環境與設備監控系統組網方案分析

陳漫玲

（深圳達實智能股份有限公司，廣東深圳 518057）

0 引言

地鐵環境與設備監控系統是將計算機與機電設備的自動化控制原理相結合，并運用分布式智能等技術對地鐵車站、場段、隧道區間內的空調通風、給排水、照明、導向標識等相關專業設備進行管理和控制［1］。環境與設備監控系統（BAS）是地鐵運營過程中不可或缺的一環，其可以保證車站內的設備能夠在穩定、高效率且節能的條件下運行，為乘客創造了安全且舒適的出行環境。BAS系統在地鐵環境控制這一關鍵環節中的具體應用有兩個方面：一是監測地鐵的運行情況，它會根據列車的運行狀況，采用多種監測方式，以此實現集中監測的目的，這樣，地鐵管理人員就可以利用監控設備，直觀地觀察到地鐵的環境狀況，從而可以有效地減少地鐵發生故障的概率，也能夠很好地減少地鐵里可能存在的危險；二是在地鐵運行過程中，對各個節點進行控制，完成對地鐵運營環境的統籌管理，提高地鐵運行的穩定性。BAS系統可以管理和調節地鐵的運行環境，精準地記錄地鐵的運行狀態以及獲取與之有關的數據，改善地鐵環境，發揮出BAS系統所具有的調控功能。由此可見，在管理地鐵環境這一方面BAS 系統有著至關重要的作用，本文介紹了BAS系統，著重論述了組網方案，能夠根據需求提供多種的服務內容，既能夠保證地鐵內各車站的設備穩定運行，提供安全且舒適的乘車環境，又節約能源減少地鐵運行費用，使地鐵整體的環境得到優化。

1 系統構成和主要功能

BAS系統是由中央級、車站級、現場級以及全線通信網絡這4 大部分構成，在功能系統中，它的主要結構是基于骨干網絡，在地理上實現分散、且分層分布式的大規模BAS系統。所以，其硬件系統和相應的功能也以垂直的3 個層面為主。

1.1 中央級監控系統

BAS中央級監控系統是集成在綜合監控系統（ISCS）中，其設備由ISCS 負責設置，由服務器、大屏、打印機、工程師站等設備組成。BAS在中央級能對各個車站、車輛段、停車場及地下區間隧道通風空調、照明、給排水、自動扶梯等機電設備進行監測或調制，并具有全部的顯示、控制、參數設置和調節等系統功能。中央級監控系統的功能由綜合監控系統來完成的，主要內容有下傳控制模式、數據采集與數據處理和設備監督與控制。

1.2 車站級監控系統

車站級監控系統網絡采用分層分布式結構，由PLC控制設備、各類輸入輸出模塊、現場傳感器等設備組成［2］。因為車站控制室BAS工作站是由綜合監控系統來調控的，所以BAS車站級監控功能也是由綜合監控系統來完成的。其監控的對象包括車站隧道通風系統、公共區通風空調系統、設備區通風空調系統、車站冷水系統、車站給排水系統、自動扶梯系統、照明系統等設備［3］，

通過對相關設備運行數據的采集，并上傳到綜合顯示屏上，實現了對被監控裝置的實時、準確地檢測與記錄。

1.3 現場控制級系統

現場控制級系統由PLC 控制器、I／O、各類通信轉換接口模塊、交換機搭建的以太環網、各類傳感器和調節閥等構成［4］。在環控電控室控制柜內設置各類通信網關，在被控現場設備例如車控室、配電室、區間風機房等安裝RI／O控制箱，以完成收集有關信息并輸出指示。車站里設備的運行狀態、出現報警信息或是相關測試數據都會快速地通過通信接口上傳至綜合監控系統，同時也接收上級發出的指令并執行。在發生火災的情況下，管控車站內通風空調和其他有關的機電設備會通過與FAS建立的通信接口接收發出的指令，運行狀態快速進入火災模式。

2 主要設計原則

（1）BAS系統應基于先進的技術、合理的投資、完善的功能、靈活的組網、便于管理和節約能源降低消耗的原則規劃，應采用現代科學技術完成對車站內設備的智能化控制，從而讓地鐵運營更安全穩定的同時也減少運行成本。

（2）BAS系統按中央級和車站級兩級管理，中央級、車站級和現場級3 級控制方式設置［5］，中央級和車站級集成于ISCS，中央級和車站級的監控功能由ISCS來完成的。

（3）BAS系統軟件、硬件的設計應充分思考系統的安全可靠性以及擴展的方便性［6］，并能夠進行故障診斷和在線編輯。

（4）BAS和FAS建立一個可靠的通信接口，當出現火災的時候，FAS 會檢測出火災的發生地點，通過設在車控室的通信接口，向BAS 發出相應的火災模式指令，讓BAS可以優先執行對應的控制程序，確保相關的機電設備都進入到救援狀態［7］。

（5）在地鐵正常運行的狀態下，中央級對隧道通風系統有著最高指揮權，車站級對站內的設備和給排水系統具有最高指揮權。區間發生火災或者列車堵塞的時候，是由控制中心對隧道通風排煙發出命令，BAS 接收且執行指令。

3 組網方案

地鐵BAS系統在車站兩端的環控電控室配置了一套冗余的PLC控制器，其中靠近車站控制室的冗余PLC為主控制器（A 端），另外一端的PLC 為從控制器（B端）［8］。此外，在車控制的IBP盤中還安裝了一組非冗余PLC控制器，在IBP 盤中實現了發布和顯示不同的模式控制指示等功能，并與A 端的主控制器相連接，從而形成了一個車站級的BAS系統。目前，地鐵中廣泛采用的BAS系統組網方案有兩種，一種是雙總線，另外一種是光纖自愈以太網環網［9］。B 端冗余PLC 控制器可以通過光纖自愈以太網環網或雙總線接入A 端冗余PLC 控制器，以及和IBP盤、遠程I／O 間也可以自主選擇其中一種組網方式來完成進行通信。本文對雙總線組網和光纖自愈以太網環網這兩種組網方式展開了分析。

3.1 雙總線組網方案

BAS系統和綜合監控系統之間的數據交換是通過在主從控制器上各配置2 個100 MB／1 000 MB 以太網模塊各自接入屬于不同網段的車站級綜合監控系統交換機來完成的，BAS系統中的主、從控制器S7414-5H 的數據集成在Profinet 總線的接口，再通過光轉XB004-1 相連接進行通信，冗余控制器與遠程I／O 之間的數據交換也是集成在Profinet 總線的接口，再經由光轉XB004-1 連接來完成的。將具備通信接口的機電設備以一一聯接的形式，將其與分布在各種冗余總線上的冗余遠端I／O 箱內的每一個串端口進行通信，這樣組網方式，能在任意一條總線出現故障的時候，保證下端設備處于正常監控狀態，實現了通信線路的冗余功能。雙總線組網方案示意圖如圖1 所示。

圖1 雙總線組網方案

3.2 光纖自愈以太網環網方案

BAS系統中主控制器與綜合監控系統的冗余交換機的數據傳輸是采用以太網的形式，以這種方式來完成車站BAS系統和綜合監控系統間設備狀況信息的上傳和控制命令的下達［10］。A、B 端的冗余PLC 控制器與IBP 盤PLC控制器之間采用自愈光纖環網進行連接，通過這種方式來完成兩個控制器的數據通信。在兩端冗余PLC 控制器分別設置光纖工業以太網，統一接入各種I／O、帶有通信接口的現場設備以及小型的就地級控制器，通過監測和管理車站兩端的機電設備，來完成現場級設備的數據采集和控制功能［11］。3 個環網通過交換機實現環網之間的互聯功能，但彼此相對獨立，任何一個環網存在故障均不影響其他環網的正常工作。采用光纖自愈以太網環網方案，即使有一個節點發生故障時，它的下端設備可以通過其他線路傳輸數據，從而防止發生設備離線的狀況，實現了通信線路的冗余功能。全光纖自愈以太環網方案示意圖如圖2 所示。

圖2 全光纖自愈以太環網方案

4 組網方案優劣分析

作為運用的最早的雙總線組網方案，其特征是使用傳統的總線方式進行通信，目前地鐵上常用的總線有ControlNet、ModBus Plus、Profibus和ProfiNet等，這幾種總線的特性如表1 所示。雙總線組網方案的優勢是方案成熟、結構簡單、系統可靠性高，設備成本較低，但是存在著以下這些問題：（1）通信標準不統一，目前市場上BAS系統組網方案主要有施耐德、西門子、羅克韋爾等這3 家，由于其標準化性低，不同廠商之間共用設備困難；（2）通信速率較低，從表1 總線特性的比較中可以看出大部分總線的通信速率在9.6 kb／s ～5 Mb／s之間，通信速率低會嚴重影響到系統的實時響應性［12］；（3）網絡擴展困難，若有添加了新的的監視目標，則需要重新規劃和掃描網絡，從而影響現有網絡的執行。

表1 總線特性的比較

隨著地鐵的人流量越來越多，運營壓力的增加，所需要傳輸的數據的增多，以及科學的可持續發展各種智能化設備的出現，總線的標準無法統一限制了其發展，而光纖以太網以傳輸速率高以及兼容性強等優點在市場上有著非常大的優勢［13］。以太網是目前應用最為廣泛的計算機網絡技術，以太網組網方案在地鐵實際運營中也應用廣泛，其優勢則體現在以下這幾個方面：（1）網絡架構靈活，工業以太網相比現場總線更加靈活，支持線型網絡、星型網絡、環型網絡和混合型網絡，可以實現中心級、車站級和現場級的一網到底的解決方案；（2）通信速率高，以太網的通信速率現在已經可以達到10 Mb／s或者100 Mb／s，其通信速率已遠遠超過現場總線［14］；（3）軟硬件資源豐富，經過多年的應用，在設計和應用等各方面積累了豐富的經驗，并對其中所涉及到的技術非常熟悉；（4）可持續發展能力強，因為以太網的使用范圍很廣，所以其在反戰爭中的作用受到了很大的關注，并在技術上進行了很大的投資，從而確保了以太網技術的持續發展。而缺點則是在地鐵的實際運用中，當需要增加遠程I／O 模塊的時候，要想接入以太網中，就必須要增加交換機或者交換模塊，這就增加了設備成本，也使網絡結構變得復雜。

由于車站兩端的主從控制器的傳輸距離較長、數據傳輸量較大，因此對數據通信的速度要求較高、且要求安全可靠；而車站主從控制器與I／O 之間的通信距離雖然比較短，但因為連接的機電設備數量眾多又接近現場，所以也對其提出了高安全性、高穩定性以及方便擴展的要求［15］。根據地鐵車站對環境與設備監控系統的要求，雙總線和以太網這兩種組網方案都有著各自的優點。雙總線和以太網組網方案這兩種方式雖然都實現了線路上的冗余，但根據以上各方面因素的對比，在可靠性、設備成本、可拓展性等方面，光纖自愈以太網環網相比較雙總線方案還是有著比較明顯的優勢。雖然在設備成本上，光纖自愈以太網環網方案會增加交換機或交換模塊使得設備成本也增加了，但是隨著網絡技術的發展以及以標準太網通信的產品都在不斷開發之中，以太網一定會因為其高通信速率和優良的標準化而在市場上成為一種非常重要的網絡形式。在地鐵的建設中，以太網也將成為未來網絡發展的主流，從而使網絡更加規范化，更加實時。

5 結束語

本文就環境與設備監控系統的構成和主要功能、設計原則、組網方式等方面進行了分析，對環境與設備監控系統有了更近一步的說明。組網的結構是地鐵BAS 系統中非常重要的一部分，其好壞對軌道交通系統的穩定性與可靠性有直接的影響。在組網方案的選擇上，通過比較分析雙總線組網和光纖自愈以太網環網方案各自的優缺點得出，光纖自愈以太網環網的特點更適合未來的發展。事實證明也是如此，現在在地鐵的建設過程中都會優先選擇光纖自愈以太網環網的組網方式，例如成都8 號線、27 號線、17 號線、18 號線、19 號線，以及石家莊2 號線、長沙2 號線等等都選擇的是光纖自愈以太網環網，總線方案已經很少運用了。從總線到以太網，總線存在的問題如較低的傳輸速率和標準化的問題也有了解決的方法。雖然以太網現階段會需要增加交換機或交換模塊，導致設備成本增加，但是相信隨著科學技術的發展，這個問題也會得到解決。