軌道交通機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題的探討

吳 洲 史 京

（國電南瑞科技股份有限公司，210061，南京∥第一作者，工程師）

軌道交通機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題的探討

吳 洲 史 京

（國電南瑞科技股份有限公司，210061，南京∥第一作者，工程師）

地鐵線路建成后，由于機(jī)電設(shè)備監(jiān)控項(xiàng)目子系統(tǒng)多、跨子系統(tǒng)聯(lián)動功能復(fù)雜、調(diào)試時間不充裕、多專業(yè)協(xié)調(diào)難度大等原因，往往難以按時開通。即使線路已經(jīng)運(yùn)營，仍會有部分功能需陸續(xù)測試和驗(yàn)收。研究發(fā)現(xiàn)，造成這種現(xiàn)狀的主要原因是傳統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)采用了分層分布式現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)和控制策略集中的控制方式。可以通過其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來解決上述問題。

軌道交通；機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

First-author'saddressNARI Technology Development Co.，Ltd.，210061，Nanjing，China

軌道交通的機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（簡稱BAS）是一種對地鐵全線所有車站、區(qū)間隧道、車輛段、停車場內(nèi)設(shè)置的各種正常運(yùn)營保障設(shè)施（包括通風(fēng)空調(diào)設(shè)備、給排水設(shè)備、照明設(shè)備、自動電/扶梯等）和事故緊急防救災(zāi)設(shè)施（防排煙系統(tǒng)、應(yīng)急照明系統(tǒng)等）進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控管理，并能夠在車站發(fā)生火災(zāi)事故的情況下，使有關(guān)救災(zāi)設(shè)施按照設(shè)計工況及時有效地運(yùn)行，從而保障人身安全的綜合自動化系統(tǒng)。傳統(tǒng)的軌道交通機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)和控制策略集中的控制方式。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)會造成比較大的后期調(diào)試工作量。目前地鐵線路的開通時間緊、任務(wù)重，機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)是較難按時開通的系統(tǒng)之一，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，可以通過優(yōu)化機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來解決上述問題。

1 傳統(tǒng)BAS結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的BAS系統(tǒng)采用分層分布式現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，由PLC（可編輯邏輯控制器）設(shè)備、現(xiàn)場傳感器、維護(hù)終端等組成。監(jiān)控的對象包括車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)、公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、車站設(shè)備管理用房區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、空調(diào)水系統(tǒng)、車站給排水系統(tǒng)、電扶梯系統(tǒng)、低壓動力照明系統(tǒng)等設(shè)備。典型地下車站的BAS構(gòu)成如圖1所示（以具備典型性的施耐德產(chǎn)品為例，其他公司產(chǎn)品與此相類似）。

在地下車站兩端環(huán)控電控室內(nèi)各設(shè)一套冗余的PLC，以靠近車站控制室端的PLC為主控制器，另外一端的PLC為從控制器。在車站控制室IBP（應(yīng)急后備操作盤）設(shè)置一套非冗余PLC、一套應(yīng)急操作終端與主PLC相連構(gòu)成車站級BAS。兩端PLC下設(shè)置現(xiàn)場冗余總線將各類遠(yuǎn)程I/O（輸入/輸出）、具有智能通信口的現(xiàn)場設(shè)備和就地現(xiàn)場小型控制器等設(shè)備統(tǒng)一接入，分別對車站兩端的機(jī)電設(shè)備（暖通空調(diào)、電扶梯、低壓照明、給排水等正常和火災(zāi)情況下共用設(shè)備）進(jìn)行監(jiān)控管理。車站BAS主控制器與車站FAS（火災(zāi)報警系統(tǒng)）通過通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器進(jìn)行接口。火災(zāi)模式下，F(xiàn)AS向BAS下發(fā)火災(zāi)模式指令，BAS控制器將按預(yù)定工況轉(zhuǎn)入災(zāi)害模式下啟動相關(guān)設(shè)備。

從圖1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以看出，BAS設(shè)備主要包括主PLC柜（安裝冗余的主PLC）、I/O模塊箱（安裝I/O設(shè)備）、現(xiàn)場總線設(shè)備、觸摸屏、維護(hù)工作站等。這些設(shè)備完成生產(chǎn)和現(xiàn)場安裝后，在投入運(yùn)營前需要進(jìn)行大量的調(diào)試。

圖1 地下車站BAS構(gòu)成示意圖

2 典型車站調(diào)試工作量統(tǒng)計

現(xiàn)以北京地鐵6號線的一個典型車站設(shè)備為例，其BAS調(diào)試需要完成的工作包括：BAS設(shè)備的單體調(diào)試，主PLC柜和遠(yuǎn)程I/O設(shè)備箱之間的通信調(diào)試，與各設(shè)備之間的端對端、點(diǎn)對點(diǎn)調(diào)試，以及與ISCS的接入集成調(diào)試。北京地鐵6號線ISCS深度集成了BAS。這兩個系統(tǒng)同時調(diào)試時，BAS主要完成的接口調(diào)試工作量統(tǒng)計如表1所示。

表1只是一個車站的BAS調(diào)試工作量。北京地鐵6號線一、二期工程共27個車站，開通前需整體調(diào)試完成，所需要的人力和時間是驚人的。加之，目前國內(nèi)大部分地鐵都加快建設(shè)步伐，前期土建和設(shè)備安裝能夠壓縮的凈工期非常有限，監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試的時間少之又少。BAS一般只有3～4個月的調(diào)試時間，只能采取多工作面調(diào)試，這樣造成項(xiàng)目的人力成本增加很大，而且調(diào)試質(zhì)量較難保證。

3 現(xiàn)場調(diào)試工作量大的主要原因

剝離開工程的工期不談，就BAS本身而言，目前BAS的架構(gòu)是造成調(diào)試工作量大的主要原因。從表1中可知，BAS和接口專業(yè)主要采用硬線接口，這勢必要求BAS提供大量的I/O模塊，而且硬線接線較多，就對施工安裝有很大的依賴性，對設(shè)備本體調(diào)試完成也有很大的依賴性。由于I/O模塊箱較多，安裝位置分散在整個車站內(nèi)，故設(shè)備安裝對土建施工也有很大的依賴性。由于BAS分散，控制策略復(fù)雜，不僅僅要完成點(diǎn)控，最重要的是完成大量的策略控制，如風(fēng)、水、電專業(yè)的模式控制，火災(zāi)模式下的排煙模式控制，站臺站廳的溫濕度PID（比例-積分-微分）控制、焓值控制等。目前，在建的所有地鐵線路，在開通之前完成點(diǎn)控調(diào)試已屬不易，而完成BAS最核心的策略控制都需要在運(yùn)營開通后，夜間運(yùn)營后的調(diào)試，其實(shí)際操作難度很大。

4 結(jié)構(gòu)調(diào)整的可行性

4.1 結(jié)構(gòu)調(diào)整方案

和工業(yè)系統(tǒng)控制一樣，軌道交通設(shè)備控制系統(tǒng)也是從集中控制向分散控制發(fā)展，其底層設(shè)備從被控對象到自身智能化發(fā)展的一個歷程。軌道交通變電所綜合自動化系統(tǒng)也經(jīng)歷了一個從集中控制到分散控制的過程。多年前，所有的AC 10 k V，DC

1 500 V（或750 V），AC 400V開關(guān)柜都是采用通過變電所綜合自動化直接接硬線的方式，使變電所的自動化屏需要安裝大量的DI/O（數(shù)字量的輸入/輸出）設(shè)備，自動化屏實(shí)現(xiàn)連鎖關(guān)系。而如今，每個開關(guān)柜都安裝了智能測控單元或保護(hù)裝置。這些裝置之間用硬線或邏輯電路實(shí)現(xiàn)了保證安全的第一層連鎖關(guān)系。變電所的自動化屏上安裝一臺FEP（前置處理單元）通過通信方式和這些開關(guān)柜建立連接關(guān)系，只需要配置1臺64點(diǎn)DI/O以內(nèi)的測控單元就能滿足和無法通過智能單元的設(shè)備連接。這樣，可靠性高，綜合自動化系統(tǒng)的調(diào)試壓力也小。軌道交通的機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)與變電所綜合自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類似。可以將BAS的集中控制改為各系統(tǒng)的分散控制，其具體實(shí)施方案如圖2所示。

表1 典型地鐵車站BAS工作量統(tǒng)計

圖2 結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)后的BAS構(gòu)成示意圖

每個和BAS接口的專業(yè)設(shè)備安裝獨(dú)立的智能控制器。智能控制器能夠接受BAS中心控制器發(fā)送來的指令并執(zhí)行，還將設(shè)備自身的狀態(tài)采集上傳至BAS中心控制器；智能控制器能夠完成自身設(shè)備的控制并實(shí)現(xiàn)和其他配合設(shè)備的連鎖動作，能夠?qū)崿F(xiàn)本類設(shè)備的集群控制等。BAS通過冗余的、可靠的現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網(wǎng)將底層設(shè)備的信息收集，通過BAS的FEP完成信息的解碼和轉(zhuǎn)換，通過綜合監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部的協(xié)議上傳至綜合監(jiān)控系統(tǒng)。FEP在系統(tǒng)中啟到承上啟下的作用，其主要作用是對接入設(shè)備通信總線進(jìn)行物理和協(xié)議的轉(zhuǎn)換，如將串口轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)、將Device NET（設(shè)備總線）轉(zhuǎn)換成internet（因特網(wǎng)）等。

4.2 對系統(tǒng)功能的影響

系統(tǒng)架構(gòu)調(diào)整后，是否會影響到原BAS所能實(shí)現(xiàn)的功能，現(xiàn)從原BAS所能實(shí)現(xiàn)的四類功能作具體分析。

1）監(jiān)控功能：BAS需要實(shí)現(xiàn)對底層設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視和動作控制。調(diào)整后的結(jié)構(gòu)與原來的結(jié)構(gòu)相比，只是將動作的執(zhí)行從BAS內(nèi)改成向系統(tǒng)外發(fā)指令，具體由底層設(shè)備控制器來實(shí)現(xiàn)指令，接口界面全部在FEP外側(cè)，故接口清晰、方便運(yùn)營維護(hù)和問題的查找。

2）調(diào)節(jié)功能：車站的BAS能夠根據(jù)所檢測的車站環(huán)境參數(shù)自動判斷車站所處空調(diào)季工況，根據(jù)檢測參數(shù)采用科學(xué)的算法和實(shí)用的控制策略，以便對空調(diào)冷水系統(tǒng)的二通調(diào)節(jié)閥、公共區(qū)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)時間的信息來進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)整后的BAS結(jié)構(gòu)的監(jiān)控對象由設(shè)備級上升至系統(tǒng)級，主要的調(diào)節(jié)功能由設(shè)備級控制器實(shí)現(xiàn)，需要多系統(tǒng)配合以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的功能，在BAS FEP中做相關(guān)邏輯關(guān)系和控制算法。由于BAS系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制對實(shí)時性要求不高，也可以由綜合監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)節(jié)。

3）模式控制功能：模式控制是BAS特有的控制方式，是對某個專業(yè)的多個設(shè)備按照預(yù)先設(shè)定好的控制邏輯和順序進(jìn)行的群控操作。如風(fēng)系統(tǒng)的新風(fēng)模式、夏季模式、冬季模式，照明系統(tǒng)的高亮模式、節(jié)能模式等。在采取了新的結(jié)構(gòu)后，BAS只負(fù)責(zé)發(fā)送需要執(zhí)行的模式號，設(shè)備具體的控制由各專業(yè)的控制器實(shí)現(xiàn)。

4）防災(zāi)輔助功能：BAS在地下站的一個非常重要的功能是，在車站或隧道火災(zāi)的情況下的輔助排煙。原來實(shí)現(xiàn)的過程是，BAS接收到火災(zāi)報警系統(tǒng)的防煙分區(qū)火災(zāi)信號，啟動這個防煙分區(qū)的相關(guān)防火閥和排煙風(fēng)機(jī)。這種群控方式也是模式控制的一種，結(jié)構(gòu)調(diào)整后的BAS可以通過FEP實(shí)現(xiàn)收到FAS的防災(zāi)信號后進(jìn)行相關(guān)的模式號下發(fā)。

關(guān)于風(fēng)、水、電系統(tǒng)的智能化，國內(nèi)已經(jīng)有廠家做出了成功嘗試，廣佛地鐵閻村車輛段就已成功采用智能空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了車輛段的溫度調(diào)節(jié)控制。

5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的建議和意義

傳統(tǒng)BAS的結(jié)構(gòu)是BAS發(fā)展過程中逐漸形成的，目前已運(yùn)用于各城市地鐵線路，但也存在著諸多問題。調(diào)整后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用單體成套設(shè)備集成控制系統(tǒng)的分布結(jié)構(gòu)形式，滿足這個結(jié)構(gòu)要求需要設(shè)計院和業(yè)主在招投標(biāo)前就要形成解決方案，讓機(jī)電成套設(shè)備投標(biāo)人掌握這種結(jié)構(gòu)的意圖，并負(fù)責(zé)地與控制設(shè)備集成商進(jìn)行有效合作；集成商應(yīng)從BAS全集成角度實(shí)施統(tǒng)一接口、統(tǒng)一操作界面、統(tǒng)一設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，才能完成分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)想。

分散控制的最大意義是帶來底層設(shè)備風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥、水系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)的智能化。原來和BAS接口的專業(yè)可以獨(dú)立組成控制系統(tǒng)，各自在廠內(nèi)完成調(diào)試。在現(xiàn)場實(shí)施時，BAS和各接口的控制器之間完成接口調(diào)試，具體的動作和信息可以在控制器上模擬，不依賴于現(xiàn)場安裝的設(shè)備。這樣，BAS的調(diào)試壓力將會大大降低。

現(xiàn)階段軌道交通BAS采用進(jìn)口的高端PLC作為控制器，成本很高，而且長期處于國外廠商的壟斷下。其主要原因是由于BAS采取集中控制的方式，現(xiàn)場I/O模塊多，模塊之間的通信依賴于現(xiàn)場總線并要求很高的可靠性和穩(wěn)定性。而目前使用最多的現(xiàn)場總線就是西門子公司、施耐德公司和AB公司三家，這樣就將很多國產(chǎn)的工控設(shè)備擋在門外。而進(jìn)行BAS的結(jié)構(gòu)調(diào)整后，現(xiàn)場總線采用通用的物理通信方式和開放的通信協(xié)議就成為可能，進(jìn)而可推動大量國產(chǎn)化設(shè)備的采用，將會提高軌道交通系統(tǒng)設(shè)備國產(chǎn)化率并降低成本。

［1］ 魏曉東.城市軌道交通自動化系統(tǒng)與技術(shù)［M］.2版.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

Optimization of Electric Power System Monitoring Structure in Rail Transit

Wu Zhou，Shi Jing

After the construction of rail transit lines，trains are still hard to launch on time because the electric power system monitoring has many variant with sophisticated functional connections，insufficient debug timeand difficult coordination of overall functional portions.Even when one subway line has been put into service，a series of testing and acceptance will still be needed for some operational functions.After a mass research，the fundamental cause of this situationis detected，because the traditional electric power monitoringsystem adopted tiered distribution network on spot and the centralized control manner of bus network.But，an optimization of the monitoring structure can solve these problems effectively.

rail transit；electric power monitoringsystem；structural optimization

U 29-39

2013-03-06）