地鐵BAS 系統(tǒng)組網(wǎng)方案優(yōu)劣分析

羅阿靜

（深圳達(dá)實智能股份有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

從1965 年7 月北京地鐵1 號線一期開工建設(shè)開始，直至今日，中國地鐵的建設(shè)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。人們對于地鐵系統(tǒng)的可靠性、可用性要求也越來越高。地鐵交通環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）是城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）的重要組成部分，其主要功能是對地鐵建筑物內(nèi)的環(huán)境與空氣條件、給排水、照明、乘客導(dǎo)向、屏蔽門等建筑設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)視、控制和管理的系統(tǒng)［1］。

地鐵環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）由中央級、車站級、現(xiàn)場級構(gòu)成。就大部分城市系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，車站BAS 系統(tǒng)集成在車站綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）中，作為車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)的內(nèi)部子系統(tǒng)，通過通信系統(tǒng)提供的網(wǎng)絡(luò)連接至中央級，從而實現(xiàn)中央級的控制。而就車站級而言，BAS 系統(tǒng)通過冗余PLC（可編程邏輯控制器）上的冗余以太網(wǎng)卡連接到BAS 交換機(jī)上，由ISCS實現(xiàn)BAS系統(tǒng)車站級控制?，F(xiàn)場級主要由冗余PLC、遠(yuǎn)程輸入輸出模塊（RI／O）、通訊模塊、就地現(xiàn)場小型控制器等現(xiàn)場設(shè)備構(gòu)成，而如何將這些現(xiàn)場級設(shè)備聯(lián)系在一起，使采集到的信息傳輸?shù)杰囌炯?，實現(xiàn)現(xiàn)場級設(shè)備的監(jiān)測和控制，就成為了BAS系統(tǒng)主要需要完成的工作。因此BAS系統(tǒng)組網(wǎng)方案主要研究的是車站級和現(xiàn)場級設(shè)備如何連接，才能使現(xiàn)場設(shè)備的信息傳輸?shù)杰囌炯墸囌炯壴O(shè)備將命令下發(fā)至現(xiàn)場級設(shè)備的問題。

1 BAS系統(tǒng)選型現(xiàn)狀

輸入輸出模塊、通訊模塊、就地現(xiàn)場小型控制器等現(xiàn)場級設(shè)備采集到車站通風(fēng)空調(diào)大系統(tǒng)、小系統(tǒng)、隧道通風(fēng)系統(tǒng)、電扶梯、水泵等設(shè)備的信息之后，通過BAS 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇LC，由PLC 經(jīng)過分析后下達(dá)控制命令。因此PLC 就是整個BAS系統(tǒng)的“大腦”。在組建BAS 系統(tǒng)時，PLC 設(shè)備的選型至關(guān)重要。

一般來說，一個典型地下車站BAS系統(tǒng)采集處理的信息量大約是：數(shù)字量2 000～2 500 點(diǎn)，其中有大約1 000 多點(diǎn)可由低壓智能控制器集成后傳給BAS；模擬量在100 點(diǎn)以內(nèi)；控制輸出主要是開關(guān)量，閉環(huán)的模擬量控制調(diào)節(jié)一般不超過10 個回路［2］。為保證系統(tǒng)的可靠性及可用性，一般配置大中型高端系列冗余PLC。就目前而言，市場上應(yīng)用較多的為西門子S7－400H系列，羅克韋爾公司生產(chǎn)的AB 品牌1756 系列，施耐德Quantum系列PLC。

2 BAS系統(tǒng)組網(wǎng)方案

在車站兩端環(huán)控電控室內(nèi)各設(shè)置1 套冗余PLC 控制器，將離車控室較近的一端作為主端（A端），另外一端作為從端（B端），在車站控制室IBP 盤內(nèi)設(shè)置一套非冗余PLC 控制器或者RI／O，現(xiàn)場風(fēng)機(jī)房、配電室等處配置現(xiàn)場RI／O。

目前市場上BAS系統(tǒng)組網(wǎng)方案主要以西門子、AB、施耐德3 家為代表，籠統(tǒng)來說分為雙總線網(wǎng)絡(luò)、全光纖自愈以太環(huán)網(wǎng)、總線＋以太網(wǎng)3 大結(jié)構(gòu)。地鐵大部分車站為地下站，高架站系統(tǒng)構(gòu)成和地下站類似，但僅需設(shè)置1 套冗余PLC 控制器，因此本文以地下站為例進(jìn)行分析。

2.1 雙總線網(wǎng)絡(luò)方案

雙總線為早期地鐵BAS系統(tǒng)的建設(shè)方案，如廣州地鐵3 號線北延、4 號線、5 號線，西安地鐵1 號線、2 號線、3 號線［3］，深圳地鐵5 號線、大連2 號線、長沙4 號線等線路。以長沙某地鐵為例進(jìn)行分析。

BAS系統(tǒng)和綜合監(jiān)控系統(tǒng)通過A 端冗余控制器配置的4 塊CP443－1 以太網(wǎng)通信網(wǎng)卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，BAS系統(tǒng)內(nèi)部的A、B端冗余控制器S7－400H 通信通過集成在CPU 上的Profibus－DP總線接口，經(jīng)過總線中繼器冗余相連相連實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，同時冗余控制器與遠(yuǎn)程I／O ET200M 通過S7－400H 冗余控制器集成的Profibus DP接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。IBP 盤遠(yuǎn)程I／O 采用西門子ET2OOM 系列RI／0。IBP 盤ET2OOM 系列RI／0 通過冗余Profibus 總線與冗余S7－400H CPU 相連。區(qū)間聯(lián)絡(luò)遠(yuǎn)程控制箱ET200M，通過PROFIBUS 總線光電轉(zhuǎn)換器OLM 光纖方式與雙冗余PROFIBUS雙總線連接。與有通信接口的第三方設(shè)備的通過安裝于分布在不同冗余總線網(wǎng)絡(luò)上的冗余遠(yuǎn)程I／O 箱中各個RS485 通訊接口模塊一對一相連。全總線網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1所示。

圖1 全總線網(wǎng)絡(luò)

2.2 全光纖自愈以太環(huán)網(wǎng)方案

全光纖自愈以太環(huán)網(wǎng)為近幾年應(yīng)用較為廣泛的方案，如石家莊2 號線、3 號線，廈門1 號線、2 號線、3 號線，上海6 號線、10 號線、11 號線等。其中又包含單環(huán)網(wǎng)、雙環(huán)網(wǎng)、三環(huán)網(wǎng)等多種方案。以石家莊某地鐵為例，采用三環(huán)網(wǎng)方案。

A端冗余PLC通過以太網(wǎng)接口與車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)交換機(jī)連接，實現(xiàn)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。A 端與B 端冗余PLC采用施耐德Quantum 系列高端冗余PLC，與IBP 盤控制器之間通過速率高達(dá)100 Mb／s的光纖總線連接，與車站BAS系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程IO、區(qū)間IO、智能低壓系統(tǒng)（環(huán)控電控柜系統(tǒng)）等主要設(shè)備都通過由光纖交換機(jī)組成的自愈光纖以太環(huán)網(wǎng)接入并實現(xiàn)互通互聯(lián)。各端的冗余PLC通過100 Mb／s的自愈光纖環(huán)網(wǎng)與分布在車站遠(yuǎn)程控制箱內(nèi)的施耐德M340 系列高端RI／O 連接，實時采集各監(jiān)控對象的狀態(tài)，并根據(jù)中央或車站控制員的指令控制車站各種機(jī)電設(shè)備，為車站創(chuàng)造良好的乘車環(huán)境。車站及區(qū)間內(nèi)的自愈光纖以太環(huán)網(wǎng)由工業(yè)級以太網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)成，采用光纖作為主要傳輸介質(zhì)，點(diǎn)對點(diǎn)之間的傳輸距離可達(dá)5 km，可實現(xiàn)對車站及區(qū)間的完整覆蓋。全光纖自愈以太環(huán)網(wǎng)三環(huán)方案如圖2 所示。

圖2 全光纖自愈以太環(huán)網(wǎng)三環(huán)方案

2.3 以太網(wǎng)＋總線方案

在以上兩種方案的基礎(chǔ)上，部分BAS系統(tǒng)供應(yīng)商提出了以太網(wǎng)＋總線方案，如深圳3、7 號線、成都2 號線、3 號線，長沙2 號線等。以深圳某地鐵為例進(jìn)行分析。

在車站兩端環(huán)控電控室各設(shè)置一套冗余的BAS 控制器，負(fù)責(zé)車站兩端設(shè)備監(jiān)控。A、B端各設(shè)置一對工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)接入車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)（SISCS），控制器與各遠(yuǎn)程I／O 通過冗余現(xiàn)場總線相連。在車控制室設(shè)置遠(yuǎn)程I／O，用于IBP盤監(jiān)控，并配置串行網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)與FAS、冷水機(jī)組、動態(tài)平衡電動調(diào)節(jié)閥的接口。BAS系統(tǒng)設(shè)置串口服務(wù)器，用于電／扶梯、EPS、設(shè)置通信接口的水泵及VRV等設(shè)備的監(jiān)控。以太網(wǎng)＋總線方案如圖3 所示。

圖3 以太網(wǎng)＋總線方案

3 BAS系統(tǒng)組網(wǎng)方案優(yōu)劣分析

3.1 雙總線網(wǎng)絡(luò)方案優(yōu)劣分析

作為使用最早的雙總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、易擴(kuò)展、可靠性高，但其缺點(diǎn)在于傳輸速率較低、可擴(kuò)充的用戶數(shù)量有限。雙總線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)時，無需借助交換機(jī)等造價昂貴的設(shè)備，直接通過總線和接線器連接，成本較低。

雙總線網(wǎng)絡(luò)通信介質(zhì)可采用屏蔽雙絞電纜或同軸電纜，西門子Profibus－DP 總線協(xié)議在無中繼下最高通信速率可達(dá)12 Mb／s（通信距離100 m 內(nèi)），羅克韋爾（AB）Controlnet總線協(xié)議在無中繼下最高通信速率5 Mb／s（通信距離1 km內(nèi)）［3］。

雙總線網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展用戶時，在限定距離內(nèi)僅需增加一個接線器，超過限定距離后增加中繼器即可，但其所接入的用戶數(shù)量是有限。西門子Profibus總線在無中繼下最大可接入32 個站點(diǎn)，有中繼情況下可擴(kuò)展至126 個站點(diǎn)，羅克韋爾（AB）Controlnet總線在無中繼下最大可接入48 個站點(diǎn)，有中繼情況下可擴(kuò)展至99 個站點(diǎn)。但因為隨著中繼器數(shù)量的增加，其抗電磁干擾能力、傳輸速率也隨之降低。

3.2 全光纖自愈以太環(huán)網(wǎng)方案優(yōu)劣分析

現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一制約了現(xiàn)場總線發(fā)展，多種總線標(biāo)準(zhǔn)并存使得總線難以沿開放的方向發(fā)展［4］。隨著各種智能化工業(yè)設(shè)備的出現(xiàn)，傳輸數(shù)據(jù)量的增大，以太網(wǎng)因其速率高、兼容性強(qiáng)，快速在市場上占據(jù)了一席之地。該技術(shù)遵從TCP／IP 框架，具有接口簡單、協(xié)議開放、互通便捷等突出優(yōu)勢，逐步成為行業(yè)主流技術(shù)，已經(jīng)形成了多個有影響力的國際標(biāo)準(zhǔn)，不同的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)滿足著不同層次、不同場景的通訊要求：比如用于本地控制系統(tǒng)內(nèi)部的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，常見的有EtherCAT、PROFINET和Ethernet／IP等［5］。

全光纖自愈以太環(huán)網(wǎng)通常采用速率高達(dá)100 Mb／s的光纜作為通信介質(zhì)，具有傳輸速率快、兼容性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，同時其擴(kuò)展性、抗干擾性、自愈性能也同樣優(yōu)越，如采用西門子ProfiNet總線時，其最大可連接站點(diǎn)數(shù)達(dá)128 個。但其缺點(diǎn)在于組網(wǎng)時需要借助造價較為昂貴的交換機(jī)等設(shè)備，成本較高。

自愈是指當(dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸中斷（例如光纖斷）時，不需要工作人員進(jìn)行維修，網(wǎng)絡(luò)傳輸會自動地在短時間內(nèi)（ITU－T 規(guī)定小于50 ms）恢復(fù)，用戶幾乎不受影響［6］。

3.3 以太網(wǎng)＋總線方案優(yōu)劣分析

全光纖自愈以太環(huán)網(wǎng)方案雖然優(yōu)點(diǎn)眾多，但就地級裝置采用工業(yè)以太網(wǎng)組網(wǎng)將增加前期投資費(fèi)用，同時由于地鐵車站內(nèi)通訊距離較長，采用工業(yè)以太網(wǎng)需增加環(huán)網(wǎng)光纖設(shè)備及光纖熔接費(fèi)用［7］。以太網(wǎng)＋總線方案的提出是一個相對較為完美的解決辦法。目前現(xiàn)場級采用總線方案基本能滿足實際需求，但在特殊情況下，如車站面積較大、站間距太遠(yuǎn)、設(shè)備站點(diǎn)多、區(qū)間設(shè)備遠(yuǎn)，總線方案因其連接站點(diǎn)數(shù)少、傳輸距離短就會存在較大限制。

4 結(jié)束語

從總線到光纖以太網(wǎng)，通信介質(zhì)的發(fā)展也帶動了BAS 系統(tǒng)PLC組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展。PLC 組網(wǎng)的結(jié)構(gòu)在整個地鐵環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中起到了至關(guān)重要的支撐作用，組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣直接影響到地鐵系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性［8］。地鐵PLC 組網(wǎng)方式多樣，組網(wǎng)方式各有優(yōu)劣。目前來講無非是以太網(wǎng)與總線方案的排列組合。本文介紹了常見的雙總線方案、全光纖自愈以太環(huán)網(wǎng)方案、以太網(wǎng)＋總線3 種組網(wǎng)方式，通過對實際應(yīng)用案例的分析，介紹了各種組網(wǎng)方式的組成結(jié)構(gòu)及應(yīng)用介質(zhì)，分析了各種方案存在的優(yōu)缺點(diǎn)?？偩€方案雖然傳輸距離有限、傳輸速度較慢，但其結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、穩(wěn)定性好，且應(yīng)用案例多，經(jīng)驗豐富。以太網(wǎng)方案作為近年來備受推崇的組網(wǎng)方式，其優(yōu)點(diǎn)毋庸置疑，但組網(wǎng)過程中需借助交換機(jī)，前期投資大，造價較高。但就未來人類社會智能化的發(fā)展、現(xiàn)場智能化設(shè)備的增加、人類對于工作效率的要求來看，以太網(wǎng)組網(wǎng)因其傳輸速率快、抗干擾性強(qiáng)、兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為大趨勢。

從總線方案到以太網(wǎng)方案，總線諸多如兼容性較差、傳輸速率低的問題已經(jīng)得到了解決。雖然目前來講，以太網(wǎng)方案因為要借助交換機(jī)，其成本較高，但相信隨著技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)方案成本高等的問題也可以找到一個好的解決方案。