北京地鐵車站級環境與設備監控系統設計和實施

劉 穎 江 泳

（1. 中國建筑標準設計研究院，北京 100048；2. 同方股份有限公司，北京 100018）

環境與設備監控系統（Building Automation System, BAS），負責對各個車站的通風空調（地面站設暖通設備）、給排水、動力照明、電梯、安全門、自動售檢票閘機等機電設備進行自動化的監控管理，以保障地鐵乘車環境的安全、舒適、方便。BAS通過被控設備的反饋信號和車站溫濕度等傳感組件，自動監控機電設備的運行狀態和車站環境狀況，確保車站機電設備處于安全、可靠、高效、節能的最佳運行狀態。在出現大客流等影響車站環境及列車阻塞、火災等災害情況下，調控相關設備，充分體現地鐵在城市交通運輸中安全、清潔衛生、舒適、方便、快捷的特征，并且通過對車站環控機電設備的自動化控制，實現節約能源、降低運營費用；通過對機電設備的集中可視化管理，達到節省人力、減員增效的目的。

1 設計與實施原則

1）基本設計原則：組網靈活、技術先進、便于擴展、運營可靠、管理方便，節約投資。

2）在可靠性高的前提下，追求系統的先進性。采用國內外成熟的系統的控制結構和配置。

3）采用“一體化網絡、兩級管理、三級控制”的設計原則。BAS系統通過通信網絡將中心、車站、就地三級智能設備連接起來，構成網絡化、可視化的一體化網絡結構。設中心和車站兩級管理：中心級主要以監控管理為主，在區間堵塞工況時參與模式控制；車站級負責對本站設備和環境的管理。控制方式為中心、車站、就地三級控制。

4）地鐵空間狹小，設備繁多，各種管線縱橫交錯，電力牽引列車，隨機干擾多。設計和設備配置根據地鐵環境特點和氣候條件考慮抗電磁干擾、防塵、防潮、防霉、防震等功能，以確保系統運行可靠。電氣元件及設備外殼防護均為工業防護標準。

5）車站級向中心級單向傳輸的數據量較多，為減輕全線通信信道的負擔，需要中心級進行決策的數據采用實時傳輸方式，其他數據采用定時傳輸方式。

2 車站級BAS系統構成

北京地鐵環境與設備監控系統（BAS）采用分層-分布式的計算機網絡結構，本著“危險分散”的設計原則，實現車站BAS分散控制的大型自動化監控管理系統。車站BAS為獨立的智能控制單元，可獨立對本站管轄范圍內的機電設備進行監控；現場及控制器及 I/O單元作為與各子系統及輸入輸出設備直接連接的控制單元，本著就地安置，總線貫穿的原則擔負起每個車站BAS系統的控制任務。BAS車站級與火災自動報警系統等存在通信接口。車站級環境與設備監控系統關系圖如圖1所示。

BAS通信網絡由車站網絡系統和現場控制網。車站綜合控制室與現場控制器采用冗余工業現場總線通信方式。PLC與遠程I/O模塊單元之間采用冗余工業現場總線通信方式。BAS系統車站結構圖如圖2所示。

圖1 車站級環境與設備監控系統關系圖

圖2 BAS系統車站結構圖

2.1 車站監控系統構成

車站監控系統采用冗余工業以太網構成局域網絡。主要包括如下：車站工作站；IBP盤及綜合操作平臺；車站通信處理機負責需要與車站控制系統通信的其他系統接口；車站工業級交換機，用來構建車站集中控制局域網絡系統。

2.2 車站控制系統構成

車站控制網采用冗余現場總線方式，將兩側冗余PLC、IBP盤 PLC連接起來，不會出現單點故障，確保車站監控系統對現場設備的控制以及現場設備實時信息可靠地上傳到車站監控系統。工業控制網采用標準的冗余工業控制網絡，網絡結構為總線型式。

2.3 冗余現場控制系統構成

現場級設備主要包括冗余PLC、觸摸屏、就地模塊箱等。冗余PLC、觸摸屏設置在各車站南/北二端環控電控室、模塊箱主要設置在各照明配電室、暖通空調機房。

遠程 I/O采用適配器連接到冗余現場總線，實現與主PLC的通信。

現場冗余控制網絡負責車站內各個遠程 I/O系統與控制器的接入，以及控制器與車站觸摸屏的連接。在遠程 I/O和控制器上配置通信控制器，提供全線速的數據交換。控制器上的兩個通信控制器，一個用于向上連接車站各端PLC和IBP PLC，另一個用于向下連接遠程I/O、與其他通信接口轉換模塊和控制器觸摸屏。

3 車站級BAS系統軟件架構

按照BAS系統軟件的類型、功能、形式和運行的硬件環境，車站級 BAS系統軟件可以分為 PLC軟件、人機界面軟件、接口軟件。

車站級BAS系統軟件架構如圖3所示。

圖3 車站級BAS系統軟件架構

3.1 PLC軟件

PLC軟件指運行于下位機PLC的CPU中的程序，包括車站冗余PLC和IBP盤PLC。BAS系統最基本的控制功能都在車站冗余PLC軟件中實現。包含對設備的基本狀態進行采集和控制指令的輸出，接收上位人機界面下發的控制方式和控制指令，并將數據保存在PLC中；PLC程序中以數組表格的形式保存設備模式動作表（包括火災、阻塞、正常模式）和時間表，根據預定的工藝模式（條件、時間），自動實現模式編號的切換，也可以通過工作站下發模式編號（時間表），并根據模式編號對設備模式動作表或時間表進行查表，將表中的控制指令傳遞給對應的每個設備，實現模式的切換和執行。PLC控制軟件節選如圖4所示。

3.2 人機界面軟件

圖4 PLC控制軟件節選

人機界面軟件指運行于車站工作站、車站環境控制室觸摸屏和IBP盤觸摸屏的上位組態軟件。人機界面軟件的主要功能是進行人機信息交互，將上位的控制指令下發到下位PLC中，并將PLC中的設備狀態顯示在圖形界面中；對報警信息進行報警顯示；同時也與接口軟件進行通信，銜接接口軟件和下位PLC進行數據交換。人機界面監控畫面節選如圖5所示。

圖5 人機界面監控畫面節選

3.3 接口軟件

接口軟件指運行在車站通信處理器、現場通信模塊中，負責與其他系統、設備進行數據交換的通信接口軟件。FAS通信程序模塊，與FAS工作站通信，判斷通信狀態是否正常，接收FAS系統提供的防火分區綜合火災信息，并將處理后的信息寫入BAS車站監控工作站的上位組態軟件中，并將BAS監控的火災共用設備的狀態反饋傳輸給FAS系統。PSD通信程序模塊，與PSD通信，判斷通信狀態是否正常，接收安全門的實時狀態信息，并將處理后的數據信息寫入 BAS車站監控工作站的上位組態軟件中。

4 車站級BAS系統功能

4.1 顯示功能

車站級BAS是本車站設備的控制及管理中心，每個車站自成系統，即使脫離控制中心，也仍能全面有效地監控管理本車站的機電設備，車站級具有多級動態圖形顯示功能。

1）顯示?？蓜討B、分區域、分系統顯示各個環控設備、動力照明、給排水設備、自動扶梯設備、安全門設備等的運行狀態和故障狀態等詳細信息。

2）暖通工藝顯示。通過環控系統圖顯示畫面，可顯示環控系統的風、水系統原理圖，可以直觀地了解各個設備的工作狀態和設備間的關系，并可以進行環控系統的控制。

3）綜合顯示。用顏色變化區分車站環控設備的運行狀態，用顏色交替閃爍方式、聲光報警顯示車站環控設備的故障情況，以引起操作人員的注意。

4）設備統計顯示。以文本方式顯示車站機電設備的累計運行時間、故障種類及地點等相關運行數據。更詳細的運行數據可以通過數據庫的報表查詢獲得。

5）趨勢圖顯示。通過趨勢圖可以觀察本車站站廳、站臺、新風、排風的環境溫度、濕度等參數的變化規律，顯示環境參數曲線。

在設備出現報警、超時或者模式未執行成功，以及系統出現火災和阻塞事故情況時，均在界面的報警欄產生閃動的報警信息。對重要的報警具有聲光報警，彈出報警畫面，提醒操作員，報警確認后消音。

4.2 控制功能

1）自動控制功能。車站控制系統根據中心級或車站級預選的環控模式，依次起動/停止模式中的相關設備。根據環境溫濕度計算焓值，或者根據暖通工藝要求，控制空調系統冷凍水閥門、回風和新風閥門的開度比例，實現節能控制。充分利用自然有利條件，實施節能控制。另外，通過照明控制方案，對照明系統實行區域性分時控制，實現節電照明。

2）閉環控制功能。車站級 BAS具有閉環控制功能。通過對環境參數的檢測和過程控制，實現對風系統、水系統等環控設備的自動閉環控制，進而滿足環境設定指標的要求。

3）當發生阻塞時。車站 PLC接收控制中心下發的阻塞模式指令并立即執行，同時產生報警；當車站與控制中心的網絡中斷時，可以通過本站的BAS監控工作站或者IBP盤手動發出阻塞模式指令給PLC執行。

4）當發生隧道火災時，則車站 BAS接收控制中心下發的隧道火災模式指令并立即執行，同時產生報警；當發生車站火災時，車站FAS系統通過與BAS系統PLC的接口為BAS提供經確認過的車站防火分區綜合火災信息，BAS接收車站火災報警信號，執行相應的車站火災模式，并進行報警；當車站與控制中心的網絡中斷或者車站 BAS與 FAS系統的通信出現中斷，造成車站BAS無法接收到火災信息時，可以通過本站的BAS監控工作站或者IBP盤手動發出火災模式指令給PLC執行。

4.3 接口功能

BAS與FAS系統在車站的接口分為車站級和現場級兩處接口。車站級接口軟件依據接口規范所規定的通信協議與FAS系統進行通信，判斷通信狀態是否正常，接收FAS系統提供的防火分區綜合火災信息，并將處理后的信息供BAS車站監控工作站，僅做顯示用；同時將BAS監控的火災共用設備的狀態反饋給FAS系統。

圖6

圖7

BAS與FAS系統在現場級接口軟件依據接口規范中所規定的通信協議與FAS系統進行通信，判斷通信狀態是否正常，接收經確認過的車站防火分區綜合火災信息，并將處理后的信息提供給BAS車站PLC。BAS與PSD系統的接口軟件依據接口規范中所規定的通信協議與PSD系統進行通信，判斷通信狀態是否正常，接收安全門的相關信息，并將處理后的信息供BAS車站監控工作站；同時為安全門系統提供對時的時間基準；安全門的狀態不需上傳至OCC。

5 結論

由于地鐵的復雜性和特殊性，對車站環境和設備監控系統的控制在硬件的配置和功能上有其特殊的要求，因此，我們還要認真分析，并總結經驗，根據地鐵的實際情況，合理配置系統，完善系統功能，最大限度的提高地鐵環境控制系統的自動化水平。

[1] 曲向東.城市軌道交通環境與設備監控系統設計與應用[M].北京:電子工業出版社, 2008.

[2] 徐鵬,蔡鴻明,劉利民.大型設備監控系統的設計和實現[D].上海:上海交通大學, 2010(7).

[3] 黃昱昱.地鐵綜合監控系統結構研究[J].北京:現代城市軌道交通, 2007(4): 21-23.

[4] 華春陽.可編程邏輯控制器在上海軌道交通6號線設備監控系統中的應用[J].上海:城市軌道交通研究,2010(4): 75-78.

[5] 王佳,王程程,張雷.地鐵綜合監控系統中FAS與BAS設計方案探討[J].北京:電氣應用, 2009(8).