劉金霞

摘要：本文主要對(duì)西延工程自動(dòng)化集成系統(tǒng)車站群組監(jiān)控的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)比傳統(tǒng)的車站監(jiān)控模式，介紹了車站群組監(jiān)控模式的硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)。

關(guān)鍵詞：地鐵；自動(dòng)化集成系統(tǒng)；監(jiān)控模式

1、工程概況

西延工程線路總長(zhǎng)10.488km，全部為地下線；全線共設(shè)車站6座，其中換乘站3座，金安橋站與S1線、M11線換乘，蘋果園站與1號(hào)線、S1線換乘，田村站與3號(hào)線、L6線換乘。全線最大站間距為2276.721m，位于廖公莊站與田村站之間，最小站間距為1156m，位于蘋果園站與蘋果園南路站之間，平均站間距1700.282m（含田村至五路居站）。

本工程設(shè)計(jì)范圍為西延工程6座地下車站，同時(shí)本工程為北京市科委“地鐵機(jī)電設(shè)備故障監(jiān)測(cè)與智能診斷系統(tǒng)研制及示范應(yīng)用”（Electromechanical device of subway fault monitoring and Intelligent diagnosis system，簡(jiǎn)稱FIS）科研課題（編號(hào)Z131100004113004）的工程示范應(yīng)用。

2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)主要完成對(duì)機(jī)電設(shè)備故障的智能診斷，并利用軟件智能化手段對(duì)設(shè)備運(yùn)行、故障信息進(jìn)行分析，完成更豐富的信息化應(yīng)用。結(jié)合目前地鐵運(yùn)營(yíng)模式和機(jī)電設(shè)備維護(hù)使用需求，F(xiàn)IS系統(tǒng)按照地鐵機(jī)電維修管理模式，按照三級(jí)監(jiān)測(cè)、兩級(jí)管理的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)備，三級(jí)監(jiān)測(cè)為設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)級(jí)、機(jī)電工區(qū)級(jí)、維修中心級(jí)，兩級(jí)管系統(tǒng)的分級(jí)管理主要依靠應(yīng)用軟件平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)傳輸來完成，系統(tǒng)應(yīng)用軟件平臺(tái)應(yīng)分層分布式架構(gòu)，部署靈活，易于擴(kuò)展，并采用基于Web的技術(shù)提供更便捷、開放的功能應(yīng)用。

2.1、系統(tǒng)構(gòu)成

按照目前地鐵運(yùn)營(yíng)機(jī)電維修的管理模式，F(xiàn)IS系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)系統(tǒng)、機(jī)電工區(qū)級(jí)系統(tǒng)和維修中心級(jí)系統(tǒng)三個(gè)分級(jí)，實(shí)現(xiàn)三級(jí)監(jiān)測(cè)、兩級(jí)管理的應(yīng)用分級(jí)。三個(gè)分級(jí)系統(tǒng)通過全線主干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。

2.1.1、設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)級(jí)系統(tǒng)

FIS系統(tǒng)的設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)級(jí)系統(tǒng)位于車站內(nèi)，主要進(jìn)行對(duì)車站機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和故障信息進(jìn)行采集，將信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，經(jīng)故障診斷器進(jìn)行智能分析，再將分析結(jié)果和數(shù)據(jù)信息上傳至機(jī)電工區(qū)系統(tǒng)。FIS現(xiàn)場(chǎng)級(jí)系統(tǒng)包含設(shè)備傳感器、數(shù)據(jù)采集器、通信接口模塊、故障診斷分析器、現(xiàn)場(chǎng)顯示屏、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、電器線纜等。FIS的設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)級(jí)系統(tǒng)在車站兩端的環(huán)控電控室內(nèi)設(shè)置主機(jī)控制柜，用于安裝故障診斷器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備和電源設(shè)備，在機(jī)電設(shè)備的就地現(xiàn)場(chǎng)以分布、分散形式設(shè)置數(shù)據(jù)采集器和局域網(wǎng)交換機(jī)。FIS系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)系統(tǒng)按照被監(jiān)測(cè)的設(shè)備類型劃分為子單元，每個(gè)子單元在物理結(jié)構(gòu)上相對(duì)獨(dú)立，有專用的故障傳感器、數(shù)據(jù)采集器和故障分析器，通過車站局域網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)連接，靈活性較強(qiáng)，同時(shí)系統(tǒng)易于擴(kuò)充監(jiān)測(cè)類型。目前FIS的實(shí)驗(yàn)性監(jiān)測(cè)設(shè)備為大型風(fēng)機(jī)、屏蔽門、自動(dòng)扶梯，每類設(shè)備形成一個(gè)監(jiān)測(cè)子單元。

設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)級(jí)主要設(shè)備如下：以太網(wǎng)交換機(jī)：在有主干網(wǎng)絡(luò)的環(huán)控電控室，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)FIS系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置一臺(tái)三層交換機(jī)，主要連接主干網(wǎng)、故障診斷器、局域?qū)拥仍O(shè)備。

現(xiàn)場(chǎng)級(jí)FIS系統(tǒng)局域?qū)优渲枚嗯_(tái)二層交換機(jī)，主要連接各數(shù)據(jù)采集器、故障診斷器，形成現(xiàn)場(chǎng)級(jí)FIS系統(tǒng)局域?qū)印＝粨Q機(jī)數(shù)量根據(jù)各車站電扶梯、主風(fēng)機(jī)分布情況確認(rèn)。故障診斷器：現(xiàn)場(chǎng)級(jí)FIS系統(tǒng)應(yīng)配置冗余的故障診斷器，完成現(xiàn)場(chǎng)級(jí)FIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和處理工作。冗余故障診斷器應(yīng)能自動(dòng)進(jìn)行切換。每個(gè)故障診斷器應(yīng)通過100Mbps以太網(wǎng)接口與中心以太網(wǎng)交換機(jī)連接。故障診斷器應(yīng)完成現(xiàn)場(chǎng)級(jí)FIS系統(tǒng)所有的指令、程序的運(yùn)行，并完成與風(fēng)機(jī)變頻器系統(tǒng)、屏蔽門信號(hào)系統(tǒng)的通訊工作。數(shù)據(jù)采集器：現(xiàn)場(chǎng)級(jí)FIS系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集器完成數(shù)據(jù)采集功能，將過程原始數(shù)據(jù)及狀態(tài)存入故障診斷器，過程原始數(shù)據(jù)及狀態(tài)取自狀態(tài)檢測(cè)儀表，數(shù)據(jù)采集器具有獨(dú)立的報(bào)警判斷功能。電扶梯數(shù)據(jù)采集器具備獨(dú)立的數(shù)據(jù)接口，可與電扶梯動(dòng)力箱進(jìn)行MODBUS通訊，讀取電扶梯的電功率相關(guān)參數(shù)。每個(gè)電扶梯配置一個(gè)數(shù)據(jù)采集器，每組主風(fēng)機(jī)（位于車站同一端的主風(fēng)機(jī)）配置一個(gè)數(shù)據(jù)采集器。每個(gè)數(shù)據(jù)采集器配置一個(gè)墻掛式數(shù)據(jù)采集箱，并放置在所監(jiān)控設(shè)備附近。接口設(shè)備：每個(gè)故障診斷器配置一個(gè)接口設(shè)備，接口設(shè)備可與風(fēng)機(jī)變頻器以及屏蔽門的信號(hào)單元進(jìn)行通訊（MODBUS485），接口設(shè)備將讀取的數(shù)據(jù)傳輸至故障診斷器。光纖收發(fā)器：區(qū)間風(fēng)井?dāng)?shù)據(jù)采集器處需配置一臺(tái)光纖收發(fā)器。

2.1.2、機(jī)電工區(qū)級(jí)系統(tǒng)

機(jī)電工區(qū)是最靠近車站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的維修管理級(jí)，本機(jī)電工區(qū)的管轄范圍是6個(gè)車站，機(jī)電工區(qū)內(nèi)有設(shè)備維修人員駐扎，負(fù)責(zé)管區(qū)車站機(jī)電設(shè)備巡檢和維修養(yǎng)護(hù)。系統(tǒng)在機(jī)電工區(qū)內(nèi)設(shè)置顯示終端，供維修人員對(duì)設(shè)備的狀態(tài)和故障進(jìn)行查看。機(jī)電工區(qū)級(jí)顯示終端工作站作為維修中心級(jí)系統(tǒng)的客戶端，從維修中心服務(wù)器調(diào)取數(shù)據(jù)信息和應(yīng)用服務(wù)，機(jī)電工區(qū)不設(shè)置服務(wù)器，由工作站進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存。工區(qū)級(jí)FIS系統(tǒng)通過與中心級(jí)FIS系統(tǒng)互聯(lián)，讀取中心級(jí)FIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

機(jī)電工區(qū)級(jí)系統(tǒng)主要由監(jiān)控終端工作站、打印機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、鏈接線纜等設(shè)備組成。監(jiān)控終端工作站數(shù)量應(yīng)滿足機(jī)電維修運(yùn)營(yíng)人員崗位設(shè)置，目前試驗(yàn)階段按照3套終端進(jìn)行配置。

2.1.3、維修中心級(jí)系統(tǒng)

維修中心級(jí)系統(tǒng)負(fù)責(zé)全線設(shè)備維修維護(hù)信息的管理和應(yīng)用，利用數(shù)據(jù)庫中設(shè)備的各種記錄信息，對(duì)設(shè)備故障維修進(jìn)行決策支持。維修中心系統(tǒng)應(yīng)是熱備、冗余、開放、可靠、易擴(kuò)展的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；中心服務(wù)器采用熱備冗余方式，故障時(shí)主備切換應(yīng)確保連續(xù)的顯示及控制功能。維修中心級(jí)系統(tǒng)應(yīng)具備C/S和B/S兩種結(jié)構(gòu)、TCP/IP協(xié)議；系統(tǒng)通過全線主干網(wǎng)將各現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的FIS系統(tǒng)信息匯集到監(jiān)測(cè)中心，從而實(shí)現(xiàn)各車站的機(jī)電設(shè)備故障監(jiān)測(cè)與智能診斷功能。維修中心設(shè)置一套冗余應(yīng)用服務(wù)器，負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理和分析，設(shè)置一臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器和磁盤陣列，負(fù)責(zé)歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和調(diào)用。設(shè)置監(jiān)控工作站供維修中心調(diào)度使用。

中心FIS系統(tǒng)應(yīng)配置冗余的應(yīng)用服務(wù)器，完成中心實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理工作。冗余應(yīng)用服務(wù)器應(yīng)能自動(dòng)進(jìn)行切換。每個(gè)應(yīng)用服務(wù)器應(yīng)通過100Mbps以太網(wǎng)接口與中心以太網(wǎng)交換機(jī)連接。中心FIS系統(tǒng)應(yīng)配置數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，完成中心實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理工作。數(shù)據(jù)服務(wù)器應(yīng)通過100Mbps以太網(wǎng)接口與中心以太網(wǎng)交換機(jī)連接。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器應(yīng)配置磁盤陣列，磁盤陣列滿足整個(gè)FIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)容量的需求。

中心FIS系統(tǒng)提供2臺(tái)機(jī)電設(shè)備故障監(jiān)測(cè)與智能診斷工作站，通過該工作站可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)圖譜，并具有智能診斷功能。工作站設(shè)有一高分辨率21寸液晶顯示屏，同時(shí)配置兩臺(tái)高分辨率的70寸液晶顯示屏。

由于本系統(tǒng)在西延工程是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，全線在蘋果園站只設(shè)有一個(gè)機(jī)電工區(qū)，維修中心級(jí)無真實(shí)物理位置，因此維修中心級(jí)系統(tǒng)與機(jī)電工區(qū)級(jí)系統(tǒng)合設(shè)在同一機(jī)房?jī)?nèi)，在系統(tǒng)邏輯上進(jìn)行兩個(gè)管理級(jí)的區(qū)分，并用不同監(jiān)控工作站實(shí)現(xiàn)。

2.1.4、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方案

FIS系統(tǒng)在車站內(nèi)的設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)級(jí)主要用于連接車站內(nèi)分布的各種數(shù)據(jù)采集器，將采集的各種故障信息和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行匯總，傳輸?shù)杰囌驹O(shè)置的故障診斷器。設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)形以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)分布在監(jiān)測(cè)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)，連接成單環(huán)局域網(wǎng)。車站內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)局域網(wǎng)絡(luò)10/100Mbps二層網(wǎng)絡(luò)工業(yè)級(jí)交換機(jī)組成單環(huán)網(wǎng)絡(luò)，符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，采用TCP/IP協(xié)議。交換機(jī)配置百兆以太網(wǎng)接口和百兆多模光纖接口。全線主干網(wǎng)絡(luò)用于維修中心級(jí)與工區(qū)、車站局域網(wǎng)的互聯(lián)，該主干層負(fù)責(zé)承載FIS系統(tǒng)中心級(jí)系統(tǒng)與工區(qū)級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)系統(tǒng)之間的信息互傳。系統(tǒng)全線主干網(wǎng)由通信系統(tǒng)提供信道帶寬，采用100Mbps以太網(wǎng)端口，帶寬速率為20Mbps。由于本系統(tǒng)不是運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)性系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)脫離全線系統(tǒng)后仍可獨(dú)立運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后數(shù)據(jù)可繼續(xù)上傳，因此系統(tǒng)對(duì)主干網(wǎng)絡(luò)的冗余性要求不高，全線6座車站采用單環(huán)主干網(wǎng)絡(luò)，每座車站與主干網(wǎng)連接采用三層交換機(jī)。

2.2、系統(tǒng)電源方案

FIS系統(tǒng)中心級(jí)、工區(qū)級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)系統(tǒng)設(shè)備采用一級(jí)負(fù)荷供電。設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備和傳感器從機(jī)電設(shè)備供電動(dòng)力箱就地供電，由動(dòng)力照明專業(yè)提供配電回路。車站主控制柜從環(huán)控電控室內(nèi)就地供電，由動(dòng)力照明專業(yè)在環(huán)控柜上提供配電回路。機(jī)電工區(qū)級(jí)和維修中心級(jí)系統(tǒng)從所在車站環(huán)控電控室供電，由動(dòng)力照明專業(yè)在環(huán)控柜上提供配電回路。

3、系統(tǒng)接口

3.1、與自動(dòng)扶梯的接口

1）接口界面及接口類型

位于電扶梯機(jī)坑內(nèi)接線箱內(nèi)配線架外線側(cè)，采用數(shù)據(jù)線端口。

2）接口說明

自動(dòng)扶梯專業(yè)：自動(dòng)扶梯專業(yè)按約定好的數(shù)據(jù)格式，發(fā)送扶梯故障代碼、傳感器信息給FIS系統(tǒng)，并回應(yīng)FIS對(duì)自動(dòng)扶梯的通信檢測(cè)。

FIS專業(yè)：FIS專業(yè)按周期采集自動(dòng)扶梯的故障代碼和傳感器信息，并對(duì)采集信息進(jìn)行分析處理。

3.2、與屏蔽門系統(tǒng)的接口

1）接口界面及接口類型

位于屏蔽門控制室的屏蔽門控制器接線端子外側(cè)。采用通信接口。

2）接口說明

屏蔽門專業(yè)：屏蔽門專業(yè)按約定好的數(shù)據(jù)格式，發(fā)送屏蔽門故障代碼、狀態(tài)信息、開機(jī)時(shí)間、電機(jī)電流曲線、UPS狀態(tài)信息等給FIS系統(tǒng)。

FIS專業(yè)：FIS專業(yè)按周期采集屏蔽門故障代碼、屏蔽門狀態(tài)信息、屏蔽門開門時(shí)間、電機(jī)電流曲線、UPS狀態(tài)信息等，并監(jiān)視屏蔽門與信號(hào)接口狀態(tài)。FIS對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，做出故障檢測(cè)指示。

3.3、與通風(fēng)專業(yè)的接口

接口界面及接口類型：位于風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器信號(hào)分配器線端子上，采用硬線接口。位于環(huán)控電控制風(fēng)機(jī)變頻器/軟起動(dòng)器接線端子上，采用通信接口。

通風(fēng)專業(yè)：通風(fēng)專業(yè)風(fēng)機(jī)振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)與FIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息傳遞，將風(fēng)機(jī)振動(dòng)振動(dòng)傳感器的信息傳給FIS專業(yè)。并提供FIS器/軟起動(dòng)器的接口，實(shí)現(xiàn)故障信號(hào)采集。

FIS專業(yè)：在FIS與車站風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)變頻器/軟起動(dòng)器之間建立連接，從風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器信號(hào)分配器上讀取風(fēng)機(jī)振動(dòng)傳感器的信號(hào)。實(shí)現(xiàn)FIS對(duì)風(fēng)機(jī)振動(dòng)傳感器信號(hào)的采集。從風(fēng)機(jī)變頻器/軟起動(dòng)器上采集風(fēng)機(jī)的故障數(shù)據(jù)信息。實(shí)現(xiàn)FIS對(duì)風(fēng)機(jī)故障信號(hào)的采集。從風(fēng)機(jī)變頻器/軟起動(dòng)器上采集風(fēng)機(jī)的故障數(shù)據(jù)信息。

3.4、與動(dòng)力照明專業(yè)的接口

（1）扶梯動(dòng)力箱

動(dòng)力照明專業(yè)在扶梯動(dòng)力箱內(nèi)設(shè)置扶梯動(dòng)力負(fù)荷的智能型電流表，可以將電流表讀書以通信接口上傳。本系統(tǒng)通過通信線與電流表鏈接，接口位置在扶梯動(dòng)力箱電流表通信接口處。

（2）電源

動(dòng)力照明專業(yè)在扶梯動(dòng)力箱和環(huán)控柜上為本系統(tǒng)預(yù)留了電源端口，可為系統(tǒng)進(jìn)行供電，接口位置在扶梯動(dòng)力箱和環(huán)控柜電源出線端子上。

3.5、與通信傳輸系統(tǒng)的接口

本系統(tǒng)全線主干網(wǎng)絡(luò)由通信傳輸系統(tǒng)提供，接口為以太網(wǎng)RJ45接口，接口位置在每站專用通信機(jī)房通信傳輸機(jī)柜端子排上，本系統(tǒng)負(fù)責(zé)將傳輸線纜引至通信機(jī)柜并負(fù)責(zé)接線，通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供接線端子位置和接線要求，并負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)接線指導(dǎo)，配合網(wǎng)絡(luò)調(diào)試。

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（作者單位：北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司）