地鐵BAS系統的新技術

齊航

摘 要：隨著社會經濟的不斷發展，新型城市交通—地鐵得到了廣泛的應用。應用不斷進步的自動化控制技術，對地鐵機電設備進行集中控制和管理，為地鐵高安全運行提供了可能，保障了地鐵環境的安全、舒適。該文基于此對地鐵BAS系統的應用和新技術進行了研究。

關鍵詞：地鐵BAS系統 新技術

中圖分類號：U29-39文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（a）-0106-03

城市地鐵具有快速、安全、運載能力強的優點，是解決城市交通擁堵最有效的手段之一。地鐵車站內及運行沿線分布著大量的機電設備，他們擔負著維護地鐵運行安全和營造舒適乘車環境的責任。由于機電設備種類數量多，分布廣，控制要求復雜，加上地下的惡劣條件，光靠人力無法完成，于是需要用到BAS監控系統。如今，地鐵BAS系統采用現代計算機技術實現對地鐵機電設備的監控功能，保證地鐵安全運營。下面以北京地鐵六號線對地鐵BAS系統采用的新技術進行研究。

北京地鐵六號線的BAS系統采用PLC對車站通風空調系統、水系統、照明系統、給排水系統、區間系統、電扶梯系統、智能水表和傳感器進行監控和報警。

1 BAS系統的作用和功能

1.1 地鐵BAS系統的作用

對全線的車站及區間的機電設備進行監控和控制，促使各個機電設備安全、高效、合理地運行，保證地鐵車站及區間的環境的良好舒適，同時達到要求的節能效果，并在發生突發事件如火災時控制機電設備進行要求的相應動作，保證地鐵環境的安全。

1.2 北京地鐵六號線BAS系統的主要功能

（1）監控全線各車站通風空調設備的運行。

（2）監控全線各車站照明設備的運行。

（3）監控全線各車站給排水設備的運行。

（4）監控全線各車站冷水設備的運行。

（5）監控全線各車站電扶梯設備的運行。

（6）監控全線區間隧道通風設備的運行。

（7）統計車站機電設備運行時間和運行次數。

（8）對機電設備故障進行報警。

（9）監測全線各車站環境的溫濕度、CO2參數。

（10）接受FAS系統火災報警信號，觸發BAS系統災害運行模式，控制環控設備按災害運行模式運行。

（11）與綜合監控服務器對時，保證BAS系統時鐘同步。

（12）根據運營需要，可通過綜合監控平臺對機電設備進行控制和變更模式。

2 北京地鐵六號線BAS系統的結構

車站BAS通過冗余通信接口與綜合監控系統連接，將信息集中上傳至綜合監控系統，實現BAS在綜合監控系統中的集成。BAS網絡采用分層分布式現場總線結構，由主控制器（冗余PLC）、遠程I/O設備、現場總線、各類傳感器等設備組成。整個車站的BAS系統由東、西兩端共兩套PLC環控柜及現場機房旁若干個遠程控制箱及控制柜（不同車站具體數量不相同）組成。整個網絡采用MB+總線連接而成。

3 北京地鐵六號線BAS系統采用的新技術

北京地鐵六號線BAS系統采用MB+網絡結構。MB+網絡是Modbus Plus網絡的簡稱。Modbus通信協議是基于RS-485總線網絡開發的一種通信協議，是工業控制網絡中對自動化控制設備進行訪問控制的主從式通信協議。由Modicon公司開發，廣泛應用于工業控制領域，是一種比較典型的通用串行協議。其特點：通信速率可達19.2kbps，物理接口符合EIA-485規范，組成一主多從的單主機控制網絡，主節點可通過逐一訪問的輪詢方式訪問從節點，并且要求從節點返回應答信息，也可以對所有從節點進行廣播式通信，通過簡單的通信報文完成對從節點的讀寫操作。

Modbus通信協議分為RTU和ASCII兩種報文幀格式，采用RTU格式是以傳遞一段不短于3.5倍的字符發送時間的空閑時間開始，一般多取4T，同樣以4T的標志表示結束。而采用ASCII格式的報文則是以冒號"："開始，以兩個回車換行符結束，中間為協議內容。一般來說，RTU格式應用比較廣泛，RTU報文格式：RTU報文以T1～T4作為報文開始和結束的標志，中間包括依次有：（1）地址域（8位），是被查詢的從節點的地址，有效范圍是0～247，0為廣播地址。（2）功能域（8位），用于說明從節點要完成的功能，有效編碼為1～255。（3）數據域（n個8位）是狀態數據，I/O值或其他測控信息。（4）校驗域（16位），幀校驗多采用CRC循環冗余校驗，從地址域開始對所有數據進行校驗。從節點正常應答是發送相同的報文幀讓主節點做確認，包括有：從節點地址，前導標志碼，返回數據，功能確認，校驗碼和幀結束碼。

Modbus Plus是Modbus的改進版，網絡規范有很多不同于Modbus的地方，性能也有很大的改進。Modbus Plus也有ASCII和RTU兩種幀格式，其中ASCII的報文格式依次為：開頭碼（1字節），地址（2字節），功能（2字節），數據（n字節，n=<491），校驗（2字節），結束碼（2字節回車換行符）。RTU的報文格式依次分別為：開頭碼（4字節），地址（2字節），功能（2字節），數據（n字節，n=<486），校驗（2字節），結束碼（4字節）。

Modbus Plus具有較高的傳輸速率，最高可達1Mbps，傳輸介質為屏蔽雙絞線時，不采用中繼器最多可以連接32個設備，支持網段之間采用網橋連接形成更大規模的網絡。Modbus Plus除了有主從方式之外，還有令牌環方式。網絡上的節點作為邏輯環的一個點，通過獲取令牌來取得總線的控制權，傳遞順序有節點地址決定，從最低地址開始傳遞，至最高的結束，循環一周之后重新開始，令牌只能在本網段傳遞。

Modbus Plus網絡的典型應用主要包括網絡控制、數據采集、信號監測、程序上載/下傳、編程、遠程測試等。

Modbus Plus網絡可有3種配置方式，本地I/O，也叫主站，遠程I/O（RIO）稱為分站，分布式I/O（DIO）；CPU配置在主站，主站最多可以配置14個I/O模塊或其他模塊；每個CPU可配置的RIO最多31個遠程I/O（RIO）對等節點，不帶中繼器的通信距離為457m，每個RIO可配置成單或雙電纜方式。當采用DIO時，每個CPU可配置最多3個分布式網絡，每個網上（采用一個中繼器）最多可有64個分站，使網絡最大擴展到1828m通信距離；每個DIO可配置成單或雙電纜方式。

北京六號線BAS系統采用RTU格式，配置雙電纜方式進行通訊。北京六號線BAS采用施耐德的PLC，主CPU配置MB+總線模塊140NOM21200，從站配置MB+接口模塊TCSEGDB23F24FA，主站與各從站通過MB+TAP接頭用MB+雙電纜連接而成。在實際工程中，MB+網絡結構與以太網相比，調試與維護都比較麻煩，下面對MB+網絡的調試方法和維護手段進行介紹。

MB+接口模塊TCSEGDB23F24FA，以下簡稱SEG網關，如圖1所示。

數字4所示的三個燈與網絡狀況有關，ERR-A和ERR-B為網絡指示燈，顏色為紅色，分別顯示A網和B網的網絡狀態。若網絡指示燈常滅，則表示網絡通訊正常或中斷，此并不能作為判斷網絡狀態的依據，需與后文提到的網絡狀態燈結合參考；若網絡指示燈常亮，則表示網關沒有MB+通訊；若網絡指示燈閃爍，則表示網絡故障。這里需要注意網絡指示燈閃爍并不代表此節點上網絡故障，僅代表整個MB+網絡有故障。中間的燈MB+ ACT叫網絡狀態燈，顏色為綠色，是判斷網絡狀態的主要依據。若網絡狀態燈常亮，則表示MB+地址無效，此時應檢查網關撥碼地址；若網絡狀態燈快速閃爍，約6次每秒，則表示MB+活躍，網絡正常；若網絡狀態燈閃爍1次每秒，則表示本節點在離線監視狀態。在此狀態下，此節點可以監聽到其他活躍節點，但無法傳輸數據；若網絡狀態燈閃爍2次，停2秒，則表示此節點可以發現網絡上的其他節點的令牌傳輸，但不接受數據；若網絡狀態燈閃爍3次，停1.7秒，此節點無法發現網絡上的令牌傳輸；若網絡狀態燈閃爍4次，停1.4秒，則網關發現一個重復地址。那么在實際工程中，通過網關指示燈狀態，我們可以分析網絡狀態，確定網絡故障情況。從整個網絡來看，為什么要從整個網絡來看呢，根據實際經驗來看，單一節點的網絡狀態并不能充分反映該節點的網絡狀況，不能作為判斷依據，下面將進行具體分析。從整個網絡來看，若所有節點的網絡狀態燈快速閃爍，A、B網絡指示燈常滅，則表示網絡通訊正常。此時，若出現A、B網絡指示燈其中任一個常亮的情況，這里假設A常亮，則表示整個A網中有一個和多個斷點，通常來講應該是所有節點的A燈均常亮，至于找出斷點的方法后面再做分析。前面是網絡正常的唯一情況，若出現任一A、B燈常亮，則表示網絡有故障，下面對網絡問題的查找方法進行詳細分析。

由于網關指示燈只能在全線網絡正常時作為依據，在網絡有故障時并不能通過指示燈判斷故障點，所以大多數時候網關指示燈只能作為初步參考，并不能得出結論。但是，還有一個工具能夠精確地反映網絡狀態，而且具有較高的準確性，下面進行介紹。我們可以用IE瀏覽器登錄到SEG網關上，登錄方法這里就不做介紹了。登錄之后，我們可以對網關進行配置，這里我們需要用到的是網關的網絡診斷功能。在這里面可以看到整個網絡的所有節點和A、B網的ERROR計數。通常來講，網絡正常的話，A、B網的ERROR計數必定是0或者是個位數，如果是個位數，通常是因為MB+未有效接地，有干擾信號造成的。而如果ERROR計數很大但并不增加，此時網絡也是正常的，只需重置一下就可發現ERROR計數保持0。這是因為以前有網絡不通的情況，ERROR計數還保持在里面。通過ERROR計數可以對網絡狀態進行判斷，網絡正常還是網絡故障，A網故障或者B網故障或者雙網故障。這里要注意，如果是單網故障，一定要保證A、B網沒有串接，這是前提。下面對幾種情況進行分析。第一種，整個MB+網絡有通訊，單網有故障，此種情況最好處理，必定有故障的網絡上有斷點。此時在網絡上的第一個節點登錄網關SEG，將沒有故障的網絡的出線斷開，觀察網絡節點情況。此時，網絡節點必然比實際的少。假設一共有6個節點，5和6看不見，則必然4和5之間是斷點，此時檢查4與5之間的接線和模塊，便能迅速地找到問題，進而消除故障。這是最簡單的一種情況，一般出現在維護期間，由于人為碰觸所造成的。而在工程前期，通常會出現這第二種情況，整個MB+網絡有通訊但不穩定，A、B網均有故障，此時表現為部分節點的ERR-A或ERR-B燈常亮或閃爍，這是最常見也是最棘手的故障情況，前面也提到，這里不能認為ERR-A或ERR-B燈常亮或閃爍的節點有問題，而只能從整個網絡來查問題。此時在網絡任一節點登錄網關SEG，可以看到全部或部分節點，必然有部分節點閃爍，時有時無。此時，極有可能是MB+電纜有接錯或接觸不良。這里補充一下，MB+電纜為3芯線，一藍一白一地，藍線和白線為信號線，不能接反。在實際工程中，若藍白線接反，或者有藍白線任一斷裂的情況，便會產生上面一種故障情況。此時沒有什么快速的方法，只能對MB+電纜進行一一查驗，確定故障位置。這里有一個竅門，由于信號傳輸必然是一條線，則信號線從第一個節點到最后一個節點理論上應該是通的，分別對A、B網的藍白線進行檢查，找出斷點即可。第三種情況，部分節點的ERR-A或ERR-B燈閃爍，此時在網絡靠前節點登錄網關SEG，看不到靠后的節點，

在網絡靠后節點登錄網關SEG，看不到靠前的節點，此時分兩種情況。第一種，網絡通訊距離過長，這里要注意，MB+的總線傳輸距離是450 m，超過這個距離網絡數據可能發生不穩定的情況，而在實際工程中，由于接地不良或是網絡線屏蔽性不佳，往往在420 m以上就會發生信號不穩定的現象，此時的解決方法是添加網絡中繼器，便能將整個網絡通訊長度增長到900米。第二種情況，MB+網絡需在TAP接頭上設置首末端，首端短接電阻，末端短接電容，如果出現首末端未短接好的情況，則可視為沒有首末端，即網絡通訊距離成了無限大，結果故然與上一種情況類似。所以實際情況下，發現第三種故障情況時，先考慮通訊距離是否過長，如果少于450 m，則檢查首末端，問題迎刃而解。

主CPU沒有配置MB+接口模塊TCSEGDB23F24FA，而是配置的MB+總線模塊140NOM21200，這個也能顯示網絡狀態，而且更加準確。Modplus+燈為綠色，快速閃爍表示網絡通訊存在，慢閃，間隙時間長則表示沒有通訊。同樣，140NOM21200也有兩個ERROR指示燈ERROR-A、ERROR-B，為紅色。這兩個ERROR指示燈未亮起，網絡正常；如果ERROR指示燈常亮，則網絡必有斷點；如果ERROR指示燈閃爍，則網絡故障比較復雜，只能查線。

140NOM21200的ERROR指示燈能清晰的反映網絡狀態，可以作為判斷依據，并不像從站的網關SEG，需要從整個網絡來判斷。通過140NOM21200的ERROR指示燈能準確地確認網絡是否有斷點或者接線錯誤，如果ERROR指示燈常滅，但從站有部分網關SEG顯示網絡故障，則可斷定此時一定是網絡距離過長或者MB+首末端未做好。所以，一般來說，查網絡故障都是先看主CPU。而且，通過編好的程序，也能從主CPU上看到哪些節點的數據沒有傳輸上來，這個實際上類似于通過登錄網關SEG查看網絡節點。其實，兩者本來就殊途同歸，因為主CPU本來就是通過網關SEG向從站收發數據的。

由于地鐵環境的復雜性和特殊性，對車站設備的控制要求往往比較高，不及時不合適的控制可能會造成設備損壞甚至釀成事故。因此，今后需要在根據地鐵的實際情況，合理配置系統，完善系統功能，不斷應用新技術，提高BAS系統的有效性和穩定性。

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