地铁车辆段环境与设备监控系统的网络设计方案比选

田小梅 左振鲁

（国电南瑞科技股份有限公司，210061，南京／／第一作者，工程师）

宁波轨道交通1号线车辆段位宁波市东环南路以东蔡江岸地区天童庄，分为盖上、夹层、盖下三部分，建筑结构庞大复杂。整个车辆段的环境与设备监控系统（BAS）的监控方案对应车辆段结构也分为盖上、夹层、盖下三部分，每个部分各设有一对控制器及多个RI／O（定段输入输出）控制箱，用于监控现场各种机电设备。

1 车辆段BAS结构组成

天童庄车辆段BAS的盖上、夹层、盖下三部分，分别设立了独立的可编程逻辑控制器（Programmmed Logic Controller，简为PLC）。盖上的部分为车辆段主PLC，设置于综合办公室楼一层综合楼综合监控设备室，直接与车辆段综合监控系统（Integrated Supervision and Control System，简为ISCS）通信。夹层部分的PLC和盖下部分的PLC为从PLC，分别采集、处理所属区域的设备信息并上传给盖上主PLC，并接收盖上主PLC下发的控制指令，传送给各个就地设备进行开关、启停控制等。

1.1 盖上BAS

天童庄车辆段盖上部分的PLC 为一套冗余ControlLogix系列PLC，两个冗余PLC 机架分柜布置。此处的PLC 作为整个车辆段的主PLC，每个机架上分别设置1块以太网卡，用于同ISCS进行通信；同时在每个PLC机架上分别布置2个网络模块，1个用于向上连接夹层PLC 和盖下PLC 组成控制级网络，另1个用于向下连接现场级网络。

在天童庄车辆段的培训中心、文体中心、锅炉房等处分别设置RIO 控制箱，内设各种类型的DI（数字量输入）／DO（数字量输出）／AI（模拟量输入）／AO（模拟量输出）模块，实现现场设备信号的采集和传输功能，从而监控现场设备。

1.2 夹层BAS

夹层PLC 的结构类似于盖上PLC 部分，区别在于冗余PLC 机架上没有与ISCS通信的以太网模块。现场监控设备比盖上PLC 多，分布在夹层车库消防设备室、夹层A 区风机房等处。同时在PLC控制柜KB2中也设置有1套RI／O 模块，用于监控夹层车库消防设备室附近的现场设备。

1.3 盖下BAS

盖下PLC 的结构类似于夹层PLC 部分。盖下现场监控设备比夹层多，分布在运用库消防设备室、污水处理站等处。同时在PLC 控制柜KC2中也设置有1套I／O 模块，用于监控盖下运用库消防设备室附近的现场设备。

2 车辆段BAS的两种组网方案

天童庄车辆段BAS 原方案采用的是和车站BAS 相同的总线网络方案，PLC 部分采用ControlLogix系列控制器1756－L61，RI／O 部分采用Flex I／O 系列，控制器与 RI／O 部分之间采用ControlNet总线连接。

现方案采用的是以太光纤环网方案，PLC 部分采用 ControlLogix 系列控制器1756－L61，RI／O部分采用Point I／O 系列，控制器与 RI／O 部分之间采用光纤以太环网连接。

2.1 总线方案

车辆段BAS总线方案网络图如图1所示。

图1 车辆段BAS总线方案网络图

总线方案中，盖上、夹层、盖下的PLC 控制器之间采用总线网络模块1756－CNBR 进行连接，三组控制器之间用网络线缆串联起来，形成双总线结构。盖上PLC作为主PLC控制器，在每个机架上安装1块1756－ENBT以太网卡同ISCS通信。

盖上、夹层、盖下PLC 下面分别设置Flex I／O系列模块，IO 处采用总线适配器1794－ACNR15同各个PLC控制器相连，各部分单独形成双总线现场级网络。

2.2 环网方案

车辆段BAS环网方案网络图如图2所示。

图2 车辆段BAS环网方案网络图

环网方案为根据天童庄车辆段实际建筑特点、设备分布情况进行优化的设计方案。

环网方案中用于控制级和现场级网络连接的网卡不再是总线适配器卡，而是以太网卡。每个PLC机柜中还设置了1台2光4电交换机，光口用于同RI／O 控制箱连接，1个电口同1756－EN2TR 以太网模块相连，其他电口连接串口模块、柜内RI／O 模块等设备。

在现场 RI／O 控制箱中设置 Point I／O 系 列，同时设置1台2光4电交换机，电口同RI／O 组件的1734－AENT 适配器连接，光口同其他RI／O控制箱和PLC 控制柜连接。PLC 控制柜和RI／O控制箱之间的现场网络采用光纤以太环网，当网络上任意一处发生故障（如断开）时，光纤环网切换成单以太网线，不影响整个网络的正常工作，整个分布式RI／O 站的信息依然可以全部上传至PLC控制器。

盖上主PLC设置一对冗余控制器机架，每个机架上各设置1 块1756－EN2T 以太网卡，用于和ISCS通信，另外各设置2块1756－EN2TR 双口以太网模块，分别连接控制级网络和现场级网络。

夹层、盖下PLC 类似于盖上主PLC，区别是不设置用于同ISCS通信的1756－EN2T 以太网卡。另外，根据盖上、夹层、盖下的监控设备数量不同，主要区别是IO 数量不同。此处仅示意盖上BAS系统网络图，如图3所示。

图3 盖上BAS系统网络图

3 两种网络设计方案比较

3.1 功能性

车辆段所面向的服务对象与车站不同，车辆段主要服务于地铁系统运营维护人员，而车站主要服务于乘客。两者关注点不同，所监控的重点、重要性也不相同。车辆段与车站BAS网络方案不同，车辆段方案是适应车辆段自身特点而提出的系统网络架构。

现方案采用的是Point I／O 模块，与Flex I／O模块相比，性能指标相同，实现现场设备的信息采集、控制等，控制器相同，其程序处理能力相同。新方案与原有方案功能上完全相同。

3.2 灵活性

Point I／O 的模块具有体积小、密度低、适配器支持模块数量多、组合自由的特点。对于一些监控设备较多的区域，BAS的箱柜因为空间大小限制，原来的总线方案中，因为Flex I／O 模块体积较大，每个箱柜内只安装1个ControlNet网络节点，每个ControlNet适配器最多只能支持8个I／O 模块，有数量和I／O 点数的限制，对于个别监控设备较多的地方就需要增加箱柜。而Point I／O 系列体积小，且1个适配器最多可以支持63 个I／O 模块，DI、DO、AI、AO 自由组合，方便灵活，单个箱柜内可安装的I／O 数量较多。

而对于一些监控设备较少的区域，设备所需监控点数又较少，Flex I／O 模块点数密度较高，空余的I／O 通道将较多，有些浪费。Point I／O 模块点数密度较低，空余的I／O 通道较少，不至于造成太多浪费。

3.3 一致性

车辆段范围大，控制柜与箱柜之间的距离较远且距离不易确定。总线方案由于受距离限制，不可能所有的箱柜之间都是总线，需要大量增加ControlNet总线光电转换器，每个总线两端都需各配置1对。且因为未知线缆走向，箱柜之间的距离不好确定，所以无法明确两个箱柜之间究竟使用总线直接连接还是光缆连接。如果在现场进行修改，势必增加现场柜内安装、配线的难度，拖延现场工期进度，且箱柜的美观、整洁、防护性将大大受到影响。

环网方案中，所有箱柜之间无论距离远近均使用光缆连接，类别单一。因为箱柜之间最远不会超过5 km，所以统一使用多模4芯光缆进行连接，不用在工厂箱柜生产制造阶段就考虑距离问题，且现场可以一次性熔接好，大大提高工作效率。且后期故障类别也相对单一，运营维护人员也比较容易掌握、排除问题。

3.4 方便性

总线方案中，ControlNet网络光电转换器体积较大，且对于有些地方，其箱柜进出都是光缆，需要安装4对光电转换器，箱柜空间有限无法安装只能另外增加箱柜以安装此光电转换设备及其熔接盒等。环网方案中，光电交换机体积较小，且交换机自身已具有光口，无需额外的光电转换设备，箱柜空间足够安装。无需再增加箱柜。

总线方案中，采用ControlNet同轴电缆连接，其电缆及连接工作由BAS施工方完成，此网络为AB公司专用ControlNet总线，对于施工方来说较为陌生，敷设、连接时可能问题较多。环网方案中，采用光纤连接，是常见的施工工艺，对于施工方来说非常熟悉，其敷设、熔接工作较为容易，有问题也能迅速解决，对于BAS施工方和BAS系统集成商的工作界面清晰，责任明确。

3.5 经济性

环网方案相对总线方案而言，单个Point I／O模块相对Flex I／O 模块来说价格较低些，可利用的I／O 通道数比例增加，实际使用I／O 模块总价降低。

总线方案大量使用ControlLogix的网络模块1756－CNBR 和ControlNet网络光电转换器，甚至造成增加箱柜用于安装专用的光电转换设备，其总价增加；而环网方案中虽增加光电交换机但价格上比专用的ControlNet网络光电转换器价格低。

环网方案全部使用多模光缆连接，其市场价格比总线方案中使用的ControlNet网络电缆低。

车辆段环网方案相对总线方案来说，较为经济。

4 结语

通过比较两种BAS网络设计方案的优缺点，最终根据宁波轨道交通1号线车辆段的实际特点选择了环网方案。当然，总线方案也有其优点，如：和全线车站BAS设备、方案一致，备品备件可互换使用无需另外配置；另外总线方案相对而言为传统方案，易于被运营方接收。无论是哪一种方案，在控制技术方面都较为成熟。就目前而言，总线方案在地铁设备监控系统中使用较多，环网方案尚未使用过。针对城市轨道交通目前建设的趋势，车辆段建筑越来越庞大，环网方案更能适应城市轨道交通行业趋势的发展。环网方案在宁波地铁1号线车辆段中的成功应用对后续地铁车辆段的BAS系统设计具有重要的指导意义。

［1］GB50157―2003 地铁设计规范［S］.

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