地鐵環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王 菁，路 勇

（北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044）

近幾年，地鐵建設(shè)得到了大力推廣，除了北京、上海、廣州等一線城市外，我國(guó)很多二線城市也相繼開(kāi)始修建地鐵。環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）是地鐵運(yùn)營(yíng)中應(yīng)用時(shí)間比較短的系統(tǒng)之一，國(guó)內(nèi)最早建設(shè)的地鐵環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)到現(xiàn)在十年左右。它的主要功能是對(duì)車站的給排水設(shè)備、通風(fēng)空調(diào)設(shè)備、自動(dòng)扶梯、電梯、照明、乘客導(dǎo)向等機(jī)電設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)控和管理，以及對(duì)防災(zāi)系統(tǒng)、電力照明系統(tǒng)等進(jìn)行全面的運(yùn)行管理與控制，并在災(zāi)害發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)迅速地進(jìn)入防災(zāi)運(yùn)行模式，保證人員的生命安全和減少財(cái)產(chǎn)損失，改善地鐵環(huán)境的舒適度，提高地鐵自動(dòng)化運(yùn)行的水平，起到安全、可靠、節(jié)能的作用。

1 主要設(shè)計(jì)原則及標(biāo)準(zhǔn)

（1）BAS依據(jù)組網(wǎng)靈活、技術(shù)先進(jìn)、便于擴(kuò)展、運(yùn)營(yíng)可靠、管理方便、節(jié)約投資的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，監(jiān)控點(diǎn)預(yù)留10%至15%的裕量。（2）系統(tǒng)配置在滿足系統(tǒng)要求的前提下，充分考慮設(shè)備的性價(jià)比，以便節(jié)約工程投資，降低運(yùn)營(yíng)管理維修費(fèi)用。（3）BAS接受火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)（FAS）的火災(zāi)指令，對(duì)于正常工況和火災(zāi)工況兼用的設(shè)備，正常工況由BAS監(jiān)控管理，火災(zāi)時(shí)由FAS發(fā)出指令，BAS執(zhí)行聯(lián)動(dòng)控制，由正常工況轉(zhuǎn)入火災(zāi)模式運(yùn)行，火災(zāi)工況具有優(yōu)先權(quán)。（4）系統(tǒng)設(shè)備滿足地鐵使用環(huán)境要求，能夠穩(wěn)定、可靠地工作，具有防塵、防腐蝕、防潮、防霉、防震、抗電磁干擾和靜電干擾等能力，主要設(shè)備采用工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)通用產(chǎn)品。（5）系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的通信接口、開(kāi)放的通信協(xié)議以及漢化的人機(jī)界面。（6）BAS硬件和軟件的設(shè)計(jì)充分考慮系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性、可擴(kuò)展性、通用性和先進(jìn)性，并具備故障診斷、在線修改、離線編輯的功能。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循模塊化原則。（7）控制設(shè)備滿足工藝要求，選用先進(jìn)的智能化設(shè)備。（8）BAS具有先進(jìn)性、開(kāi)放性和可靠性。所選用硬件設(shè)備必須全部為合格、成熟、可靠的正規(guī)產(chǎn)品，滿足國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，保證在20年內(nèi)不被淘汰或可以用同類型產(chǎn)品代替、且不需要改變其它相關(guān)設(shè)備的硬件和軟件。并保證設(shè)備的兼容性。系統(tǒng)提供足夠量的備品備件，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。（9）BAS接地采用綜合接地方式，接地電阻不大于1 Ω。

2 系統(tǒng)方案

2.1 全線系統(tǒng)構(gòu)成

圖1 BAS全線系統(tǒng)圖

環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)是由綜合監(jiān)控系統(tǒng)組建的全線監(jiān)控系統(tǒng)，采用分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括中央級(jí)、車站級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)3層，具有較強(qiáng)的獨(dú)立性，既可以脫離綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)獨(dú)自實(shí)現(xiàn)車站BAS的主要監(jiān)控功能，又可以在ISCS的統(tǒng)一調(diào)度和協(xié)調(diào)下實(shí)現(xiàn)車站之間的聯(lián)動(dòng)功能，BAS全線系統(tǒng)圖如圖1。

中央級(jí)：BAS的中央級(jí)主要是控制中心(OCC)的調(diào)度工作站，由綜合監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。車站級(jí)：包括車站級(jí)綜合監(jiān)控功能和車站BAS監(jiān)控功能，正常情況下，車站級(jí)綜合監(jiān)控功能由綜合監(jiān)控系統(tǒng)完成。車站BAS監(jiān)控功能以車站BAS維護(hù)終端、BAS監(jiān)控工作站、32位PLC控制器為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)場(chǎng)級(jí)：位于車站各監(jiān)控點(diǎn)或數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，包括傳感器、執(zhí)行器、遠(yuǎn)程I/O模塊、接口模塊等。BAS網(wǎng)絡(luò)采用分層分布式現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)，由PLC控制設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)傳感器、維護(hù)終端等組成。監(jiān)控的對(duì)象包括車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)、公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、車站設(shè)備管理用房區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、空調(diào)水系統(tǒng)給排水系統(tǒng)、電扶梯系統(tǒng)、低壓動(dòng)力照明系統(tǒng)等設(shè)備。

2.2 車站級(jí)系統(tǒng)構(gòu)成

與車站控制室同在一端的BAS冗余PLC控制器將作為車站級(jí)BAS主控制器，提供標(biāo)準(zhǔn)的、開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)接口，用于接入ISCS交換機(jī)。車站兩端的冗余PLC控制器通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線通訊模塊組成環(huán)型網(wǎng)絡(luò)。綜合后備盤（IBP）盤內(nèi)PLC與BAS主控制器通信連接，將IBP盤面上的模式指令下發(fā)至主控制器，再通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)下發(fā)至相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)遠(yuǎn)程I/O模塊中，BAS車站級(jí)系統(tǒng)圖如圖2。

車站級(jí)BAS主控制器留有與車站級(jí)火災(zāi)報(bào)警控制器的通信接口，用于接收確認(rèn)的火災(zāi)報(bào)警信息和火災(zāi)聯(lián)動(dòng)模式指令。中央級(jí)BAS的各種模式指令及車站級(jí)火災(zāi)聯(lián)動(dòng)模式指令將通過(guò)主控制器處理、分發(fā)、下傳至現(xiàn)場(chǎng)級(jí)遠(yuǎn)程I/O模塊中，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)工況下對(duì)共用設(shè)備的聯(lián)動(dòng)控制，協(xié)同車站級(jí)FAS完成防救災(zāi)工作。

車站兩端的冗余控制器與分布在現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程I/O模塊間采用冗余現(xiàn)場(chǎng)總線連接。ISCS交換機(jī)下口的BAS設(shè)備自身能夠形成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的監(jiān)控系統(tǒng)，確保脫離ISCS后仍能完成主要的監(jiān)控功能。BAS在車站控制室內(nèi)的值班員操作站由ISCS配置，車站級(jí)監(jiān)控功能由ISCS實(shí)現(xiàn)。

圖2 BAS車站級(jí)系統(tǒng)圖

3 系統(tǒng)性能

3.1 車站BAS控制及信息響應(yīng)時(shí)間

車站綜合監(jiān)控系統(tǒng)、BAS維護(hù)終端發(fā)出命令到RI/O輸出動(dòng)作的時(shí)間不大于1 m。

車站BAS信息響應(yīng)時(shí)間為RI/O輸入接受動(dòng)作信號(hào)到車站綜合監(jiān)控系統(tǒng)、BAS維護(hù)終端正常顯示的時(shí)間不大于1 m。

3.2 系統(tǒng)顯示精度及恢復(fù)

模擬量顯示精度：0.1%；

溫度分辨率計(jì)算：傳感器溫度范圍為T＝0～50℃，對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)為0～10V；

PLC模擬量輸入模塊分辨率為14 bit；

線性化的溫度分辨率為：50/(2^14)＝0.003℃。

系統(tǒng)自恢復(fù)時(shí)間為電源供應(yīng)中斷后再恢復(fù)運(yùn)作時(shí)，車站控制器、RI/O及網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備自動(dòng)重新啟動(dòng)并恢復(fù)正常運(yùn)行的時(shí)間。系統(tǒng)在斷電后恢復(fù)供電時(shí)，PLC控制器和RI/O能保證在120 m內(nèi)完成模塊和網(wǎng)絡(luò)連接的自檢，使RI/O與控制器恢復(fù)正常連接。

3.3 開(kāi)放性及實(shí)時(shí)性

BAS系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線采用ModBus Plus，符合IEC61158 Type 2標(biāo)準(zhǔn)，允許計(jì)算機(jī)、可編程序控制器和其他數(shù)據(jù)源以對(duì)等方式進(jìn)行通信，設(shè)備通過(guò)"令牌"的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換,嚴(yán)格定義了令牌的傳遞方式、數(shù)據(jù)校驗(yàn)以及通信接口等方面的參數(shù)。環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)和綜合監(jiān)控系統(tǒng)之間采用以太網(wǎng)鏈路，符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)。

ModBus Plus的特性保證了傳輸時(shí)間為可靠的常量，且不受網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)的增加或減少的影響。ModBus Plus使用光纖介質(zhì)的最遠(yuǎn)可達(dá)30 km，速度始終保持在1Mbps而不會(huì)隨距離衰減，并可在噪聲環(huán)境中使用。這些都使得ModBus Plus成為連接遠(yuǎn)程I/O和對(duì)等PLC主站的最理想的網(wǎng)絡(luò)。

4 接口技術(shù)

BAS通過(guò)與相關(guān)機(jī)電設(shè)備或系統(tǒng)的接口（包括串行數(shù)據(jù)接口、局域網(wǎng)數(shù)據(jù)接口、硬線等）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。接口設(shè)備一般利用PLC的各類智能接口模塊或第三方網(wǎng)關(guān)設(shè)備來(lái)管理BAS與各機(jī)電設(shè)備或系統(tǒng)的接口。BAS通過(guò)接口模塊既能夠獲得接入系統(tǒng)或設(shè)備的數(shù)據(jù)，又能夠接收發(fā)往接入系統(tǒng)或設(shè)備的數(shù)據(jù)和命令。

為了保證各系統(tǒng)之間接口的標(biāo)準(zhǔn)化和協(xié)調(diào)的方便性，保證通信數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和安全傳輸。BAS配備能兼容各系統(tǒng)接口要求的通信接口，當(dāng)BAS本身的通信接口數(shù)量或通信協(xié)調(diào)不能夠滿足要求時(shí)，必須采用成熟可靠且不低于BAS本身接口性能的第三方接口轉(zhuǎn)換設(shè)備。

BAS與綜合監(jiān)控系統(tǒng)、FAS、EPS、車站主風(fēng)機(jī)變頻器、冷水機(jī)組群控系統(tǒng)等各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采用通信接口，與其他設(shè)備采用硬線連接的方式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境參數(shù)采集、對(duì)被控設(shè)備的監(jiān)視、操作及管理。

5 結(jié)束語(yǔ)

地鐵站內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，機(jī)電設(shè)備種類和數(shù)量眾多，環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)涉及許多系統(tǒng)的設(shè)備監(jiān)控，有其特殊性。隨著自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，地鐵自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)更加可靠，安全，節(jié)能。在新線實(shí)踐中，根據(jù)地鐵的實(shí)際情況，應(yīng)最大限度的提高地鐵環(huán)境控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。

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