地铁BAS 系统组网方案优劣分析

罗阿静

（深圳达实智能股份有限公司，广东深圳 518000）

0 引言

从1965 年7 月北京地铁1 号线一期开工建设开始，直至今日，中国地铁的建设技术已经相当成熟。人们对于地铁系统的可靠性、可用性要求也越来越高。地铁交通环境与设备监控系统（BAS）是城市轨道交通综合监控系统（ISCS）的重要组成部分，其主要功能是对地铁建筑物内的环境与空气条件、给排水、照明、乘客导向、屏蔽门等建筑设备和系统进行集中监视、控制和管理的系统［1］。

地铁环境与设备监控系统（BAS）由中央级、车站级、现场级构成。就大部分城市系统结构来看，车站BAS 系统集成在车站综合监控系统（ISCS）中，作为车站级综合监控系统的内部子系统，通过通信系统提供的网络连接至中央级，从而实现中央级的控制。而就车站级而言，BAS 系统通过冗余PLC（可编程逻辑控制器）上的冗余以太网卡连接到BAS 交换机上，由ISCS实现BAS系统车站级控制。现场级主要由冗余PLC、远程输入输出模块（RI／O）、通讯模块、就地现场小型控制器等现场设备构成，而如何将这些现场级设备联系在一起，使采集到的信息传输到车站级，实现现场级设备的监测和控制，就成为了BAS系统主要需要完成的工作。因此BAS系统组网方案主要研究的是车站级和现场级设备如何连接，才能使现场设备的信息传输到车站级，车站级设备将命令下发至现场级设备的问题。

1 BAS系统选型现状

输入输出模块、通讯模块、就地现场小型控制器等现场级设备采集到车站通风空调大系统、小系统、隧道通风系统、电扶梯、水泵等设备的信息之后，通过BAS 系统网络传输到PLC，由PLC 经过分析后下达控制命令。因此PLC 就是整个BAS系统的“大脑”。在组建BAS 系统时，PLC 设备的选型至关重要。

一般来说，一个典型地下车站BAS系统采集处理的信息量大约是：数字量2 000～2 500 点，其中有大约1 000 多点可由低压智能控制器集成后传给BAS；模拟量在100 点以内；控制输出主要是开关量，闭环的模拟量控制调节一般不超过10 个回路［2］。为保证系统的可靠性及可用性，一般配置大中型高端系列冗余PLC。就目前而言，市场上应用较多的为西门子S7－400H系列，罗克韦尔公司生产的AB 品牌1756 系列，施耐德Quantum系列PLC。

2 BAS系统组网方案

在车站两端环控电控室内各设置1 套冗余PLC 控制器，将离车控室较近的一端作为主端（A端），另外一端作为从端（B端），在车站控制室IBP 盘内设置一套非冗余PLC 控制器或者RI／O，现场风机房、配电室等处配置现场RI／O。

目前市场上BAS系统组网方案主要以西门子、AB、施耐德3 家为代表，笼统来说分为双总线网络、全光纤自愈以太环网、总线＋以太网3 大结构。地铁大部分车站为地下站，高架站系统构成和地下站类似，但仅需设置1 套冗余PLC 控制器，因此本文以地下站为例进行分析。

2.1 双总线网络方案

双总线为早期地铁BAS系统的建设方案，如广州地铁3 号线北延、4 号线、5 号线，西安地铁1 号线、2 号线、3 号线［3］，深圳地铁5 号线、大连2 号线、长沙4 号线等线路。以长沙某地铁为例进行分析。

BAS系统和综合监控系统通过A 端冗余控制器配置的4 块CP443－1 以太网通信网卡实现数据交换，BAS系统内部的A、B端冗余控制器S7－400H 通信通过集成在CPU 上的Profibus－DP总线接口，经过总线中继器冗余相连相连实现数据交换，同时冗余控制器与远程I／O ET200M 通过S7－400H 冗余控制器集成的Profibus DP接口，实现数据交换。IBP 盘远程I／O 采用西门子ET2OOM 系列RI／0。IBP 盘ET2OOM 系列RI／0 通过冗余Profibus 总线与冗余S7－400H CPU 相连。区间联络远程控制箱ET200M，通过PROFIBUS 总线光电转换器OLM 光纤方式与双冗余PROFIBUS双总线连接。与有通信接口的第三方设备的通过安装于分布在不同冗余总线网络上的冗余远程I／O 箱中各个RS485 通讯接口模块一对一相连。全总线网络示意图如图1所示。

图1 全总线网络

2.2 全光纤自愈以太环网方案

全光纤自愈以太环网为近几年应用较为广泛的方案，如石家庄2 号线、3 号线，厦门1 号线、2 号线、3 号线，上海6 号线、10 号线、11 号线等。其中又包含单环网、双环网、三环网等多种方案。以石家庄某地铁为例，采用三环网方案。

A端冗余PLC通过以太网接口与车站级综合监控系统交换机连接，实现与综合监控系统的数据交换。A 端与B 端冗余PLC采用施耐德Quantum 系列高端冗余PLC，与IBP 盘控制器之间通过速率高达100 Mb／s的光纤总线连接，与车站BAS系统中的远程IO、区间IO、智能低压系统（环控电控柜系统）等主要设备都通过由光纤交换机组成的自愈光纤以太环网接入并实现互通互联。各端的冗余PLC通过100 Mb／s的自愈光纤环网与分布在车站远程控制箱内的施耐德M340 系列高端RI／O 连接，实时采集各监控对象的状态，并根据中央或车站控制员的指令控制车站各种机电设备，为车站创造良好的乘车环境。车站及区间内的自愈光纤以太环网由工业级以太网交换机构成，采用光纤作为主要传输介质，点对点之间的传输距离可达5 km，可实现对车站及区间的完整覆盖。全光纤自愈以太环网三环方案如图2 所示。

图2 全光纤自愈以太环网三环方案

2.3 以太网＋总线方案

在以上两种方案的基础上，部分BAS系统供应商提出了以太网＋总线方案，如深圳3、7 号线、成都2 号线、3 号线，长沙2 号线等。以深圳某地铁为例进行分析。

在车站两端环控电控室各设置一套冗余的BAS 控制器，负责车站两端设备监控。A、B端各设置一对工业以太网交换机接入车站级综合监控系统（SISCS），控制器与各远程I／O 通过冗余现场总线相连。在车控制室设置远程I／O，用于IBP盘监控，并配置串行网关实现与FAS、冷水机组、动态平衡电动调节阀的接口。BAS系统设置串口服务器，用于电／扶梯、EPS、设置通信接口的水泵及VRV等设备的监控。以太网＋总线方案如图3 所示。

图3 以太网＋总线方案

3 BAS系统组网方案优劣分析

3.1 双总线网络方案优劣分析

作为使用最早的双总线网络结构，其优点在于结构简单、成本较低、易扩展、可靠性高，但其缺点在于传输速率较低、可扩充的用户数量有限。双总线网络组网时，无需借助交换机等造价昂贵的设备，直接通过总线和接线器连接，成本较低。

双总线网络通信介质可采用屏蔽双绞电缆或同轴电缆，西门子Profibus－DP 总线协议在无中继下最高通信速率可达12 Mb／s（通信距离100 m 内），罗克韦尔（AB）Controlnet总线协议在无中继下最高通信速率5 Mb／s（通信距离1 km内）［3］。

双总线网络扩展用户时，在限定距离内仅需增加一个接线器，超过限定距离后增加中继器即可，但其所接入的用户数量是有限。西门子Profibus总线在无中继下最大可接入32 个站点，有中继情况下可扩展至126 个站点，罗克韦尔（AB）Controlnet总线在无中继下最大可接入48 个站点，有中继情况下可扩展至99 个站点。但因为随着中继器数量的增加，其抗电磁干扰能力、传输速率也随之降低。

3.2 全光纤自愈以太环网方案优劣分析

现场总线标准的不统一制约了现场总线发展，多种总线标准并存使得总线难以沿开放的方向发展［4］。随着各种智能化工业设备的出现，传输数据量的增大，以太网因其速率高、兼容性强，快速在市场上占据了一席之地。该技术遵从TCP／IP 框架，具有接口简单、协议开放、互通便捷等突出优势，逐步成为行业主流技术，已经形成了多个有影响力的国际标准，不同的协议标准满足着不同层次、不同场景的通讯要求：比如用于本地控制系统内部的工业以太网协议，常见的有EtherCAT、PROFINET和Ethernet／IP等［5］。

全光纤自愈以太环网通常采用速率高达100 Mb／s的光缆作为通信介质，具有传输速率快、兼容性强的优点，同时其扩展性、抗干扰性、自愈性能也同样优越，如采用西门子ProfiNet总线时，其最大可连接站点数达128 个。但其缺点在于组网时需要借助造价较为昂贵的交换机等设备，成本较高。

自愈是指当网络传输中断（例如光纤断）时，不需要工作人员进行维修，网络传输会自动地在短时间内（ITU－T 规定小于50 ms）恢复，用户几乎不受影响［6］。

3.3 以太网＋总线方案优劣分析

全光纤自愈以太环网方案虽然优点众多，但就地级装置采用工业以太网组网将增加前期投资费用，同时由于地铁车站内通讯距离较长，采用工业以太网需增加环网光纤设备及光纤熔接费用［7］。以太网＋总线方案的提出是一个相对较为完美的解决办法。目前现场级采用总线方案基本能满足实际需求，但在特殊情况下，如车站面积较大、站间距太远、设备站点多、区间设备远，总线方案因其连接站点数少、传输距离短就会存在较大限制。

4 结束语

从总线到光纤以太网，通信介质的发展也带动了BAS 系统PLC组网结构的发展。PLC 组网的结构在整个地铁环境与设备监控系统中起到了至关重要的支撑作用，组网结构的优劣直接影响到地铁系统的稳定性和可靠性［8］。地铁PLC 组网方式多样，组网方式各有优劣。目前来讲无非是以太网与总线方案的排列组合。本文介绍了常见的双总线方案、全光纤自愈以太环网方案、以太网＋总线3 种组网方式，通过对实际应用案例的分析，介绍了各种组网方式的组成结构及应用介质，分析了各种方案存在的优缺点。总线方案虽然传输距离有限、传输速度较慢，但其结构简单、成本较低、稳定性好，且应用案例多，经验丰富。以太网方案作为近年来备受推崇的组网方式，其优点毋庸置疑，但组网过程中需借助交换机，前期投资大，造价较高。但就未来人类社会智能化的发展、现场智能化设备的增加、人类对于工作效率的要求来看，以太网组网因其传输速率快、抗干扰性强、兼容性好等优点，已经成为大趋势。

从总线方案到以太网方案，总线诸多如兼容性较差、传输速率低的问题已经得到了解决。虽然目前来讲，以太网方案因为要借助交换机，其成本较高，但相信随着技术的发展，以太网方案成本高等的问题也可以找到一个好的解决方案。