齊航

摘 要：隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，新型城市交通—地鐵得到了廣泛的應用。應用不斷進步的自動化控制技術，對地鐵機電設備進行集中控制和管理，為地鐵高安全運行提供了可能，保障了地鐵環(huán)境的安全、舒適。該文基于此對地鐵BAS系統(tǒng)的應用和新技術進行了研究。

關鍵詞：地鐵BAS系統(tǒng) 新技術

中圖分類號：U29-39文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（a）-0106-03

城市地鐵具有快速、安全、運載能力強的優(yōu)點，是解決城市交通擁堵最有效的手段之一。地鐵車站內及運行沿線分布著大量的機電設備，他們擔負著維護地鐵運行安全和營造舒適乘車環(huán)境的責任。由于機電設備種類數(shù)量多，分布廣，控制要求復雜，加上地下的惡劣條件，光靠人力無法完成，于是需要用到BAS監(jiān)控系統(tǒng)。如今，地鐵BAS系統(tǒng)采用現(xiàn)代計算機技術實現(xiàn)對地鐵機電設備的監(jiān)控功能，保證地鐵安全運營。下面以北京地鐵六號線對地鐵BAS系統(tǒng)采用的新技術進行研究。

北京地鐵六號線的BAS系統(tǒng)采用PLC對車站通風空調系統(tǒng)、水系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、區(qū)間系統(tǒng)、電扶梯系統(tǒng)、智能水表和傳感器進行監(jiān)控和報警。

1 BAS系統(tǒng)的作用和功能

1.1 地鐵BAS系統(tǒng)的作用

對全線的車站及區(qū)間的機電設備進行監(jiān)控和控制，促使各個機電設備安全、高效、合理地運行，保證地鐵車站及區(qū)間的環(huán)境的良好舒適，同時達到要求的節(jié)能效果，并在發(fā)生突發(fā)事件如火災時控制機電設備進行要求的相應動作，保證地鐵環(huán)境的安全。

1.2 北京地鐵六號線BAS系統(tǒng)的主要功能

（1）監(jiān)控全線各車站通風空調設備的運行。

（2）監(jiān)控全線各車站照明設備的運行。

（3）監(jiān)控全線各車站給排水設備的運行。

（4）監(jiān)控全線各車站冷水設備的運行。

（5）監(jiān)控全線各車站電扶梯設備的運行。

（6）監(jiān)控全線區(qū)間隧道通風設備的運行。

（7）統(tǒng)計車站機電設備運行時間和運行次數(shù)。

（8）對機電設備故障進行報警。

（9）監(jiān)測全線各車站環(huán)境的溫濕度、CO2參數(shù)。

（10）接受FAS系統(tǒng)火災報警信號，觸發(fā)BAS系統(tǒng)災害運行模式，控制環(huán)控設備按災害運行模式運行。

（11）與綜合監(jiān)控服務器對時，保證BAS系統(tǒng)時鐘同步。

（12）根據(jù)運營需要，可通過綜合監(jiān)控平臺對機電設備進行控制和變更模式。

2 北京地鐵六號線BAS系統(tǒng)的結構

車站BAS通過冗余通信接口與綜合監(jiān)控系統(tǒng)連接，將信息集中上傳至綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)BAS在綜合監(jiān)控系統(tǒng)中的集成。BAS網(wǎng)絡采用分層分布式現(xiàn)場總線結構，由主控制器（冗余PLC）、遠程I/O設備、現(xiàn)場總線、各類傳感器等設備組成。整個車站的BAS系統(tǒng)由東、西兩端共兩套PLC環(huán)控柜及現(xiàn)場機房旁若干個遠程控制箱及控制柜（不同車站具體數(shù)量不相同）組成。整個網(wǎng)絡采用MB+總線連接而成。

3 北京地鐵六號線BAS系統(tǒng)采用的新技術

北京地鐵六號線BAS系統(tǒng)采用MB+網(wǎng)絡結構。MB+網(wǎng)絡是Modbus Plus網(wǎng)絡的簡稱。Modbus通信協(xié)議是基于RS-485總線網(wǎng)絡開發(fā)的一種通信協(xié)議，是工業(yè)控制網(wǎng)絡中對自動化控制設備進行訪問控制的主從式通信協(xié)議。由Modicon公司開發(fā)，廣泛應用于工業(yè)控制領域，是一種比較典型的通用串行協(xié)議。其特點：通信速率可達19.2kbps，物理接口符合EIA-485規(guī)范，組成一主多從的單主機控制網(wǎng)絡，主節(jié)點可通過逐一訪問的輪詢方式訪問從節(jié)點，并且要求從節(jié)點返回應答信息，也可以對所有從節(jié)點進行廣播式通信，通過簡單的通信報文完成對從節(jié)點的讀寫操作。

Modbus通信協(xié)議分為RTU和ASCII兩種報文幀格式，采用RTU格式是以傳遞一段不短于3.5倍的字符發(fā)送時間的空閑時間開始，一般多取4T，同樣以4T的標志表示結束。而采用ASCII格式的報文則是以冒號"："開始，以兩個回車換行符結束，中間為協(xié)議內容。一般來說，RTU格式應用比較廣泛，RTU報文格式：RTU報文以T1～T4作為報文開始和結束的標志，中間包括依次有：（1）地址域（8位），是被查詢的從節(jié)點的地址，有效范圍是0～247，0為廣播地址。（2）功能域（8位），用于說明從節(jié)點要完成的功能，有效編碼為1～255。（3）數(shù)據(jù)域（n個8位）是狀態(tài)數(shù)據(jù)，I/O值或其他測控信息。（4）校驗域（16位），幀校驗多采用CRC循環(huán)冗余校驗，從地址域開始對所有數(shù)據(jù)進行校驗。從節(jié)點正常應答是發(fā)送相同的報文幀讓主節(jié)點做確認，包括有：從節(jié)點地址，前導標志碼，返回數(shù)據(jù)，功能確認，校驗碼和幀結束碼。

Modbus Plus是Modbus的改進版，網(wǎng)絡規(guī)范有很多不同于Modbus的地方，性能也有很大的改進。Modbus Plus也有ASCII和RTU兩種幀格式，其中ASCII的報文格式依次為：開頭碼（1字節(jié)），地址（2字節(jié)），功能（2字節(jié)），數(shù)據(jù)（n字節(jié)，n=<491），校驗（2字節(jié)），結束碼（2字節(jié)回車換行符）。RTU的報文格式依次分別為：開頭碼（4字節(jié)），地址（2字節(jié)），功能（2字節(jié)），數(shù)據(jù)（n字節(jié)，n=<486），校驗（2字節(jié)），結束碼（4字節(jié)）。

Modbus Plus具有較高的傳輸速率，最高可達1Mbps，傳輸介質為屏蔽雙絞線時，不采用中繼器最多可以連接32個設備，支持網(wǎng)段之間采用網(wǎng)橋連接形成更大規(guī)模的網(wǎng)絡。Modbus Plus除了有主從方式之外，還有令牌環(huán)方式。網(wǎng)絡上的節(jié)點作為邏輯環(huán)的一個點，通過獲取令牌來取得總線的控制權，傳遞順序有節(jié)點地址決定，從最低地址開始傳遞，至最高的結束，循環(huán)一周之后重新開始，令牌只能在本網(wǎng)段傳遞。

Modbus Plus網(wǎng)絡的典型應用主要包括網(wǎng)絡控制、數(shù)據(jù)采集、信號監(jiān)測、程序上載/下傳、編程、遠程測試等。

Modbus Plus網(wǎng)絡可有3種配置方式，本地I/O，也叫主站，遠程I/O（RIO）稱為分站，分布式I/O（DIO）；CPU配置在主站，主站最多可以配置14個I/O模塊或其他模塊；每個CPU可配置的RIO最多31個遠程I/O（RIO）對等節(jié)點，不帶中繼器的通信距離為457m，每個RIO可配置成單或雙電纜方式。當采用DIO時，每個CPU可配置最多3個分布式網(wǎng)絡，每個網(wǎng)上（采用一個中繼器）最多可有64個分站，使網(wǎng)絡最大擴展到1828m通信距離；每個DIO可配置成單或雙電纜方式。

北京六號線BAS系統(tǒng)采用RTU格式，配置雙電纜方式進行通訊。北京六號線BAS采用施耐德的PLC，主CPU配置MB+總線模塊140NOM21200，從站配置MB+接口模塊TCSEGDB23F24FA，主站與各從站通過MB+TAP接頭用MB+雙電纜連接而成。在實際工程中，MB+網(wǎng)絡結構與以太網(wǎng)相比，調試與維護都比較麻煩，下面對MB+網(wǎng)絡的調試方法和維護手段進行介紹。

MB+接口模塊TCSEGDB23F24FA，以下簡稱SEG網(wǎng)關，如圖1所示。

數(shù)字4所示的三個燈與網(wǎng)絡狀況有關，ERR-A和ERR-B為網(wǎng)絡指示燈，顏色為紅色，分別顯示A網(wǎng)和B網(wǎng)的網(wǎng)絡狀態(tài)。若網(wǎng)絡指示燈常滅，則表示網(wǎng)絡通訊正?；蛑袛?，此并不能作為判斷網(wǎng)絡狀態(tài)的依據(jù)，需與后文提到的網(wǎng)絡狀態(tài)燈結合參考；若網(wǎng)絡指示燈常亮，則表示網(wǎng)關沒有MB+通訊；若網(wǎng)絡指示燈閃爍，則表示網(wǎng)絡故障。這里需要注意網(wǎng)絡指示燈閃爍并不代表此節(jié)點上網(wǎng)絡故障，僅代表整個MB+網(wǎng)絡有故障。中間的燈MB+ ACT叫網(wǎng)絡狀態(tài)燈，顏色為綠色，是判斷網(wǎng)絡狀態(tài)的主要依據(jù)。若網(wǎng)絡狀態(tài)燈常亮，則表示MB+地址無效，此時應檢查網(wǎng)關撥碼地址；若網(wǎng)絡狀態(tài)燈快速閃爍，約6次每秒，則表示MB+活躍，網(wǎng)絡正常；若網(wǎng)絡狀態(tài)燈閃爍1次每秒，則表示本節(jié)點在離線監(jiān)視狀態(tài)。在此狀態(tài)下，此節(jié)點可以監(jiān)聽到其他活躍節(jié)點，但無法傳輸數(shù)據(jù)；若網(wǎng)絡狀態(tài)燈閃爍2次，停2秒，則表示此節(jié)點可以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡上的其他節(jié)點的令牌傳輸，但不接受數(shù)據(jù)；若網(wǎng)絡狀態(tài)燈閃爍3次，停1.7秒，此節(jié)點無法發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡上的令牌傳輸；若網(wǎng)絡狀態(tài)燈閃爍4次，停1.4秒，則網(wǎng)關發(fā)現(xiàn)一個重復地址。那么在實際工程中，通過網(wǎng)關指示燈狀態(tài)，我們可以分析網(wǎng)絡狀態(tài)，確定網(wǎng)絡故障情況。從整個網(wǎng)絡來看，為什么要從整個網(wǎng)絡來看呢，根據(jù)實際經(jīng)驗來看，單一節(jié)點的網(wǎng)絡狀態(tài)并不能充分反映該節(jié)點的網(wǎng)絡狀況，不能作為判斷依據(jù)，下面將進行具體分析。從整個網(wǎng)絡來看，若所有節(jié)點的網(wǎng)絡狀態(tài)燈快速閃爍，A、B網(wǎng)絡指示燈常滅，則表示網(wǎng)絡通訊正常。此時，若出現(xiàn)A、B網(wǎng)絡指示燈其中任一個常亮的情況，這里假設A常亮，則表示整個A網(wǎng)中有一個和多個斷點，通常來講應該是所有節(jié)點的A燈均常亮，至于找出斷點的方法后面再做分析。前面是網(wǎng)絡正常的唯一情況，若出現(xiàn)任一A、B燈常亮，則表示網(wǎng)絡有故障，下面對網(wǎng)絡問題的查找方法進行詳細分析。

由于網(wǎng)關指示燈只能在全線網(wǎng)絡正常時作為依據(jù)，在網(wǎng)絡有故障時并不能通過指示燈判斷故障點，所以大多數(shù)時候網(wǎng)關指示燈只能作為初步參考，并不能得出結論。但是，還有一個工具能夠精確地反映網(wǎng)絡狀態(tài)，而且具有較高的準確性，下面進行介紹。我們可以用IE瀏覽器登錄到SEG網(wǎng)關上，登錄方法這里就不做介紹了。登錄之后，我們可以對網(wǎng)關進行配置，這里我們需要用到的是網(wǎng)關的網(wǎng)絡診斷功能。在這里面可以看到整個網(wǎng)絡的所有節(jié)點和A、B網(wǎng)的ERROR計數(shù)。通常來講，網(wǎng)絡正常的話，A、B網(wǎng)的ERROR計數(shù)必定是0或者是個位數(shù)，如果是個位數(shù)，通常是因為MB+未有效接地，有干擾信號造成的。而如果ERROR計數(shù)很大但并不增加，此時網(wǎng)絡也是正常的，只需重置一下就可發(fā)現(xiàn)ERROR計數(shù)保持0。這是因為以前有網(wǎng)絡不通的情況，ERROR計數(shù)還保持在里面。通過ERROR計數(shù)可以對網(wǎng)絡狀態(tài)進行判斷，網(wǎng)絡正常還是網(wǎng)絡故障，A網(wǎng)故障或者B網(wǎng)故障或者雙網(wǎng)故障。這里要注意，如果是單網(wǎng)故障，一定要保證A、B網(wǎng)沒有串接，這是前提。下面對幾種情況進行分析。第一種，整個MB+網(wǎng)絡有通訊，單網(wǎng)有故障，此種情況最好處理，必定有故障的網(wǎng)絡上有斷點。此時在網(wǎng)絡上的第一個節(jié)點登錄網(wǎng)關SEG，將沒有故障的網(wǎng)絡的出線斷開，觀察網(wǎng)絡節(jié)點情況。此時，網(wǎng)絡節(jié)點必然比實際的少。假設一共有6個節(jié)點，5和6看不見，則必然4和5之間是斷點，此時檢查4與5之間的接線和模塊，便能迅速地找到問題，進而消除故障。這是最簡單的一種情況，一般出現(xiàn)在維護期間，由于人為碰觸所造成的。而在工程前期，通常會出現(xiàn)這第二種情況，整個MB+網(wǎng)絡有通訊但不穩(wěn)定，A、B網(wǎng)均有故障，此時表現(xiàn)為部分節(jié)點的ERR-A或ERR-B燈常亮或閃爍，這是最常見也是最棘手的故障情況，前面也提到，這里不能認為ERR-A或ERR-B燈常亮或閃爍的節(jié)點有問題，而只能從整個網(wǎng)絡來查問題。此時在網(wǎng)絡任一節(jié)點登錄網(wǎng)關SEG，可以看到全部或部分節(jié)點，必然有部分節(jié)點閃爍，時有時無。此時，極有可能是MB+電纜有接錯或接觸不良。這里補充一下，MB+電纜為3芯線，一藍一白一地，藍線和白線為信號線，不能接反。在實際工程中，若藍白線接反，或者有藍白線任一斷裂的情況，便會產(chǎn)生上面一種故障情況。此時沒有什么快速的方法，只能對MB+電纜進行一一查驗，確定故障位置。這里有一個竅門，由于信號傳輸必然是一條線，則信號線從第一個節(jié)點到最后一個節(jié)點理論上應該是通的，分別對A、B網(wǎng)的藍白線進行檢查，找出斷點即可。第三種情況，部分節(jié)點的ERR-A或ERR-B燈閃爍，此時在網(wǎng)絡靠前節(jié)點登錄網(wǎng)關SEG，看不到靠后的節(jié)點，

在網(wǎng)絡靠后節(jié)點登錄網(wǎng)關SEG，看不到靠前的節(jié)點，此時分兩種情況。第一種，網(wǎng)絡通訊距離過長，這里要注意，MB+的總線傳輸距離是450 m，超過這個距離網(wǎng)絡數(shù)據(jù)可能發(fā)生不穩(wěn)定的情況，而在實際工程中，由于接地不良或是網(wǎng)絡線屏蔽性不佳，往往在420 m以上就會發(fā)生信號不穩(wěn)定的現(xiàn)象，此時的解決方法是添加網(wǎng)絡中繼器，便能將整個網(wǎng)絡通訊長度增長到900米。第二種情況，MB+網(wǎng)絡需在TAP接頭上設置首末端，首端短接電阻，末端短接電容，如果出現(xiàn)首末端未短接好的情況，則可視為沒有首末端，即網(wǎng)絡通訊距離成了無限大，結果故然與上一種情況類似。所以實際情況下，發(fā)現(xiàn)第三種故障情況時，先考慮通訊距離是否過長，如果少于450 m，則檢查首末端，問題迎刃而解。

主CPU沒有配置MB+接口模塊TCSEGDB23F24FA，而是配置的MB+總線模塊140NOM21200，這個也能顯示網(wǎng)絡狀態(tài)，而且更加準確。Modplus+燈為綠色，快速閃爍表示網(wǎng)絡通訊存在，慢閃，間隙時間長則表示沒有通訊。同樣，140NOM21200也有兩個ERROR指示燈ERROR-A、ERROR-B，為紅色。這兩個ERROR指示燈未亮起，網(wǎng)絡正常；如果ERROR指示燈常亮，則網(wǎng)絡必有斷點；如果ERROR指示燈閃爍，則網(wǎng)絡故障比較復雜，只能查線。

140NOM21200的ERROR指示燈能清晰的反映網(wǎng)絡狀態(tài)，可以作為判斷依據(jù)，并不像從站的網(wǎng)關SEG，需要從整個網(wǎng)絡來判斷。通過140NOM21200的ERROR指示燈能準確地確認網(wǎng)絡是否有斷點或者接線錯誤，如果ERROR指示燈常滅，但從站有部分網(wǎng)關SEG顯示網(wǎng)絡故障，則可斷定此時一定是網(wǎng)絡距離過長或者MB+首末端未做好。所以，一般來說，查網(wǎng)絡故障都是先看主CPU。而且，通過編好的程序，也能從主CPU上看到哪些節(jié)點的數(shù)據(jù)沒有傳輸上來，這個實際上類似于通過登錄網(wǎng)關SEG查看網(wǎng)絡節(jié)點。其實，兩者本來就殊途同歸，因為主CPU本來就是通過網(wǎng)關SEG向從站收發(fā)數(shù)據(jù)的。

由于地鐵環(huán)境的復雜性和特殊性，對車站設備的控制要求往往比較高，不及時不合適的控制可能會造成設備損壞甚至釀成事故。因此，今后需要在根據(jù)地鐵的實際情況，合理配置系統(tǒng)，完善系統(tǒng)功能，不斷應用新技術，提高BAS系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性。

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