地鐵BAS系統不同組網方案對比研究

陳青云

（貴陽市城市軌道交通有限公司，貴州貴陽 550081）

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地鐵BAS系統不同組網方案對比研究

陳青云

（貴陽市城市軌道交通有限公司，貴州貴陽 550081）

摘 要：結合地鐵工程中BAS系統局域網設置的實際應用情況，比較了基于羅克韋爾（Rockwell Automation）公司的ControlLogix平臺下總線型組網結構方案和工業以太網組網方案的不同結構特點，并分析其各自冗余機制，為后續各地的地鐵建設提供參考。

關鍵詞：地鐵；BAS系統；總線型；以太網；組網方案

0　引言

環境與設備監控系統（BAS）作為地鐵綜合監控系統的一個重要集成子系統，承擔著地鐵車站舒適性和節能性的作用，其與火災自動報警系統（FAS）的接口，實現了緊急情況下通風空調設備的火災聯動，還承擔了一定程度防災救災的重責[1-3]，對地鐵正常運營和保證乘客人身安全起到了至關重要的作用。目前，在城市軌道交通行業具有應用業績的 BAS系統生產廠商主要有羅克韋爾、施耐德、西門子、通用電氣，現場級網絡主要有全總線和全以太網 2 種實現形式[4]。本文以羅克韋爾公司 ContrlLogix 平臺下 2 種不同方案的網絡結構在實際地鐵線路中的應用為例，分析其各自的特點，為后續線路的建設和運營提供參考。

1　全總線式網絡結構

西安地鐵 1號線線路全長 25.36km，全線共設 19座地下站，其中 5 座為換乘站。工程于 2009 年初開工建設，2013 年9月通車試運營。其車站 BAS系統局域網采用了 ControlNet 冗余雙總線的全總線網絡方案[5]，傳輸介質主要為同軸電纜現場總線，當 2 點之間的距離超過1km 時，采用光纖連接，總線傳輸速率為 5Mbps。主端和從端的冗余 PLC[6]、綜合后備盤（IBP）、I/O、遠程 I/ O模塊都掛接在冗余的 ControlNet 控制網上。

1.1系統主要設備組成

主端冗余的 PLC系統主要包括 1756-L62 處理器（2 塊）、冗余同步模塊1756-RM（2 塊）、機架冗余電源模塊 1756-PA72（2 塊）、ControlNet 網絡通信控制器1756-CNBR（6 塊）、Ethernet/IP 以太網模塊 1756-ENBT（4 塊）、10 槽機架 1756-A10（2 塊）以及冗余同步模塊的光纜 1756-RMC1（1根）、TAP 分支電纜連接頭 1786-TPS（數量按需提供），以上為環控電控室 PLC 控制柜內主要設備。除此之外還包括分布在車站站廳與站臺的遠程 I/O 箱內設備，I/O 箱數量按照現場具體情況配置，每個 I/O 箱內包含 Flex I/O 通信模塊1794-ACNR15（1 塊）、I/O 模塊底座 1794-TB3（按箱內I/O模塊數量配置）、16 點 DI 模塊 1974-IB16、16 點 DO 模塊 1974-OB16P、8 點 AI 模塊 1974-IE8、4 點 AO 模塊1794-OE4，以上各輸入輸出模塊數量均按需配置。通信接口產品采用瑞典 HMS 公司的Anybus 通信轉換模塊 AB7006，BAS系統提供足夠數目的通信接口供相關專業的設備接入。

從端配置與主端類似，所不同的是從端采用 7 槽機架，沒有配置 Ethernet/IP 以太網模塊 1756-ENBT，從端通過同軸電纜與主端在 IBP 盤處相連接，IBP 盤處配置2 塊 ACNR15、5 塊 16 點 DI 模塊 1974-IB16、5 塊 16 點DO 模塊 1974-OB16，并配置和FAS等專業的通信接口。

1.2車站網絡結構

西安地鐵 1號線車站網絡結構如圖 1 所示。主從端均采用 2 套冗余的 ControlLogix PLC 控制器。以主端為例，從左至右為 PA72 電源模塊，采用背板總線的方式給整個機架提供 220V 直流電源，然后是 L62 系列的PLC，PLC 作為 BAS系統的核心采用 2 個 32 位的高性能工業級微處理器，分別進行 IO 掃描和程序掃描，2 個處理器可以異步執行并共享 1 個公共數據區，最大訪問和處理 I/O 點的數字量和模擬量分別為 128K 和 4K，處理速度為 0.05ms/k。PLC 也采用背板的方式和機架上其他模塊進行通信，并且所有的模塊均支持帶電熱插拔。PLC 右邊是冗余模塊 RM，RM 模塊通過冗余同步光纜不斷地維持主、備機架之間的通信，使主、備 CPU 的程序與數據得以同步。往右是第 1 塊通信控制器 CNBR，負責與遠程 IO 模塊和通信接口模塊實現通信功能，再向右第 2 塊 CNBR 負責與低壓環控設備通信，第 3 塊 CNBR 負責 A、B 兩端的通信。最右邊的 2 塊以太網模塊 ENBT 通過 2 根以太網線接入車站綜合監控系統交換機，將 BAS系統所有功能交由綜合監控系統實現。

從端結構與主端類似，所不同的是從端沒有以太網模塊 ENBT，從端 PLC 處理的所有數據最后都將傳送到主端，由主端統一將數據傳給車站綜合監控系統。

IBP 盤處的數字量輸入模塊、數字量輸出模塊分別負責接收 IBP 上信號、屏蔽門、扶梯、環控等相關專業的邏輯狀態顯示和應急控制指令。通信模塊通過 RS485總線與 FAS 相連用于接收 FAS 的模式控制指令，以實現火災聯動功能。

1.3冗余及安全機制

ControlLogix 熱備系統由 2 套配置完全相同的硬件系統和1根同步光纖組成，采用冗余機架配置，每個機架單獨供電，采用雙電源、雙 CPU、雙以太網模塊、冗余熱備模塊、雙遠程 I/O 的總線通信方式，實現了硬件上的完全冗余。其中 1 套硬件系統作為主控制系統，另外 1 套作為后備控制系統實時跟蹤主控制系統狀態，且 2 套 CPU 的掃描同步進行，從而保證在設備和網絡通信出現故障時可以實現無憂切換。主備控制器之間切換時間最快可以達到 60ms。

冗余配置的控制器可共同操作所連接的所有 RI/O 和 I/O 設備，但同一時刻只能由主控制器發出指令，系統在CPU或通信出現故障時，所有輸出模塊均可以設置為關斷、保持及安全預設定幾種狀態之一，以確保系統及設備的安全。當故障恢復時，主控制器能即時地自動連接通信網絡，程序和內存狀態具有斷電自保持功能。

圖1　西安地鐵 1號線車站網絡結構圖

2　全以太網網絡結構

成都地鐵 4號線線路全長 21.96km，全線共設 16 座地下車站，其中 2 座為換乘站。其車站級 BAS系統采用光纖以太網作為現場總線[7]，車站兩端各配置1套冗余的 ControlLogix PLC，與 IBP 盤配置的 CompactLogix PLC 通過光纖雙環以太網相連，所有設備均通過交換機接入光纖以太環網，由于采用的是TCP/IP 協議，網絡的傳輸速度為 100Mbps，較總線型網絡傳輸速率快，并且通信協議更加開放。

2.1系統主要設備構成

2 套對等冗余 PLC系統主要包括 1756-L71 處理器（2 塊）、冗余同步模塊1756-RM2（2 塊）、機架冗余電源模塊 1756-PA72（2 塊）、Ethernet/IP 以太網模塊 1756-EN2T（4 塊）、7槽機架1756-A7（2 塊）、冗余同步模塊的光纜 1756-RMC1（2 根）。遠程控制箱內 I/ O 模塊選用羅克韋爾公司的 Point I/O 系列，通過 Point 系列以太網通信適配器 1734-AENT 接入兩端各自的光纖環網，包括 8 點 DI 模塊 1734-IB8、8 點 DO 模塊 1734-OB8、8 點 AI 模塊1734-IE8C、4 點 AO 模塊 1734-OE4C以及模塊底座 1734-TOP，I/O 模塊數量均按現場具體設備點數確定。IBP 盤處配置 CompactLogix 系列 PLC 1768-L43（1 塊）、電源模塊 1768-PA3（1 塊）、以太網通信模塊 1768-ENBT（2塊）、16 點 DI 模塊1769-IQ16（5 塊）、16 點 DO 模塊 1756-OB16（5 塊）、電源模塊 1769-PA2（1 塊）、擴展電纜 1769-CRL3（1 根）。IBP 盤與 FAS 的接口通信模塊采用 AB 公司的 2080-LC50-48QWB，工業以太網交換機選用卓越公司的 Carat55D-6TX-2FM（2 光 6 電，數量由各站按需分配）。

2.2車站網絡結構

成都地鐵 4號線 BAS系統采用光纖全以太環網結構，其車站網絡結構如圖 2 所示。

圖2　成都地鐵 4號線車站網絡結構圖

車站 BAS 底層系統按照車站特點分別設置 2 套對等冗余的監控子系統，它們通過光纖雙環以太網與 IBP 盤 PLC 相連，構成車站 BAS 局域網，即完成兩端控制器與 IBP 盤之間的數據交換功能。兩端冗余控制器又與各自 I/O 箱設備組成各自單環以太網，完成兩端冗余控制器與兩端各自設備的通信。通信接口模塊選用羅克韋爾公司的 2080-LC50-48QWB，其自帶一小型 CPU，可自行對接入的底層設備進行數據處理，故通信接口模塊可直接接入車站級光纖雙環網。并且此通信接口模塊自帶 5 個串口，每個串口支持最高串聯 32 個節點通信，故一端設置 1 個通信接口模塊即可滿足需求。IBP 采用非冗余的 CompactLogix PLC，并設置一定數量的 I/O 模塊，負責接收 IBP 上信號、屏蔽門、扶梯、環控等相關專業的邏輯狀態顯示和應急控制指令。通過通信接口模塊與 FAS 控制盤相連，實現火災模式的聯動控制。IBP 盤處交換機通過以太網接入綜合監控系統交換機，由綜合監控系統實現 BAS系統的功能。

2.3冗余及安全機制

ControlLogix 控制器的冗余結構由配置完全相同的 2 組硬件冗余設備構成，雙機熱備應用雙機架、雙電源、雙 CPU、雙以太網模塊、雙 RI/O 通信網絡方式，硬件冗余設備使用時無需編程。確保任一模塊不能工作或被診斷故障時，所有受控設備及模式能不間斷、無擾動地自動切換運行，同時可以通過監控軟件和PLC系統的硬件按鈕進行手動切換。無論何種切換方式都能夠保證整個系統切換的無擾動。

在本冗余系統里，每個機架都配備 1 個 1756-RM2冗余管理模塊以實現主、備 CPU 之間的程序和數據同步，2 個 1756-RM2 之間采用 1756-RMC1 光纜連接，提供1條高速數據同步通道，及時同步程序與數據。因此，冗余系統對于外部連接的設備來說是完全透明的，發生 CPU 切換時外部連接的設備不會察覺到，設備運行狀態不會因為切換而發生不穩定，是無擾動的冗余切換機制。PLC 的主備 CPU 切換時間最低可達到 60ms。

表1　BAS系統以太網和總線組網方案特性對比

3　系統比較

由上述分析可知，由于全總線和以太網 2 種 BAS系統組網類型都是采用羅克韋爾公司的 ControlLogix 系列冗余控制器，冗余切換機制基本相同。其主要區別如表 1 所示。

4　總結

綜上所述，全總線型和以太網型方案均可以滿足地鐵車站 BAS系統主要需求指標。對于實時性和可靠性要求比較高的場合，總線型比以太網具有更大的優勢；對于開放性和與其他系統互聯互通要求較高的場合，以太網比總線型具有更廣泛的應用。無論是全總線型網絡結構還是全以太網網絡結構，均具有各自的優點和缺點，在滿足系統性能指標的前提下，綜合考慮各方因素，選擇合適的網絡結構。

參考文獻

[1] 陳鵬. BAS系統在地鐵中的應用[J]. 中國科技報，2002，15（2）：33-36.

[2] 許巧祥. 南京地鐵BAS設計的技術創新[J]. 都市快軌交通，2005，18（4）：61-64.

[3] 張紹，陳曉東. BAS系統在地鐵環境中的應用及實現[J]. 地鐵與輕軌，2003（5）：30-37.

[4] 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，2008.

[5] 西安地下鐵道有限責任公司. 西安地鐵1號線一期工程（后衛寨至紡織城）綜合監控系統集成采購項目合同技術規格書（二）專用技術要求[G]. 陜西西安，2010.

[6] GB 50157-2013地鐵設計規范[M]. 北京：中國計劃出版社，2013.

[7] 成都地鐵有限責任公司. 成都地鐵 4號線一期工程綜合監控系統集成與施工總承包合同技術規格書（二）專用技術要求[G]. 四川成都，2013.

責任編輯 凌晨

Study on Two Different Networking Schemes in Metro BAS

Chen Qingyun

Abstract:The paper discusses the practical application of LAN settings of the metro BAS, and compares the different structure characteristics the main line networking structure scheme based on Rockwell Automation’s ControlLogix platform and the industrial Ethernet networking scheme. It analyzes the respective mechanism of redundancy, provides some references for metro construction around the follow-up.

Keywords:metro, BAS, main line type, Ethernet network, networking schemes

中圖分類號：U270.34

作者簡介：陳青云（1986—），男，工程師

收稿日期2016-01-19