1、LK在地鐵環境設備監控系統中的解決方案（北京和利時自動化驅動技術有限公司 市場拓展部 100176） 張浩摘 要：本文詳細介紹了基于和利時LK系列PLC的地鐵環境設備監控系統（BAS）解決方案，內容包括系統的設計原則、設計方案、監控對象、系統結構、系統功能、設備監控功能等。LK適用于中、高性能控制領域，采用高性能的工業級處理器，小型化的結構設計，開放的工業標準，通用的系統平臺，不僅具有強大的功能和卓越的性能，而且具有更高的可靠性，更佳的開放性和易用性。關鍵詞 城市軌道交通；地鐵環境設備監控；BAS系統；FAS子系統；LK系列PLC1 引言近年來，隨著我國社會經濟的快速發展和城市人口的急劇增長，

2、許多大城市紛紛看好運量大、快捷、安全、準點的軌道交通。特別是北京、上海、廣州、天津等大城市更是投入很大的財力、人力建設軌道交通，預計在未來10年內，北京軌道交通將以每年40公里的速度增長，而廣州軌道交通也將以每年25公里的速度持續增長。這就必然要求更多的專業技術人員投入到軌道交通設計行列，同時也要求專業設計人員不斷探索更好、更完善的軌道交通系統解決方案，以推動軌道交通技術的發展，節約國家能源。軌道交通因其自身的獨特性，要求運營過程必須投入大量用電動力設備，以實現對地鐵建筑物內的環境與空氣條件、通風、給排水、照明、乘客導向、自動扶梯及電梯、屏蔽門、防淹門等建筑設備和系統正常運作。由于地鐵的環境非

3、常特殊，客流量十分大，地鐵的安全性，舒適性及穩定性是對地鐵運營狀況的最重要的考核指標，因此地鐵車站對通風、消防、空氣調節等監控系統的要求非常高，工業化邏輯控制器的產品指標、網絡性能等對整個系統的安全平穩運行至關重要、不允許有任何紕漏。本文在總結和利時公司地鐵環境和設備監控系統（BAS）中豐富的工程實踐經驗的基礎上，給出了LK系列PLC控制器在地鐵BAS系統中的應用解決方案。2 監控對象車站設備監控系統（BAS）組成的中央、車站、就地三級控制系統，使車站設備監控系統對全線所有車站的機電設備進行全面、有效的監控和管理，確保車站設備處于高效、節能、最佳運行狀態，創造一個安全舒適的地下環境，并能在火災

4、或列車阻塞事故狀態下，指揮控制車站設備進入救災模式，保證乘客的安全和設備的正常運行。BAS系統監控的設備包括： IBP盤 智能馬達控制中心（或稱智能低壓柜，MCC，用于各種風機，風閥，電動蝶閥的電氣控制與保護等） 變頻器 冷水機組 自動扶梯、電梯 給排水設備 各種照明 各種傳感器、執行器（風系統，水系統） 屏蔽門系統 隧道及站臺通風設備其中BAS系統通過智能接口實現監控功能的被控設備或系統有： 智能低壓柜（MCC） 變頻器 冷水機組 火災報警系統（FAS） 應急電源監視（EPS）3 系統設計原則地鐵BAS系統方案設計其構成遵循下述原則： 采用先進的計算機網絡構建硬件平臺，采用先進的計算機集成系

5、統軟件和接口方式實現對各類設備的監控，支持BAS性能指標的實現； 車站BAS與綜合監控系統的鏈接采用成熟的快速以太網技術； 當脫離綜合監控系統時，車站BAS系統及BAS內各子系統（ECS，BS）可相對獨立工作； 設備采用成熟的、可靠的工業級產品，PLC系統的熱冗余和現場總線鏈路冗余雙重保證了BAS系統能全天候724小時不間斷地運行； 采用模塊化設計，易于擴展； 能為今后系統增容預留一定的條件。同時系統功能設計遵循以下原則： 解決方案以類似的工程實施經驗為基礎，保證BAS安全、有序、科學地實現； 圍繞防災、安全、節能和乘客服務等目標進行配置和設計，目的是為了進一步提高地鐵運營管理水平； 面向的對

6、象是車站的值班人員、維護人員及相關調度人員，提供運營及維護管理的必要手段和功能。與防災、安全及設備維護等有關的信息將進入BAS，通過系統提供的友好完整的人機界面，方便上述崗位人員的操作； BAS系統是FAS系統的聯動控制系統，接收來自FAS系統經確認的火災報警信息，聯動控制防災設備運行和非防災設備進入消防規范規定的運行狀態； BAS建議在OCC的功能側重協調、模式控制、統計分析及報警和事件管理功能，此部分由綜合監控系統實現； 在車站可實現對本站風系統設備的多種方式控制，同時反映各設備或系統的工作狀態。被接入的智能系統或設備自身的聯鎖或保護功能由各相關系統或設備的控制器完成； 各站BAS系統由綜

7、合監控系統負責集成，通過各級綜合監控系統（車站綜合監控系統和中心綜合監控系統）和綜合監控系統骨干網（MBN）聯接成一個整體； 支持應急運行模式：當出現異常情況由正常運行方式轉為災害運行方式時，BAS能迅速轉變為災害模式運行，為防災、救援和事故處理指揮提供方便。4 系統總體結構BAS系統是基于分層分布式系統結構（中央級、車站級和就地級三層），具有較強的獨立性，具體是： 中央級：BAS的中央級主要是OCC的調度工作站，由綜合監控系統實現； 車站級：包括車站級綜合監控功能和車站BAS監控功能，正常情況下，車站級綜合監控功能由綜合監控系統完成。車站BAS監控功能以車站BAS維護終端、BAS監控工作站、

8、32位PLC控制器為平臺實現； 現場級：位于車站各就地監控點或數據采集點，具體包括各類傳感器、執行器、遠程I/O模塊、接口模塊或裝置等。軟件結構則包括數據接口層、數據處理層和人機接口層三層，具體是： 數據接口層（或通信層）：運行于各子系統PLC控制器中的智能接口模塊。數據接口層通過異步串行通訊（RS422/485、RS232）或以太網連接并管理所有外連系統或設備； 數據處理層：此軟件層以MACS-SCADA軟件和其專用實時數據庫為基礎，通過其內置的通訊軟件同各控制器進行數據交換，應用其專業歷史數據庫處理歷史數據； 人機界面層：人機界面通過內部軟件總線方式實時和歷史庫通訊獲得數據和服務，實現用戶

9、友好的信息顯示和方便的操作。5 地下車站BAS系統設計5.1 系統構成BAS網絡采用分層分布式現場總線結構，由PLC控制設備、現場傳感器、維護終端、RI/O、現場總線、IBP盤等組成。監控的對象包括車站隧道通風系統、公共區通風空調系統、車站設備管理用房區通風空調系統、空調水系統、車站給排水系統、電扶梯系統、低壓動力照明系統等設備。地下車站的兩端環控電控室內各設一套冗余的LK212 控制器，兩套LK212控制器之間通過冗余總線相連，對本車站所轄區間隧道及車站的通風空調大系統、小系統及其水系統、照明系統、自動扶梯、電梯、給排水系統相關設備進行監控及管理，同時對相關設備用房和公共區的環境溫濕度等參數

10、進行監測。以靠近車站綜合控制室端(A端)的PLC為主控制器并兼作與綜合監控系統的接口，并通過冗余現場總線與車站BAS維護工作站、IBP盤PLC、FAS通訊網關及車站從控制器進行連接，同時負責本端的設備監控。另外一端（B端）的PLC為從控制器。通過冗余現場總線與車站BAS主控制器進行通訊連接，同時負責本端的設備監控。兩端PLC下設置雙總線將各類RI/O、具有智能通信口的現場設備和就地現場小型控制器等設備統一接入，分別對車站兩端的機電設備（暖通空調、電扶梯、低壓照明、給排水等正常和火災情況下共用設備）進行監控管理。在車站綜合控制室IBP盤(綜合監控系統提供)設置一套非冗余PLC控制器及一套應急操作

11、終端與主控制器相連構成車站級BAS系統。實現IBP盤盤面監視和控制。并配置通訊網關用于實現與FAS的接口通訊，接收FAS主機傳送的火災報警模式號，實現車站BAS在火災工況下對設備的聯動控制。車站BAS主控制器與車站FAS存在接口，火災模式下，FAS向BAS下發火災模式指令，BAS控制器將按預定工況轉入災害模式下啟動相關設備。在設備房、公共區、風管、水管等地方設置不同濕度、溫度、二氧化碳濃度等傳感器，在空調器出水管設置二通調節閥（由給排水專業設置）等設備采集環境等參數以及控制閥門開度等。地下車站BAS構成示意圖如下圖所示。 BAS系統網絡結構示意圖5.2 車站級BAS系統PLC配置5.2.1 車

12、站A端冗余PLC配置車站A端冗余PLC配置如表4-1所示。表 41 A端冗余PLC配置序號設備名稱型號及規格描述數量A端PLC1CPU模塊LK212，雙機架冗余控制器22電源模塊5ALK910，電源模塊，輸入120/230VAC，輸出24VDC，5A23通訊模塊LK237，配合雙機架冗余的Profibus-DP接口模塊24冗余本地背板LK106，雙機架冗余型本地背板25同步模塊LK235，同步模塊 25.2.2 車站B端冗余PLC配置車站B端冗余PLC配置同上表4-1所示。5.2.3 IBP盤內的PLC配置IBP盤內的PLC采用非冗余配置，所有PLC均采用模塊化結構，包括CPU、電源、通訊，I

13、/O和底板等部件。通過總線通訊的方式或者配置RI/O來實現現場信號的采集。IBP及區間風機處PLC的CPU采用LK207產品，LK207提供16M的內存容量，且有后備電池，當系統斷電時可以保留程序和數據，并具有擴展能力。PLC配置滿足IBP盤對阻塞模式控制及顯示要求的RI/O。所有模塊（CPU、I/O、通訊、電源等）均是插接式。所有模塊（包括CPU和電源模塊）都支持帶電插拔。所有模塊均通過權威機構的安全認證，包括：UL、CE等各種認證。其它指標與車站冗余PLC一致。IBP盤內的PLC配置如下表4-2所示。表42 IBP盤內的PLC配置序號設備名稱型號及規格描述數量IBP盤PLC1CPU模塊LK

14、207，CPU模塊，533MHZ，位指令0.013ms/K，程序16MB，數據64MB1MB掉電保持區12DP通信接口模塊LK231，PROFIBUS-DP通信接口模塊13電源模塊5ALK910，電源模塊，輸入120/230VAC，輸出24VDC，5A14本地背板LK122，10槽，DP接口采用DB9輸出1516點數字量輸入模塊LK610，16通道數字量輸入模塊，24V DC，漏型2616點數字量輸出模塊LK710，16通道數字量輸出模塊，24V DC，晶體管輸出27空槽模塊LKC13148LK I/O端子蓋板LKC17085.2.4 遠程I/O站配置遠程I/O采用和利時公司的LK系列產品。L

15、K系列I/O模塊是模塊化的可支持熱電插拔。配置靈活，用戶可根據工程項目的需求靈活配置。R I/O通過冗余現場總線與車站冗余PLC相連，在車站A端和B端各設置一段現場總線，分布于車站A、B端的R I/O通過各端的網段經冗余現場總線與對應端的冗余PLC進行連接。車站典型R I/O站的配置如表4-3所示： 表4-3 I/O站配置 序號設備名稱型號及規格描述數量遠程I/O1電源模塊5ALK910，電源模塊，輸入120/230VAC，輸出24VDC，5A12DP通信接口模塊LK232，PROFIBUS-DP通信接口模塊13通訊模塊LK237，配合雙機架冗余的Profibus-DP接口模塊14擴展背板 L

16、K114，11槽擴展背板，DP接口采用DB9輸出1516點數字量輸入模塊LK610，16通道數字量輸入模塊，24V DC，漏型按實際需要配置616點數字量輸出模塊LK710，16通道數字量輸出模塊，24V DC，晶體管輸出按實際需要配置78點模擬量輸入模塊LK411，8通道模擬量輸入模塊，16位，電流信號按實際需要配置84點模擬量輸出模塊LK511，4通道模擬量輸出模塊，12位，電流信號按實際需要配置9DP連接器LK230，DP連接器26 現場級系統構成地下車站BAS在靠近車控室一側的環控電控室設一組冗余的BAS主控制器和BAS維護工作站，在遠離車控室一側的環控電控室設置另外一組冗余控制器和維

17、護終端，作為車站BAS的從控制器。車輛段BAS在運用庫設備機房設一組冗余的BAS主控制器和BAS維護工作站，控制車輛段的所有設備車站BAS主控制器經冗余以太網與綜合監控系統（ISCS）冗余交換機相連。地下車站兩端BAS冗余控制器通過一段獨立的冗余現場總線采用光纖進行連接。地下車站在靠近車站控制室一側的車站BAS主控制器、車站BAS系統維護工作站及安裝在IBP盤上的緊急操作終端通過一段獨立現場總線進行連接。地下車站在靠近車站控制室一側的車站BAS主控制器通過一段獨立冗余的現場總線與本端的RI/O模塊箱、連接FAS的通訊網關、IBP盤PLC進行連接。地下在遠離車站控制室一側的車站BAS從控制器通過

18、一段獨立現場總線與本端的維護終端進行連接，通過一段獨立現場總線與本端的RI/O模塊箱進行連接。車站兩端的冗余PLC控制器通過獨立的冗余的現場總線分別與各端智能低壓進行連接。車站兩端冗余控制器間及冗余控制器與RI/O模塊之間的總線連接采用單一協議的冗余網絡，中間不設置任何改變總線通信協議的設備。基于LK的BAS系統配置的現場總線是屏蔽絞線為傳輸介質的冗余PROFIBUS-DP。單一網絡能提供125個站點的連接能力。可根據應用需要，支持靈活的網絡結構，可實現網絡之間的通訊橋接、隔離和數據交換。6.1 實時控制層在各車站設置貫穿A端到B端的BAS系統監控網絡平臺，采用工業以太網網絡，總線結構采用冗余

19、配置。在監控網上設置A端主控制器、B端從控制器、車站BAS維護終端、IBP PLC、IBP遠程I/O及與FAS通訊網關。控制網上傳輸的數據包括： B端機電設備的狀態、傳感器測量值、報警等； 控制命令（點控、組控、模式、時間表）等； 車站所有機電設備狀態、傳感器測量值、報警、模式運行狀態、空調系統運行工況等； IBP盤面操作及狀態顯示； FAS報警信息。6.2 現場層在車站兩端分別設置獨立的現場總線，采用PROFIBUS-DP網絡，總線結構，冗余配置。每端的現場總線分別將本端遠程I/O和通信網關與本端PLC控制器連接，實現對本端現場設備的數據采集和控制。兩端現場總線上傳輸的數據包括： 本端機電設

20、備的狀態、傳感器測量值、報警等； 控制輸出等。對于車站BAS網絡，總線上的每個節點均可作為系統擴展的斷點，在進行系統擴展時，只需將新增網絡節點接入總線網絡，對新增節點的位置沒有限制，便于換乘站和系統增容的擴展。7 系統功能BAS系統對設備實行兩級管理、三級控制，即中央級、車站級管理，中央級具有最高管理權；中央級、車站級、就地級控制，就地級具有最高操作控制級。 ECS環控子系統ECS環控子系統主要對通風與空調系統設備的自動化管理，滿足地鐵運行環境的要求。由于通風系統設備相當部分作為火災時的排煙設備，正常情況下，該部分設備由ECS子系統按照環控運行模式要求進行控制和監視，一旦發生火災，可通過車站級

21、FAS系統的火災指令，ECS子系統按指令將設備轉入預定的火災運行模式，保證FAS系統的控制指令的優先權。ECS子系統在車站控制室設置緊急控制盤（IBP），列車在區間阻塞及火災事故情況下，對隧道通風系統設備、車站公共區通風與排煙設備進行緊急模式控制。當中央級和車站級監控機出現故障時，由消防指揮命令授權，車站值班員通過IBP盤操作按鈕啟動設備按防災控制模式運行，此時車站緊急控制盤具有最高控制優先權。車站通風空調小系統設備的緊急模式控制在車站級監控機上或小系統設備監控室維修工作站上進行。當車站級監控機出現故障時，通過小系統設備監控室維修工作站對小系統設備進行緊急模式操作。ECS子系統在設備監控室維修

22、工作站監視屏蔽門系統運行狀態，并進行故障報警。 照明設備BAS系統對車站照明系統按事故照明、節電照明、工作照明、廣告照明等類別進行車站級、就地級兩級控制，就地級設在照明配電室，控制操作以車站級控制為主，對車站各類照明進行車站級監視，并根據地鐵的運營時間，按時間表進行控制。 導向（PIDS）系統導向設備指的是固定或可變信息的導引設備，通常位于各個出入口及關鍵設備附近如車站的出入口、自動扶梯上方、AFC的閘機上方、隧道及車站內的疏散導向等，起到指引方向和提供導向信息的作用。 屏蔽門（PSD）系統PSD用于地下車站的站臺，用于隔離車站隧道和站臺，起到安全防護和節能的作用，PSD通常和信號系統聯鎖，和

23、列車車門同步開關。另外，緊急情況下，PSD有時需要和ECS聯動，以實現特定模式。 電扶梯系統車站自動扶梯正常情況下由現場控制，BAS系統對各自動扶梯的運行狀態進行中央級和車站級監視。緊急情況下在車站控制室對自動扶梯進行緊急停止操作。 給排水設備車站廢水泵、污水泵、雨水泵、區間廢水泵等根據高低水位自動啟停。BAS系統監視所有水泵的運行狀態并對設備進行故障和危險水位報警。給水管上的電動蝶閥由BAS系統在設備監控室按預定時間表自動開啟和關閉，并監視其運行狀態。 人防門BAS系統通常只在車站設置對人防門的監視功能，內容包括每個人防門的開關狀態及報警信息。 不間斷電源（UPS）和應急（照明）電源（EPS）電源監視通常在車站實現，具體包括電源設備的運行情況、故障報警情況、電池情況、負荷情況及電壓、電流、功率等電量參數。8 設備監控控制中心計算機和車站計算機對所有區間隧道和各車站的設備進行監控，根據不同的操作權限和口令，實現中央級、車站級的分級控制，自動和手動操作完成通風、空調、消防、突發事故、以及照明、疏散等運行模