BAS车站环境监控系统.docx
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BAS车站环境监控系统
地铁温度逐年升高，如不加以人为控制会形成公害，这是世界性的难题。
北京西单地铁站是全国最大的地铁站：
人员流量大、内部设备多、发热量大。
如果采用空调设备控制温度，投资巨大，运行费用昂贵，能源浪费严重。
同方公司设计人员通过复杂的系统计算机，采用建筑窨蓄冷技术，合理配置了通风设备（风机等）加以微机控制。
以通风系统代替空调系统，解决了温升难题，投资少、见效快，在国内外该领域内引起了较大反响，在建设中的德黑兰地铁采用了同方公司的地铁通风技术。
96年3月24日，伊朗总统批准，中伊两国正式签定合同由中方承包建设德黑兰地铁机电工程。
这也是建国以来，我国机电项目最大数额的对外承包工程，工程合同额三亿三千万美元。
其中地铁通风控制系统由清华同方承包，这标志着清华同方已经迈出国门走向世界，同时乌克兰、俄罗斯和叙利亚等国家的工程也准备选用RH系统。
伊朗德黑兰地铁工程包括一线、二线32个地下车站及相关隧道、地面车站、大修厂、变电站的几乎所有机电设备的设计、制造、供应、包装、运输、安装、调试、运行等。
我公司在该项目中主要负责地下32个车站及相关隧道的机电设备的计算机集中监控和通讯系统的建立。
包括RH分布式微机监控系统的设计、生产制造、供货、调试、投入运行等及运行维护人员的培训、提供操作、维护手册、竣工图纸及相关的技术说明等。
被控的机电设备包括：
车站、隧道通风系统、整流站通风系统、电梯、自动扶梯、照明系统、排水、排污系统。
同时还保留了增加其他系统的能力，如：
防火、防灾报警系统，自动售检测票系统，中控室HVAC系统等。
该系统不仅能够实现对机电设备的就地监控，还能够在车站的站长室及控制中心实现远程监控，同时在火灾情况下，能够自动运行防、排烟程序，使通风系统及其他机电设备运行在防、排烟工况下。
32个车站共设32个中央监控室-站长室，各站长室之间用光纤联网，形成一个大型监控网络，由控制中心负责监控。
本系统约有700台RH现场控制机，监控对象达14000个，由于工程规模大，又是国际承包工程，整个
工程分阶段进行，目前首期工程已经通车，BAS系统运行良好。
1、系统故障监测；
2、有手动/自动切换功能，各种阀门及风机均可手动控制或自动控制；
3、系统故障判断、显示、报警功能；
4、阀门故障判断功能；
5、电机保护功能：
过流保护、电流限幅、过压保护、欠压保护、过热保护、接地保护、输出短路保护、输入缺相保护、欠/过载保护；
6、PID控制功能；
7、IR补偿；
8、监测开关状态；
9、监测防火阀状态、电动阀状态；
10、阀门故障判断、显示、报警功能；
11、具有网络通讯功能，采用MPI方式或PPI方式，通讯波特率为19.2/187.5Kbit/s；
12、定时监测功能。
系统特点
1、高电磁兼容性使其具有最高级的工业兼容性，允许最高环境温度达60℃，具有抗震动性、抗打击性、抗干扰性。
2、安装方便：
采用模块化设计，使用塑料外壳且体积小巧，接口模块卡装到标准导轨上，并通过点线连接器与I/O连接在一起，控制柜均为板条装配而成，拆装方便。
3、采用模块化设计，系统扩展方便。
4、安装布置灵活：
可集中安装或分布安装，机架可根据最佳布置水平或垂直安装。
5、模块更换非常简单且不必重新接线。
6、体积小巧，功能强大。
7、采集精度高，采集速度快，0.3ms处理1024个二进制语句。
8、更换模块数据不丢失：
在CPU中具有程序存储器卡，断电后不丢失数据和程序。
9、稳定性好，安全性好，具有口令保护和键锁保护，以防止未经允许删除或修改程序。
10、通过接口模块连接，每个机架有它自己的接口模块，可与其它机架自动进行通讯。
11、任意组装的标准控制柜：
在这种标准控制柜中可在空闲位置随意增加衬板或DIN导轨来安装控制器或电器元件。
12、便于与其它设备进行连网或通讯支持几种通讯方式：
PPI方式或MPI方式。
13、控制器上有状态和故障LED指示灯，便于观察：
LED指示硬件、编程、时间、I/O和电池故障及指示操作状态。
14、控制器中的CPU具有智能化的诊断系统，它能连续地监测系统的功能。
15、每个系统独立运行，相互不影响，便于维护。
BAS车站环境监控系统
环境与设备监控系统是一套充分满足地铁环控特点和城市气候差异的、整合当代世界最新技术的高性能、智能化的BAS控制系统。
XXXX的设计开发遵循《地铁设计规范》（GB50157-2003）的要求，体现分散控制、集中管理、资源共享的基本原则，达到营造舒适的环境、降低能源消耗、节省人力、提高管理水平的目的，全面满足地铁运营管理的需要。
RT21-BAS采用分布式计算机系统，由中央管理级、车站监控级、现场控制级监控设备及相关通信网络共同构成实时监控系统，其监控对象包括：
通风、空调系统
集中冷站/制冷系统
给排水系统
照明系统
乘客导向系统
自动扶梯、电梯系统
屏蔽门、防淹门系统等
RT21-BAS的硬件设备选择具备高可靠性、高容错性、可维护性好的工业级控制设备，根据现场实际情况和用户的需要，中央级、车站级监控室可配置：
冗余热备的操作工作站和服务器、维护工作站、事件/报表打印机、UPS、模拟屏或大屏幕投影系统等。
RT21-BAS的控制系统采用世界著名品牌的可编程逻辑控制器（PLC）或分布式控制系统（DCS），采用可扩展、易维修的模块化结构，具有远程编程与诊断功能。
控制器冗余配置；输入输出模块通道隔离，可带电插拔；全系统具有优质的抗干扰性。
RT21-BAS的网络采用分布式结构，由通信传输网、中央级和车站级监控局域网、现场总线网组成。
采用工业级交换设备，通过双网冗余、VLAN组网、分层隔离等技术手段，更好地满足高可靠性的实时监控的需要，减少故障的波及面。
RT21-BAS的软件系统与硬件系统配置相适应，采用模块化结构，具有很好的开放性和扩展性，具备完整远程维护和诊断功能。
系统软件平台先进、成熟、可靠、开放；应用软件按中央级、车站级、现场控制级三层次编制，符合地铁BAS的功能需求，人机界面新颖友好。
RT21-BAS系统遵循标准化、开放性的接口设计原则，能够很好地与火灾自动报警（FAS）、蓄电池（EPS）、智能低压、变频器、冷水机组、给排水、照明、导向（PIDS）、电梯与自动扶梯、屏蔽门、通信、自动售检票（ACF）、信号、供电等各系统实现接口，并实现与主控系统（MCS）、运营控制中心（OCC）、车辆段与综合基地的监控系统的联接。
RT21-BAS系统典型网络结构图
系统功能
（1） 机电设备监控功能
实现中央级、车站级、就地级三级监控；BAS控制命令能分别从中央级、车站级和车站紧急控制盘（IBP盘）自动或手动地下达执行，并具有越级控制能力；设备按优先级分级操作；具备软件权限设定等功能。
（2） 执行防灾及阻塞模式
接收FAS车站火灾信息，执行车站防烟、排烟模式；接收区间停车位置信号，根据列车火灾部位信息，执行隧道防排烟模式；接收区间阻塞信息，执行阻塞通风模式；监控车站逃生指示系统和应急照明系统；监视各排水泵房危险水位等。
（3） 环境监控与节能运行管理
通过环境参数的检测，对能耗进行统计分析，控制通风、空调设备优化运行，提高地铁整体环境的舒适度，降低能源消耗。
（4） 环境和设备管理
对车站环境等参数进行统计；对设备的运行状况进行统计，据此优化设备的运行，实现维护管理趋势报告，提高设备管理效率。
性能特点
（1）系统采用世界著名品牌的工控设备，融合国电南瑞在地铁BAS的实际工程经验，更好地满足地铁的功能需求。
（2）采取双网冗余、控制器与工作站冗余热备、模件可热插拔、I/O通道隔离等措施，构建高可靠性、高容错性的应用系统。
（3）具有很好的开放性，实现BAS与各个子系统的接口。
（4）具有“环境监控与节能运行管理”、“环境和设备管理”高级应用软件，进一步提高地铁运营综合管理水平。
高级应用软件是国电南瑞在地铁自动控制、计算机技术、网络通讯等领域的技术结晶和核心技术竞争力的体现，是专家系统与人工智能在地铁BAS过程监控的实际运用。
软件具有多种被控对象动态数学模型、最优化运行策略，通过综合分析判断、模糊或近似推理的方法，根据不同的工艺和运营方式给出最优化运营、管理方法，为节能运行、设备管理提供理论依据及技术支持。
软件的核心技术荣获：
二○○二年国家电力公司科学技术进步奖、二○○二年江苏省科学技术进步奖。
（1）环境监控与节能运行管理
该高级应用软件是一套面向地铁环控工艺和设备运行优化与节能的软件系统。
具有性能和消耗分析计算功能。
通过对车站、冷站、OCC等各种设备的状态、运行时间累计以及工艺参数的综合分析，提供在线设备效率、性能分析，及时提供优化运行信息，降低能源消耗。
（2）环境和设备管理
该高级应用软件是一套基于状态检修与可靠性管理的设备管理系统。
具有对大型环控、低压设备的在线故障诊断和最优检修周期预估功能，能够根据最优检测模型，综合研究设备的可靠性、故障诊断和状态检修策略,获得基于可靠性的最优诊断参数临界值和最优检测周期，提高地铁运营的经济效益。
BAS系统在地铁环境控制中的应用及实现
[摘要]随着祖国现代化的发展，新型城市交通——地下铁道的建设方兴未艾。
应用不断发展的自动化技术，对地铁机电设备尤其是环控设备进行集中控制、管理，为地铁环控设备科学、高效的运行提供了可能，同时保障了地下环境的安全、舒适。
本文对广州地铁一号线车站设备监控系统（BAS系统）环控设备的自动控制方案及具体实施办法进行了具体的阐述，并做了进一步的探讨。
1概述
广州地铁一号线共有14个地下车站、2个地面车站和一座地铁控制中心（OCC）大楼，全长18.6公里，采用了集散控制系统（DCS）对地铁全线环控设备及其它车站机电设备进行集中监控，由于引进了楼宇控制概念，地铁车站设备监控系统亦被称为BAS（BuildingAutomationSystem）系统。
广州地铁一号线采用美国CSI公司的I/NET2000系统对全线环控系统进行监控，并对全线车站的扶梯、给排水设备、应急电源进行监视报警。
2BAS系统在地铁环控中的作用及功能
2.1.地铁BAS系统在地铁环控中的主要作用：
控制全线车站及区间的环控及其它机电设备安全、高效、协调的运行，保证地铁车站及区间环境的良好舒适，产生最佳的节能效果，并在突发事件（如火灾）时指挥环控设备转向特定模式，为地铁乘车环境提供安全保证。
2.2.广州地铁一号线BAS系统主要功能：
（1）监控并协调全线各车站及OCC大楼通风空调设备、冷水系统设备的运行。
（2）监控并协调全线区间隧道通风系统设备的运行。
（3）对车站机电设备故障进行报警，统计设备累积运行时间。
（4）对全线环境参数（温、湿度）及水系统运行参数进行检测、分析及报警。
（5）接收地铁防灾系统（FAS系统）火灾接收报警信息并触发BAS系统的灾害运行模式，控制环控设备按灾害模式运行。
（6）通过与信号ATS接口接收区间堵车信息，控制相关环控设备执行相应命令。
（7）紧急状况下，可通过车站模拟屏控制环控设备执行相关命令。
（8）监视全线各站及隧道区间给排水、自动扶梯等机电设备的运行状态。
（9）管理资料并定期打印报表。
（10）与主时钟接口，保证BAS系统时钟同步。
3BAS系统对环控设备的监控原理及内容：
3.1.环控系统组成：
大系统——车站公共区（站厅/站台）通风空调系统；
小系统——车站设备用房通风空调系统；
水系统——地下站冷水机组系统；
隧道通风系统——执行隧道区间正常及紧急情况下通风排烟工况的环控子系统。
3.2.BAS系统监控点数的配置：
以陈家祠站为例，纳入BAS监控的环控设备总数约100台（包括风机、风阀和水系统设备等），环控监控总点数约430点（包括温湿度等参数检测约60点），车站监控点数分布情况如下：
（1）隧道通风系统：
BAS系统对4台隧道风机及联动风阀、两台推力风机和组合风阀进行监视控制，监视风机过载故障报警信号，检测两端隧道入口温湿度，共计点数DO20点、DI28点，AI8点
（2）车站大通风空调系统：
BAS系统对空调机、新风机、回排风机及联动风阀和调节风阀等设备进行监视控制，监视风机过载故障报警信号，检测新/排/混/送风及站厅/台温湿度，控制组合风柜出水二通阀开度来调节空调器送风温度，共计DO44点、DI72点，AI30点、AO4点
（3）车站小通风空调系统：
BAS系统对空调机、送/排风机及联动阀、调节阀监视控制，检测设备/管理用房温湿度，控制小空调器出水二通阀开度来调节相关设备房的温度，共计DO41点、DI41点，AI17点、AO3点
（4）车站水系统：
通常情况，每个地下车站配有两台离心机组和一台活塞机组（匀由美国开利公司提供），对离心机组BAS系统仅发出起停命令，其相应水泵、冷却塔、蝶阀的联动控制由机组SM模块完成，BAS系统仅负责监视状态及故障。
活塞机组由于不具备该模块，其总控及水泵、冷却塔、蝶阀的联动控制由BAS完成。
检测必要的水系统参数，如冷冻/冷却水水温，冷冻水回水流量，供/回水压差等参数作为水系统控制计算依据。
共计DO14点、DI49点，AI8点、AO1点，同时BAS系统设有开利冷水机组DATAPORT的高级数据接口，接收三台冷水机组的运行数据。
（5）其它：
扶梯、给排水、紧急照明共计DI54点、DO2点，AI1点。
3.3.对环控设备监控内容配置的几点注意事项
在监控点的编制上，合理、全面的监控点数的编制可以使系统监控功能更加完善，软件编程更加简单、合理、可靠。
根据广州地铁一号线的经验，应注意以下几点：
（1）在广州地铁一号线，每台环控设备带有BAS系统中“就地/远方”，“环控/车控”两个转换开关，分别位于设备现场和环控电控室。
由于设计上的点数限制（每站10个手/自动信号），BAS系统仅对隧道风机，大系统空调机、送排风机等重要设备的“就地/远方”转换开关进行监视，并将部分设备的“就地/远方”转换开关信号进行合并，如空调机手/自动信号为车站一端两台空调机的“就地/远方”并联信号。
因为BAS系统无法获知设备的具体控制权限，控制带有一定的盲目性，因此很有必要在BAS系统中对所有环控设备“就地/远方”和“环控/车控”转换开关的位置进行监视，确保控制的合理性和可靠性；
（2）在对电动风阀（包括蝶阀）的控制中，一号线为节省监控点数，采用了一个输出点的中间继电器常开、常闭接点来控制风阀（水阀）的正转和反转；并仅用一个DI点检测风阀全开信号。
这种单DO，单DI的监控方式使BAS不能依据设备的动作情况撤消输出命令。
输出信号的长期存在，给设备的正常运行造成了故障隐患，增加了软件编程的难度：
如当系统模式工况转换过程中时，风阀进行开关转换，相应风机由于无法获知风阀是否处于转换过程中而被迫关停无须动作的风机。
因此，对于该类设备的监控仍应采用2个DO点分别控制开和关以及使用2个DI点检测风阀开到位和关到位信号，以表示全开、全关、中间状态。
（3）冷水机组若本身带有自动控制功能，如离心机组，可考虑BAS仅负责总的起停命令，相关水泵等设备BAS系统仅负责监视。
并设置数据接口接收对冷水机组运行数据，对机组运行集中科学管理。
同时尽量减少检测参数的重复设置（如地铁一号线，BAS同活塞机组同时设置水流开关）以简化控制，节省投资。
（4）BAS系统在车站级设有同FAS系统的数据接口，FAS系统将经确认后的火灾分区信号通过数据接口送BAS系统接收，BAS系统在接收到FAS系统火灾报警信号后启动相应的火灾模式。
对于地铁而言，由于车站级火警信息量不是很大（广州地铁一号线每站约30个火警信息），除通过数据接口外还可考虑通过硬线（I/O）连接的方式完成，使用硬线I/O方式连接替代通信接口的使用，可增加系统的可靠性，降低接口开发的费用。
但硬线I/O连接同时增加了输入输出模块，因此具体的连接方式可根据实际情况进行选择。
（5）关于防火阀的监控，因属消防设备，广州地铁一号线将其纳入FAS系统进行监控，但作为环控系统的组成部分，出于控制系统完整性的考虑，亦应纳入BAS系统监控范围，根据实际情况，可考虑以下几种方式。
①完全纳入BAS系统，由BAS系统进行防火阀监控。
②通过BAS/FAS数据接口或硬线接口，通过FAS系统进行防火阀的监控
③BAS、FAS均对防火阀进行监控——需设置控制转换开关。
（香港地铁便采用该种方法）
4地铁车站设备监控系统（BAS）的系统构成及网络配置
4.1.I/NET2000系统的主要特点：
（1）采用分层局域网（LAN）技术，可实现几点到十万以上点的控制网络，车站间采用以太网（TCP/IP协议）通信，车站级主网（CONTROLLERLAN）采用令牌总线网络通信，子网（SUBLAN）采用轮询（MASTER/SLAVER）方式通信。
（2）灵活的输入/输出配置，PCU、UC输入点可在软件中配置为AI、DI、PI等，对于模拟量输入可通过跳线的设置，接收0~20mA、0~5v、0~10v、RTD温感等多种信号。
（3）编程组态采用点的概念，直接在控制点上完成逻辑、数学及其它控制算法，组态方式简单灵活。
（4）作为典型的楼控产品，提供多种节能控制程序模块，如自适应最佳起停控制，自整定PID算法、死区控制算法等。
4.2.BAS系统网络结构
广州地铁车站设备监控系统分中央级、车站级、就地级三级对环控设备及其它机电设备进行监控，系统网络图如下：
PCU：
过程控制单元，8输入8输出，可扩展至32输入或16入16出
UCI：
单元控制器接口，可下带最多32个单元控制器UC，采用主从通讯方式进行通信，监控点数可多达512点
MPI：
模拟屏驱动接口
HLI：
高级数据接口
图1BAS系统网络结构图
通常在车控室放置3块UCI，其中两块UCI分别负责监控车站两端的环控设备并实现环控电控房模拟屏控制功能，另外一块UCI负责站厅/台和部分设备用房温湿度检测并接收FAS火警信号以及对车控室模拟屏以及其他系统（扶梯，给排水等）设备的监控。
冷水机房设置一块PCU负责对冷水机组进行监控；每端空调机房设置一块PCU检测风室及设备/管理用房的温湿度，并负责控制空调机出水二通阀的开度。
每端环控电控室设置2~4块PCU辅助UCI对本端环控系统进行监控。
BAS系统在车站设置有与FAS及冷水机组的数据接口HLI，用来接收第三方设备的数据。
4.3.中央级局域网的配置
中央级设置工作站及备份站各一套，工作站同备份站实现以太网级别的热备。
OCC局域网有与信号ATS及通信主时钟的数据接口及模拟屏一块，网络配置如下：
图2BAS系统中央级网络配置图
由图2可见，OCC中央级除负责接收通信系统时间同步信号外，在OCC局域网中还连接有与ATS数据接口HLI以及模拟屏设备，并通过中央工作站（PC机）将数据传输到BAS以太网上，同其它车站级BAS系统进行数据交换。
需要指出的是：
正常情况下，所有隧道通风模式由连接在中央级局域网上的BAS控制器根据ATS列车阻塞信号或人工指令，进行计算确定，并通过以太网下发环控模式指令号到相关车站，再由相关车站BAS控制器指挥相关设备正确动作。
当该工作站死机或故障时，则模式无法正确下达，只能由相关车站通过就地模拟屏超弛控制，影响了事故情况下的反映速度。
由于隧道通风涉及乘客人身安全，对隧道通风模式正确及时执行有很高的要求，因此BAS系统中央级局域网应通过专门网关（交换机）或服务器连接以太网。
4.4.车站模拟屏的设置：
作为紧急情况下、或BAS工作站故障情况下的紧急后备操作手段，广州地铁一号线分别在每站的车控室和两端环控电控室设置了地图式模拟屏。
模拟屏的操作主要以执行区间事故及车站火灾模式为主，模拟屏的设置应遵循以下原则：
（1）模拟屏应突出隧道区间及车站事故运行模式下的执行，模式执行完毕或执行失败应有相应的反馈指示。
（2）带有钥匙转换开关。
可以对工作站、车控室模拟屏、环控电控室模拟屏操作权限进行转换，保证控制命令由唯一的地点发出。
（3）模拟屏是以按键来触发相应模式的执行。
作为紧急操作手段，模拟屏应具有超弛其他控制指令的能力，例如，当操作站软件设定设备控制方式为单控（点对点控制）而非程序（模式）控制时用模拟屏执行的模式指令应能超弛该单控命令，为此模拟屏控制模式软件算法应独立于操作站模式软件算法。
在系统软件中要考虑该部分软件资源的配置。
（4）最好配置独立于主控制器的的模拟屏控制器，同主控制器共享I/O，增强紧急控制的可靠性。
5环控工艺模式的实现
根据季节、负荷、突发事故（火灾、列车阻塞）等情况，环控专业制定了大量的环控模式，控制环控设备在不同的条件下运行不同的工况模式。
包括大系统、小系统、水系统和隧道通风等环控工艺模式，以陈家祠为例约有环控工艺模式近百个。
5.1.硬件配置
系统主要采用两种控制器完成环控系统的控制工艺流程，即PCU和UCI，以下是其主要性能：
（1）过程控制单元PCU：
多达640个点地址可自由组态，包括软件内部点（Internalpoints）和间接点（Indirectpoints），提供最多可扩展至96K的用户程序存储器，提供布尔逻辑、时间表、节能算法等扩展功能供软件编程组态，并且提供多种DDC控制算法模块如：
事件（Eventsequence）、PID、浮点控制（Floating）等；
（2）单元控制器接口UCI：
总共640个地址空间可自由组态，提供24K用户程序存储器，具有布尔逻辑、时间表、节能算法等扩展功能供软件编程组态。
由于地铁环控工艺复杂，模式工况众多，在系统配置上要充分考虑控制器CPU资源和内存资源的配置，留有充分的裕量。
在广州地铁一号线BAS系统中，由于大部分环控设备主要由本端的UCI进行控制管理，造成UCI超负载工作，（部分UCI内存占用率高达80%以上，CPU负载最高达95%以上），降低了设备运行的可靠性，同时一些优化控制算法也受制于资源分布而难以实现。
此外这种把几乎全部监控功能集中于UCI的做法也不符合DCS系统风险分散的原则：
当一个UCI发生故障将会导致BAS系统对车站一端环控设备的控制瘫痪，最好应考虑大、小系统及隧道通风系统各自使用独立DDC控制器（即UCI）进行控制。
5.2.设备基本保护与自动模式的实现
以车站大系统为例，环控系统设备如下图
图3陈家祠站A端大系统原理图
通常，环控设备低压二次回路设计只考虑单体设备的保护联锁要求，即风机同其联动风阀的联锁，因此需要BAS系统从系统出发考虑设备的保护和优化运行，广州地铁一号线主要考虑的方面有以下几点。
（1）确保环控模式风路的畅通
（2）当设备故障时可及时启动备用设备
（3）环控主/备用设备应平衡运行
（4）避免设备的频繁动作
（5）优化开关机顺序
以陈家祠站A端大系统空调器（图3）为例，程序逻辑关系如下：
ifS3-1orS3-2isnotrun&（Runtime（S3-1）—Runtime（S3-2）>0）
thenoutput（Runtimechang
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