地铁BAS系统不同组网方案对比研究

陈青云

（贵阳市城市轨道交通有限公司，贵州贵阳 550081）



地铁BAS系统不同组网方案对比研究

陈青云

（贵阳市城市轨道交通有限公司，贵州贵阳 550081）

摘 要：结合地铁工程中BAS系统局域网设置的实际应用情况，比较了基于罗克韦尔（Rockwell Automation）公司的ControlLogix平台下总线型组网结构方案和工业以太网组网方案的不同结构特点，并分析其各自冗余机制，为后续各地的地铁建设提供参考。

关键词：地铁；BAS系统；总线型；以太网；组网方案

0　引言

环境与设备监控系统（BAS）作为地铁综合监控系统的一个重要集成子系统，承担着地铁车站舒适性和节能性的作用，其与火灾自动报警系统（FAS）的接口，实现了紧急情况下通风空调设备的火灾联动，还承担了一定程度防灾救灾的重责[1-3]，对地铁正常运营和保证乘客人身安全起到了至关重要的作用。目前，在城市轨道交通行业具有应用业绩的 BAS系统生产厂商主要有罗克韦尔、施耐德、西门子、通用电气，现场级网络主要有全总线和全以太网 2 种实现形式[4]。本文以罗克韦尔公司 ContrlLogix 平台下 2 种不同方案的网络结构在实际地铁线路中的应用为例，分析其各自的特点，为后续线路的建设和运营提供参考。

1　全总线式网络结构

西安地铁 1号线线路全长 25.36km，全线共设 19座地下站，其中 5 座为换乘站。工程于 2009 年初开工建设，2013 年9月通车试运营。其车站 BAS系统局域网采用了 ControlNet 冗余双总线的全总线网络方案[5]，传输介质主要为同轴电缆现场总线，当 2 点之间的距离超过1km 时，采用光纤连接，总线传输速率为 5Mbps。主端和从端的冗余 PLC[6]、综合后备盘（IBP）、I/O、远程 I/ O模块都挂接在冗余的 ControlNet 控制网上。

1.1系统主要设备组成

主端冗余的 PLC系统主要包括 1756-L62 处理器（2 块）、冗余同步模块1756-RM（2 块）、机架冗余电源模块 1756-PA72（2 块）、ControlNet 网络通信控制器1756-CNBR（6 块）、Ethernet/IP 以太网模块 1756-ENBT（4 块）、10 槽机架 1756-A10（2 块）以及冗余同步模块的光缆 1756-RMC1（1根）、TAP 分支电缆连接头 1786-TPS（数量按需提供），以上为环控电控室 PLC 控制柜内主要设备。除此之外还包括分布在车站站厅与站台的远程 I/O 箱内设备，I/O 箱数量按照现场具体情况配置，每个 I/O 箱内包含 Flex I/O 通信模块1794-ACNR15（1 块）、I/O 模块底座 1794-TB3（按箱内I/O模块数量配置）、16 点 DI 模块 1974-IB16、16 点 DO 模块 1974-OB16P、8 点 AI 模块 1974-IE8、4 点 AO 模块1794-OE4，以上各输入输出模块数量均按需配置。通信接口产品采用瑞典 HMS 公司的Anybus 通信转换模块 AB7006，BAS系统提供足够数目的通信接口供相关专业的设备接入。

从端配置与主端类似，所不同的是从端采用 7 槽机架，没有配置 Ethernet/IP 以太网模块 1756-ENBT，从端通过同轴电缆与主端在 IBP 盘处相连接，IBP 盘处配置2 块 ACNR15、5 块 16 点 DI 模块 1974-IB16、5 块 16 点DO 模块 1974-OB16，并配置和FAS等专业的通信接口。

1.2车站网络结构

西安地铁 1号线车站网络结构如图 1 所示。主从端均采用 2 套冗余的 ControlLogix PLC 控制器。以主端为例，从左至右为 PA72 电源模块，采用背板总线的方式给整个机架提供 220V 直流电源，然后是 L62 系列的PLC，PLC 作为 BAS系统的核心采用 2 个 32 位的高性能工业级微处理器，分别进行 IO 扫描和程序扫描，2 个处理器可以异步执行并共享 1 个公共数据区，最大访问和处理 I/O 点的数字量和模拟量分别为 128K 和 4K，处理速度为 0.05ms/k。PLC 也采用背板的方式和机架上其他模块进行通信，并且所有的模块均支持带电热插拔。PLC 右边是冗余模块 RM，RM 模块通过冗余同步光缆不断地维持主、备机架之间的通信，使主、备 CPU 的程序与数据得以同步。往右是第 1 块通信控制器 CNBR，负责与远程 IO 模块和通信接口模块实现通信功能，再向右第 2 块 CNBR 负责与低压环控设备通信，第 3 块 CNBR 负责 A、B 两端的通信。最右边的 2 块以太网模块 ENBT 通过 2 根以太网线接入车站综合监控系统交换机，将 BAS系统所有功能交由综合监控系统实现。

从端结构与主端类似，所不同的是从端没有以太网模块 ENBT，从端 PLC 处理的所有数据最后都将传送到主端，由主端统一将数据传给车站综合监控系统。

IBP 盘处的数字量输入模块、数字量输出模块分别负责接收 IBP 上信号、屏蔽门、扶梯、环控等相关专业的逻辑状态显示和应急控制指令。通信模块通过 RS485总线与 FAS 相连用于接收 FAS 的模式控制指令，以实现火灾联动功能。

1.3冗余及安全机制

ControlLogix 热备系统由 2 套配置完全相同的硬件系统和1根同步光纤组成，采用冗余机架配置，每个机架单独供电，采用双电源、双 CPU、双以太网模块、冗余热备模块、双远程 I/O 的总线通信方式，实现了硬件上的完全冗余。其中 1 套硬件系统作为主控制系统，另外 1 套作为后备控制系统实时跟踪主控制系统状态，且 2 套 CPU 的扫描同步进行，从而保证在设备和网络通信出现故障时可以实现无忧切换。主备控制器之间切换时间最快可以达到 60ms。

冗余配置的控制器可共同操作所连接的所有 RI/O 和 I/O 设备，但同一时刻只能由主控制器发出指令，系统在CPU或通信出现故障时，所有输出模块均可以设置为关断、保持及安全预设定几种状态之一，以确保系统及设备的安全。当故障恢复时，主控制器能即时地自动连接通信网络，程序和内存状态具有断电自保持功能。

图1　西安地铁 1号线车站网络结构图

2　全以太网网络结构

成都地铁 4号线线路全长 21.96km，全线共设 16 座地下车站，其中 2 座为换乘站。其车站级 BAS系统采用光纤以太网作为现场总线[7]，车站两端各配置1套冗余的 ControlLogix PLC，与 IBP 盘配置的 CompactLogix PLC 通过光纤双环以太网相连，所有设备均通过交换机接入光纤以太环网，由于采用的是TCP/IP 协议，网络的传输速度为 100Mbps，较总线型网络传输速率快，并且通信协议更加开放。

2.1系统主要设备构成

2 套对等冗余 PLC系统主要包括 1756-L71 处理器（2 块）、冗余同步模块1756-RM2（2 块）、机架冗余电源模块 1756-PA72（2 块）、Ethernet/IP 以太网模块 1756-EN2T（4 块）、7槽机架1756-A7（2 块）、冗余同步模块的光缆 1756-RMC1（2 根）。远程控制箱内 I/ O 模块选用罗克韦尔公司的 Point I/O 系列，通过 Point 系列以太网通信适配器 1734-AENT 接入两端各自的光纤环网，包括 8 点 DI 模块 1734-IB8、8 点 DO 模块 1734-OB8、8 点 AI 模块1734-IE8C、4 点 AO 模块 1734-OE4C以及模块底座 1734-TOP，I/O 模块数量均按现场具体设备点数确定。IBP 盘处配置 CompactLogix 系列 PLC 1768-L43（1 块）、电源模块 1768-PA3（1 块）、以太网通信模块 1768-ENBT（2块）、16 点 DI 模块1769-IQ16（5 块）、16 点 DO 模块 1756-OB16（5 块）、电源模块 1769-PA2（1 块）、扩展电缆 1769-CRL3（1 根）。IBP 盘与 FAS 的接口通信模块采用 AB 公司的 2080-LC50-48QWB，工业以太网交换机选用卓越公司的 Carat55D-6TX-2FM（2 光 6 电，数量由各站按需分配）。

2.2车站网络结构

成都地铁 4号线 BAS系统采用光纤全以太环网结构，其车站网络结构如图 2 所示。

图2　成都地铁 4号线车站网络结构图

车站 BAS 底层系统按照车站特点分别设置 2 套对等冗余的监控子系统，它们通过光纤双环以太网与 IBP 盘 PLC 相连，构成车站 BAS 局域网，即完成两端控制器与 IBP 盘之间的数据交换功能。两端冗余控制器又与各自 I/O 箱设备组成各自单环以太网，完成两端冗余控制器与两端各自设备的通信。通信接口模块选用罗克韦尔公司的 2080-LC50-48QWB，其自带一小型 CPU，可自行对接入的底层设备进行数据处理，故通信接口模块可直接接入车站级光纤双环网。并且此通信接口模块自带 5 个串口，每个串口支持最高串联 32 个节点通信，故一端设置 1 个通信接口模块即可满足需求。IBP 采用非冗余的 CompactLogix PLC，并设置一定数量的 I/O 模块，负责接收 IBP 上信号、屏蔽门、扶梯、环控等相关专业的逻辑状态显示和应急控制指令。通过通信接口模块与 FAS 控制盘相连，实现火灾模式的联动控制。IBP 盘处交换机通过以太网接入综合监控系统交换机，由综合监控系统实现 BAS系统的功能。

2.3冗余及安全机制

ControlLogix 控制器的冗余结构由配置完全相同的 2 组硬件冗余设备构成，双机热备应用双机架、双电源、双 CPU、双以太网模块、双 RI/O 通信网络方式，硬件冗余设备使用时无需编程。确保任一模块不能工作或被诊断故障时，所有受控设备及模式能不间断、无扰动地自动切换运行，同时可以通过监控软件和PLC系统的硬件按钮进行手动切换。无论何种切换方式都能够保证整个系统切换的无扰动。

在本冗余系统里，每个机架都配备 1 个 1756-RM2冗余管理模块以实现主、备 CPU 之间的程序和数据同步，2 个 1756-RM2 之间采用 1756-RMC1 光缆连接，提供1条高速数据同步通道，及时同步程序与数据。因此，冗余系统对于外部连接的设备来说是完全透明的，发生 CPU 切换时外部连接的设备不会察觉到，设备运行状态不会因为切换而发生不稳定，是无扰动的冗余切换机制。PLC 的主备 CPU 切换时间最低可达到 60ms。

表1　BAS系统以太网和总线组网方案特性对比

3　系统比较

由上述分析可知，由于全总线和以太网 2 种 BAS系统组网类型都是采用罗克韦尔公司的 ControlLogix 系列冗余控制器，冗余切换机制基本相同。其主要区别如表 1 所示。

4　总结

综上所述，全总线型和以太网型方案均可以满足地铁车站 BAS系统主要需求指标。对于实时性和可靠性要求比较高的场合，总线型比以太网具有更大的优势；对于开放性和与其他系统互联互通要求较高的场合，以太网比总线型具有更广泛的应用。无论是全总线型网络结构还是全以太网网络结构，均具有各自的优点和缺点，在满足系统性能指标的前提下，综合考虑各方因素，选择合适的网络结构。

参考文献

[1] 陈鹏. BAS系统在地铁中的应用[J]. 中国科技报，2002，15（2）：33-36.

[2] 许巧祥. 南京地铁BAS设计的技术创新[J]. 都市快轨交通，2005，18（4）：61-64.

[3] 张绍，陈晓东. BAS系统在地铁环境中的应用及实现[J]. 地铁与轻轨，2003（5）：30-37.

[4] 曲立东. 城市轨道交通环境与设备监控系统设计与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2008.

[5] 西安地下铁道有限责任公司. 西安地铁1号线一期工程（后卫寨至纺织城）综合监控系统集成采购项目合同技术规格书（二）专用技术要求[G]. 陕西西安，2010.

[6] GB 50157-2013地铁设计规范[M]. 北京：中国计划出版社，2013.

[7] 成都地铁有限责任公司. 成都地铁 4号线一期工程综合监控系统集成与施工总承包合同技术规格书（二）专用技术要求[G]. 四川成都，2013.

责任编辑 凌晨

Study on Two Different Networking Schemes in Metro BAS

Chen Qingyun

Abstract:The paper discusses the practical application of LAN settings of the metro BAS, and compares the different structure characteristics the main line networking structure scheme based on Rockwell Automation’s ControlLogix platform and the industrial Ethernet networking scheme. It analyzes the respective mechanism of redundancy, provides some references for metro construction around the follow-up.

Keywords:metro, BAS, main line type, Ethernet network, networking schemes

中图分类号：U270.34

作者简介：陈青云（1986—），男，工程师

收稿日期2016-01-19