环境与设备监控系统组网方案分析

陈漫玲

（深圳达实智能股份有限公司，广东深圳 518057）

0 引言

地铁环境与设备监控系统是将计算机与机电设备的自动化控制原理相结合，并运用分布式智能等技术对地铁车站、场段、隧道区间内的空调通风、给排水、照明、导向标识等相关专业设备进行管理和控制［1］。环境与设备监控系统（BAS）是地铁运营过程中不可或缺的一环，其可以保证车站内的设备能够在稳定、高效率且节能的条件下运行，为乘客创造了安全且舒适的出行环境。BAS系统在地铁环境控制这一关键环节中的具体应用有两个方面：一是监测地铁的运行情况，它会根据列车的运行状况，采用多种监测方式，以此实现集中监测的目的，这样，地铁管理人员就可以利用监控设备，直观地观察到地铁的环境状况，从而可以有效地减少地铁发生故障的概率，也能够很好地减少地铁里可能存在的危险；二是在地铁运行过程中，对各个节点进行控制，完成对地铁运营环境的统筹管理，提高地铁运行的稳定性。BAS系统可以管理和调节地铁的运行环境，精准地记录地铁的运行状态以及获取与之有关的数据，改善地铁环境，发挥出BAS系统所具有的调控功能。由此可见，在管理地铁环境这一方面BAS 系统有着至关重要的作用，本文介绍了BAS系统，着重论述了组网方案，能够根据需求提供多种的服务内容，既能够保证地铁内各车站的设备稳定运行，提供安全且舒适的乘车环境，又节约能源减少地铁运行费用，使地铁整体的环境得到优化。

1 系统构成和主要功能

BAS系统是由中央级、车站级、现场级以及全线通信网络这4 大部分构成，在功能系统中，它的主要结构是基于骨干网络，在地理上实现分散、且分层分布式的大规模BAS系统。所以，其硬件系统和相应的功能也以垂直的3 个层面为主。

1.1 中央级监控系统

BAS中央级监控系统是集成在综合监控系统（ISCS）中，其设备由ISCS 负责设置，由服务器、大屏、打印机、工程师站等设备组成。BAS在中央级能对各个车站、车辆段、停车场及地下区间隧道通风空调、照明、给排水、自动扶梯等机电设备进行监测或调制，并具有全部的显示、控制、参数设置和调节等系统功能。中央级监控系统的功能由综合监控系统来完成的，主要内容有下传控制模式、数据采集与数据处理和设备监督与控制。

1.2 车站级监控系统

车站级监控系统网络采用分层分布式结构，由PLC控制设备、各类输入输出模块、现场传感器等设备组成［2］。因为车站控制室BAS工作站是由综合监控系统来调控的，所以BAS车站级监控功能也是由综合监控系统来完成的。其监控的对象包括车站隧道通风系统、公共区通风空调系统、设备区通风空调系统、车站冷水系统、车站给排水系统、自动扶梯系统、照明系统等设备［3］，

通过对相关设备运行数据的采集，并上传到综合显示屏上，实现了对被监控装置的实时、准确地检测与记录。

1.3 现场控制级系统

现场控制级系统由PLC 控制器、I／O、各类通信转换接口模块、交换机搭建的以太环网、各类传感器和调节阀等构成［4］。在环控电控室控制柜内设置各类通信网关，在被控现场设备例如车控室、配电室、区间风机房等安装RI／O控制箱，以完成收集有关信息并输出指示。车站里设备的运行状态、出现报警信息或是相关测试数据都会快速地通过通信接口上传至综合监控系统，同时也接收上级发出的指令并执行。在发生火灾的情况下，管控车站内通风空调和其他有关的机电设备会通过与FAS建立的通信接口接收发出的指令，运行状态快速进入火灾模式。

2 主要设计原则

（1）BAS系统应基于先进的技术、合理的投资、完善的功能、灵活的组网、便于管理和节约能源降低消耗的原则规划，应采用现代科学技术完成对车站内设备的智能化控制，从而让地铁运营更安全稳定的同时也减少运行成本。

（2）BAS系统按中央级和车站级两级管理，中央级、车站级和现场级3 级控制方式设置［5］，中央级和车站级集成于ISCS，中央级和车站级的监控功能由ISCS来完成的。

（3）BAS系统软件、硬件的设计应充分思考系统的安全可靠性以及扩展的方便性［6］，并能够进行故障诊断和在线编辑。

（4）BAS和FAS建立一个可靠的通信接口，当出现火灾的时候，FAS 会检测出火灾的发生地点，通过设在车控室的通信接口，向BAS 发出相应的火灾模式指令，让BAS可以优先执行对应的控制程序，确保相关的机电设备都进入到救援状态［7］。

（5）在地铁正常运行的状态下，中央级对隧道通风系统有着最高指挥权，车站级对站内的设备和给排水系统具有最高指挥权。区间发生火灾或者列车堵塞的时候，是由控制中心对隧道通风排烟发出命令，BAS 接收且执行指令。

3 组网方案

地铁BAS系统在车站两端的环控电控室配置了一套冗余的PLC控制器，其中靠近车站控制室的冗余PLC为主控制器（A 端），另外一端的PLC 为从控制器（B端）［8］。此外，在车控制的IBP盘中还安装了一组非冗余PLC控制器，在IBP 盘中实现了发布和显示不同的模式控制指示等功能，并与A 端的主控制器相连接，从而形成了一个车站级的BAS系统。目前，地铁中广泛采用的BAS系统组网方案有两种，一种是双总线，另外一种是光纤自愈以太网环网［9］。B 端冗余PLC 控制器可以通过光纤自愈以太网环网或双总线接入A 端冗余PLC 控制器，以及和IBP盘、远程I／O 间也可以自主选择其中一种组网方式来完成进行通信。本文对双总线组网和光纤自愈以太网环网这两种组网方式展开了分析。

3.1 双总线组网方案

BAS系统和综合监控系统之间的数据交换是通过在主从控制器上各配置2 个100 MB／1 000 MB 以太网模块各自接入属于不同网段的车站级综合监控系统交换机来完成的，BAS系统中的主、从控制器S7414-5H 的数据集成在Profinet 总线的接口，再通过光转XB004-1 相连接进行通信，冗余控制器与远程I／O 之间的数据交换也是集成在Profinet 总线的接口，再经由光转XB004-1 连接来完成的。将具备通信接口的机电设备以一一联接的形式，将其与分布在各种冗余总线上的冗余远端I／O 箱内的每一个串端口进行通信，这样组网方式，能在任意一条总线出现故障的时候，保证下端设备处于正常监控状态，实现了通信线路的冗余功能。双总线组网方案示意图如图1 所示。

图1 双总线组网方案

3.2 光纤自愈以太网环网方案

BAS系统中主控制器与综合监控系统的冗余交换机的数据传输是采用以太网的形式，以这种方式来完成车站BAS系统和综合监控系统间设备状况信息的上传和控制命令的下达［10］。A、B 端的冗余PLC 控制器与IBP 盘PLC控制器之间采用自愈光纤环网进行连接，通过这种方式来完成两个控制器的数据通信。在两端冗余PLC 控制器分别设置光纤工业以太网，统一接入各种I／O、带有通信接口的现场设备以及小型的就地级控制器，通过监测和管理车站两端的机电设备，来完成现场级设备的数据采集和控制功能［11］。3 个环网通过交换机实现环网之间的互联功能，但彼此相对独立，任何一个环网存在故障均不影响其他环网的正常工作。采用光纤自愈以太网环网方案，即使有一个节点发生故障时，它的下端设备可以通过其他线路传输数据，从而防止发生设备离线的状况，实现了通信线路的冗余功能。全光纤自愈以太环网方案示意图如图2 所示。

图2 全光纤自愈以太环网方案

4 组网方案优劣分析

作为运用的最早的双总线组网方案，其特征是使用传统的总线方式进行通信，目前地铁上常用的总线有ControlNet、ModBus Plus、Profibus和ProfiNet等，这几种总线的特性如表1 所示。双总线组网方案的优势是方案成熟、结构简单、系统可靠性高，设备成本较低，但是存在着以下这些问题：（1）通信标准不统一，目前市场上BAS系统组网方案主要有施耐德、西门子、罗克韦尔等这3 家，由于其标准化性低，不同厂商之间共用设备困难；（2）通信速率较低，从表1 总线特性的比较中可以看出大部分总线的通信速率在9.6 kb／s ～5 Mb／s之间，通信速率低会严重影响到系统的实时响应性［12］；（3）网络扩展困难，若有添加了新的的监视目标，则需要重新规划和扫描网络，从而影响现有网络的执行。

表1 总线特性的比较

随着地铁的人流量越来越多，运营压力的增加，所需要传输的数据的增多，以及科学的可持续发展各种智能化设备的出现，总线的标准无法统一限制了其发展，而光纤以太网以传输速率高以及兼容性强等优点在市场上有着非常大的优势［13］。以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，以太网组网方案在地铁实际运营中也应用广泛，其优势则体现在以下这几个方面：（1）网络架构灵活，工业以太网相比现场总线更加灵活，支持线型网络、星型网络、环型网络和混合型网络，可以实现中心级、车站级和现场级的一网到底的解决方案；（2）通信速率高，以太网的通信速率现在已经可以达到10 Mb／s或者100 Mb／s，其通信速率已远远超过现场总线［14］；（3）软硬件资源丰富，经过多年的应用，在设计和应用等各方面积累了丰富的经验，并对其中所涉及到的技术非常熟悉；（4）可持续发展能力强，因为以太网的使用范围很广，所以其在反战争中的作用受到了很大的关注，并在技术上进行了很大的投资，从而确保了以太网技术的持续发展。而缺点则是在地铁的实际运用中，当需要增加远程I／O 模块的时候，要想接入以太网中，就必须要增加交换机或者交换模块，这就增加了设备成本，也使网络结构变得复杂。

由于车站两端的主从控制器的传输距离较长、数据传输量较大，因此对数据通信的速度要求较高、且要求安全可靠；而车站主从控制器与I／O 之间的通信距离虽然比较短，但因为连接的机电设备数量众多又接近现场，所以也对其提出了高安全性、高稳定性以及方便扩展的要求［15］。根据地铁车站对环境与设备监控系统的要求，双总线和以太网这两种组网方案都有着各自的优点。双总线和以太网组网方案这两种方式虽然都实现了线路上的冗余，但根据以上各方面因素的对比，在可靠性、设备成本、可拓展性等方面，光纤自愈以太网环网相比较双总线方案还是有着比较明显的优势。虽然在设备成本上，光纤自愈以太网环网方案会增加交换机或交换模块使得设备成本也增加了，但是随着网络技术的发展以及以标准太网通信的产品都在不断开发之中，以太网一定会因为其高通信速率和优良的标准化而在市场上成为一种非常重要的网络形式。在地铁的建设中，以太网也将成为未来网络发展的主流，从而使网络更加规范化，更加实时。

5 结束语

本文就环境与设备监控系统的构成和主要功能、设计原则、组网方式等方面进行了分析，对环境与设备监控系统有了更近一步的说明。组网的结构是地铁BAS 系统中非常重要的一部分，其好坏对轨道交通系统的稳定性与可靠性有直接的影响。在组网方案的选择上，通过比较分析双总线组网和光纤自愈以太网环网方案各自的优缺点得出，光纤自愈以太网环网的特点更适合未来的发展。事实证明也是如此，现在在地铁的建设过程中都会优先选择光纤自愈以太网环网的组网方式，例如成都8 号线、27 号线、17 号线、18 号线、19 号线，以及石家庄2 号线、长沙2 号线等等都选择的是光纤自愈以太网环网，总线方案已经很少运用了。从总线到以太网，总线存在的问题如较低的传输速率和标准化的问题也有了解决的方法。虽然以太网现阶段会需要增加交换机或交换模块，导致设备成本增加，但是相信随着科学技术的发展，这个问题也会得到解决。