地鐵自動化集成系統(tǒng)車站群組監(jiān)控模式探討

劉金霞

摘要：本文主要對西延工程自動化集成系統(tǒng)車站群組監(jiān)控的運營經驗，對比傳統(tǒng)的車站監(jiān)控模式，介紹了車站群組監(jiān)控模式的硬件架構和軟件架構。

關鍵詞：地鐵；自動化集成系統(tǒng)；監(jiān)控模式

1、工程概況

西延工程線路總長10.488km，全部為地下線；全線共設車站6座，其中換乘站3座，金安橋站與S1線、M11線換乘，蘋果園站與1號線、S1線換乘，田村站與3號線、L6線換乘。全線最大站間距為2276.721m，位于廖公莊站與田村站之間，最小站間距為1156m，位于蘋果園站與蘋果園南路站之間，平均站間距1700.282m（含田村至五路居站）。

本工程設計范圍為西延工程6座地下車站，同時本工程為北京市科委“地鐵機電設備故障監(jiān)測與智能診斷系統(tǒng)研制及示范應用”（Electromechanical device of subway fault monitoring and Intelligent diagnosis system，簡稱FIS）科研課題（編號Z131100004113004）的工程示范應用。

2、系統(tǒng)設計方案

系統(tǒng)主要完成對機電設備故障的智能診斷，并利用軟件智能化手段對設備運行、故障信息進行分析，完成更豐富的信息化應用。結合目前地鐵運營模式和機電設備維護使用需求，F(xiàn)IS系統(tǒng)按照地鐵機電維修管理模式，按照三級監(jiān)測、兩級管理的結構進行設備，三級監(jiān)測為設備現(xiàn)場級、機電工區(qū)級、維修中心級，兩級管系統(tǒng)的分級管理主要依靠應用軟件平臺和網絡傳輸來完成，系統(tǒng)應用軟件平臺應分層分布式架構，部署靈活，易于擴展，并采用基于Web的技術提供更便捷、開放的功能應用。

2.1、系統(tǒng)構成

按照目前地鐵運營機電維修的管理模式，F(xiàn)IS系統(tǒng)從結構上分為現(xiàn)場級系統(tǒng)、機電工區(qū)級系統(tǒng)和維修中心級系統(tǒng)三個分級，實現(xiàn)三級監(jiān)測、兩級管理的應用分級。三個分級系統(tǒng)通過全線主干網絡進行連接。

2.1.1、設備現(xiàn)場級系統(tǒng)

FIS系統(tǒng)的設備現(xiàn)場級系統(tǒng)位于車站內，主要進行對車站機電設備的運行狀態(tài)和故障信息進行采集，將信號進行數字化處理，經故障診斷器進行智能分析，再將分析結果和數據信息上傳至機電工區(qū)系統(tǒng)。FIS現(xiàn)場級系統(tǒng)包含設備傳感器、數據采集器、通信接口模塊、故障診斷分析器、現(xiàn)場顯示屏、網絡交換機、電器線纜等。FIS的設備現(xiàn)場級系統(tǒng)在車站兩端的環(huán)控電控室內設置主機控制柜，用于安裝故障診斷器、數據存儲器、網絡交換設備和電源設備，在機電設備的就地現(xiàn)場以分布、分散形式設置數據采集器和局域網交換機。FIS系統(tǒng)的現(xiàn)場級系統(tǒng)按照被監(jiān)測的設備類型劃分為子單元，每個子單元在物理結構上相對獨立，有專用的故障傳感器、數據采集器和故障分析器，通過車站局域網絡與系統(tǒng)連接，靈活性較強，同時系統(tǒng)易于擴充監(jiān)測類型。目前FIS的實驗性監(jiān)測設備為大型風機、屏蔽門、自動扶梯，每類設備形成一個監(jiān)測子單元。

設備現(xiàn)場級主要設備如下：以太網交換機：在有主干網絡的環(huán)控電控室，現(xiàn)場級FIS系統(tǒng)應設置一臺三層交換機，主要連接主干網、故障診斷器、局域層等設備。

現(xiàn)場級FIS系統(tǒng)局域層配置多臺二層交換機，主要連接各數據采集器、故障診斷器，形成現(xiàn)場級FIS系統(tǒng)局域層。交換機數量根據各車站電扶梯、主風機分布情況確認。故障診斷器：現(xiàn)場級FIS系統(tǒng)應配置冗余的故障診斷器，完成現(xiàn)場級FIS系統(tǒng)數據采集和處理工作。冗余故障診斷器應能自動進行切換。每個故障診斷器應通過100Mbps以太網接口與中心以太網交換機連接。故障診斷器應完成現(xiàn)場級FIS系統(tǒng)所有的指令、程序的運行，并完成與風機變頻器系統(tǒng)、屏蔽門信號系統(tǒng)的通訊工作。數據采集器：現(xiàn)場級FIS系統(tǒng)中數據采集器完成數據采集功能，將過程原始數據及狀態(tài)存入故障診斷器，過程原始數據及狀態(tài)取自狀態(tài)檢測儀表，數據采集器具有獨立的報警判斷功能。電扶梯數據采集器具備獨立的數據接口，可與電扶梯動力箱進行MODBUS通訊，讀取電扶梯的電功率相關參數。每個電扶梯配置一個數據采集器，每組主風機（位于車站同一端的主風機）配置一個數據采集器。每個數據采集器配置一個墻掛式數據采集箱，并放置在所監(jiān)控設備附近。接口設備：每個故障診斷器配置一個接口設備，接口設備可與風機變頻器以及屏蔽門的信號單元進行通訊（MODBUS485），接口設備將讀取的數據傳輸至故障診斷器。光纖收發(fā)器：區(qū)間風井數據采集器處需配置一臺光纖收發(fā)器。

2.1.2、機電工區(qū)級系統(tǒng)

機電工區(qū)是最靠近車站現(xiàn)場設備的維修管理級，本機電工區(qū)的管轄范圍是6個車站，機電工區(qū)內有設備維修人員駐扎，負責管區(qū)車站機電設備巡檢和維修養(yǎng)護。系統(tǒng)在機電工區(qū)內設置顯示終端，供維修人員對設備的狀態(tài)和故障進行查看。機電工區(qū)級顯示終端工作站作為維修中心級系統(tǒng)的客戶端，從維修中心服務器調取數據信息和應用服務，機電工區(qū)不設置服務器，由工作站進行數據緩存。工區(qū)級FIS系統(tǒng)通過與中心級FIS系統(tǒng)互聯(lián)，讀取中心級FIS系統(tǒng)數據。

機電工區(qū)級系統(tǒng)主要由監(jiān)控終端工作站、打印機、網絡設備、鏈接線纜等設備組成。監(jiān)控終端工作站數量應滿足機電維修運營人員崗位設置，目前試驗階段按照3套終端進行配置。

2.1.3、維修中心級系統(tǒng)

維修中心級系統(tǒng)負責全線設備維修維護信息的管理和應用，利用數據庫中設備的各種記錄信息，對設備故障維修進行決策支持。維修中心系統(tǒng)應是熱備、冗余、開放、可靠、易擴展的計算機系統(tǒng)；中心服務器采用熱備冗余方式，故障時主備切換應確保連續(xù)的顯示及控制功能。維修中心級系統(tǒng)應具備C/S和B/S兩種結構、TCP/IP協(xié)議；系統(tǒng)通過全線主干網將各現(xiàn)場級的FIS系統(tǒng)信息匯集到監(jiān)測中心，從而實現(xiàn)各車站的機電設備故障監(jiān)測與智能診斷功能。維修中心設置一套冗余應用服務器，負責對實時數據的處理和分析，設置一臺數據服務器和磁盤陣列，負責歷史數據的存儲和調用。設置監(jiān)控工作站供維修中心調度使用。

中心FIS系統(tǒng)應配置冗余的應用服務器，完成中心實時數據采集和處理工作。冗余應用服務器應能自動進行切換。每個應用服務器應通過100Mbps以太網接口與中心以太網交換機連接。中心FIS系統(tǒng)應配置數據庫服務器，完成中心實時數據的存儲和處理工作。數據服務器應通過100Mbps以太網接口與中心以太網交換機連接。數據庫服務器應配置磁盤陣列，磁盤陣列滿足整個FIS系統(tǒng)數據處理和存儲容量的需求。

中心FIS系統(tǒng)提供2臺機電設備故障監(jiān)測與智能診斷工作站，通過該工作站可以實時監(jiān)測機電設備的運行狀態(tài)圖譜，并具有智能診斷功能。工作站設有一高分辨率21寸液晶顯示屏，同時配置兩臺高分辨率的70寸液晶顯示屏。

由于本系統(tǒng)在西延工程是實驗系統(tǒng)，全線在蘋果園站只設有一個機電工區(qū)，維修中心級無真實物理位置，因此維修中心級系統(tǒng)與機電工區(qū)級系統(tǒng)合設在同一機房內，在系統(tǒng)邏輯上進行兩個管理級的區(qū)分，并用不同監(jiān)控工作站實現(xiàn)。

2.1.4、系統(tǒng)網絡方案

FIS系統(tǒng)在車站內的設備現(xiàn)場級主要用于連接車站內分布的各種數據采集器，將采集的各種故障信息和設備運行狀態(tài)信號進行匯總，傳輸到車站設置的故障診斷器。設備現(xiàn)場級網絡采用環(huán)形以太網，網絡交換機分布在監(jiān)測設備的現(xiàn)場，連接成單環(huán)局域網。車站內現(xiàn)場級局域網絡10/100Mbps二層網絡工業(yè)級交換機組成單環(huán)網絡，符合IEEE802.3標準，采用TCP/IP協(xié)議。交換機配置百兆以太網接口和百兆多模光纖接口。全線主干網絡用于維修中心級與工區(qū)、車站局域網的互聯(lián)，該主干層負責承載FIS系統(tǒng)中心級系統(tǒng)與工區(qū)級、現(xiàn)場級系統(tǒng)之間的信息互傳。系統(tǒng)全線主干網由通信系統(tǒng)提供信道帶寬，采用100Mbps以太網端口，帶寬速率為20Mbps。由于本系統(tǒng)不是運營生產性系統(tǒng)，現(xiàn)場級脫離全線系統(tǒng)后仍可獨立運行，網絡恢復后數據可繼續(xù)上傳，因此系統(tǒng)對主干網絡的冗余性要求不高，全線6座車站采用單環(huán)主干網絡，每座車站與主干網連接采用三層交換機。

2.2、系統(tǒng)電源方案

FIS系統(tǒng)中心級、工區(qū)級、現(xiàn)場級系統(tǒng)設備采用一級負荷供電。設備現(xiàn)場級的數據采集設備和傳感器從機電設備供電動力箱就地供電，由動力照明專業(yè)提供配電回路。車站主控制柜從環(huán)控電控室內就地供電，由動力照明專業(yè)在環(huán)控柜上提供配電回路。機電工區(qū)級和維修中心級系統(tǒng)從所在車站環(huán)控電控室供電，由動力照明專業(yè)在環(huán)控柜上提供配電回路。

3、系統(tǒng)接口

3.1、與自動扶梯的接口

1）接口界面及接口類型

位于電扶梯機坑內接線箱內配線架外線側，采用數據線端口。

2）接口說明

自動扶梯專業(yè)：自動扶梯專業(yè)按約定好的數據格式，發(fā)送扶梯故障代碼、傳感器信息給FIS系統(tǒng)，并回應FIS對自動扶梯的通信檢測。

FIS專業(yè)：FIS專業(yè)按周期采集自動扶梯的故障代碼和傳感器信息，并對采集信息進行分析處理。

3.2、與屏蔽門系統(tǒng)的接口

1）接口界面及接口類型

位于屏蔽門控制室的屏蔽門控制器接線端子外側。采用通信接口。

2）接口說明

屏蔽門專業(yè)：屏蔽門專業(yè)按約定好的數據格式，發(fā)送屏蔽門故障代碼、狀態(tài)信息、開機時間、電機電流曲線、UPS狀態(tài)信息等給FIS系統(tǒng)。

FIS專業(yè)：FIS專業(yè)按周期采集屏蔽門故障代碼、屏蔽門狀態(tài)信息、屏蔽門開門時間、電機電流曲線、UPS狀態(tài)信息等，并監(jiān)視屏蔽門與信號接口狀態(tài)。FIS對采集數據進行分析處理，做出故障檢測指示。

3.3、與通風專業(yè)的接口

接口界面及接口類型：位于風機振動監(jiān)測傳感器信號分配器線端子上，采用硬線接口。位于環(huán)控電控制風機變頻器/軟起動器接線端子上，采用通信接口。

通風專業(yè)：通風專業(yè)風機振動檢測系統(tǒng)與FIS系統(tǒng)實現(xiàn)信息傳遞，將風機振動振動傳感器的信息傳給FIS專業(yè)。并提供FIS器/軟起動器的接口，實現(xiàn)故障信號采集。

FIS專業(yè)：在FIS與車站風機振動監(jiān)測系統(tǒng)、風機變頻器/軟起動器之間建立連接，從風機振動監(jiān)測傳感器信號分配器上讀取風機振動傳感器的信號。實現(xiàn)FIS對風機振動傳感器信號的采集。從風機變頻器/軟起動器上采集風機的故障數據信息。實現(xiàn)FIS對風機故障信號的采集。從風機變頻器/軟起動器上采集風機的故障數據信息。

3.4、與動力照明專業(yè)的接口

（1）扶梯動力箱

動力照明專業(yè)在扶梯動力箱內設置扶梯動力負荷的智能型電流表，可以將電流表讀書以通信接口上傳。本系統(tǒng)通過通信線與電流表鏈接，接口位置在扶梯動力箱電流表通信接口處。

（2）電源

動力照明專業(yè)在扶梯動力箱和環(huán)控柜上為本系統(tǒng)預留了電源端口，可為系統(tǒng)進行供電，接口位置在扶梯動力箱和環(huán)控柜電源出線端子上。

3.5、與通信傳輸系統(tǒng)的接口

本系統(tǒng)全線主干網絡由通信傳輸系統(tǒng)提供，接口為以太網RJ45接口，接口位置在每站專用通信機房通信傳輸機柜端子排上，本系統(tǒng)負責將傳輸線纜引至通信機柜并負責接線，通信系統(tǒng)負責提供接線端子位置和接線要求，并負責現(xiàn)場接線指導，配合網絡調試。

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（作者單位：北京市地鐵運營有限公司）