地鐵BAS 系統組網方案優劣分析

羅阿靜

（深圳達實智能股份有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

從1965 年7 月北京地鐵1 號線一期開工建設開始，直至今日，中國地鐵的建設技術已經相當成熟。人們對于地鐵系統的可靠性、可用性要求也越來越高。地鐵交通環境與設備監控系統（BAS）是城市軌道交通綜合監控系統（ISCS）的重要組成部分，其主要功能是對地鐵建筑物內的環境與空氣條件、給排水、照明、乘客導向、屏蔽門等建筑設備和系統進行集中監視、控制和管理的系統［1］。

地鐵環境與設備監控系統（BAS）由中央級、車站級、現場級構成。就大部分城市系統結構來看，車站BAS 系統集成在車站綜合監控系統（ISCS）中，作為車站級綜合監控系統的內部子系統，通過通信系統提供的網絡連接至中央級，從而實現中央級的控制。而就車站級而言，BAS 系統通過冗余PLC（可編程邏輯控制器）上的冗余以太網卡連接到BAS 交換機上，由ISCS實現BAS系統車站級控制。現場級主要由冗余PLC、遠程輸入輸出模塊（RI／O）、通訊模塊、就地現場小型控制器等現場設備構成，而如何將這些現場級設備聯系在一起，使采集到的信息傳輸到車站級，實現現場級設備的監測和控制，就成為了BAS系統主要需要完成的工作。因此BAS系統組網方案主要研究的是車站級和現場級設備如何連接，才能使現場設備的信息傳輸到車站級，車站級設備將命令下發至現場級設備的問題。

1 BAS系統選型現狀

輸入輸出模塊、通訊模塊、就地現場小型控制器等現場級設備采集到車站通風空調大系統、小系統、隧道通風系統、電扶梯、水泵等設備的信息之后，通過BAS 系統網絡傳輸到PLC，由PLC 經過分析后下達控制命令。因此PLC 就是整個BAS系統的“大腦”。在組建BAS 系統時，PLC 設備的選型至關重要。

一般來說，一個典型地下車站BAS系統采集處理的信息量大約是：數字量2 000～2 500 點，其中有大約1 000 多點可由低壓智能控制器集成后傳給BAS；模擬量在100 點以內；控制輸出主要是開關量，閉環的模擬量控制調節一般不超過10 個回路［2］。為保證系統的可靠性及可用性，一般配置大中型高端系列冗余PLC。就目前而言，市場上應用較多的為西門子S7－400H系列，羅克韋爾公司生產的AB 品牌1756 系列，施耐德Quantum系列PLC。

2 BAS系統組網方案

在車站兩端環控電控室內各設置1 套冗余PLC 控制器，將離車控室較近的一端作為主端（A端），另外一端作為從端（B端），在車站控制室IBP 盤內設置一套非冗余PLC 控制器或者RI／O，現場風機房、配電室等處配置現場RI／O。

目前市場上BAS系統組網方案主要以西門子、AB、施耐德3 家為代表，籠統來說分為雙總線網絡、全光纖自愈以太環網、總線＋以太網3 大結構。地鐵大部分車站為地下站，高架站系統構成和地下站類似，但僅需設置1 套冗余PLC 控制器，因此本文以地下站為例進行分析。

2.1 雙總線網絡方案

雙總線為早期地鐵BAS系統的建設方案，如廣州地鐵3 號線北延、4 號線、5 號線，西安地鐵1 號線、2 號線、3 號線［3］，深圳地鐵5 號線、大連2 號線、長沙4 號線等線路。以長沙某地鐵為例進行分析。

BAS系統和綜合監控系統通過A 端冗余控制器配置的4 塊CP443－1 以太網通信網卡實現數據交換，BAS系統內部的A、B端冗余控制器S7－400H 通信通過集成在CPU 上的Profibus－DP總線接口，經過總線中繼器冗余相連相連實現數據交換，同時冗余控制器與遠程I／O ET200M 通過S7－400H 冗余控制器集成的Profibus DP接口，實現數據交換。IBP 盤遠程I／O 采用西門子ET2OOM 系列RI／0。IBP 盤ET2OOM 系列RI／0 通過冗余Profibus 總線與冗余S7－400H CPU 相連。區間聯絡遠程控制箱ET200M，通過PROFIBUS 總線光電轉換器OLM 光纖方式與雙冗余PROFIBUS雙總線連接。與有通信接口的第三方設備的通過安裝于分布在不同冗余總線網絡上的冗余遠程I／O 箱中各個RS485 通訊接口模塊一對一相連。全總線網絡示意圖如圖1所示。

圖1 全總線網絡

2.2 全光纖自愈以太環網方案

全光纖自愈以太環網為近幾年應用較為廣泛的方案，如石家莊2 號線、3 號線，廈門1 號線、2 號線、3 號線，上海6 號線、10 號線、11 號線等。其中又包含單環網、雙環網、三環網等多種方案。以石家莊某地鐵為例，采用三環網方案。

A端冗余PLC通過以太網接口與車站級綜合監控系統交換機連接，實現與綜合監控系統的數據交換。A 端與B 端冗余PLC采用施耐德Quantum 系列高端冗余PLC，與IBP 盤控制器之間通過速率高達100 Mb／s的光纖總線連接，與車站BAS系統中的遠程IO、區間IO、智能低壓系統（環控電控柜系統）等主要設備都通過由光纖交換機組成的自愈光纖以太環網接入并實現互通互聯。各端的冗余PLC通過100 Mb／s的自愈光纖環網與分布在車站遠程控制箱內的施耐德M340 系列高端RI／O 連接，實時采集各監控對象的狀態，并根據中央或車站控制員的指令控制車站各種機電設備，為車站創造良好的乘車環境。車站及區間內的自愈光纖以太環網由工業級以太網交換機構成，采用光纖作為主要傳輸介質，點對點之間的傳輸距離可達5 km，可實現對車站及區間的完整覆蓋。全光纖自愈以太環網三環方案如圖2 所示。

圖2 全光纖自愈以太環網三環方案

2.3 以太網＋總線方案

在以上兩種方案的基礎上，部分BAS系統供應商提出了以太網＋總線方案，如深圳3、7 號線、成都2 號線、3 號線，長沙2 號線等。以深圳某地鐵為例進行分析。

在車站兩端環控電控室各設置一套冗余的BAS 控制器，負責車站兩端設備監控。A、B端各設置一對工業以太網交換機接入車站級綜合監控系統（SISCS），控制器與各遠程I／O 通過冗余現場總線相連。在車控制室設置遠程I／O，用于IBP盤監控，并配置串行網關實現與FAS、冷水機組、動態平衡電動調節閥的接口。BAS系統設置串口服務器，用于電／扶梯、EPS、設置通信接口的水泵及VRV等設備的監控。以太網＋總線方案如圖3 所示。

圖3 以太網＋總線方案

3 BAS系統組網方案優劣分析

3.1 雙總線網絡方案優劣分析

作為使用最早的雙總線網絡結構，其優點在于結構簡單、成本較低、易擴展、可靠性高，但其缺點在于傳輸速率較低、可擴充的用戶數量有限。雙總線網絡組網時，無需借助交換機等造價昂貴的設備，直接通過總線和接線器連接，成本較低。

雙總線網絡通信介質可采用屏蔽雙絞電纜或同軸電纜，西門子Profibus－DP 總線協議在無中繼下最高通信速率可達12 Mb／s（通信距離100 m 內），羅克韋爾（AB）Controlnet總線協議在無中繼下最高通信速率5 Mb／s（通信距離1 km內）［3］。

雙總線網絡擴展用戶時，在限定距離內僅需增加一個接線器，超過限定距離后增加中繼器即可，但其所接入的用戶數量是有限。西門子Profibus總線在無中繼下最大可接入32 個站點，有中繼情況下可擴展至126 個站點，羅克韋爾（AB）Controlnet總線在無中繼下最大可接入48 個站點，有中繼情況下可擴展至99 個站點。但因為隨著中繼器數量的增加，其抗電磁干擾能力、傳輸速率也隨之降低。

3.2 全光纖自愈以太環網方案優劣分析

現場總線標準的不統一制約了現場總線發展，多種總線標準并存使得總線難以沿開放的方向發展［4］。隨著各種智能化工業設備的出現，傳輸數據量的增大，以太網因其速率高、兼容性強，快速在市場上占據了一席之地。該技術遵從TCP／IP 框架，具有接口簡單、協議開放、互通便捷等突出優勢，逐步成為行業主流技術，已經形成了多個有影響力的國際標準，不同的協議標準滿足著不同層次、不同場景的通訊要求：比如用于本地控制系統內部的工業以太網協議，常見的有EtherCAT、PROFINET和Ethernet／IP等［5］。

全光纖自愈以太環網通常采用速率高達100 Mb／s的光纜作為通信介質，具有傳輸速率快、兼容性強的優點，同時其擴展性、抗干擾性、自愈性能也同樣優越，如采用西門子ProfiNet總線時，其最大可連接站點數達128 個。但其缺點在于組網時需要借助造價較為昂貴的交換機等設備，成本較高。

自愈是指當網絡傳輸中斷（例如光纖斷）時，不需要工作人員進行維修，網絡傳輸會自動地在短時間內（ITU－T 規定小于50 ms）恢復，用戶幾乎不受影響［6］。

3.3 以太網＋總線方案優劣分析

全光纖自愈以太環網方案雖然優點眾多，但就地級裝置采用工業以太網組網將增加前期投資費用，同時由于地鐵車站內通訊距離較長，采用工業以太網需增加環網光纖設備及光纖熔接費用［7］。以太網＋總線方案的提出是一個相對較為完美的解決辦法。目前現場級采用總線方案基本能滿足實際需求，但在特殊情況下，如車站面積較大、站間距太遠、設備站點多、區間設備遠，總線方案因其連接站點數少、傳輸距離短就會存在較大限制。

4 結束語

從總線到光纖以太網，通信介質的發展也帶動了BAS 系統PLC組網結構的發展。PLC 組網的結構在整個地鐵環境與設備監控系統中起到了至關重要的支撐作用，組網結構的優劣直接影響到地鐵系統的穩定性和可靠性［8］。地鐵PLC 組網方式多樣，組網方式各有優劣。目前來講無非是以太網與總線方案的排列組合。本文介紹了常見的雙總線方案、全光纖自愈以太環網方案、以太網＋總線3 種組網方式，通過對實際應用案例的分析，介紹了各種組網方式的組成結構及應用介質，分析了各種方案存在的優缺點。總線方案雖然傳輸距離有限、傳輸速度較慢，但其結構簡單、成本較低、穩定性好，且應用案例多，經驗豐富。以太網方案作為近年來備受推崇的組網方式，其優點毋庸置疑，但組網過程中需借助交換機，前期投資大，造價較高。但就未來人類社會智能化的發展、現場智能化設備的增加、人類對于工作效率的要求來看，以太網組網因其傳輸速率快、抗干擾性強、兼容性好等優點，已經成為大趨勢。

從總線方案到以太網方案，總線諸多如兼容性較差、傳輸速率低的問題已經得到了解決。雖然目前來講，以太網方案因為要借助交換機，其成本較高，但相信隨著技術的發展，以太網方案成本高等的問題也可以找到一個好的解決方案。