北京地鐵車站級環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計和實施

劉 穎 江 泳

（1. 中國建筑標準設(shè)計研究院，北京 100048；2. 同方股份有限公司，北京 100018）

環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（Building Automation System, BAS），負責對各個車站的通風空調(diào)（地面站設(shè)暖通設(shè)備）、給排水、動力照明、電梯、安全門、自動售檢票閘機等機電設(shè)備進行自動化的監(jiān)控管理，以保障地鐵乘車環(huán)境的安全、舒適、方便。BAS通過被控設(shè)備的反饋信號和車站溫濕度等傳感組件，自動監(jiān)控機電設(shè)備的運行狀態(tài)和車站環(huán)境狀況，確保車站機電設(shè)備處于安全、可靠、高效、節(jié)能的最佳運行狀態(tài)。在出現(xiàn)大客流等影響車站環(huán)境及列車阻塞、火災(zāi)等災(zāi)害情況下，調(diào)控相關(guān)設(shè)備，充分體現(xiàn)地鐵在城市交通運輸中安全、清潔衛(wèi)生、舒適、方便、快捷的特征，并且通過對車站環(huán)控機電設(shè)備的自動化控制，實現(xiàn)節(jié)約能源、降低運營費用；通過對機電設(shè)備的集中可視化管理，達到節(jié)省人力、減員增效的目的。

1 設(shè)計與實施原則

1）基本設(shè)計原則：組網(wǎng)靈活、技術(shù)先進、便于擴展、運營可靠、管理方便，節(jié)約投資。

2）在可靠性高的前提下，追求系統(tǒng)的先進性。采用國內(nèi)外成熟的系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)和配置。

3）采用“一體化網(wǎng)絡(luò)、兩級管理、三級控制”的設(shè)計原則。BAS系統(tǒng)通過通信網(wǎng)絡(luò)將中心、車站、就地三級智能設(shè)備連接起來，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化、可視化的一體化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。設(shè)中心和車站兩級管理：中心級主要以監(jiān)控管理為主，在區(qū)間堵塞工況時參與模式控制；車站級負責對本站設(shè)備和環(huán)境的管理?？刂品绞綖橹行?、車站、就地三級控制。

4）地鐵空間狹小，設(shè)備繁多，各種管線縱橫交錯，電力牽引列車，隨機干擾多。設(shè)計和設(shè)備配置根據(jù)地鐵環(huán)境特點和氣候條件考慮抗電磁干擾、防塵、防潮、防霉、防震等功能，以確保系統(tǒng)運行可靠。電氣元件及設(shè)備外殼防護均為工業(yè)防護標準。

5）車站級向中心級單向傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較多，為減輕全線通信信道的負擔，需要中心級進行決策的數(shù)據(jù)采用實時傳輸方式，其他數(shù)據(jù)采用定時傳輸方式。

2 車站級BAS系統(tǒng)構(gòu)成

北京地鐵環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）采用分層-分布式的計算機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，本著“危險分散”的設(shè)計原則，實現(xiàn)車站BAS分散控制的大型自動化監(jiān)控管理系統(tǒng)。車站BAS為獨立的智能控制單元，可獨立對本站管轄范圍內(nèi)的機電設(shè)備進行監(jiān)控；現(xiàn)場及控制器及 I/O單元作為與各子系統(tǒng)及輸入輸出設(shè)備直接連接的控制單元，本著就地安置，總線貫穿的原則擔負起每個車站BAS系統(tǒng)的控制任務(wù)。BAS車站級與火災(zāi)自動報警系統(tǒng)等存在通信接口。車站級環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)系圖如圖1所示。

BAS通信網(wǎng)絡(luò)由車站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和現(xiàn)場控制網(wǎng)。車站綜合控制室與現(xiàn)場控制器采用冗余工業(yè)現(xiàn)場總線通信方式。PLC與遠程I/O模塊單元之間采用冗余工業(yè)現(xiàn)場總線通信方式。BAS系統(tǒng)車站結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 車站級環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)系圖

圖2 BAS系統(tǒng)車站結(jié)構(gòu)圖

2.1 車站監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

車站監(jiān)控系統(tǒng)采用冗余工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)成局域網(wǎng)絡(luò)。主要包括如下：車站工作站；IBP盤及綜合操作平臺；車站通信處理機負責需要與車站控制系統(tǒng)通信的其他系統(tǒng)接口；車站工業(yè)級交換機，用來構(gòu)建車站集中控制局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

2.2 車站控制系統(tǒng)構(gòu)成

車站控制網(wǎng)采用冗余現(xiàn)場總線方式，將兩側(cè)冗余PLC、IBP盤 PLC連接起來，不會出現(xiàn)單點故障，確保車站監(jiān)控系統(tǒng)對現(xiàn)場設(shè)備的控制以及現(xiàn)場設(shè)備實時信息可靠地上傳到車站監(jiān)控系統(tǒng)。工業(yè)控制網(wǎng)采用標準的冗余工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為總線型式。

2.3 冗余現(xiàn)場控制系統(tǒng)構(gòu)成

現(xiàn)場級設(shè)備主要包括冗余PLC、觸摸屏、就地模塊箱等。冗余PLC、觸摸屏設(shè)置在各車站南/北二端環(huán)控電控室、模塊箱主要設(shè)置在各照明配電室、暖通空調(diào)機房。

遠程 I/O采用適配器連接到冗余現(xiàn)場總線，實現(xiàn)與主PLC的通信。

現(xiàn)場冗余控制網(wǎng)絡(luò)負責車站內(nèi)各個遠程 I/O系統(tǒng)與控制器的接入，以及控制器與車站觸摸屏的連接。在遠程 I/O和控制器上配置通信控制器，提供全線速的數(shù)據(jù)交換?？刂破魃系膬蓚€通信控制器，一個用于向上連接車站各端PLC和IBP PLC，另一個用于向下連接遠程I/O、與其他通信接口轉(zhuǎn)換模塊和控制器觸摸屏。

3 車站級BAS系統(tǒng)軟件架構(gòu)

按照BAS系統(tǒng)軟件的類型、功能、形式和運行的硬件環(huán)境，車站級 BAS系統(tǒng)軟件可以分為 PLC軟件、人機界面軟件、接口軟件。

車站級BAS系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖3所示。

圖3 車站級BAS系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3.1 PLC軟件

PLC軟件指運行于下位機PLC的CPU中的程序，包括車站冗余PLC和IBP盤PLC。BAS系統(tǒng)最基本的控制功能都在車站冗余PLC軟件中實現(xiàn)。包含對設(shè)備的基本狀態(tài)進行采集和控制指令的輸出，接收上位人機界面下發(fā)的控制方式和控制指令，并將數(shù)據(jù)保存在PLC中；PLC程序中以數(shù)組表格的形式保存設(shè)備模式動作表（包括火災(zāi)、阻塞、正常模式）和時間表，根據(jù)預(yù)定的工藝模式（條件、時間），自動實現(xiàn)模式編號的切換，也可以通過工作站下發(fā)模式編號（時間表），并根據(jù)模式編號對設(shè)備模式動作表或時間表進行查表，將表中的控制指令傳遞給對應(yīng)的每個設(shè)備，實現(xiàn)模式的切換和執(zhí)行。PLC控制軟件節(jié)選如圖4所示。

3.2 人機界面軟件

圖4 PLC控制軟件節(jié)選

人機界面軟件指運行于車站工作站、車站環(huán)境控制室觸摸屏和IBP盤觸摸屏的上位組態(tài)軟件。人機界面軟件的主要功能是進行人機信息交互，將上位的控制指令下發(fā)到下位PLC中，并將PLC中的設(shè)備狀態(tài)顯示在圖形界面中；對報警信息進行報警顯示；同時也與接口軟件進行通信，銜接接口軟件和下位PLC進行數(shù)據(jù)交換。人機界面監(jiān)控畫面節(jié)選如圖5所示。

圖5 人機界面監(jiān)控畫面節(jié)選

3.3 接口軟件

接口軟件指運行在車站通信處理器、現(xiàn)場通信模塊中，負責與其他系統(tǒng)、設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換的通信接口軟件。FAS通信程序模塊，與FAS工作站通信，判斷通信狀態(tài)是否正常，接收FAS系統(tǒng)提供的防火分區(qū)綜合火災(zāi)信息，并將處理后的信息寫入BAS車站監(jiān)控工作站的上位組態(tài)軟件中，并將BAS監(jiān)控的火災(zāi)共用設(shè)備的狀態(tài)反饋傳輸給FAS系統(tǒng)。PSD通信程序模塊，與PSD通信，判斷通信狀態(tài)是否正常，接收安全門的實時狀態(tài)信息，并將處理后的數(shù)據(jù)信息寫入 BAS車站監(jiān)控工作站的上位組態(tài)軟件中。

4 車站級BAS系統(tǒng)功能

4.1 顯示功能

車站級BAS是本車站設(shè)備的控制及管理中心，每個車站自成系統(tǒng)，即使脫離控制中心，也仍能全面有效地監(jiān)控管理本車站的機電設(shè)備，車站級具有多級動態(tài)圖形顯示功能。

1）顯示。可動態(tài)、分區(qū)域、分系統(tǒng)顯示各個環(huán)控設(shè)備、動力照明、給排水設(shè)備、自動扶梯設(shè)備、安全門設(shè)備等的運行狀態(tài)和故障狀態(tài)等詳細信息。

2）暖通工藝顯示。通過環(huán)控系統(tǒng)圖顯示畫面，可顯示環(huán)控系統(tǒng)的風、水系統(tǒng)原理圖，可以直觀地了解各個設(shè)備的工作狀態(tài)和設(shè)備間的關(guān)系，并可以進行環(huán)控系統(tǒng)的控制。

3）綜合顯示。用顏色變化區(qū)分車站環(huán)控設(shè)備的運行狀態(tài)，用顏色交替閃爍方式、聲光報警顯示車站環(huán)控設(shè)備的故障情況，以引起操作人員的注意。

4）設(shè)備統(tǒng)計顯示。以文本方式顯示車站機電設(shè)備的累計運行時間、故障種類及地點等相關(guān)運行數(shù)據(jù)。更詳細的運行數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)庫的報表查詢獲得。

5）趨勢圖顯示。通過趨勢圖可以觀察本車站站廳、站臺、新風、排風的環(huán)境溫度、濕度等參數(shù)的變化規(guī)律，顯示環(huán)境參數(shù)曲線。

在設(shè)備出現(xiàn)報警、超時或者模式未執(zhí)行成功，以及系統(tǒng)出現(xiàn)火災(zāi)和阻塞事故情況時，均在界面的報警欄產(chǎn)生閃動的報警信息。對重要的報警具有聲光報警，彈出報警畫面，提醒操作員，報警確認后消音。

4.2 控制功能

1）自動控制功能。車站控制系統(tǒng)根據(jù)中心級或車站級預(yù)選的環(huán)控模式，依次起動/停止模式中的相關(guān)設(shè)備。根據(jù)環(huán)境溫濕度計算焓值，或者根據(jù)暖通工藝要求，控制空調(diào)系統(tǒng)冷凍水閥門、回風和新風閥門的開度比例，實現(xiàn)節(jié)能控制。充分利用自然有利條件，實施節(jié)能控制。另外，通過照明控制方案，對照明系統(tǒng)實行區(qū)域性分時控制，實現(xiàn)節(jié)電照明。

2）閉環(huán)控制功能。車站級 BAS具有閉環(huán)控制功能。通過對環(huán)境參數(shù)的檢測和過程控制，實現(xiàn)對風系統(tǒng)、水系統(tǒng)等環(huán)控設(shè)備的自動閉環(huán)控制，進而滿足環(huán)境設(shè)定指標的要求。

3）當發(fā)生阻塞時。車站 PLC接收控制中心下發(fā)的阻塞模式指令并立即執(zhí)行，同時產(chǎn)生報警；當車站與控制中心的網(wǎng)絡(luò)中斷時，可以通過本站的BAS監(jiān)控工作站或者IBP盤手動發(fā)出阻塞模式指令給PLC執(zhí)行。

4）當發(fā)生隧道火災(zāi)時，則車站 BAS接收控制中心下發(fā)的隧道火災(zāi)模式指令并立即執(zhí)行，同時產(chǎn)生報警；當發(fā)生車站火災(zāi)時，車站FAS系統(tǒng)通過與BAS系統(tǒng)PLC的接口為BAS提供經(jīng)確認過的車站防火分區(qū)綜合火災(zāi)信息，BAS接收車站火災(zāi)報警信號，執(zhí)行相應(yīng)的車站火災(zāi)模式，并進行報警；當車站與控制中心的網(wǎng)絡(luò)中斷或者車站 BAS與 FAS系統(tǒng)的通信出現(xiàn)中斷，造成車站BAS無法接收到火災(zāi)信息時，可以通過本站的BAS監(jiān)控工作站或者IBP盤手動發(fā)出火災(zāi)模式指令給PLC執(zhí)行。

4.3 接口功能

BAS與FAS系統(tǒng)在車站的接口分為車站級和現(xiàn)場級兩處接口。車站級接口軟件依據(jù)接口規(guī)范所規(guī)定的通信協(xié)議與FAS系統(tǒng)進行通信，判斷通信狀態(tài)是否正常，接收FAS系統(tǒng)提供的防火分區(qū)綜合火災(zāi)信息，并將處理后的信息供BAS車站監(jiān)控工作站，僅做顯示用；同時將BAS監(jiān)控的火災(zāi)共用設(shè)備的狀態(tài)反饋給FAS系統(tǒng)。

圖6

圖7

BAS與FAS系統(tǒng)在現(xiàn)場級接口軟件依據(jù)接口規(guī)范中所規(guī)定的通信協(xié)議與FAS系統(tǒng)進行通信，判斷通信狀態(tài)是否正常，接收經(jīng)確認過的車站防火分區(qū)綜合火災(zāi)信息，并將處理后的信息提供給BAS車站PLC。BAS與PSD系統(tǒng)的接口軟件依據(jù)接口規(guī)范中所規(guī)定的通信協(xié)議與PSD系統(tǒng)進行通信，判斷通信狀態(tài)是否正常，接收安全門的相關(guān)信息，并將處理后的信息供BAS車站監(jiān)控工作站；同時為安全門系統(tǒng)提供對時的時間基準；安全門的狀態(tài)不需上傳至OCC。

5 結(jié)論

由于地鐵的復(fù)雜性和特殊性，對車站環(huán)境和設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的控制在硬件的配置和功能上有其特殊的要求，因此，我們還要認真分析，并總結(jié)經(jīng)驗，根據(jù)地鐵的實際情況，合理配置系統(tǒng)，完善系統(tǒng)功能，最大限度的提高地鐵環(huán)境控制系統(tǒng)的自動化水平。

[1] 曲向東.城市軌道交通環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2008.

[2] 徐鵬,蔡鴻明,劉利民.大型設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)[D].上海:上海交通大學, 2010(7).

[3] 黃昱昱.地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究[J].北京:現(xiàn)代城市軌道交通, 2007(4): 21-23.

[4] 華春陽.可編程邏輯控制器在上海軌道交通6號線設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].上海:城市軌道交通研究,2010(4): 75-78.

[5] 王佳,王程程,張雷.地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)中FAS與BAS設(shè)計方案探討[J].北京:電氣應(yīng)用, 2009(8).