LK在地铁环境设备监控系统中的解决预案.docx
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LK在地铁环境设备监控系统中的解决预案
LK在地铁环境设备监控系统中的解决方案
（北京和利时自动化驱动技术有限公司市场拓展部100176）张浩
摘要：
本文详细介绍了基于和利时LK系列PLC的地铁环境设备监控系统（BAS）解决方案，内容包括系统的设计原则、设计方案、监控对象、系统结构、系统功能、设备监控功能等。
LK适用于中、高性能控制领域，采用高性能的工业级处理器，小型化的结构设计，开放的工业标准，通用的系统平台，不仅具有强大的功能和卓越的性能，而且具有更高的可靠性，更佳的开放性和易用性。
关键词城市轨道交通；地铁环境设备监控；BAS系统；FAS子系统；LK系列PLC
1引言
近年来，随着我国社会经济的快速发展和城市人口的急剧增长，许多大城市纷纷看好运量大、快捷、安全、准点的轨道交通。
特别是北京、上海、广州、天津等大城市更是投入很大的财力、人力建设轨道交通，预计在未来10年内，北京轨道交通将以每年40公里的速度增长，而广州轨道交通也将以每年25公里的速度持续增长。
这就必然要求更多的专业技术人员投入到轨道交通设计行列，同时也要求专业设计人员不断探索更好、更完善的轨道交通系统解决方案，以推动轨道交通技术的发展，节约国家能源。
轨道交通因其自身的独特性，要求运营过程必须投入大量用电动力设备，以实现对地铁建筑物内的环境与空气条件、通风、给排水、照明、乘客导向、自动扶梯及电梯、屏蔽门、防淹门等建筑设备和系统正常运作。
由于地铁的环境非常特殊，客流量十分大，地铁的安全性，舒适性及稳定性是对地铁运营状况的最重要的考核指标，因此地铁车站对通风、消防、空气调节等监控系统的要求非常高，工业化逻辑控制器的产品指标、网络性能等对整个系统的安全平稳运行至关重要、不允许有任何纰漏。
本文在总结和利时公司地铁环境和设备监控系统（BAS）中丰富的工程实践经验的基础上，给出了LK系列PLC控制器在地铁BAS系统中的应用解决方案。
2监控对象
车站设备监控系统（BAS）组成的中央、车站、就地三级控制系统，使车站设备监控系统对全线所有车站的机电设备进行全面、有效的监控和管理，确保车站设备处于高效、节能、最佳运行状态，创造一个安全舒适的地下环境，并能在火灾或列车阻塞事故状态下，指挥控制车站设备进入救灾模式，保证乘客的安全和设备的正常运行。
BAS系统监控的设备包括：
ØIBP盘
Ø智能马达控制中心（或称智能低压柜，MCC，用于各种风机，风阀，电动蝶阀的电气控制与保护等）
Ø变频器
Ø冷水机组
Ø自动扶梯、电梯
Ø给排水设备
Ø各种照明
Ø各种传感器、执行器（风系统，水系统）
Ø屏蔽门系统
Ø隧道及站台通风设备
其中BAS系统通过智能接口实现监控功能的被控设备或系统有：
Ø智能低压柜（MCC）
Ø变频器
Ø冷水机组
Ø火灾报警系统（FAS）
Ø应急电源监视（EPS）
3系统设计原则
地铁BAS系统方案设计其构成遵循下述原则：
Ø采用先进的计算机网络构建硬件平台，采用先进的计算机集成系统软件和接口方式实现对各类设备的监控，支持BAS性能指标的实现；
Ø车站BAS与综合监控系统的链接采用成熟的快速以太网技术；
Ø当脱离综合监控系统时，车站BAS系统及BAS内各子系统（ECS，BS）可相对独立工作；
Ø设备采用成熟的、可靠的工业级产品，PLC系统的热冗余和现场总线链路冗余双重保证了BAS系统能全天候7×24小时不间断地运行；
Ø采用模块化设计，易于扩展；
Ø能为今后系统增容预留一定的条件。
同时系统功能设计遵循以下原则：
Ø解决方案以类似的工程实施经验为基础，保证BAS安全、有序、科学地实现；
Ø围绕防灾、安全、节能和乘客服务等目标进行配置和设计，目的是为了进一步提高地铁运营管理水平；
Ø面向的对象是车站的值班人员、维护人员及相关调度人员，提供运营及维护管理的必要手段和功能。
与防灾、安全及设备维护等有关的信息将进入BAS，通过系统提供的友好完整的人机界面，方便上述岗位人员的操作；
ØBAS系统是FAS系统的联动控制系统，接收来自FAS系统经确认的火灾报警信息，联动控制防灾设备运行和非防灾设备进入消防规范规定的运行状态；
ØBAS建议在OCC的功能侧重协调、模式控制、统计分析及报警和事件管理功能，此部分由综合监控系统实现；
Ø在车站可实现对本站风系统设备的多种方式控制，同时反映各设备或系统的工作状态。
被接入的智能系统或设备自身的联锁或保护功能由各相关系统或设备的控制器完成；
Ø各站BAS系统由综合监控系统负责集成，通过各级综合监控系统（车站综合监控系统和中心综合监控系统）和综合监控系统骨干网（MBN）联接成一个整体；
Ø支持应急运行模式：
当出现异常情况由正常运行方式转为灾害运行方式时，BAS能迅速转变为灾害模式运行，为防灾、救援和事故处理指挥提供方便。
4系统总体结构
BAS系统是基于分层分布式系统结构（中央级、车站级和就地级三层），具有较强的独立性，具体是：
Ø中央级：
BAS的中央级主要是OCC的调度工作站，由综合监控系统实现；
Ø车站级：
包括车站级综合监控功能和车站BAS监控功能，正常情况下，车站级综合监控功能由综合监控系统完成。
车站BAS监控功能以车站BAS维护终端、BAS监控工作站、32位PLC控制器为平台实现；
Ø现场级：
位于车站各就地监控点或数据采集点，具体包括各类传感器、执行器、远程I/O模块、接口模块或装置等。
软件结构则包括数据接口层、数据处理层和人机接口层三层，具体是：
Ø数据接口层（或通信层）：
运行于各子系统PLC控制器中的智能接口模块。
数据接口层通过异步串行通讯（RS422/485、RS232）或以太网连接并管理所有外连系统或设备；
Ø数据处理层：
此软件层以MACS-SCADA软件和其专用实时数据库为基础，通过其内置的通讯软件同各控制器进行数据交换，应用其专业历史数据库处理历史数据；
Ø人机界面层：
人机界面通过内部软件总线方式实时和历史库通讯获得数据和服务，实现用户友好的信息显示和方便的操作。
5地下车站BAS系统设计
5.1系统构成
BAS网络采用分层分布式现场总线结构，由PLC控制设备、现场传感器、维护终端、RI/O、现场总线、IBP盘等组成。
监控的对象包括车站隧道通风系统、公共区通风空调系统、车站设备管理用房区通风空调系统、空调水系统、车站给排水系统、电扶梯系统、低压动力照明系统等设备。
地下车站的两端环控电控室内各设一套冗余的LK212控制器，两套LK212控制器之间通过冗余总线相连，对本车站所辖区间隧道及车站的通风空调大系统、小系统及其水系统、照明系统、自动扶梯、电梯、给排水系统相关设备进行监控及管理，同时对相关设备用房和公共区的环境温湿度等参数进行监测。
以靠近车站综合控制室端（A端）的PLC为主控制器并兼作与综合监控系统的接口，并通过冗余现场总线与车站BAS维护工作站、IBP盘PLC、FAS通讯网关及车站从控制器进行连接，同时负责本端的设备监控。
另外一端（B端）的PLC为从控制器。
通过冗余现场总线与车站BAS主控制器进行通讯连接，同时负责本端的设备监控。
两端PLC下设置双总线将各类RI/O、具有智能通信口的现场设备和就地现场小型控制器等设备统一接入，分别对车站两端的机电设备（暖通空调、电扶梯、低压照明、给排水等正常和火灾情况下共用设备）进行监控管理。
在车站综合控制室IBP盘（综合监控系统提供）设置一套非冗余PLC控制器及一套应急操作终端与主控制器相连构成车站级BAS系统。
实现IBP盘盘面监视和控制。
并配置通讯网关用于实现与FAS的接口通讯，接收FAS主机传送的火灾报警模式号，实现车站BAS在火灾工况下对设备的联动控制。
车站BAS主控制器与车站FAS存在接口，火灾模式下，FAS向BAS下发火灾模式指令，BAS控制器将按预定工况转入灾害模式下启动相关设备。
在设备房、公共区、风管、水管等地方设置不同湿度、温度、二氧化碳浓度等传感器，在空调器出水管设置二通调节阀（由给排水专业设置）等设备采集环境等参数以及控制阀门开度等。
地下车站BAS构成示意图如下图所示。
BAS系统网络结构示意图
5.2车站级BAS系统PLC配置
5.2.1车站A端冗余PLC配置
车站A端冗余PLC配置如表4-1所示。
表41A端冗余PLC配置
序号
设备名称
型号及规格描述
数量
A端PLC
1
CPU模块
LK212，双机架冗余控制器
2
2
电源模块5A
LK910，电源模块，输入120/230VAC，输出24VDC，5A
2
3
通讯模块
LK237，配合双机架冗余的Profibus-DP接口模块
2
4
冗余本地背板
LK106，双机架冗余型本地背板
2
5
同步模块
LK235，同步模块
2
5.2.2车站B端冗余PLC配置
车站B端冗余PLC配置同上表4-1所示。
5.2.3IBP盘内的PLC配置
IBP盘内的PLC采用非冗余配置，所有PLC均采用模块化结构，包括CPU、电源、通讯，I/O和底板等部件。
通过总线通讯的方式或者配置RI/O来实现现场信号的采集。
IBP及区间风机处PLC的CPU采用LK207产品，LK207提供16M的内存容量，且有后备电池，当系统断电时可以保留程序和数据，并具有扩展能力。
PLC配置满足IBP盘对阻塞模式控制及显示要求的RI/O。
所有模块（CPU、I/O、通讯、电源等）均是插接式。
所有模块（包括CPU和电源模块）都支持带电插拔。
所有模块均通过权威机构的安全认证，包括：
UL、CE等各种认证。
其它指标与车站冗余PLC一致。
IBP盘内的PLC配置如下表4-2所示。
表42IBP盘内的PLC配置
序号
设备名称
型号及规格描述
数量
IBP盘PLC
1
CPU模块
LK207，CPU模块，533MHZ，位指令0.013ms/K，程序16MB，数据64MB＋1MB掉电保持区
1
2
DP通信接口模块
LK231，PROFIBUS-DP通信接口模块
1
3
电源模块5A
LK910，电源模块，输入120/230VAC，输出24VDC，5A
1
4
本地背板
LK122，10槽，DP接口采用DB9输出
1
5
16点数字量输入模块
LK610，16通道数字量输入模块，24VDC，漏型
2
6
16点数字量输出模块
LK710，16通道数字量输出模块，24VDC，晶体管输出
2
7
空槽模块
LKC131
4
8
LKI/O端子盖板
LKC170
8
5.2.4远程I/O站配置
远程I/O采用和利时公司的LK系列产品。
LK系列I/O模块是模块化的可支持热电插拔。
配置灵活，用户可根据工程项目的需求灵活配置。
RI/O通过冗余现场总线与车站冗余PLC相连，在车站A端和B端各设置一段现场总线，分布于车站A、B端的RI/O通过各端的网段经冗余现场总线与对应端的冗余PLC进行连接。
车站典型RI/O站的配置如表4-3所示：
表4-3I/O站配置
序号
设备名称
型号及规格描述
数量
远程I/O
1
电源模块5A
LK910，电源模块，输入120/230VAC，输出24VDC，5A
1
2
DP通信接口模块
LK232，PROFIBUS-DP通信接口模块
1
3
通讯模块
LK237，配合双机架冗余的Profibus-DP接口模块
1
4
扩展背板
LK114，11槽扩展背板，DP接口采用DB9输出
1
5
16点数字量输入模块
LK610，16通道数字量输入模块，24VDC，漏型
按实际需要配置
6
16点数字量输出模块
LK710，16通道数字量输出模块，24VDC，晶体管输出
按实际需要配置
7
8点模拟量输入模块
LK411，8通道模拟量输入模块，16位，电流信号
按实际需要配置
8
4点模拟量输出模块
LK511，4通道模拟量输出模块，12位，电流信号
按实际需要配置
9
DP连接器
LK230，DP连接器
2
6现场级系统构成
地下车站BAS在靠近车控室一侧的环控电控室设一组冗余的BAS主控制器和BAS维护工作站，在远离车控室一侧的环控电控室设置另外一组冗余控制器和维护终端，作为车站BAS的从控制器。
车辆段BAS在运用库设备机房设一组冗余的BAS主控制器和BAS维护工作站，控制车辆段的所有设备
车站BAS主控制器经冗余以太网与综合监控系统（ISCS）冗余交换机相连。
地下车站两端BAS冗余控制器通过一段独立的冗余现场总线采用光纤进行连接。
地下车站在靠近车站控制室一侧的车站BAS主控制器、车站BAS系统维护工作站及安装在IBP盘上的紧急操作终端通过一段独立现场总线进行连接。
地下车站在靠近车站控制室一侧的车站BAS主控制器通过一段独立冗余的现场总线与本端的RI/O模块箱、连接FAS的通讯网关、IBP盘PLC进行连接。
地下在远离车站控制室一侧的车站BAS从控制器通过一段独立现场总线与本端的维护终端进行连接，通过一段独立现场总线与本端的RI/O模块箱进行连接。
车站两端的冗余PLC控制器通过独立的冗余的现场总线分别与各端智能低压进行连接。
车站两端冗余控制器间及冗余控制器与RI/O模块之间的总线连接采用单一协议的冗余网络，中间不设置任何改变总线通信协议的设备。
基于LK的BAS系统配置的现场总线是屏蔽绞线为传输介质的冗余PROFIBUS-DP。
单一网络能提供125个站点的连接能力。
可根据应用需要，支持灵活的网络结构，可实现网络之间的通讯桥接、隔离和数据交换。
6.1实时控制层
在各车站设置贯穿A端到B端的BAS系统监控网络平台，采用工业以太网网络，总线结构采用冗余配置。
在监控网上设置A端主控制器、B端从控制器、车站BAS维护终端、IBPPLC、IBP远程I/O及与FAS通讯网关。
控制网上传输的数据包括：
ØB端机电设备的状态、传感器测量值、报警等；
Ø控制命令（点控、组控、模式、时间表）等；
Ø车站所有机电设备状态、传感器测量值、报警、模式运行状态、空调系统运行工况等；
ØIBP盘面操作及状态显示；
ØFAS报警信息。
6.2现场层
在车站两端分别设置独立的现场总线，采用PROFIBUS-DP网络，总线结构，冗余配置。
每端的现场总线分别将本端远程I/O和通信网关与本端PLC控制器连接，实现对本端现场设备的数据采集和控制。
两端现场总线上传输的数据包括：
Ø本端机电设备的状态、传感器测量值、报警等；
Ø控制输出等。
对于车站BAS网络，总线上的每个节点均可作为系统扩展的断点，在进行系统扩展时，只需将新增网络节点接入总线网络，对新增节点的位置没有限制，便于换乘站和系统增容的扩展。
7系统功能
BAS系统对设备实行两级管理、三级控制，即中央级、车站级管理，中央级具有最高管理权；中央级、车站级、就地级控制，就地级具有最高操作控制级。
↗ECS环控子系统
ECS环控子系统主要对通风与空调系统设备的自动化管理，满足地铁运行环境的要求。
由于通风系统设备相当部分作为火灾时的排烟设备，正常情况下，该部分设备由ECS子系统按照环控运行模式要求进行控制和监视，一旦发生火灾，可通过车站级FAS系统的火灾指令，ECS子系统按指令将设备转入预定的火灾运行模式，保证FAS系统的控制指令的优先权。
ECS子系统在车站控制室设置紧急控制盘（IBP），列车在区间阻塞及火灾事故情况下，对隧道通风系统设备、车站公共区通风与排烟设备进行紧急模式控制。
当中央级和车站级监控机出现故障时，由消防指挥命令授权，车站值班员通过IBP盘操作按钮启动设备按防灾控制模式运行，此时车站紧急控制盘具有最高控制优先权。
车站通风空调小系统设备的紧急模式控制在车站级监控机上或小系统设备监控室维修工作站上进行。
当车站级监控机出现故障时，通过小系统设备监控室维修工作站对小系统设备进行紧急模式操作。
ECS子系统在设备监控室维修工作站监视屏蔽门系统运行状态，并进行故障报警。
↗照明设备
BAS系统对车站照明系统按事故照明、节电照明、工作照明、广告照明等类别进行车站级、就地级两级控制，就地级设在照明配电室，控制操作以车站级控制为主，对车站各类照明进行车站级监视，并根据地铁的运营时间，按时间表进行控制。
↗导向（PIDS）系统
导向设备指的是固定或可变信息的导引设备，通常位于各个出入口及关键设备附近如车站的出入口、自动扶梯上方、AFC的闸机上方、隧道及车站内的疏散导向等，起到指引方向和提供导向信息的作用。
↗屏蔽门（PSD）系统
PSD用于地下车站的站台，用于隔离车站隧道和站台，起到安全防护和节能的作用，PSD通常和信号系统联锁，和列车车门同步开关。
另外，紧急情况下，PSD有时需要和ECS联动，以实现特定模式。
↗电扶梯系统
车站自动扶梯正常情况下由现场控制，BAS系统对各自动扶梯的运行状态进行中央级和车站级监视。
紧急情况下在车站控制室对自动扶梯进行紧急停止操作。
↗给排水设备
车站废水泵、污水泵、雨水泵、区间废水泵等根据高低水位自动启停。
BAS系统监视所有水泵的运行状态并对设备进行故障和危险水位报警。
给水管上的电动蝶阀由BAS系统在设备监控室按预定时间表自动开启和关闭，并监视其运行状态。
↗人防门
BAS系统通常只在车站设置对人防门的监视功能，内容包括每个人防门的开关状态及报警信息。
↗不间断电源（UPS）和应急（照明）电源（EPS）
电源监视通常在车站实现，具体包括电源设备的运行情况、故障报警情况、电池情况、负荷情况及电压、电流、功率等电量参数。
8设备监控
控制中心计算机和车站计算机对所有区间隧道和各车站的设备进行监控，根据不同的操作权限和口令，实现中央级、车站级的分级控制，自动和手动操作完成通风、空调、消防、突发事故、以及照明、疏散等运行模式。
在维修工作站和OCC工程师站，维护工程师能够通过网络对所有PLC和计算机进行远程监控和调试，大大减少了维修工作量。
Ø
通风模式控制：
正常运营情况下，根据站内和站外的环境温度、湿度、焓值进行全新风、小新风、空调等运行模式的运行和切换。
Ø消防模式控制：
在车站火灾、区间隧道火灾时，按照消防规范，自动或人工启动通风、排烟模式、启动疏散指示。
Ø时间表自动控制：
事先设定全年的运行时间表，系统根据工作日、假日、特殊日的设定时间表，自动启动相关设备和模式，实现无人职守的功能。
Ø
PID调节：
根据车站内温度湿度场的分布、进行数学计算，求解最佳的控制模型，保证车站内部稳定舒适的环境。
Ø水系统控制：
控制集中冷站、空调机的水系统，为空调系统提供足够和均衡的冷源。
Ø报警记录和统计报表：
记录全线50000点的设备状态信息、系统信息，记录和语音提示各种报警状态，记录所有设备的操作情况，对数百个传感器进行实时和历史曲线的记录和分析，生成运营和设备运行的几十种统计报表。
Ø口令与权限：
可以对控制中心和各车站操作人员、维护人员进行口令和操作权限管理。
9结束语
本地铁环境与设备监控系统的应用解决方案充分体现了LK大型PLC针对大型计算机监控系统的适应性、高可靠性、优秀的网络扩展能力和良好的开放性等方面的特点，为LK大型PLC在同行业或同类大型控制系统中的应用提供了典型的解决方案。
参考文献：
[1]曲立东.城市轨道交通环境与设备监控系统设计与应用.北京：
电子工业出版社，2008.3
[2]曲立东.地铁车站BAS的结构设计.都市快轨交通，2007，20
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[3]魏晓东，等.城市轨道交通自动化系统与技术.北京：
电子工业出版社，2004.11
[4]《地铁设计规范GB50157——2003》.北京：
中国计划出版社，2003.8
[5]赵建伟.地铁车站空调水系统供冷方式对比分析制冷与空调2006.8
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