导致管网阻力特性变化，进而影响水泵的功耗与制冷机组的能效比。这些特点共同决定了地铁BAS系统节能不能依赖单一设备的局部优化，而是必须从全局动态协调的角度设计控制策略，这对底层PLC的实时计算能力与算法可植入性提出了更高要求[2]。

2自主可控PLC在地铁BAS系统中的应用优势

2.1高可靠性与稳定性

自主可控PLC在地铁BAS系统中展现出卓越可靠性和稳定性，这得益于其硬件架构与软件系统实现深度国产化适配，该PLC采用冗余设计、实时任务调度机制以及抗干扰电路，能够在地铁隧道强电磁干扰、温湿度剧烈波动且长期不间断运行环境下无故障连续工作，其内部集成故障自诊断功能可实时监测CPU、电源以及通信模块状态，一旦检测到异常情况便能迅速切换至备用单元，从而确保通风、给排水等关键环控设备不会因控制指令丢失而停机。此外，基于国产实时操作系统的任务管理策略避免任务死锁或优先级翻转问题，使逻辑扫描周期得以严格可控并为车站环境参数调节提供稳定底层支撑[3]。

2.2灵活性与开放性

自主可控PLC运用模块化硬件结构与标准化编程接口，大大提升地铁BAS系统应对不同车站规模和设备配置的灵活性，其I/O模块支持热插拔且能按需扩展，运营方可以根据实际监控点数来增减传感器和执行器接入数量，无需对整体机架布局进行修改。在软件方面，该PLC遵循相关编程标准，提供梯形图和结构化文本等多种语言选择，方便工程师针对不同环控模式编写定制算法。同时，开放的通信协议栈支持ModbusTCP和CANOpen等主流总线协议，可无缝集成变频器和智能电表等第三方设备，打破传统封闭控制系统的兼容性限制，让BAS系统在设备更新换代或线路改造时能以低成本、低风险完成功能升级。

2.3自主可控性与安全性

采用自主可控PLC来构建地铁BAS系统，从根本上消除对国外核心控制部件技术依赖，确保控制逻辑与运行数据全链条国内掌控，该PLC从芯片设计、固件烧录到编译环境都实现国产化，不存在已知后门或未公开指令集，可有效抵御针对控制器的网络渗透与固件篡改攻击。同时，其内置国密算法加密模块能对上下行控制指令与状态报文进行动态加解密，防止攻击者在通信链路上注入伪造数据或实施重放攻击，在权限管理方面自主可控PLC支持多级用户认证与操作日志审计，仅允许授权人员修改节能参数或下载控制程序，保障BAS系统在联网运行环境下的内生安全，满足轨道交通关键基础设施的合规性要求[4]。

3基于自主可控PLC的地铁BAS系统节能控制策略与实现

3.1变风量控制策略

变风量控制属于地铁BAS系统节能运行的核心手段之一，它的基本原理是在车站大系统（公共区通风空调系统）中，按照实时负荷需求动态调节送风量而不是固定风量运行。通过自主可控的PLC采集站厅、站台CO₂浓度、温湿度以及客流密度等参数，系统能够计算出当前时段的最小需求新风量和冷负荷，然后利用变频器调节空调机组送风机的转速，当客流减少或者室外气温适宜时，PLC会自动降低风机频率来减少送风量，这样就能大幅降低风机能耗。和传统的定风量CAV系统相比，变风量控制在部分负荷工况下一般可节省风机能耗30%到60%，PLC内嵌的PID调节与模糊控制算法能够平滑调整风阀开度和变频输出，避免频繁启停对设备寿命产生影响，为保证控制效果，可以针对不同运营时段像早高峰、平峰、晚高峰、停运预设不同的风量上下限和调节速率。典型控制参数示例如表1所示。

表1：典型控制参数示例

利用自主可控的PLC达成上述变风量策略，可避免对进口控制器和封闭生态的依赖，还能结合本地客流规律开展定制化调优，从而显著提升地铁环控系统的能效与响应速度[5]。

3.2变流量控制策略

变流量控制策略主要在地铁BAS系统的水系统侧应用，涵盖冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵以及冷却塔风机，该策略核心是依据末端空调机组实际冷负荷需求，动态调节冷冻水与冷却水的循环流量。传统定流量系统中，水泵一般以工频满速运行，会造成大量“大流量小温差”的无效能耗，采用自主可控PLC之后，系统通过采集供回水干管间的压差、温差以及冷水机组负载率，利用变频器实时调节水泵的转速，当末端负荷降低时，PLC减小冷冻水泵频率来降低循环流量，让供回水温差维持在5~7℃的合理区间。同时，冷却水侧依据冷凝压力与室外湿球温度进行同步调节，避免冷却塔过度散热或者水泵无效循环，为实现高可靠性与自主可控，PLC控制程序采用国产开发环境编写，支持冗余总线通信与多台水泵的轮值切换，以此避免单点故障。变流量控制过程中，PLC实时监测冷水机组允许的最小流量值，流量逼近下限时自动开启旁通阀或上调频率，保障主机安全，结合地铁车站负荷的间歇性与季节性变化，自主可控PLC可按时间表预置水系统运行曲线，过渡季采用“大温差小流量”模式进一步节能[6]。

3.3智能模式切换策略

3.3.1季节模式切换

季节模式的切换是依据室外温湿度以及历史气象数据，把全年划分成夏季、冬季和过渡季这三种基准模式。系统借助PLC实时采集室外温湿度参数，当连续一定时段内平均温度高于夏季切换阈值时就自动转入夏季模式，这时会侧重冷水机组和空调系统的协调控制，当平均温度低于冬季切换阈值时就转入冬季模式，优先利用新风预冷或者采用小新风运行。若平均温度处于两者之间那就是过渡季模式，要最大化利用自然冷源，停止制冷机组运行，仅通过调节新风阀开度来满足车站温湿度要求，切换逻辑是内置于PLC梯形图程序中的，采用滞后比较与延时确认机制，以此避免参数临界波动导致模式频繁跳变。模式切换的同时会自动加载对应的PID控制参数集与设备启停顺序表，确保BAS系统在不同季节工况下都能保持高效节能运行。

3.3.2火灾与阻塞模式切换

火灾与阻塞模式切换把安全优先级高于节能原则当作控制核心，由BAS系统借助自主可控PLC接收火灾自动报警系统（FAS）或者列车检测信号来触发。当确认车站发生火灾情况时，PLC马上中断所有节能控制程序，强制切换到火灾运行模式，关闭空调系统回风阀与新风阀，启动排烟风机并按预定分区控制防火阀。同时，停止非消防相关通风设备供电，以此确保烟气快速排出并防止烟囱效应扩散。当检测到隧道区间列车阻塞超过设定时间时，系统切换至阻塞模式，自动启动区间机械通风，调节站台与轨行区风阀流向，维持阻塞区段空气流动并控制温度上升，两种安全模式都设计独立的PLC程序模块，具备硬线联锁与冗余确认逻辑，模式切换后由上位机发出声光报警并锁定控制界面，要等人工复位之后才可以退出，确保节能策略不会干扰防灾功能的可靠执行[7]。

4结束语

综上所述，开展基于自主可控PLC的地铁BAS系统节能控制策略研究与应用，对降低地铁运营能耗、提高能源利用效率意义重大，采用变风量控制、变流量控制、智能模式切换等节能控制策略，结合自主可控PLC高可靠性、灵活性和开放性等优势，能有效实现地铁BAS系统节能优化。通过这些节能控制策略可取得显著节能效果，为地铁可持续发展提供有力支持。未来，随着技术持续进步，需进一步深入研究更先进的节能控制算法与关键技术，推动地铁BAS系统智能化升级，不断挖掘节能潜力，持续提升系统整体节能水平与运行效率。

参考文献：

[1]杨锦忠.基于BAS系统的地铁环控节能自动控制策略研究[J].自动化应用,2025,66(19):33-36.

[2]邹晨磊.无线通信技术在地铁BAS系统中的应用[J].集成电路应用,2024,41(11):40-41.

[3]高毅松.地铁BAS系统与风水系统联动功能分析[J].自动化应用,2023,64(05):14-16.

[4]黄健强.地铁BAS系统节能控制方法[J].建筑技术开发,2022,49(22):86-88.

[5]谭依民.地铁BAS系统节能控制方式研究[J].工程技术研究,2021,6(04):193-194.

[6]徐华.地铁BAS系统节能控制方式分析与研究[J].信息与电脑(理论版),2018,(12):131-132.

[7]袁霄,王旭,林样,陈文祥.混合控制系统在地铁BAS系统中的应用[J].电工技术,2018,(12):7-8.