SCADA 系統在地鐵項目中的設計與實現

蘭志軍

（太原軌道交通集團有限公司， 山西 太原 030000）

引言

近年來，隨著城市規模的不斷擴大，人民生活水平的不斷提升，為提高人們上下班的通勤效率，減緩城市早晚高峰擁堵情況，以地鐵為主以地鐵為主的城市軌道交通因其運量大、速度快以及節能、環保等優勢被廣泛應用。地鐵作為電氣化高度集成的鐵路系統，隨著城市地鐵網絡不斷擴大，對其信息化建設的要求越高[1]。信號系統、通信系統以及SCADA 系統是地鐵信息化建設中的三個分系統。其中，SCADA 系統即監控和數據采集系統，可將地鐵中各個分散且相對獨立的系統集成為一體，實現全區域資源的互通和共享。本文重點開展SCADA 系統在地鐵項目中的應用研究。

1 SCADA 系統概述及項目概述

1.1 SCADA 系統概述

基于SCADA 系統，可實現下位機與工作現場各類控制儀表、執行機構之間的通信，實現監控中心與遠程客戶端之間的通信。隨著城市地鐵網絡的不斷擴大，對地鐵的信息化、智能化以及數字化的要求越來越高，直接體現為對SCADA 系統的數據通信技術和網絡技術的嚴格要求[2]。

SCADA 系統的數據傳輸方式包括通用串行通信技術和現場總線技術。SCADA 系統除了常見的無線通信技術外，還可用無線計算機局域網、無線電臺、GSM、GPRS 以及-800 MHz 無線集群技術等。SCADA系統可依據經典的OPC 標準和OPC UA 標準實現數據通信和交換。SCADA 系統是在監測的基礎上，對現場執行機構進行控制，從而保證現場設備或者機器能夠按照預定規律運行。SCADA 系統可采用的自動控制技術包括有開環控制、閉環控制、隨動控制、定制控制、離散控制、線性控制和非線性控制等。

本文將重點以北京某地鐵線路為例，進行SCADA 系統在地鐵項目中的應用研究。

1.2 項目概述

北京15 號地鐵線路在建設初期共分為三階段工程，15 號地鐵線路總長度為40.8 km，整個地鐵線路包含有地下線路和高架線路。其中，地下線路長度約27.1 km，高架線路的長度約為13.7 km。其中第一階段線路長度為20.2 km，共包含有4 個地下車站和4個高架車站。第二階段線路長度約10.8 km，包含有4個地下車站。第三階段線路長度約9.8 km，包含有5個地下車站。

2 SCADA 系統在15 號線地鐵線路中的設計與實現

在15 號線地鐵線路中設計SCADA 系統，可使該地鐵線路與北京市的軌道交通指揮控制中心實現互聯互通，保證在緊急情況下可實現交通指揮控制中心對該地鐵線路的統一管理和控制。為保證互聯互通功能的可靠、穩定實現，將該地鐵線路中的SCADA 系統設計為三級管理三級控制模式，包括全線控制中心、車站級控制中心和本地級控制中心[3]。具體功能描述如下：

1）全線控制中心：作為SCADA 系統的上層控制中心，對地鐵線路的電力、環境、屏蔽門、廣播、自動售票以及火災等系統進行控制。

2）車站級控制中心：對該地鐵線路中各個站點的系統和設備進行管理和監控。

3）本地級控制中心：對地鐵線路中的設備進行就地控制。

結合15 號地鐵線路的實際情況，為其匹配性設計的SCADA 系統的總體架構如下頁圖1 所示。

2.1 SCADA 系統的互聯互通

將子系統中的各個分系統在SCADA 系統的作用下實現集成，包括系統的集成和系統界面的集成，是SCADA 系統實現互聯互通的基礎?；赟CADA 系統，可實現對15 號地鐵線路中的電力和環境系統的監控，并將視頻監控、廣播和屏蔽系統與火災、自動售票檢測、信息顯示以及門禁等系統實現界面集成[4]。基于SCADA 系統實現15 號地鐵線路的集成和互聯，對應的應用效果如下頁圖2 所示。

根據15 號地鐵線路的站點數和北京軌道交通指揮中心統一指揮功能，SCADA 系統的子系統在地下車站和高架車站所配置的接入點如表1 所示。

表1 SCADA 系統接入點配套數量

2.2 SCADA 系統的軟件設計

為實現15 號地鐵線路中SCADA 系統的功能，在硬件配置的基礎上設計了合理、全面的軟件架構體系[5]。結合SCADA 系統的功能需求，其對應的軟件結構包括有數據接口層、數據處理層和人機接口層。各層結構的功能如下：

1）數據接口層：該層軟件主要對相關數據進行采集，并對所采集的數據進行轉換，所配套的硬件為遠程前端處理器。

2）數據處理層：該層軟件主要是對所采集的數據進行處理，所配套的硬件主要包括有中心服務器和車站服務器。

3）人機接口層：該層軟件主要服務于操作人員，所配套的硬件為現場操作的工作站。

SCADA 系統在15 號地鐵線路中應用的軟件結構如圖3 所示。

2.3 SCADA 系統的網絡通信設計

根據15 號地鐵線路各個站點的網絡通信需求和15 號地鐵線路與北京軌道交通指揮中心的通訊需求，將其所配套的SCADA 系統的通信網絡分為主干層網絡、局域網和現場層網絡。各層通信網絡的設計如下：

1）主干層通信網絡主要依靠光纖實現數據傳輸，實現交通指揮中心、各站點和各車輛段數據的高速傳輸。

2）局域網依靠以太網實現數據傳輸，主要實現各個子系統之間的數據通信。

3）現場層網絡依靠現場總線技術實現數據傳輸，主要是電力監控子系統、環境監控子系統等各個子系統的內部數據傳輸。SCADA 系統的網絡通信架構如圖4 所示。

3 結語

近年來，隨著我國國民經濟的飛速發展，地鐵已經成為城市交通不可分割的一部分。為了實現城市交通的統一管理和指揮，為地鐵項目設計匹配的SCADA 系統非常有必要?；赟CADA 系統實現地鐵項目中各個站點之間的互聯互通，實現各個站點中各類設備和子系統的信息傳輸，實現整條地鐵線路控制中心與交通指揮控制中心的通信，為保證地鐵的安全、可靠運行奠定了堅實的基礎。