摘要：本文主要介紹了北京地鐵14號線BAS系統(tǒng)的總體設(shè)計、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)層次、功能實(shí)現(xiàn)，結(jié)合控制要求，分析了和利時LK系列PLC在地鐵BAS系統(tǒng)中的應(yīng)用。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)設(shè)計合理，LK在大型控制系統(tǒng)中運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

關(guān)鍵詞：北京地鐵14號線；BAS；LK系列PLC；冗余；模式控制

1引言

北京地鐵14號線全長47.7公里，起于豐臺區(qū)永定河以西的張郭莊站，向東經(jīng)過豐臺北路、南二環(huán)和南三環(huán)之間，至西大望路一線向北，迄于朝陽區(qū)來廣營以北的善各莊站，呈L狀。全線經(jīng)過豐臺、東城、朝陽3區(qū)，共設(shè)車站37座，除張郭莊站及園博園站是高架站外，其余均為地下車站。全線監(jiān)控點(diǎn)數(shù)大約在15萬點(diǎn)左右。

為了配合第九屆中國（北京）國際園林博覽會的舉辦，項(xiàng)目于2013年05月05日開通張郭莊站至西局站段（全長12.4千米，共有7座車站），有利地保障了園博會在北京的順利舉辦。

2項(xiàng)目概況

北京地鐵十四號線的環(huán)境和設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡稱BAS系統(tǒng)）對全線所有地下車站、高架車站、車輛段、區(qū)間隧道內(nèi)設(shè)置的各種正常運(yùn)營保障設(shè)施(包括通風(fēng)空調(diào)設(shè)備、給排水設(shè)備、動力照明設(shè)備、自動電/扶梯、電保溫設(shè)備、EPS等)和事故緊急防救災(zāi)設(shè)施(防排煙系統(tǒng)、應(yīng)急照明系統(tǒng)等)進(jìn)行全面、有效地自動化監(jiān)控及管理，確保設(shè)備處于安全、可靠、高效、節(jié)能的最佳運(yùn)行狀態(tài)，從而提供一個舒適的乘車環(huán)境，特別是在地下車站發(fā)生火災(zāi)事故的情況下，使有關(guān)救災(zāi)設(shè)施按照設(shè)計工況及時有效地運(yùn)行，充分發(fā)揮各種設(shè)備應(yīng)有的作用，保證乘客的安全和設(shè)備的正常運(yùn)行。

37座車站的BAS均采用的是和利時LK系列大型PLC產(chǎn)品。通過冗余以太網(wǎng)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(shí)現(xiàn)BAS在綜合監(jiān)控系統(tǒng)中的深度集成。

3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

BAS系統(tǒng)是基于分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

Ø中央級：BAS的中央級主要是調(diào)度控制中心（OCC）的調(diào)度工作站，由綜合監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；

Ø車站級：包括車站級綜合監(jiān)控功能和車站BAS監(jiān)控功能，正常情況下，車站級監(jiān)控功能由綜合監(jiān)控系統(tǒng)完成。車站BAS監(jiān)控功能以車站BAS應(yīng)急操作終端、BAS維護(hù)工作站、32位LK控制器為平臺實(shí)現(xiàn)；

Ø現(xiàn)場級：通過LK系列遠(yuǎn)程I/O模塊實(shí)現(xiàn)車站各就地信號的采集與控制，具體包括各類傳感器、執(zhí)行器、或裝置等。

3.1中央級系統(tǒng)

綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件由和利時開發(fā)，通過冗余光纖環(huán)網(wǎng)與各個車站BAS系統(tǒng)通訊，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與控制，整個監(jiān)控點(diǎn)數(shù)大約在150000點(diǎn)左右。

3.2車站級BAS系統(tǒng)

車站級包括地下車站和高架站兩類，每個車站監(jiān)控點(diǎn)數(shù)大約在4000點(diǎn)左右，由PLC控制器、現(xiàn)場傳感器、維護(hù)終端等組成。

3.2.1地下車站BAS系統(tǒng)

由車站維護(hù)工作站、應(yīng)急操作終端、PLC、RI/O、現(xiàn)場總線、IBP（綜合后備盤）PLC等組成。

車站控制室設(shè)IBP，IBP處設(shè)置PLC和應(yīng)急操作終端，IBP盤處PLC選用和利時的LK210冗余CPU，應(yīng)急操作終端選用工業(yè)級產(chǎn)品觸摸屏式一體化工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)IBP盤面監(jiān)視和控制。

車站兩端各設(shè)置一套冗余控制器PLC_A和PLC_B，選用冗余CPU模塊LK210，LK210最大可擴(kuò)展數(shù)字量57344點(diǎn),模擬量3584點(diǎn)，集成了4路以太網(wǎng)接口，支持以太網(wǎng)冗余環(huán)，支持CPU之間數(shù)據(jù)共享，通過冗余光纖環(huán)網(wǎng)（TCP/IP協(xié)議）進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)信息上傳和PLC_A與PLC_B之間關(guān)鍵數(shù)據(jù)交互，對本車站所轄區(qū)間隧道及車站的通風(fēng)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(jìn)行監(jiān)控及管理，同時對相關(guān)設(shè)備用房和公共區(qū)的環(huán)境溫濕度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。

FAS接口通信是自定義的特殊協(xié)議，采用LK239串口通訊模塊接收FAS主機(jī)傳送的火災(zāi)報警模式號，實(shí)現(xiàn)車站BAS在火災(zāi)工況下對設(shè)備的聯(lián)動控制。

區(qū)間設(shè)備房設(shè)備距離控制室非常遠(yuǎn)，通過LK233光纖通信模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程I/O擴(kuò)展，最遠(yuǎn)可以擴(kuò)展20KM。

地下車站系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖31所示：

圖3-1典型地下車站BAS系統(tǒng)圖

3.2.2高架車站BAS系統(tǒng)

高架車站與地下站A端設(shè)計一致，車站系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖32所示：

圖3-2典型高架站BAS系統(tǒng)圖

4網(wǎng)絡(luò)層次

BAS系統(tǒng)在車站內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)可分為三級，分別為：車站級、子系統(tǒng)級（即BAS級）、現(xiàn)場級。

Ø車站級：車站A、B端的冗余LK集成冗余以太網(wǎng)接口接入車站級環(huán)網(wǎng)，無須額外配以太網(wǎng)通信模塊。為保證系統(tǒng)安全，不同專業(yè)數(shù)據(jù)有效傳輸，PLC網(wǎng)絡(luò)均分配特定的IP段，在進(jìn)入綜合監(jiān)控系統(tǒng)時需要做地址映射，LK自身集成的以太網(wǎng)接口支持跨VLAN功能，可靈活應(yīng)用于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)配置中，通過三層交換機(jī)與綜合監(jiān)控通信；

Ø子系統(tǒng)：A端與B端通過冗余光纖環(huán)網(wǎng)通信，同時LK支持多機(jī)互聯(lián)，方便實(shí)現(xiàn)A、B端數(shù)據(jù)共享，進(jìn)行有效的聯(lián)鎖控制；

Ø現(xiàn)場級：由BAS系統(tǒng)負(fù)責(zé)配置。距離小于1000m采用LK232PRIFIBUS-DP總線擴(kuò)展模塊擴(kuò)展遠(yuǎn)程I/O；距離超過1km，使用LK233光纖通信模塊，最遠(yuǎn)可以擴(kuò)展4級，每級5km，總計20km。

網(wǎng)絡(luò)層次如圖41所示：

圖4-1BAS網(wǎng)絡(luò)層次圖

5BAS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

1.工藝參數(shù)及畫面顯示

BAS系統(tǒng)對現(xiàn)場各類傳感器數(shù)據(jù)以及機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、故障報警信息等進(jìn)行實(shí)時采集、處理，以便及時準(zhǔn)確的處理各類突發(fā)事故，信息采集量單個車站可達(dá)數(shù)千點(diǎn)。

2.冗余功能

LK冗余系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)CPU冗余、以太網(wǎng)冗余、總線冗余、電源冗余。每個CPU帶有冗余以太網(wǎng)口，冗余PLC控制器通過以太網(wǎng)與車站綜合監(jiān)控進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)對車站機(jī)電設(shè)備的監(jiān)視與控制。

3.模式控制

即設(shè)備組控制，是根據(jù)工藝設(shè)計要求而形成，其觸發(fā)有人工觸發(fā)（HMI，IBP）和自動觸發(fā)（FAS系統(tǒng)、時間表）兩種。BAS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對本站所有模式及相關(guān)設(shè)備的監(jiān)控與操作功能。正常模式的狀態(tài)分為：未啟動、執(zhí)行中、執(zhí)行成功和執(zhí)行失敗。模式執(zhí)行時間結(jié)束后，根據(jù)該模式中設(shè)備狀態(tài)是否符合模式要求，判斷模式的執(zhí)行結(jié)果為成功或失敗。所監(jiān)視的模式分為早晚換氣模式控制、異常模式控制、火災(zāi)模式控制、阻塞模式控制等。

4.調(diào)節(jié)功能

車站LK能夠根據(jù)所檢測的車站環(huán)境參數(shù)自動判斷車站所處空調(diào)季工況，根據(jù)檢測參數(shù)采用科學(xué)的算法和實(shí)用的控制策略，對空調(diào)冷水系統(tǒng)的二通調(diào)節(jié)閥、公共區(qū)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)時間的信息進(jìn)行調(diào)節(jié)。對車站大系統(tǒng)空調(diào)設(shè)備根據(jù)熱焓計算，進(jìn)行運(yùn)行模式的最優(yōu)化控制，從而達(dá)到節(jié)能目的。

5.參數(shù)存儲

所有系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)、所有模式控制、預(yù)制時間表控制等相關(guān)參數(shù)由操作站進(jìn)行設(shè)置，經(jīng)確認(rèn)后下載到LK中，因此車站PLC能夠脫離綜合監(jiān)控系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行。

6.與FAS的聯(lián)動控制

BAS系統(tǒng)與FAS系統(tǒng)的聯(lián)動在所有的控制權(quán)限里優(yōu)先級別是最高的。BAS系統(tǒng)同F(xiàn)AS系統(tǒng)的通信是通過LK239串口通信模塊進(jìn)行的，當(dāng)收到FAS報警數(shù)據(jù)后，根據(jù)收到的數(shù)據(jù)（二者事先定義對應(yīng)的模式），BAS系統(tǒng)開始執(zhí)行相應(yīng)的火災(zāi)模式。此后，BAS系統(tǒng)不再接收任何操作指令，直到FAS報警信號復(fù)位。

7.多控制點(diǎn)功能

BAS系統(tǒng)控制權(quán)分為五級控制，就地控制箱、IBP、ISCS、BAS維護(hù)工作站、現(xiàn)場觸摸屏。每個控制點(diǎn)的控制級別由高到低排列，每個可控制設(shè)備都有這五個控制級。

6系統(tǒng)特點(diǎn)

基于LK系列PLC應(yīng)用于BAS系統(tǒng)具有的特點(diǎn)：

1.高性能

üLKCPU配置工業(yè)級（533MHz）處理器，擁有納秒級（13ns）的處理速度；

ü數(shù)字量I/O可達(dá)57344點(diǎn)，模擬量I/O可達(dá)3584點(diǎn)；

ü遠(yuǎn)程I/O最遠(yuǎn)可擴(kuò)展20KM；

ü程序容量可達(dá)16MB，數(shù)據(jù)容量可達(dá)64MB，掉電保持區(qū)可達(dá)1MB。

2.高可靠性

üLK采用單機(jī)架硬件冗余設(shè)計，支持電源冗余、CPU冗余、以太網(wǎng)冗余、PROFIBUS-DP總線冗余。兩個CPU之間通過高速背板總線進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，無需專門的同步模塊。每個運(yùn)算周期，主機(jī)檢測自己發(fā)生變化都要向從機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，保障主從數(shù)據(jù)一致。冗余切換過程是無擾切換，切換時間<50ms，切換過程無報警或中斷的丟失；

üLK具有通信故障時輸出預(yù)置功能，當(dāng)輸出模塊與CPU通信出故障時，輸出模塊會按上一個預(yù)算周期的有效值或者預(yù)先設(shè)置的安全值輸出，保障系統(tǒng)安全運(yùn)行；

ü提供三防（防潮、防鹽霧、防霉）模塊，適用于地鐵惡劣的環(huán)境。

3.強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信能力

üLK本體集成冗余以太網(wǎng)接口，具有可配置不同IP段地址、網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼、靜態(tài)路由功能；

ü支持跨VLAN功能，LK同網(wǎng)段支持IP地址數(shù)量為89個，如果PLC使用數(shù)量超過這個數(shù)量時，系統(tǒng)可以通過劃分不同VLAN，把不同IP地址映射到同一IP段，有效解決IP節(jié)點(diǎn)的限制，系統(tǒng)容量無限擴(kuò)展。

4.多機(jī)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享

ü通過自身集成的以太網(wǎng)接口，實(shí)現(xiàn)最多32個站數(shù)據(jù)共享；

ü可配置共享數(shù)據(jù)大小，每次最多可共享700個字；

ü適合分布式控制系統(tǒng)間聯(lián)鎖控制。

5.易用、易維護(hù)性

ü模塊小型化、智能化設(shè)計，具有超限報警、超量程報警、斷線檢測、掉電檢測等自診斷功能；

ü支持帶電插拔，可在不停機(jī)的狀態(tài)下更換故障模塊；

ü背板上設(shè)計有防混銷，避免插錯模塊。

7結(jié)束語

目前北京地鐵14號線西局至園博園站已順利開通，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，有效地保障了北京國際園博會的交通。

參考文獻(xiàn)

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