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。

為了配合第九屆中國（北京）國際園林博覽會的舉辦，項目于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。

項目概況

北京地鐵十四號線的環(huán)境和設備監(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)設置的各種正常運營保障設施(包括通風空調(diào)設備、給排水設備、動力照明設備、自動電/扶梯、電保溫設備、EPS等)和事故緊急防救災設施(防排煙系統(tǒng)、應急照明系統(tǒng)等)進行全面、有效地自動化監(jiān)控及管理，確保設備處于安全、可靠、高效、節(jié)能的最佳運行狀態(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)生火災事故的情況下，使有關救災設施按照設計工況及時有效地運行，充分發(fā)揮各種設備應有的作用，保證乘客的安全和設備的正常運行。

37座車站的BAS均采用的是和利時LK系列的大型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)，實現(xiàn)BAS在綜合監(jiān)控系統(tǒng)中的深度集成。

系統(tǒng)結(jié)構

BAS系統(tǒng)是基于分層分布式系統(tǒng)結(jié)構：

中央級：BAS的中央級主要是OCC的調(diào)度工作站，由綜合監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)；

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應急操作終端、BAS維護工作站、32位LKPLC

控制器為平臺實現(xiàn)；

現(xiàn)場級：通過LK系列遠程I/O模塊實現(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。

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，進行數(shù)據(jù)采集與控制，整個監(jiān)控點數(shù)大約在150000點左右。

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)控點數(shù)大約在4000點左右，由PLC控制器、現(xiàn)場傳感器、維護終端等組成。

3.2.1地下車站BAS系統(tǒng)

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

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

車站兩端各設置一套冗余控制器PLC_A和PLC_B，選用和利時LK210CPU，LK210CPU數(shù)字量可擴展57344點,模擬量3584點，集成了4路冗余以太網(wǎng)接口，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）進行連接實現(xiàn)大數(shù)據(jù)信息上傳和PLC_A與PLC_B之間關鍵數(shù)據(jù)交互，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)相關設備進行監(jiān)控及管理，同時對相關設備用房和公共區(qū)的環(huán)境溫濕度等參數(shù)進行監(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主機傳送的火災報警模式號，實現(xiàn)車站BAS在火災工況下對設備的聯(lián)動控制。

區(qū)間設備房設備距離控制室非常遠，通過LK233光纖通信模塊進行遠程I/O擴展，最遠可以擴展20KM。

地下車站系統(tǒng)網(wǎng)絡圖如圖3?1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端設計一致，車站系統(tǒng)網(wǎng)絡圖如圖3?2所示：

圖3?2典型高架站BAS系統(tǒng)圖

網(wǎng)絡層次

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

車站級：車站A、B端的冗余LKPLC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)絡均分配特定的IP段，在進入綜合監(jiān)控系統(tǒng)時需要做地址映射，LKPLC自身集成的以太網(wǎng)接口支持跨VLAN功能，可靈活應用于復雜網(wǎng)絡配置中，通過三層交換機與綜合監(jiān)控通信；

子系統(tǒng)：A端與B端通過冗余光纖環(huán)網(wǎng)通信，同時LKPLC支持多機互聯(lián)，方便實現(xiàn)A、B端數(shù)據(jù)共享，進行有效的聯(lián)鎖控制；

現(xiàn)場級：由BAS系統(tǒng)負責配置。距離小于1000m采用LK232PRIFIBUS-DP總線擴展模塊擴展遠程I/O；距離超過1km，使用LK233光纖通信模塊，最遠可以擴展4級，每級5km，總計20km。

網(wǎng)絡層次如圖4?1所示：

圖4?1BAS網(wǎng)絡層次圖

BAS系統(tǒng)實現(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)以及機電設備的運行狀態(tài)、故障報警信息等進行實時采集、處理，以便及時準確的處理各類突發(fā)事故，信息采集量單個車站可達數(shù)千點。

2.冗余功能

LK冗余系統(tǒng)可實現(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)控進行連接，實現(xiàn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)對車站機電設備的監(jiān)視與控制。

3.模式控制

即設備組控制，是根據(jù)工藝設計要求而形成，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)可以實現(xiàn)對本站所有模式及相關設備的監(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、火災模式控制、阻塞模式控制等。

4.調(diào)節(jié)功能

車站LKPLC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)采用科學的算法和實用的控制策略，對空調(diào)冷水系統(tǒng)的二通調(diào)節(jié)閥、公共區(qū)風機轉(zhuǎn)速根據(jù)時間的信息進行調(diào)節(jié)。對車站大系統(tǒng)空調(diào)設備根據(jù)熱焓計算，進行運行模式的最優(yōu)化控制，從而達到節(jié)能目的。

5.參數(shù)存儲

所有系統(tǒng)設置參數(shù)、所有模式控制、預制時間表控制等相關參數(shù)由操作站進行設置，經(jīng)確認后下載到LKPLC中，因此車站PLC能夠脫離綜合監(jiān)控系統(tǒng)獨立運行。

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串口通信模塊進行的，當收到FAS報警數(shù)據(jù)后，根據(jù)收到的數(shù)據(jù)（二者事先定義對應的模式），BAS系統(tǒng)開始執(zhí)行相應的火災模式。此后，BAS系統(tǒng)不再接收任何操作指令，直到FAS報警信號復位。

7.多控制點功能

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

系統(tǒng)特點

基于LK系列PLC應用于BAS系統(tǒng)具有的特點：

1.高性能

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

數(shù)字量I/O可達57344點，模擬量I/O可達3584點；

遠程I/O最遠可擴展20KM；

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

2.高可靠性

LKPLC是經(jīng)濟型單機架硬件冗余設計，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行數(shù)據(jù)同步，無需專門的同步模塊。每個運算周期，主機檢測自己發(fā)生變化都要向從機進行數(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；

LKPLC具有通信故障時輸出預置功能，當輸出模塊與CPU通信出故障時，輸出模塊會按上一個預算周期的有效值或者預先設置的安全值輸出，保障系統(tǒng)安全運行；

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.強大的網(wǎng)絡通信能力

LKPLC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、子網(wǎng)掩碼、靜態(tài)路由功能；

支持跨VLAN功能，LKPLC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)點的限制，系統(tǒng)容量無限擴展。

4.多機互聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享

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

可配置共享數(shù)據(jù)大小，每次最多可共享700個字；

適合分布式控制系統(tǒng)間聯(lián)鎖控制。

5.易用、易維護性

模塊小型化、智能化設計，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；

支持帶電插拔，可在不停機的狀態(tài)下更換故障模塊；

背板上設計有防混銷，避免插錯模塊。

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)運行穩(wěn)定，有效地保障了北京國際園博會的交通。

參考文獻

曲立東，《城市軌道交通環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)設計與應用》，電子工業(yè)出版社

聶占文，宋小莉，曲立東．經(jīng)濟實用的PLC及網(wǎng)絡冗余技術在地鐵BAS中的應用[J]．自動化博覽，2009，（7）

王錦標，《和利時PLC技術—綜合篇》，機械工業(yè)出版社

和利時公司，LK大型可編程控制器硬件手冊，2008

和利時公司，LK大型可編程控制器編程手冊，2008