城市軌道交通建筑設備監控系統設計研究

李 莉，苗 晨

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

城市軌道交通建筑設備監控系統設計研究

李 莉，苗 晨

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

建筑設備監控系統（BAS）是城市軌道交通中不可或缺的重要系統，隨著其系統設計的日趨成熟，多種系統結構形式也涌現出來。在具體的項目設計中，宜選用怎樣的結構形式。結合在建的莞惠城際軌道交通，論述BAS的系統結構與網絡、系統功能，研究比選系統整體及各級功能、接口設計等，以期對城市軌道交通項目的BAS設計有一定的參考價值，使其設計更合理、更高效。

城市軌道交通；建筑設備監控系統；設計

1 概述

城市軌道交通建筑設備監控系統(BAS)是對車站建筑物內的冷凍及冷卻水、熱源及熱交換、采暖通風及空氣調節、給排水、公共照明、電扶梯、環境質量參數等建筑設備和系統進行集中監視、控制和管理的系統。BAS系統的作用為節約能源、方便管理、實現無人值班［1]。合理的設置BAS系統,對整個城市軌道交通線路的運營至關重要。如何科學地設置BAS系統？應遵循分散控制、集中管理、資源共享的基本原則。

2 系統結構與網絡

在地下線路為四站三區間及以上時,BAS應設中央管理級。在地下線路為三站二區間或以下時,可不設置中央管理級,僅設車站管理級。

莞惠城際全線新建車站17個,其BAS采用分布式計算機系統,由中央管理級、車站監控級、現場控制級及相關通信網絡組成。系統功能具有中央和車站兩級監控功能,系統結構由中央管理級、車站監控級、就地控制級三級結構組成［2]。

網絡由中央級、車站級監控網、現場總線及通信傳輸網組成。中央級與車站級網絡之間通信傳輸骨干網絡由通信系統的傳輸系統提供。管理網絡采用TCP/IP通信協議的開放型的以太網絡,以太網絡采用物理星形邏輯總線的拓撲結構或環形結構。控制網絡由控制總線、現場總線或控制總線與現場總線混合組成。車站級局域網連接控制器、操作站和通信設備。因受控對象系統以數字測控參數為主,選用PLC控制。

莞惠城際FAS、BAS獨立設置,系統之間設置高可靠性通信接口,防排煙系統與正常送排風系統合用的設備正常運行由BAS統一監控,火災工況BAS接受由FAS發布的火災模式指令,BAS優先執行相應的控制程序。專用排煙風機、消防泵等火災專用設備由FAS直接控制［3]。

3 系統整體功能

BAS具有機電設備監控、執行防災及阻塞模式、環境監控與節能運行管理、環境和設備的管理和系統維修功能。此部分為各城際軌道交通BAS系統均應實現的功能。

(1)機電設備監控:具有中央及車站兩級監控信息管理；BAS控制命令應能分別從中央工作站；車站工作站和車站緊急控制盤IBP人工發布或由程序自動判定執行；注冊和操作權限設定功能。

(2)執行防災及阻塞模式:具有接收車站FAS自動或手動火災模式指令,執行車站防煙、排煙模式；接收列車區間停車位置、火災部位信息,執行隧道防排煙模式；接收列車區間阻塞信息,執行阻塞通風模式；監控車站逃生指示系統和應急照明系統；監視各排水泵房危險水位功能。

(3)環境監控與節能運行管理:通過對車站環境參數檢測對能耗進行統計分析,控制通風、空調設備優化運行,提高整體環境的舒適度及降低能源消耗。

(4)環境和設備的管理:能對車站環境等參數進行統計；對設備的運行狀況進行統計,據此優化設備的運行；形成維護管理趨勢預告,提高設備管理效率。

(5)系統維修:監視全線BAS的設備運行狀態,對系統設備進行集中監控和管理；對全線BAS系統軟件進行維護、組態、運行參數的定義、系統數據庫的形成及用戶操作界面的修改等；通過對硬件設備故障的判斷,保證對系統進行實時監控及維護。

4 系統設計

4.1 系統整體結構設計

BAS系統按照與其他系統的集成關系,其整體結構形式可分為獨立系統和集成系統兩大類結構形式。

4.1.1 獨立系統結構

根據BAS承擔的功能范圍,獨立系統結構可分為完全獨立系統結構、無中央級功能的集成ISCS結構、有中央級功能的集成ISCS結構。

(1)完全獨立系統結構

BAS具有完整和獨立的中央管理級、車站監控級和就地(現場)控制級結構與功能,通過通信傳輸骨干網構建完整的系統。南京地鐵1號線,天津地鐵,廣州地鐵1號、2號線,北京地鐵1號、2號、4號線采用該結構。

(2)無中央級功能的集成ISCS結構

BAS具有完整的車站級系統結構及功能,不具有中央級結構與功能,中央級監控功能由ISCS實現。BAS不提供與通信傳輸骨干網接口,在車站級向ISCS提供接口。廣州地鐵3號線、北京地鐵5號線、成都地鐵1號線采用這種結構。

(3)有中央級功能的集成ISCS結構

BAS具有完整結構,通過通信傳輸骨干網構建完整的系統,同時在車站級向ISCS提供接口。正常情況下,由ISCS實現中央級監控功能,BAS中央管理級作為后備工作站。廣州地鐵4號線、莞惠城際采用這種結構。

4.1.2 集成系統結構

BAS不作為一個獨立的系統,被集成在其他系統中。根據系統集成規模可分為集成于其他子系統結構和高度集成BAS功能的ISCS結構。

(1)集成于其他子系統結構

BAS設備較少,其監控范圍的規模較小,BAS不承擔防災功能時,不設置獨立的中央及車站監控級,不構建專用網絡,集成于其他子系統網絡平臺實現功能。北京城鐵13號線采用該結構。

(2)高度集成BAS功能的ISCS結構

BAS功能高度集成于ISCS,構成高度集成BAS功能的ISCS,BAS不作為一個獨立的子系統,而是集成于ISCS中的一項專業功能,ISCS建立統一的監控層硬、軟件平臺。BAS具有獨立的控制層及現場層網絡或總線結構,具有專用的、完整的控制及接口設備。中央級和車站級監控是基于ISCS,與其他被集成或互連的系統共享監控設備。車站及中央的監控功能作為ISCS的一項功能存在。深圳地鐵4號線、廣州地鐵5號線、北京地鐵10號線、西安地鐵2號線采用該結構。

4.1.3 系統結構對比

無中央級功能的集成ISCS結構、有中央級功能的集成ISCS結構具有較高的技術先進性,高度集成BAS功能的ISCS結構已逐漸成為國內軌道交通構建監控系統的趨勢。系統結構對比見表1。

表1 系統結構對比

4.2 車站級結構設計

以莞惠城際為例,車站級結構網絡主要有以下幾種方案。

方案一:車站設2組冗余主控制器,見圖1。

圖1 BAS系統車站級設計方案一

車站采用雙端冗余配置PLC結構。在靠近車站值班室一側的環控電控室配置一組冗余的工業級PLC主控制器,在車站另一端的環控電控室配置冗余從控制器,車站值班室內配置BAS接口網關與FAS相連,兩端環控電控室內冗余的主控制器之間通過冗余現場總線相連,RI/O、與其他系統連接的接口網關通過冗余現場總線與各自端的冗余PLC控制器相連,冗余主PLC控制器配置以太網接口卡與通信系統連接。

本方案的特點是雙端冗余PLC配置,方案適應范圍廣,BAS與FAS的聯動控制直接,緊密,由于FAS報警控制盤與主控制器直接相連,IBP綜合后備盤RI/O與主控制器冗余配置,整個系統的可靠性高。

方案二:車站設一組冗余主控制器,見圖2。

圖2 BAS系統車站級設計方案二

BAS采用單端冗余配置PLC結構。在車站靠近車站值班室一端配置一組冗余工業級PLC控制器；在車站值班室內配置接口網關與FAS系統相連,通過總線與車站控制室內IBP內的RI/O連接。BAS控制器通過雙以太網與通信系統車站交換機連接。主控制器與RI/O采用總線連接,構成車站的星型局域網,監控整個車站機電設備。

本方案的特點是監控管理更加集中,投資相比偏低,編程方便,但現場總線較多,布線相對比較復雜,現場總線長度增加,整個車站需集中調試。

對車站級BAS網絡構成方案一和方案二的比選見表2。

表2 BAS網絡構成方案比選

經過以上技術經濟綜合比較,莞惠城際地下站推薦方案一為主選方案,地上站推薦方案二為主選方案。

5 各級系統功能

(1)中央級功能

顯示全線各站的設備狀態,并可以發出控制指令；在數據庫中存儲各車站設備狀態、環境狀態等信息數據,并提供分析處理、查詢、打印等功能；協調各站BAS的運行,實現全線設備的聯合運行。

(2)車站級功能

顯示本站的設備狀態,并可以發出控制指令；接收并存儲本站設備狀態、環境狀態等信息數據；對本站設備、環境狀態數據進行分析處理,得到當前的合理運行模式和相關參數,并向本站各PLC控制器發出模式指令和參數；接受控制中心指令,并指揮PLC控制器執行；接收車站FAS控制器的火災信號,根據預定方案向本站各PLC控制器發出相應的運行模式指令。

(3)就地級功能

實現單臺設備進行就地控制,滿足設備的現場調試要求；實現對現場信號的采集、信號的轉換和控制信號的輸出；具有智能通信接口的各個現場設備通過現場總線,實現數據的通訊；各相關通信接口,主要實現不同通信要求的轉換,保證通信數據的實時采集和安全傳輸。

6 硬、軟件配置要求

(1)設備應選擇具備可靠性、容錯性、可維護性和工業級控制產品；具有標準、開放的通信接口和協議,實現智能儀表、設備和系統的數據交換,并能向集成系統提供接口；控制器宜采用可擴展、易維修的模塊化結構,并具有遠程編程功能；輸入輸出I/O模塊可具有帶電插拔功能及必要的隔離措施；傳感器的輸出應選用標準電信號；系統應具有抑制變頻器諧波及防噪聲干擾的措施。

(2)軟件系統應與硬件系統配置相適應,應在成熟、可靠、開放的監控系統軟件平臺的基礎上,按城市軌道交通功能需求開發應用軟件；軟件系統應采用模塊化結構,應具有良好的開放性和擴展性；軟件體系應具備完整的系統維護和診斷功能,以及良好的人機界面。

7 系統電源及接地

BAS為一級負荷,雙路電源供電,雙電源經切換箱供至系統自帶UPS。設備電源由UPS供電。UPS后備電源可保證系統正常工作1 h。

接地采用共用綜合接地裝置,所有BAS現場機柜等設備均接地并接入綜合接地系統,接地電阻不大于1 Ω［4]。

8 與各主要系統的接口

BAS與其他主要系統的接口有:與通信系統、ISCS、FAS、通風與空調系統、給排水系統、動力照明、電梯及自動扶梯系統、土建專業等。因其余皆為常規接口,僅就莞惠城際BAS與ISCS系統接口進行論述。

莞惠城際軌道交通設有ISCS系統,為節約資源, BAS不再單獨設置工作站,系統功能集成于ISCS系統內,即BAS采用有中央級功能的集成ISCS結構。因此,與綜合監控系統的接口在綜合監控設備室設備配線架外側、車站控制室IBP盤的配線架外側。BAS負責向綜合監控系統提出數據通信接口、數據內容及格式、數據傳輸時機等要求。綜合監控系統負責提供主時鐘同步信號,實現全線BAS監控功能。

9 結語

城市軌道交通建筑設備監控系統在于將各種建筑設備的信息進行分析、歸類、判斷、處理,采用最優化的控制手段,對系統設備進行集中監控和管理,使各子系統設備處于有條不紊的狀態下運行,降低系統造價和管理費用,節省能耗,在保證系統充分運行的同時,提高智能建筑的高水平管理和服務,使投資得到良好回報［5]。在具體項目設計中,除應遵循基本設計原則外,還應滿足運營管理的需要,服務功能與管理體制相適應,并考慮當地的特殊因素等,設置技術水平合理、科學高效的BAS系統。

［1] 徐起萬.地鐵車站設備監控系統的設計［J].鐵道標準設計, 1997(12).

［2] 劉永謙.地鐵FAS、BAS系統設計中幾個問題的探討［J].鐵道標準設計,2006(4).

［3] 中鐵工程設計咨詢集團有限公司.東莞至惠州城際軌道交通初步設計文件［Z].北京:中鐵工程設計咨詢集團有限公司,2010.

［4] 王著,路勇.地鐵環境與設備監控系統的設計［J].鐵路計算機與應用,2011(12).

［5] 李士峰.地鐵環境與設備監控系統(BAS)設計淺談［J].鐵道勘測與設計,2005(3).

［6] 鐘松輝,趙軍.廣州地鐵電氣、電動蝶閥、BAS系統間的配合［J].鐵道標準設計,1999(Z1).

［7] 鐵道第四勘察設計院.廣州至珠海(含中山至江門)城際快速軌道交通工程初步設計文件［Z].武漢:鐵道第四勘察設計院,2005.

［8] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,中華人民共和國建設部.GB50157―2003地鐵設計規范［S].北京:中國計劃出版社,2003.

［9] 中華人民共和國建設部.JGJ16―2008民用建筑電氣設計規范［S].北京:中國建筑工業出版社,2008.

［10]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50116―2013火災自動報警設計規范［S].北京:中國計劃出版社,2013.

［11]曲立東.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,2010.

［12]魏曉東.城市軌道交通自動化系統與技術［M].北京:電子工業出版社,2004.

Design Research on Building Automation System Used in Urban Rail Transit

LI Li,RUI Chen
(China Railway Engineering Consulting Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China)

U231+.6

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.031

1004-2954(2014)07-0134-05

2014-01-20；

2014-02-26

李 莉(1983―),女,工程師,2008年畢業于北京理工大學控制理論與控制工程專業,工學碩士,E-mail:14494541@qq.com。