轨道交通机电设备监控系统结构优化问题的探讨

吴 洲 史 京

（国电南瑞科技股份有限公司，210061，南京∥第一作者，工程师）

轨道交通机电设备监控系统结构优化问题的探讨

吴 洲 史 京

（国电南瑞科技股份有限公司，210061，南京∥第一作者，工程师）

地铁线路建成后，由于机电设备监控项目子系统多、跨子系统联动功能复杂、调试时间不充裕、多专业协调难度大等原因，往往难以按时开通。即使线路已经运营，仍会有部分功能需陆续测试和验收。研究发现，造成这种现状的主要原因是传统的机电设备监控系统采用了分层分布式现场总线网络和控制策略集中的控制方式。可以通过其系统结构的优化来解决上述问题。

轨道交通；机电设备监控系统；结构优化

First-author'saddressNARI Technology Development Co.，Ltd.，210061，Nanjing，China

轨道交通的机电设备监控系统（简称BAS）是一种对地铁全线所有车站、区间隧道、车辆段、停车场内设置的各种正常运营保障设施（包括通风空调设备、给排水设备、照明设备、自动电/扶梯等）和事故紧急防救灾设施（防排烟系统、应急照明系统等）进行实时的监控管理，并能够在车站发生火灾事故的情况下，使有关救灾设施按照设计工况及时有效地运行，从而保障人身安全的综合自动化系统。传统的轨道交通机电设备监控系统采用分层分布式现场总线网络和控制策略集中的控制方式。这种系统结构会造成比较大的后期调试工作量。目前地铁线路的开通时间紧、任务重，机电设备监控系统是较难按时开通的系统之一，经过研究发现，可以通过优化机电设备监控系统的结构来解决上述问题。

1 传统BAS结构

传统的BAS系统采用分层分布式现场总线结构网络，由PLC（可编辑逻辑控制器）设备、现场传感器、维护终端等组成。监控的对象包括车站隧道通风系统、公共区通风空调系统、车站设备管理用房区通风空调系统、空调水系统、车站给排水系统、电扶梯系统、低压动力照明系统等设备。典型地下车站的BAS构成如图1所示（以具备典型性的施耐德产品为例，其他公司产品与此相类似）。

在地下车站两端环控电控室内各设一套冗余的PLC，以靠近车站控制室端的PLC为主控制器，另外一端的PLC为从控制器。在车站控制室IBP（应急后备操作盘）设置一套非冗余PLC、一套应急操作终端与主PLC相连构成车站级BAS。两端PLC下设置现场冗余总线将各类远程I/O（输入/输出）、具有智能通信口的现场设备和就地现场小型控制器等设备统一接入，分别对车站两端的机电设备（暖通空调、电扶梯、低压照明、给排水等正常和火灾情况下共用设备）进行监控管理。车站BAS主控制器与车站FAS（火灾报警系统）通过通信协议转换器进行接口。火灾模式下，FAS向BAS下发火灾模式指令，BAS控制器将按预定工况转入灾害模式下启动相关设备。

从图1的系统结构可以看出，BAS设备主要包括主PLC柜（安装冗余的主PLC）、I/O模块箱（安装I/O设备）、现场总线设备、触摸屏、维护工作站等。这些设备完成生产和现场安装后，在投入运营前需要进行大量的调试。

图1 地下车站BAS构成示意图

2 典型车站调试工作量统计

现以北京地铁6号线的一个典型车站设备为例，其BAS调试需要完成的工作包括：BAS设备的单体调试，主PLC柜和远程I/O设备箱之间的通信调试，与各设备之间的端对端、点对点调试，以及与ISCS的接入集成调试。北京地铁6号线ISCS深度集成了BAS。这两个系统同时调试时，BAS主要完成的接口调试工作量统计如表1所示。

表1只是一个车站的BAS调试工作量。北京地铁6号线一、二期工程共27个车站，开通前需整体调试完成，所需要的人力和时间是惊人的。加之，目前国内大部分地铁都加快建设步伐，前期土建和设备安装能够压缩的净工期非常有限，监控系统调试的时间少之又少。BAS一般只有3～4个月的调试时间，只能采取多工作面调试，这样造成项目的人力成本增加很大，而且调试质量较难保证。

3 现场调试工作量大的主要原因

剥离开工程的工期不谈，就BAS本身而言，目前BAS的架构是造成调试工作量大的主要原因。从表1中可知，BAS和接口专业主要采用硬线接口，这势必要求BAS提供大量的I/O模块，而且硬线接线较多，就对施工安装有很大的依赖性，对设备本体调试完成也有很大的依赖性。由于I/O模块箱较多，安装位置分散在整个车站内，故设备安装对土建施工也有很大的依赖性。由于BAS分散，控制策略复杂，不仅仅要完成点控，最重要的是完成大量的策略控制，如风、水、电专业的模式控制，火灾模式下的排烟模式控制，站台站厅的温湿度PID（比例-积分-微分）控制、焓值控制等。目前，在建的所有地铁线路，在开通之前完成点控调试已属不易，而完成BAS最核心的策略控制都需要在运营开通后，夜间运营后的调试，其实际操作难度很大。

4 结构调整的可行性

4.1 结构调整方案

和工业系统控制一样，轨道交通设备控制系统也是从集中控制向分散控制发展，其底层设备从被控对象到自身智能化发展的一个历程。轨道交通变电所综合自动化系统也经历了一个从集中控制到分散控制的过程。多年前，所有的AC 10 k V，DC

1 500 V（或750 V），AC 400V开关柜都是采用通过变电所综合自动化直接接硬线的方式，使变电所的自动化屏需要安装大量的DI/O（数字量的输入/输出）设备，自动化屏实现连锁关系。而如今，每个开关柜都安装了智能测控单元或保护装置。这些装置之间用硬线或逻辑电路实现了保证安全的第一层连锁关系。变电所的自动化屏上安装一台FEP（前置处理单元）通过通信方式和这些开关柜建立连接关系，只需要配置1台64点DI/O以内的测控单元就能满足和无法通过智能单元的设备连接。这样，可靠性高，综合自动化系统的调试压力也小。轨道交通的机电设备系统与变电所综合自动化系统的结构类似。可以将BAS的集中控制改为各系统的分散控制，其具体实施方案如图2所示。

表1 典型地铁车站BAS工作量统计

图2 结构调节后的BAS构成示意图

每个和BAS接口的专业设备安装独立的智能控制器。智能控制器能够接受BAS中心控制器发送来的指令并执行，还将设备自身的状态采集上传至BAS中心控制器；智能控制器能够完成自身设备的控制并实现和其他配合设备的连锁动作，能够实现本类设备的集群控制等。BAS通过冗余的、可靠的现场总线或工业以太网将底层设备的信息收集，通过BAS的FEP完成信息的解码和转换，通过综合监控系统内部的协议上传至综合监控系统。FEP在系统中启到承上启下的作用，其主要作用是对接入设备通信总线进行物理和协议的转换，如将串口转换成以太网、将Device NET（设备总线）转换成internet（因特网）等。

4.2 对系统功能的影响

系统架构调整后，是否会影响到原BAS所能实现的功能，现从原BAS所能实现的四类功能作具体分析。

1）监控功能：BAS需要实现对底层设备的状态监视和动作控制。调整后的结构与原来的结构相比，只是将动作的执行从BAS内改成向系统外发指令，具体由底层设备控制器来实现指令，接口界面全部在FEP外侧，故接口清晰、方便运营维护和问题的查找。

2）调节功能：车站的BAS能够根据所检测的车站环境参数自动判断车站所处空调季工况，根据检测参数采用科学的算法和实用的控制策略，以便对空调冷水系统的二通调节阀、公共区风机转速根据时间的信息来进行调节。调整后的BAS结构的监控对象由设备级上升至系统级，主要的调节功能由设备级控制器实现，需要多系统配合以实现调节的功能，在BAS FEP中做相关逻辑关系和控制算法。由于BAS系统调节控制对实时性要求不高，也可以由综合监控系统统一调节。

3）模式控制功能：模式控制是BAS特有的控制方式，是对某个专业的多个设备按照预先设定好的控制逻辑和顺序进行的群控操作。如风系统的新风模式、夏季模式、冬季模式，照明系统的高亮模式、节能模式等。在采取了新的结构后，BAS只负责发送需要执行的模式号，设备具体的控制由各专业的控制器实现。

4）防灾辅助功能：BAS在地下站的一个非常重要的功能是，在车站或隧道火灾的情况下的辅助排烟。原来实现的过程是，BAS接收到火灾报警系统的防烟分区火灾信号，启动这个防烟分区的相关防火阀和排烟风机。这种群控方式也是模式控制的一种，结构调整后的BAS可以通过FEP实现收到FAS的防灾信号后进行相关的模式号下发。

关于风、水、电系统的智能化，国内已经有厂家做出了成功尝试，广佛地铁阎村车辆段就已成功采用智能空调系统实现了车辆段的温度调节控制。

5 结构优化的建议和意义

传统BAS的结构是BAS发展过程中逐渐形成的，目前已运用于各城市地铁线路，但也存在着诸多问题。调整后的系统结构采用单体成套设备集成控制系统的分布结构形式，满足这个结构要求需要设计院和业主在招投标前就要形成解决方案，让机电成套设备投标人掌握这种结构的意图，并负责地与控制设备集成商进行有效合作；集成商应从BAS全集成角度实施统一接口、统一操作界面、统一设计标准，才能完成分布式系统结构的设想。

分散控制的最大意义是带来底层设备风机、风阀、水系统、空调系统的智能化。原来和BAS接口的专业可以独立组成控制系统，各自在厂内完成调试。在现场实施时，BAS和各接口的控制器之间完成接口调试，具体的动作和信息可以在控制器上模拟，不依赖于现场安装的设备。这样，BAS的调试压力将会大大降低。

现阶段轨道交通BAS采用进口的高端PLC作为控制器，成本很高，而且长期处于国外厂商的垄断下。其主要原因是由于BAS采取集中控制的方式，现场I/O模块多，模块之间的通信依赖于现场总线并要求很高的可靠性和稳定性。而目前使用最多的现场总线就是西门子公司、施耐德公司和AB公司三家，这样就将很多国产的工控设备挡在门外。而进行BAS的结构调整后，现场总线采用通用的物理通信方式和开放的通信协议就成为可能，进而可推动大量国产化设备的采用，将会提高轨道交通系统设备国产化率并降低成本。

［1］ 魏晓东.城市轨道交通自动化系统与技术［M］.2版.北京：电子工业出版社，2011.

Optimization of Electric Power System Monitoring Structure in Rail Transit

Wu Zhou，Shi Jing

After the construction of rail transit lines，trains are still hard to launch on time because the electric power system monitoring has many variant with sophisticated functional connections，insufficient debug timeand difficult coordination of overall functional portions.Even when one subway line has been put into service，a series of testing and acceptance will still be needed for some operational functions.After a mass research，the fundamental cause of this situationis detected，because the traditional electric power monitoringsystem adopted tiered distribution network on spot and the centralized control manner of bus network.But，an optimization of the monitoring structure can solve these problems effectively.

rail transit；electric power monitoringsystem；structural optimization

U 29-39

2013-03-06）