地鐵車輛段環境與設備監控系統的網絡設計方案比選

田小梅 左振魯

（國電南瑞科技股份有限公司，210061，南京／／第一作者，工程師）

寧波軌道交通1號線車輛段位寧波市東環南路以東蔡江岸地區天童莊，分為蓋上、夾層、蓋下三部分，建筑結構龐大復雜。整個車輛段的環境與設備監控系統（BAS）的監控方案對應車輛段結構也分為蓋上、夾層、蓋下三部分，每個部分各設有一對控制器及多個RI／O（定段輸入輸出）控制箱，用于監控現場各種機電設備。

1 車輛段BAS結構組成

天童莊車輛段BAS的蓋上、夾層、蓋下三部分，分別設立了獨立的可編程邏輯控制器（Programmmed Logic Controller，簡為PLC）。蓋上的部分為車輛段主PLC，設置于綜合辦公室樓一層綜合樓綜合監控設備室，直接與車輛段綜合監控系統（Integrated Supervision and Control System，簡為ISCS）通信。夾層部分的PLC和蓋下部分的PLC為從PLC，分別采集、處理所屬區域的設備信息并上傳給蓋上主PLC，并接收蓋上主PLC下發的控制指令，傳送給各個就地設備進行開關、啟停控制等。

1.1 蓋上BAS

天童莊車輛段蓋上部分的PLC 為一套冗余ControlLogix系列PLC，兩個冗余PLC 機架分柜布置。此處的PLC 作為整個車輛段的主PLC，每個機架上分別設置1塊以太網卡，用于同ISCS進行通信；同時在每個PLC機架上分別布置2個網絡模塊，1個用于向上連接夾層PLC 和蓋下PLC 組成控制級網絡，另1個用于向下連接現場級網絡。

在天童莊車輛段的培訓中心、文體中心、鍋爐房等處分別設置RIO 控制箱，內設各種類型的DI（數字量輸入）／DO（數字量輸出）／AI（模擬量輸入）／AO（模擬量輸出）模塊，實現現場設備信號的采集和傳輸功能，從而監控現場設備。

1.2 夾層BAS

夾層PLC 的結構類似于蓋上PLC 部分，區別在于冗余PLC 機架上沒有與ISCS通信的以太網模塊。現場監控設備比蓋上PLC 多，分布在夾層車庫消防設備室、夾層A 區風機房等處。同時在PLC控制柜KB2中也設置有1套RI／O 模塊，用于監控夾層車庫消防設備室附近的現場設備。

1.3 蓋下BAS

蓋下PLC 的結構類似于夾層PLC 部分。蓋下現場監控設備比夾層多，分布在運用庫消防設備室、污水處理站等處。同時在PLC 控制柜KC2中也設置有1套I／O 模塊，用于監控蓋下運用庫消防設備室附近的現場設備。

2 車輛段BAS的兩種組網方案

天童莊車輛段BAS 原方案采用的是和車站BAS 相同的總線網絡方案，PLC 部分采用ControlLogix系列控制器1756－L61，RI／O 部分采用Flex I／O 系列，控制器與 RI／O 部分之間采用ControlNet總線連接。

現方案采用的是以太光纖環網方案，PLC 部分采用 ControlLogix 系列控制器1756－L61，RI／O部分采用Point I／O 系列，控制器與 RI／O 部分之間采用光纖以太環網連接。

2.1 總線方案

車輛段BAS總線方案網絡圖如圖1所示。

圖1 車輛段BAS總線方案網絡圖

總線方案中，蓋上、夾層、蓋下的PLC 控制器之間采用總線網絡模塊1756－CNBR 進行連接，三組控制器之間用網絡線纜串聯起來，形成雙總線結構。蓋上PLC作為主PLC控制器，在每個機架上安裝1塊1756－ENBT以太網卡同ISCS通信。

蓋上、夾層、蓋下PLC 下面分別設置Flex I／O系列模塊，IO 處采用總線適配器1794－ACNR15同各個PLC控制器相連，各部分單獨形成雙總線現場級網絡。

2.2 環網方案

車輛段BAS環網方案網絡圖如圖2所示。

圖2 車輛段BAS環網方案網絡圖

環網方案為根據天童莊車輛段實際建筑特點、設備分布情況進行優化的設計方案。

環網方案中用于控制級和現場級網絡連接的網卡不再是總線適配器卡，而是以太網卡。每個PLC機柜中還設置了1臺2光4電交換機，光口用于同RI／O 控制箱連接，1個電口同1756－EN2TR 以太網模塊相連，其他電口連接串口模塊、柜內RI／O 模塊等設備。

在現場 RI／O 控制箱中設置 Point I／O 系 列，同時設置1臺2光4電交換機，電口同RI／O 組件的1734－AENT 適配器連接，光口同其他RI／O控制箱和PLC 控制柜連接。PLC 控制柜和RI／O控制箱之間的現場網絡采用光纖以太環網，當網絡上任意一處發生故障（如斷開）時，光纖環網切換成單以太網線，不影響整個網絡的正常工作，整個分布式RI／O 站的信息依然可以全部上傳至PLC控制器。

蓋上主PLC設置一對冗余控制器機架，每個機架上各設置1 塊1756－EN2T 以太網卡，用于和ISCS通信，另外各設置2塊1756－EN2TR 雙口以太網模塊，分別連接控制級網絡和現場級網絡。

夾層、蓋下PLC 類似于蓋上主PLC，區別是不設置用于同ISCS通信的1756－EN2T 以太網卡。另外，根據蓋上、夾層、蓋下的監控設備數量不同，主要區別是IO 數量不同。此處僅示意蓋上BAS系統網絡圖，如圖3所示。

圖3 蓋上BAS系統網絡圖

3 兩種網絡設計方案比較

3.1 功能性

車輛段所面向的服務對象與車站不同，車輛段主要服務于地鐵系統運營維護人員，而車站主要服務于乘客。兩者關注點不同，所監控的重點、重要性也不相同。車輛段與車站BAS網絡方案不同，車輛段方案是適應車輛段自身特點而提出的系統網絡架構。

現方案采用的是Point I／O 模塊，與Flex I／O模塊相比，性能指標相同，實現現場設備的信息采集、控制等，控制器相同，其程序處理能力相同。新方案與原有方案功能上完全相同。

3.2 靈活性

Point I／O 的模塊具有體積小、密度低、適配器支持模塊數量多、組合自由的特點。對于一些監控設備較多的區域，BAS的箱柜因為空間大小限制，原來的總線方案中，因為Flex I／O 模塊體積較大，每個箱柜內只安裝1個ControlNet網絡節點，每個ControlNet適配器最多只能支持8個I／O 模塊，有數量和I／O 點數的限制，對于個別監控設備較多的地方就需要增加箱柜。而Point I／O 系列體積小，且1個適配器最多可以支持63 個I／O 模塊，DI、DO、AI、AO 自由組合，方便靈活，單個箱柜內可安裝的I／O 數量較多。

而對于一些監控設備較少的區域，設備所需監控點數又較少，Flex I／O 模塊點數密度較高，空余的I／O 通道將較多，有些浪費。Point I／O 模塊點數密度較低，空余的I／O 通道較少，不至于造成太多浪費。

3.3 一致性

車輛段范圍大，控制柜與箱柜之間的距離較遠且距離不易確定。總線方案由于受距離限制，不可能所有的箱柜之間都是總線，需要大量增加ControlNet總線光電轉換器，每個總線兩端都需各配置1對。且因為未知線纜走向，箱柜之間的距離不好確定，所以無法明確兩個箱柜之間究竟使用總線直接連接還是光纜連接。如果在現場進行修改，勢必增加現場柜內安裝、配線的難度，拖延現場工期進度，且箱柜的美觀、整潔、防護性將大大受到影響。

環網方案中，所有箱柜之間無論距離遠近均使用光纜連接，類別單一。因為箱柜之間最遠不會超過5 km，所以統一使用多模4芯光纜進行連接，不用在工廠箱柜生產制造階段就考慮距離問題，且現場可以一次性熔接好，大大提高工作效率。且后期故障類別也相對單一，運營維護人員也比較容易掌握、排除問題。

3.4 方便性

總線方案中，ControlNet網絡光電轉換器體積較大，且對于有些地方，其箱柜進出都是光纜，需要安裝4對光電轉換器，箱柜空間有限無法安裝只能另外增加箱柜以安裝此光電轉換設備及其熔接盒等。環網方案中，光電交換機體積較小，且交換機自身已具有光口，無需額外的光電轉換設備，箱柜空間足夠安裝。無需再增加箱柜。

總線方案中，采用ControlNet同軸電纜連接，其電纜及連接工作由BAS施工方完成，此網絡為AB公司專用ControlNet總線，對于施工方來說較為陌生，敷設、連接時可能問題較多。環網方案中，采用光纖連接，是常見的施工工藝，對于施工方來說非常熟悉，其敷設、熔接工作較為容易，有問題也能迅速解決，對于BAS施工方和BAS系統集成商的工作界面清晰，責任明確。

3.5 經濟性

環網方案相對總線方案而言，單個Point I／O模塊相對Flex I／O 模塊來說價格較低些，可利用的I／O 通道數比例增加，實際使用I／O 模塊總價降低。

總線方案大量使用ControlLogix的網絡模塊1756－CNBR 和ControlNet網絡光電轉換器，甚至造成增加箱柜用于安裝專用的光電轉換設備，其總價增加；而環網方案中雖增加光電交換機但價格上比專用的ControlNet網絡光電轉換器價格低。

環網方案全部使用多模光纜連接，其市場價格比總線方案中使用的ControlNet網絡電纜低。

車輛段環網方案相對總線方案來說，較為經濟。

4 結語

通過比較兩種BAS網絡設計方案的優缺點，最終根據寧波軌道交通1號線車輛段的實際特點選擇了環網方案。當然，總線方案也有其優點，如：和全線車站BAS設備、方案一致，備品備件可互換使用無需另外配置；另外總線方案相對而言為傳統方案，易于被運營方接收。無論是哪一種方案，在控制技術方面都較為成熟。就目前而言，總線方案在地鐵設備監控系統中使用較多，環網方案尚未使用過。針對城市軌道交通目前建設的趨勢，車輛段建筑越來越龐大，環網方案更能適應城市軌道交通行業趨勢的發展。環網方案在寧波地鐵1號線車輛段中的成功應用對后續地鐵車輛段的BAS系統設計具有重要的指導意義。

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