針對地鐵機電設(shè)備存在成本高、體積大、分布廣、點位多、難以開展實境培訓等特點，文章設(shè)計了一個地鐵BAS系統(tǒng)智能實訓平臺，包括BAS控制系統(tǒng)和故障考核系統(tǒng)兩部分，并介紹了該實訓平臺的總體設(shè)計方案，以及BAS控制系統(tǒng)和故障考核系統(tǒng)的具體設(shè)計與實現(xiàn)方法。經(jīng)實踐驗證，該實訓平臺不僅能進行設(shè)備的安裝接線實訓，還能在不破壞原有控制電路的前提下，快速設(shè)置電路故障；學生可根據(jù)故障現(xiàn)象進行檢測，分析故障原因，并在故障模擬工作站上作答并提交答卷，有效解決了BAS系統(tǒng)的故障檢修訓練和考核評分問題，能較好模擬BAS控制電路故障現(xiàn)場，大大提高了實訓效率。

BAS系統(tǒng)；實訓平臺；PLC；故障考核

U29-3A511634

基金項目：

2022年廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目資助“基于負荷計算的地鐵環(huán)控系統(tǒng)預(yù)測控制研究”（編號：2022KY1410）；2021年度柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學院校級課題“地鐵環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)實訓平臺的研究與實踐”（編號：2021-KJA04）

作者簡介：

姚明陽（1990—），碩士，副教授，主要從事城市軌道交通專業(yè)教學工作。

0" 引言

地鐵BAS系統(tǒng)，簡稱環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，在城市地鐵中發(fā)揮了非常重要的作用，主要負責對全線車站、車輛段、區(qū)間隧道的通風空調(diào)、給排水、電扶梯、照明、站臺門等進行自動化監(jiān)控及管理，實現(xiàn)車站機電設(shè)備的高效、節(jié)能、可靠運行，以提供舒適的乘車環(huán)境，并在火災(zāi)阻塞等事故災(zāi)害下，按相應(yīng)的火災(zāi)模式控制現(xiàn)場設(shè)備動作，起到輔助救災(zāi)的作用。

在城市地鐵的運用中，BAS系統(tǒng)設(shè)備故障種類較多、影響較大、處理較難、預(yù)見性較差，一直是城軌機電設(shè)備維護工作的難點。提高機電設(shè)備維護人員的故障發(fā)現(xiàn)、故障分析及處理能力是縮短故障處理時間，減少地鐵運輸損失的必然要求。

目前，國內(nèi)地鐵和很多鐵路院校針對BAS系統(tǒng)建設(shè)方案進行了較多研究，主要分兩類。一類是根據(jù)地鐵現(xiàn)場的實際運營管理需要和標準，制定現(xiàn)場運營的BAS系統(tǒng)建設(shè)方案，如王孟強、陳青云［1-2］對地鐵BAS系統(tǒng)組網(wǎng)方案進行了分析和探討，但真實的運營環(huán)境不能用于操作人員和運行維護人員的上崗培訓；另一類是BAS培訓仿真系統(tǒng)，由于真實BAS系統(tǒng)監(jiān)控對象多，分布廣［3］，很難實現(xiàn)，所以用于培訓的地鐵BAS系統(tǒng)以全仿真系統(tǒng)偏多，半實物仿真系統(tǒng)仍然不足，而且缺乏對BAS系統(tǒng)培訓考核功能的研究。

因此，為了滿足地鐵機電技術(shù)技能人才培養(yǎng)的需要，使學員掌握BAS系統(tǒng)工作原理、結(jié)構(gòu)組成等知識，熟悉常見故障現(xiàn)象和設(shè)備參數(shù)測量方法，分析設(shè)備工作狀態(tài)，快速處理故障，本文研究設(shè)計了一個地鐵BAS智能實訓平臺，旨在為地鐵相關(guān)院校和企業(yè)提供一個開展BAS系統(tǒng)故障檢修培訓的實踐教學解決方案，以降低地鐵BAS系統(tǒng)培訓成本。

1" 地鐵BAS系統(tǒng)智能實訓平臺總體設(shè)計

地鐵BAS系統(tǒng)智能實訓平臺由BAS控制系統(tǒng)和故障考核系統(tǒng)組成。實訓平臺總體架構(gòu)如圖1所示，以下分別介紹BAS控制系統(tǒng)和故障考核系統(tǒng)的設(shè)計方案。

1.1" 地鐵BAS控制系統(tǒng)設(shè)計方案

BAS系統(tǒng)采用“兩級管理、三級控制”架構(gòu)，即中央級管理和控制、車站級管理和控制、現(xiàn)場層控制。BAS不單獨組建車站和中央網(wǎng)絡(luò)，采用綜合監(jiān)控系統(tǒng)工作站、交換機、服務(wù)器及通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)其中央級、車站級的BAS功能。PLC采集的現(xiàn)場層數(shù)據(jù)，接入車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)交換機，轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器處理后，最后顯示在工作站監(jiān)控界面上；來自中央和車站的操作命令下發(fā)路徑與采集信息上傳路徑相反。因此，BAS控制系統(tǒng)獨立的設(shè)備由工業(yè)級非冗余PLC控制器、IBP盤PLC的遠程I/O，以及遠程I/O模塊、通信接口模塊、傳感器、電機、風機等小型現(xiàn)場模擬設(shè)備等構(gòu)成，如圖2所示。另外，系統(tǒng)配套24 V開關(guān)電源、小型交換機等。

為了滿足真實崗位技能訓練的需要，BAS控制系統(tǒng)采用與現(xiàn)場一致的軌道交通實體控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及軟件平臺，與現(xiàn)場級實體設(shè)備系統(tǒng)集成或互聯(lián)，從而實現(xiàn)所控即所得的實體設(shè)備控制并反饋實時實訓環(huán)境，而非仿真虛擬環(huán)境。BAS控制系統(tǒng)配置與真實地鐵一致的專業(yè)工業(yè)級S7-400系列PLC。PLC控制器通過高速工業(yè)以太網(wǎng)（TCP/IP協(xié)議）與綜合監(jiān)控交換機進行連接，實現(xiàn)BAS在綜合監(jiān)控系統(tǒng)中的集成。遠程I/O站，包含了DI模塊、DO模塊、AI模塊、AO模塊、通信模塊等，向下連接風機、照明、各類傳感器等現(xiàn)場就地設(shè)備采集數(shù)據(jù)，向上與PLC通信，完成控制指令的傳遞和現(xiàn)場數(shù)據(jù)的上傳。

針對地鐵機電設(shè)備監(jiān)控點位多、體積大、分布廣泛等特點，對現(xiàn)場級設(shè)備的監(jiān)控，則采用物理模擬方式，即安裝小型模擬設(shè)備風閥、管道、冷水機組及傳感器等，以微縮車站模型的方式呈現(xiàn)BAS對模擬設(shè)備的控制邏輯。模擬微縮設(shè)備接受BAS的采集和控制，模擬實現(xiàn)對本車站所轄區(qū)間隧道及車站的通風空調(diào)大系統(tǒng)、小系統(tǒng)及其水系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、自動扶梯、電梯、給排水系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備進行監(jiān)控及管理。PLC配置通訊網(wǎng)關(guān)用于實現(xiàn)與FAS的接口通訊，通訊網(wǎng)關(guān)采用串口通訊模塊，接收FAS主機傳送的火災(zāi)報警模式號，實現(xiàn)車站BAS在火災(zāi)工況下對設(shè)備的聯(lián)動控制。

1.2" 故障考核系統(tǒng)設(shè)計方案

故障考核系統(tǒng)由故障控制模塊和故障模擬工作站組成。

故障控制模塊主要用于接收來自故障模擬工作站的控制命令，對BAS控制電路關(guān)鍵節(jié)點進行通斷控制，添加或恢復(fù)故障點，模擬電路或設(shè)備故障，并實時將這些故障狀態(tài)信息反饋到故障模擬工作站。故障控制模塊采用高性能微處理器，可實現(xiàn)至少32路通斷獨立控制；控制接口采用光電隔離技術(shù)，抗干擾能力強、穩(wěn)定性高；配置控制接口狀態(tài)指示、電源指示燈；具備標準RS232/RS485或TCPIP網(wǎng)絡(luò)接口，方便模塊擴展及數(shù)據(jù)通信。

故障模擬工作站由高性能計算機構(gòu)成，主要完成BAS控制系統(tǒng)的接口電路可視化、故障點設(shè)置與恢復(fù)、實訓考核自動評分記錄等。

地鐵BAS系統(tǒng)智能實訓平臺的設(shè)計與實現(xiàn)方法/姚明陽，陳" 欣，馬漢林

2" BAS控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1" 建立IO點表

BAS控制系統(tǒng)PLC環(huán)境控制的輸入信號，分為硬件信號輸入點和軟件控制點。硬件信號輸入點主要為風管道溫濕度傳感器、室內(nèi)溫濕度傳感器、風速傳感器、CO2傳感器、管道壓力傳感器、壓差開關(guān)、光照度傳感器、紅外感應(yīng)探測器等多種傳感器，采集環(huán)境參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)信息，用以控制閥門開度等。軟件控制點包括控制方式反饋、模式執(zhí)行狀態(tài)等中間變量。部分IO點表如表1所示。

2.2" 控制邏輯分析

2.2.1" 電動二通閥控制邏輯分析

在地鐵中，電動二通閥安裝在風機盤管的回水管上，用來控制流經(jīng)風機盤管的冷水流量。車站設(shè)備房環(huán)境溫度由送風量來控制，送風溫度通過調(diào)節(jié)二通閥開度來控制冷水流量：送風量大時，二通閥開度大；送風量小時，冷水流量需求小，二通閥開度小，以確保送風溫度恒定。

對車站同一個制冷空間進行環(huán)境溫度控制，設(shè)定室內(nèi)目標溫度，控制回路根據(jù)室內(nèi)實時采集溫度對二通閥進行PID控制，從而控制車站室溫達到規(guī)定值。實現(xiàn)室內(nèi)溫度高于房間目標溫度時，增加二通閥的開度；室內(nèi)溫度低于房間目標溫度時，減少二通閥開度。

從以上的控制要求中可知，此控制邏輯需要用到房間目標溫度（即設(shè)定溫度），室內(nèi)溫度，二通閥控制（水閥開度調(diào)節(jié)），PID算法這四個核心部分，二通閥控制邏輯如圖3所示。

2.2.2" 模擬通風系統(tǒng)控制邏輯分析

車站小系統(tǒng)具備點控、時間表、模式手動控制方式。系統(tǒng)需實時采集新風溫度上傳到BAS監(jiān)控界面上，將系統(tǒng)控制方式置于“時間表”時，PLC進入系統(tǒng)自動運行模式，設(shè)定好某一工況（如夏季排風工況）生效時間，系統(tǒng)將按BAS工作站時間表程序工作模式運行；將系統(tǒng)控制方式置于“模式手動”時，在手動狀態(tài)下發(fā)模式號，PLC進入模式手動工作模式（非時間表模式）運行。模擬通風系統(tǒng)模式表如表2所示。

當送風機出現(xiàn)故障后，自動停止；送風機停止后，能自動關(guān)閉水閥。設(shè)定房間目標溫度，PLC根據(jù)設(shè)定溫度值與室內(nèi)溫度傳感器的數(shù)據(jù)進行比對，完成對水閥的PID調(diào)節(jié)控制；設(shè)定房間目標濕度，PLC根據(jù)設(shè)定濕度值與室內(nèi)濕度傳感器的數(shù)據(jù)進行比對，完成對加濕閥的PID調(diào)節(jié)控制；設(shè)定房間目標CO2濃度值，PLC根據(jù)設(shè)定CO2濃度值與室內(nèi)CO2濃度傳感器的數(shù)據(jù)進行比對，對新風閥開度進行PID調(diào)節(jié)完成室內(nèi)新風量控制。當CO2濃度比設(shè)定的目標CO2濃度大時，增大新風閥開度；當CO2濃度比設(shè)定的目標CO2濃度小時，減少新風閥的開度，從而實現(xiàn)室內(nèi)CO2濃度與設(shè)定CO2濃度值一致。

2.2.3" 模擬照明系統(tǒng)控制邏輯分析

BAS監(jiān)控界面能夠監(jiān)視紅外感應(yīng)探測器的狀態(tài)、光照度傳感器的數(shù)據(jù)，室內(nèi)、室外以及通道照明的啟停狀態(tài)、運行狀態(tài)、故障狀態(tài)以及手自動狀態(tài)。

室內(nèi)照明由探測器、時間表和工作模式?jīng)Q定其開閉。當照明系統(tǒng)置于自動工作模式，啟動時間表工作模式；當照明系統(tǒng)控制方式置于”模式手動”時，手動下發(fā)模式號，系統(tǒng)設(shè)置有四種照明模式，如表3所示。當設(shè)為“全開”時，照明1和2均亮；當設(shè)為“全關(guān)”時，照明1和2均滅；當設(shè)為“照明模式1”時，照明1亮，照明2滅；當設(shè)為“照明模式2”時，照明1滅，照明2亮。當照明系統(tǒng)控制方式置于”探測器”時，如果紅外感應(yīng)探測器探測到行人時，照明自動打開；當探測器復(fù)位時，照明自動熄滅。當光照度傳感器檢測到環(huán)境光照度變暗時，比較照度傳感器當前照度與設(shè)定照度值，當前照度小于設(shè)定照度時，延時5 s打開照明。

2.2.4" PLC編程

PLC是BAS的控制核心，具有數(shù)據(jù)處理功能，采用西門子Step7 Professional 2017 v5.6軟件完成PLC控制器的程序編寫。對于通信量很少的現(xiàn)場設(shè)備，如送風機、排風機、各種風閥、傳感器等，采用硬接線方式實現(xiàn)PLC對現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和控制；對于通信量較大的設(shè)備，如應(yīng)急電源，其監(jiān)控數(shù)據(jù)包括充電狀態(tài)、輸出狀態(tài)、電流、電壓等，采用ModBUS_RTU協(xié)議實現(xiàn)PLC與設(shè)備間的數(shù)據(jù)通訊。此外，電梯、安全門、隧道風機也采用通信接口的形式連接。由于監(jiān)控對象類型繁多，邏輯復(fù)雜，采用調(diào)用式結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)化編程［4］，程序以組織塊（OB）、程序塊（FC）、功能塊（FB）、數(shù)據(jù)塊（DB）等形式進行封裝，OB塊提供了PLC內(nèi)部CPU與用戶程序間的接口，是CPU直接進行調(diào)用的邏輯塊，用來管理PLC程序中各組成部分的調(diào)用和執(zhí)行中斷，起到了“管理”用戶程序的作用。

3" 故障考核系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

故障考核系統(tǒng)軟件基于QT平臺，采用C++編程語言開發(fā)。QT是一個跨平臺的C++開發(fā)庫，Qt支持Windows，Linux，Solaris等操作系統(tǒng)，主要用來開發(fā)圖形用戶界面程序，也在數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通信、圖像處理、文件操作等方面提供了便利的功能，可以滿足故障模擬軟件的開發(fā)要求。

故障考核系統(tǒng)軟件可實現(xiàn)BAS系統(tǒng)接口控制電路可視化，界面響應(yīng)控制人員操作，操作命令通過網(wǎng)絡(luò)接口下發(fā)控制命令至故障控制模塊，為指定的電路添加故障點，能對BAS控制電路關(guān)鍵節(jié)點進行故障設(shè)置和故障恢復(fù)操作，模擬電路或設(shè)備故障。軟件可通過人工單步操作、自動計劃控制進行故障設(shè)置，并實時反映相關(guān)設(shè)備和控制電路狀態(tài)。

故障考核系統(tǒng)軟件具備學習資源管理和查閱、故障排查練習和故障排查考核三種功能，設(shè)置有教師和學員兩種權(quán)限。教師可以編寫故障考題、組織試卷，學員可以練習和考核。學員在練習和考核的過程中能夠生成個人的操作記錄、考核結(jié)果信息，方便教師及時掌握現(xiàn)場維護人員的學習情況和能力水平，便于進行有針對性的培訓管理。

以配置故障為例，簡單說明其操作流程，在選中的試卷試題中選擇“配置故障”，在彈出的對話框輸入密碼，在圖上選擇故障點位置，鼠標左鍵雙擊，添加上故障點，然后選中新建的故障點，右擊選擇設(shè)置故障，設(shè)置繼電器名稱，點擊確定即可。

運用故障模擬軟件進行實訓考核前，教師需要以管理員身份登錄，進行新建試題，為試題添加故障點，設(shè)置考試時長、試題分值、答錯扣分，發(fā)布考試等操作。學生進入實作考核后，根據(jù)故障現(xiàn)象，對照控制電路原理圖分析故障原因，并確定故障點位置，然后在故障模擬軟件上，選中查找的故障點，單擊右鍵在彈出的菜單點擊故障恢復(fù)，提交試卷，結(jié)束考試；或考試時間結(jié)束，結(jié)束考試。提交答案保存在查詢結(jié)果頁面，可以通過考生姓名查看該學員的練習和考核記錄。

4" 實訓平臺綜合應(yīng)用

最終設(shè)計實現(xiàn)的地鐵BAS系統(tǒng)智能實訓平臺現(xiàn)場如圖4所示，包含BAS控制柜（含故障控制模塊）、現(xiàn)場模擬設(shè)備以及故障模擬工作站。經(jīng)應(yīng)用驗證，該系統(tǒng)可提供如下實訓功能：PLC控制電路連接與檢查、傳感器及小型模擬設(shè)備電路連接與使用、BAS控制線路故障排查與綜合監(jiān)控系統(tǒng)配合完成信息交互與聯(lián)動功能。

（a）BAS控制柜

（b）部分現(xiàn)場模擬設(shè)備

（c）故障模擬工作站

5" 結(jié)語

經(jīng)過大量的實踐應(yīng)用表明，BAS智能實訓平臺能以微縮車站模型的方式，較好地呈現(xiàn)BAS對現(xiàn)場層模擬設(shè)備的控制邏輯，可與綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成，用于構(gòu)建完整的城軌車站控制實訓平臺，為城軌綜合監(jiān)控系統(tǒng)提供聯(lián)動所需的車站環(huán)境與設(shè)備狀態(tài)信息。實訓平臺在實作考核時，不破壞原有的控制電路，快速設(shè)置BAS控制電路故障和恢復(fù)故障，實時反映相關(guān)設(shè)備和控制電路狀態(tài)，實現(xiàn)BAS控制系統(tǒng)的接口電路可視化；實時反映相關(guān)設(shè)備和控制電路狀態(tài)，同時能使BAS控制系統(tǒng)的接口電路可視化。學生可利用實訓平臺反復(fù)進行故障排查訓練，實訓平臺能根據(jù)練習和考核情況自動評分并記錄，同時指出故障排查的錯誤點。該實訓平臺具有智能化、可視化、小型化、可擴展的優(yōu)點，減少了實訓室建設(shè)成本，且功能豐富，易于安裝調(diào)試，操作簡便，能有效提高BAS設(shè)備檢修培訓的效率，具有推廣價值。

［1］王孟強.地鐵BAS系統(tǒng)建設(shè)方案研究［J］.地鐵BAS系統(tǒng)建設(shè)方案研究，2020（2）：7-11.

［2］陳青云.地鐵BAS系統(tǒng)不同組網(wǎng)方案對比研究［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2016（3）：33-36.

［3］王" 菁.地鐵環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.北京：北京交通大學，2011.

［4］徐" 深，陳" 霈.基于接口特征的地鐵BAS系統(tǒng)PLC組態(tài)數(shù)據(jù)建模［J］.電工技術(shù)，2018（18）：31-32，35.

20240311