（1.蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院,730050,蘭州; 2.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,710043,西安∥第一作者,教授）

重慶地鐵6號線車站級環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計探討

李煒1彭顯辰1郭建偉2

（1.蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院,730050,蘭州; 2.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,710043,西安∥第一作者,教授）

為了確保地鐵處于最佳運行狀態(tài),必須對其環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備和其他機電設(shè)備進行全面、有效的自動化監(jiān)控及管理。結(jié)合重慶地鐵6號線環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）的設(shè)計和實施,針對其特點和監(jiān)控需求,對地鐵車站級環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的控制范圍、設(shè)計原則、系統(tǒng)構(gòu)成、系統(tǒng)功能和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等進行了較為全面的分析和探討。在重慶地鐵6號線BAS設(shè)計方案中,應用了先進的軟硬件技術(shù),能夠提高地鐵的綜合監(jiān)控和管理能力,能夠確保設(shè)備處于最佳運行狀態(tài)。

地鐵;環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng);系統(tǒng)結(jié)構(gòu);綜合監(jiān)控系統(tǒng)

First-author’saddress Lanzhou University of Science and Technology,730050,Lanzhou,China

地鐵的環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）,是對地鐵車站建筑物及隧道內(nèi)廣泛分布的眾多環(huán)控機電設(shè)備進行集中監(jiān)控和管理、以使各個設(shè)備發(fā)揮其應有的作用、實現(xiàn)正常運營和災害工況下系統(tǒng)的調(diào)度和聯(lián)動控制的系統(tǒng)［1-2］。通常地鐵 BAS實施2級管理、3級控制的方式,即由中央級、車站級和就地級對車站設(shè)備進行監(jiān)控,在中央級和車站級進行系統(tǒng)管理［3-4］。

近年來,隨著計算機、控制、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)的進步,各地鐵公司依據(jù)地鐵設(shè)計規(guī)范,采用熱備冗余的PLC（可編程邏輯控制器）構(gòu)建BAS,并取得了一定成 果［5-7］?？?學 合 理 地 將 地 鐵 綜 合 監(jiān) 控 系 統(tǒng)（ISCS）中相關(guān)子系統(tǒng)進行集成與互聯(lián),對于系統(tǒng)的軟硬件平 臺 以 及網(wǎng)絡(luò) 構(gòu) 建 至關(guān) 重 要［8-10］。 從 目前國內(nèi)地鐵BAS的實施狀況出發(fā),通過對比分析國內(nèi)不同時期地鐵線路可知,地鐵ISCS的結(jié)構(gòu)取決于其數(shù)據(jù)服務模式。以往的集中式ISCS主要依賴于中央級服務器的性能,中央服務器和網(wǎng)絡(luò)承載的負擔較大,發(fā)生重大事故時容易造成全線監(jiān)控系統(tǒng)的癱瘓［11-13］。 隨 著 網(wǎng) 絡(luò) 技 術(shù) 的 迅 猛 發(fā) 展,分 布 式ISCS大量應用于目前的地鐵行業(yè),已經(jīng)成為當前城市軌道交通行業(yè)的發(fā)展方向。進一步研究發(fā)現(xiàn),在傳統(tǒng)方案中,BAS與防災報警系統(tǒng)（FAS）各自獨立組建系統(tǒng),即兩系統(tǒng)分別配置中央控制級和車站級各類設(shè)備,采用獨立的傳輸通道進行信息傳輸,各系統(tǒng)分別完成各自的監(jiān)控功能。然而,地鐵BAS與FAS存在互補性和依賴性,單個系統(tǒng)難以完成消防控制過程,實際中需要兩個系統(tǒng)相互配合、協(xié)調(diào)工作。

基于以上分析,在進行重慶地鐵6號線設(shè)計時,簡化了車站級網(wǎng)絡(luò),采用總線網(wǎng)絡(luò)方案,從系統(tǒng)的擴展性方面出發(fā),設(shè)計分布式ISCS,并且將BAS和FAS兩系統(tǒng)在車站級和中央級進行綜合。綜合后的系統(tǒng)更加符合地鐵的運行特點,不僅提高了智能化水平,方便運營管理,而且可以節(jié)約建設(shè)投資。

1 工程概況

重慶地鐵6號線工程為重慶市東南方向至西北方向的直徑線,縱貫核心城區(qū)和 CBD（中央商務區(qū)）,為渝中區(qū)、江北區(qū)、北部新區(qū)的南北方向軌道交通干線。6號線共分兩期建設(shè)：一期修建上新街站至禮嘉站,線路長度為23.68 km;二期修建茶園南站至上新街站、禮嘉站至五路口站,線路長度為36.87 km?？紤]到重慶市特殊的地理環(huán)境,該條線路的16座車站中,有地下站12座、高架站3座、半高架半地面站1座。按照工程建設(shè)周期及業(yè)主要求,6號線1期正線車站工程于2012年10月全面完工并進行試運營。

2 設(shè)計要求與原則

2.1 設(shè)計要求

在重慶地鐵6號線一期工程中,要求BAS通過中央級、車站級、就地級對相關(guān)機電設(shè)備實施全面、有效的自動化監(jiān)控及管理。主要包括：自動、實時、定時、現(xiàn)場就地監(jiān)視設(shè)備運行狀態(tài),控制開啟和關(guān)停,檢測環(huán)境參數(shù),調(diào)控環(huán)境舒適度,進行節(jié)能管理,采集、處理有關(guān)信息,以及進行歷史資料檔案和設(shè)備維修管理等。

具體來說,中央級和車站級 BAS、車站級維修功能,由ISCS完成,現(xiàn)場控制級監(jiān)控功能由BAS完成。車站BAS以設(shè)備單控及模式控制方式為主,系統(tǒng)采用PLC實現(xiàn)。主控制器集中布設(shè),配置與智能低壓控制柜、冷水機組、變頻器、自動扶梯、應急照明電源等設(shè)備的數(shù)據(jù)通信接口,以及與綜合后備盤（IBP）、風機軸溫測量元件、電動組合風閥、防煙防火閥、排煙防火閥等的硬線接口,實現(xiàn)對相關(guān)設(shè)備的監(jiān)控。主控制器通過冗余通信接口與ISCS連接,將信息集中上傳至ISCS。主控制器配置有與FAS的通信接口,實現(xiàn)對FAS火災模式指令的接收和模式執(zhí)行狀態(tài)信息的反饋。在車站控制室,由ISCS統(tǒng)一布設(shè)IBP,BAS在盤內(nèi)設(shè)置遠程I/O,通過硬線將盤上與消防聯(lián)動直接有關(guān)的火災模式手動按鈕（隧道通風系統(tǒng)、車站大系統(tǒng)、車站小系統(tǒng)等的火災模式）連接到遠程I/O 模塊上,實現(xiàn)對IBP手動火災模式指令的接收和模式執(zhí)行狀態(tài)信息的反饋。

2.2 設(shè)計原則

重慶地鐵6號線BAS依據(jù)重慶市軌道交通相關(guān)規(guī)劃、重慶地鐵6號線預可行性研究,以及重慶市軌道交通總公司提供的相關(guān)資料及有關(guān)要求進行設(shè)計。在總結(jié)國內(nèi)外先進地鐵技術(shù)和重慶以往軌道線路經(jīng)驗的基礎(chǔ)上進行了改進和優(yōu)化。整個系統(tǒng)圍繞安全可靠、服務乘客、進一步提高運營行車管理水平等目的進行設(shè)置,系統(tǒng)設(shè)計遵循地鐵設(shè)計主要規(guī)范。

3 車站級BAS的監(jiān)控范圍及結(jié)構(gòu)

3.1 BAS的監(jiān)控范圍

重慶地鐵6號線車站級BAS采用分布式結(jié)構(gòu),是一個集散型系統(tǒng),由PLC、現(xiàn)場傳感器及 UPS（不間斷電源）等組成。監(jiān)控對象包括車站隧道,以及公共區(qū)通風系統(tǒng)、車站小系統(tǒng)、暖通空調(diào)系統(tǒng)、冷水系統(tǒng)、車站給排水系統(tǒng)、電扶梯系統(tǒng)、動力照明系統(tǒng)等設(shè)備。主要監(jiān)控范圍及分布如圖1所示。

圖1 車站級BAS監(jiān)控范圍示意圖

3.2 車站級BAS構(gòu)成

通常需要根據(jù)車站的規(guī)模、系統(tǒng)的控制范圍、控制設(shè)備的分布特點及工藝需求配置車站級BAS。重慶地鐵6號線BAS使用中央級、車站級和就地級三級監(jiān)控的方式,中央級和車站級監(jiān)控功能由主控系統(tǒng)實現(xiàn)。車站級BAS設(shè)備由車站BAS總線網(wǎng)絡(luò)、冗余控制器、BAS一體化工作站等構(gòu)成。在車站控制室內(nèi)設(shè)有IBP,實現(xiàn)系統(tǒng)在火災或列車阻塞情況下的緊急控制,IBP中與防排煙控制有關(guān)的遠程I/O由BAS系統(tǒng)設(shè)置。

由于重慶市特殊的山城地理環(huán)境,整條線路除需要修建部分埋深較深的地下車站外,還需修建3座高架車站。高架區(qū)間不必設(shè)置隧道通風系統(tǒng),同時可采用分體式空調(diào)供冷,不需要集中供冷設(shè)備和空調(diào)水系統(tǒng)。相比于國內(nèi)其他線路,6號線的監(jiān)控設(shè)備多,監(jiān)控系統(tǒng)復雜,因此,在設(shè)計時根據(jù)所監(jiān)控機電設(shè)備的特點,通過性價比分析后選用羅克韋爾自動化公司的 Control Logix系列1756-L61冗余PLC作為控制器。遠程I/O模塊選用同為羅克韋爾公司的FLEX系列自動化產(chǎn)品,以保證整個PLC系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。現(xiàn)場級控制網(wǎng)絡(luò)采用ControlNet冗余現(xiàn)場總線,以完成遠程I/O以及第三方協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊與PLC主站的通信。此外還需分別設(shè)計適應于兩種不同車站的系統(tǒng)配置方案。

（1）地下車站兩端配置冗余PLC 方案。該方案在車站控制室A端設(shè)置冗余的主控PLC,選用羅克韋爾自動化公司 Control Logix系列1756-L61 CPU,與車站ISCS的三層交換機進行通信;B端也設(shè)置 一套冗 余的 Control Logix 系 列 1756-L61 CPU控制器,在車站控制室IBP設(shè)置一套非冗余Compact Logix PLC 1768-L43用于處理火災和阻塞模式下的控制。A 端、B端、IBP內(nèi)的 PLC 通過光纖雙環(huán)以太網(wǎng)方式相連,構(gòu)成地下車站BAS局域網(wǎng)絡(luò)。該方案的特點是兩組PLC冗余控制器分開布設(shè),系統(tǒng)層次分明,分散了控制風險,可靠性高,但是系統(tǒng)調(diào)試相對復雜,投資稍高。地下車站BAS構(gòu)成示意圖如圖2所示。

圖2 重慶地鐵6號線地下車站BAS構(gòu)成示意圖

（2）高架車站單端集中配置冗余 PLC 方案。該方案在離車站控制室較近一端的通風空調(diào)電控室內(nèi)配置一套冗余的PLC,選用羅克韋爾自動化公司Control Logix系列1756-L61 CPU,另一端的環(huán)控電控室內(nèi)僅設(shè)置遠程I/O模塊,并在車站主控制室IBP設(shè)置一套非冗余 Compact Logix PLC 1768-L43。PLC主控制器與遠程I/O 模塊、IBP盤內(nèi)遠程I/O模塊之間采用冗余雙總線連接,構(gòu)成星型總線網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。相比于方案一,方案二的特點是PLC主控制器集中布設(shè),全站設(shè)備集中于車站的一端,布線相對復雜,對控制器的性能要求也高,但是減少了投資。高架車站BAS構(gòu)成示意圖如圖3所示。

圖3 重慶地鐵6號線高架車站BAS構(gòu)成示意圖

3.3 網(wǎng)絡(luò)配置

地鐵BAS的正常運作需要各個系統(tǒng)之間的信息互通和資源共享,如果各系統(tǒng)自成體系,各自設(shè)置獨立的服務器和工作站就會形成信息孤島。因此,需要先進的網(wǎng)絡(luò)將各個平臺關(guān)聯(lián)起來,發(fā)揮他們的整體優(yōu)勢。

重慶地鐵6號線BAS車站網(wǎng)絡(luò)采用層次化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),包括監(jiān)控局域網(wǎng)和現(xiàn)場總線。監(jiān)控局域網(wǎng)用于PLC控制層和車站監(jiān)控層通信,現(xiàn)場總線用于裝置自動化層各控制器及I/O之間的通信。具體可將車站內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計為3個層面：

1）第一個層面為車站監(jiān)控層,由車站A端的冗余PLC配置的第三塊以太網(wǎng)卡接入車站級環(huán)網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)配置由主體系統(tǒng)完成。

2）第二個層面為PLC控制層,由 A/B端冗余PLC的每個機架上的前兩塊以太網(wǎng)卡與控制層交換機一一對應連接而成。

3）第三個層面為現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò),即自動化層,由BAS系統(tǒng)負責配置,在 A/B端冗余PLC中各配置了一塊Control Net網(wǎng)絡(luò)控制器1756-CNBR,遠程I/O 箱 配 置 Control Net網(wǎng) 絡(luò) 適 配 器;各 個 AB 7006、1788-CN2DN 通過冗余 Control Net總線,實現(xiàn)各遠程I/O箱、各帶智能通信接口設(shè)備與PLC的通信。

需指出的是,由于Control Net總線網(wǎng)絡(luò)嚴格受連接數(shù)的限制,因此設(shè)計中須將同一種類型接口的設(shè)備串接在一起,保證Control Net總線網(wǎng)絡(luò)的連接數(shù)小于64個。

4 系統(tǒng)優(yōu)點

重慶地鐵6號線采用基于 Control Logix平臺的PLC系統(tǒng),易與現(xiàn)有PLC系統(tǒng)集成,實現(xiàn)無縫連接。Control Logix平臺通過背板提供了高速的數(shù)據(jù)傳輸,與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)用戶實現(xiàn)透明的信息互換。與傳統(tǒng)BAS相比,該線路的進步之處在于以下3個方面：

（1）較高的 MTBF（平均無故障時間）值,系統(tǒng)安全可靠。故障率（Failure Rate）表示一臺設(shè)備發(fā)生故障的頻率。6號線 BAS的故障率 Fsys=A 端冗余PLC故障率+B端冗余PLC故障率+遠程I/O故障率=0.170 437 146 819,MTBF為51 430 h,滿足系統(tǒng) MTBF大于50 000 h的需求。

（2）模塊化的I/O、內(nèi)存及通信接口保證了系統(tǒng)良好的擴展性,并且 Control Logix允許用戶帶電插拔系統(tǒng)中的任何模塊。這樣,用戶就可以在維持系統(tǒng)運行的同時更換故障模塊,使維護更加方便快捷。

（3）在6號線工程中,低壓專業(yè)在每個環(huán)控電控室各設(shè)置了一套冗余的PLC充當該環(huán)控電控室中所有配電回路的智能通信管理器,并采用現(xiàn)場總線將其與機電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（ECS）控制器連接,大量地節(jié)省了電纜,簡化了施工以及運營過程中的維護。

5 結(jié)語

新建一條地鐵線路時,應該為這條線路建設(shè)一個信息共享平臺,以支持地鐵現(xiàn)代化運營管理。本文論述的地鐵BAS設(shè)計方案,是在總結(jié)國內(nèi)外先進地鐵技術(shù)和重慶以往軌道交通線路經(jīng)驗的基礎(chǔ)上提出的。重慶地鐵6號線BAS遵循上述設(shè)計方案,應用先進的軟硬件技術(shù),以求提高地鐵的綜合監(jiān)控和管理能力,確保設(shè)備處于最佳運行狀態(tài),從而提供一個舒適的乘車環(huán)境;并能在列車阻塞事故狀態(tài)下,更好地協(xié)調(diào)車站設(shè)備的運行,充分發(fā)揮各種設(shè)備應有的作用,保證乘客的安全和設(shè)備的正常運行。

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Design of Built Automatic System at Stations of Chongqing Metro Line 6

Li Wei,Peng Xianchen,Guo Jianwei

In order to keep the operation of metro system in the best situation,a comprehensive and effective monitoring and management of the environmental control systemand other electromechanical devices is needed.Based on the design and application of BAS on Chongqing metro Line 6,the control features,design principles,system structure,system functions and network technology are comprehensively analyzed.According to the system characteristics and monitoring requirements,some advanced soft and hard ware technologies are adopted in the design of BAS for Chongqing metro Line 6 to ensure the best operation of this system.

metro;built automatic system （BAS）;system structure;integrated supervisory control system （ISCS）

U 29-39

2012-08-20）