北京地铁车站级环境与设备监控系统设计和实施

刘 颖 江 泳

（1. 中国建筑标准设计研究院，北京 100048；2. 同方股份有限公司，北京 100018）

环境与设备监控系统（Building Automation System, BAS），负责对各个车站的通风空调（地面站设暖通设备）、给排水、动力照明、电梯、安全门、自动售检票闸机等机电设备进行自动化的监控管理，以保障地铁乘车环境的安全、舒适、方便。BAS通过被控设备的反馈信号和车站温湿度等传感组件，自动监控机电设备的运行状态和车站环境状况，确保车站机电设备处于安全、可靠、高效、节能的最佳运行状态。在出现大客流等影响车站环境及列车阻塞、火灾等灾害情况下，调控相关设备，充分体现地铁在城市交通运输中安全、清洁卫生、舒适、方便、快捷的特征，并且通过对车站环控机电设备的自动化控制，实现节约能源、降低运营费用；通过对机电设备的集中可视化管理，达到节省人力、减员增效的目的。

1 设计与实施原则

1）基本设计原则：组网灵活、技术先进、便于扩展、运营可靠、管理方便，节约投资。

2）在可靠性高的前提下，追求系统的先进性。采用国内外成熟的系统的控制结构和配置。

3）采用“一体化网络、两级管理、三级控制”的设计原则。BAS系统通过通信网络将中心、车站、就地三级智能设备连接起来，构成网络化、可视化的一体化网络结构。设中心和车站两级管理：中心级主要以监控管理为主，在区间堵塞工况时参与模式控制；车站级负责对本站设备和环境的管理。控制方式为中心、车站、就地三级控制。

4）地铁空间狭小，设备繁多，各种管线纵横交错，电力牵引列车，随机干扰多。设计和设备配置根据地铁环境特点和气候条件考虑抗电磁干扰、防尘、防潮、防霉、防震等功能，以确保系统运行可靠。电气元件及设备外壳防护均为工业防护标准。

5）车站级向中心级单向传输的数据量较多，为减轻全线通信信道的负担，需要中心级进行决策的数据采用实时传输方式，其他数据采用定时传输方式。

2 车站级BAS系统构成

北京地铁环境与设备监控系统（BAS）采用分层-分布式的计算机网络结构，本着“危险分散”的设计原则，实现车站BAS分散控制的大型自动化监控管理系统。车站BAS为独立的智能控制单元，可独立对本站管辖范围内的机电设备进行监控；现场及控制器及 I/O单元作为与各子系统及输入输出设备直接连接的控制单元，本着就地安置，总线贯穿的原则担负起每个车站BAS系统的控制任务。BAS车站级与火灾自动报警系统等存在通信接口。车站级环境与设备监控系统关系图如图1所示。

BAS通信网络由车站网络系统和现场控制网。车站综合控制室与现场控制器采用冗余工业现场总线通信方式。PLC与远程I/O模块单元之间采用冗余工业现场总线通信方式。BAS系统车站结构图如图2所示。

图1 车站级环境与设备监控系统关系图

图2 BAS系统车站结构图

2.1 车站监控系统构成

车站监控系统采用冗余工业以太网构成局域网络。主要包括如下：车站工作站；IBP盘及综合操作平台；车站通信处理机负责需要与车站控制系统通信的其他系统接口；车站工业级交换机，用来构建车站集中控制局域网络系统。

2.2 车站控制系统构成

车站控制网采用冗余现场总线方式，将两侧冗余PLC、IBP盘 PLC连接起来，不会出现单点故障，确保车站监控系统对现场设备的控制以及现场设备实时信息可靠地上传到车站监控系统。工业控制网采用标准的冗余工业控制网络，网络结构为总线型式。

2.3 冗余现场控制系统构成

现场级设备主要包括冗余PLC、触摸屏、就地模块箱等。冗余PLC、触摸屏设置在各车站南/北二端环控电控室、模块箱主要设置在各照明配电室、暖通空调机房。

远程 I/O采用适配器连接到冗余现场总线，实现与主PLC的通信。

现场冗余控制网络负责车站内各个远程 I/O系统与控制器的接入，以及控制器与车站触摸屏的连接。在远程 I/O和控制器上配置通信控制器，提供全线速的数据交换。控制器上的两个通信控制器，一个用于向上连接车站各端PLC和IBP PLC，另一个用于向下连接远程I/O、与其他通信接口转换模块和控制器触摸屏。

3 车站级BAS系统软件架构

按照BAS系统软件的类型、功能、形式和运行的硬件环境，车站级 BAS系统软件可以分为 PLC软件、人机界面软件、接口软件。

车站级BAS系统软件架构如图3所示。

图3 车站级BAS系统软件架构

3.1 PLC软件

PLC软件指运行于下位机PLC的CPU中的程序，包括车站冗余PLC和IBP盘PLC。BAS系统最基本的控制功能都在车站冗余PLC软件中实现。包含对设备的基本状态进行采集和控制指令的输出，接收上位人机界面下发的控制方式和控制指令，并将数据保存在PLC中；PLC程序中以数组表格的形式保存设备模式动作表（包括火灾、阻塞、正常模式）和时间表，根据预定的工艺模式（条件、时间），自动实现模式编号的切换，也可以通过工作站下发模式编号（时间表），并根据模式编号对设备模式动作表或时间表进行查表，将表中的控制指令传递给对应的每个设备，实现模式的切换和执行。PLC控制软件节选如图4所示。

3.2 人机界面软件

图4 PLC控制软件节选

人机界面软件指运行于车站工作站、车站环境控制室触摸屏和IBP盘触摸屏的上位组态软件。人机界面软件的主要功能是进行人机信息交互，将上位的控制指令下发到下位PLC中，并将PLC中的设备状态显示在图形界面中；对报警信息进行报警显示；同时也与接口软件进行通信，衔接接口软件和下位PLC进行数据交换。人机界面监控画面节选如图5所示。

图5 人机界面监控画面节选

3.3 接口软件

接口软件指运行在车站通信处理器、现场通信模块中，负责与其他系统、设备进行数据交换的通信接口软件。FAS通信程序模块，与FAS工作站通信，判断通信状态是否正常，接收FAS系统提供的防火分区综合火灾信息，并将处理后的信息写入BAS车站监控工作站的上位组态软件中，并将BAS监控的火灾共用设备的状态反馈传输给FAS系统。PSD通信程序模块，与PSD通信，判断通信状态是否正常，接收安全门的实时状态信息，并将处理后的数据信息写入 BAS车站监控工作站的上位组态软件中。

4 车站级BAS系统功能

4.1 显示功能

车站级BAS是本车站设备的控制及管理中心，每个车站自成系统，即使脱离控制中心，也仍能全面有效地监控管理本车站的机电设备，车站级具有多级动态图形显示功能。

1）显示。可动态、分区域、分系统显示各个环控设备、动力照明、给排水设备、自动扶梯设备、安全门设备等的运行状态和故障状态等详细信息。

2）暖通工艺显示。通过环控系统图显示画面，可显示环控系统的风、水系统原理图，可以直观地了解各个设备的工作状态和设备间的关系，并可以进行环控系统的控制。

3）综合显示。用颜色变化区分车站环控设备的运行状态，用颜色交替闪烁方式、声光报警显示车站环控设备的故障情况，以引起操作人员的注意。

4）设备统计显示。以文本方式显示车站机电设备的累计运行时间、故障种类及地点等相关运行数据。更详细的运行数据可以通过数据库的报表查询获得。

5）趋势图显示。通过趋势图可以观察本车站站厅、站台、新风、排风的环境温度、湿度等参数的变化规律，显示环境参数曲线。

在设备出现报警、超时或者模式未执行成功，以及系统出现火灾和阻塞事故情况时，均在界面的报警栏产生闪动的报警信息。对重要的报警具有声光报警，弹出报警画面，提醒操作员，报警确认后消音。

4.2 控制功能

1）自动控制功能。车站控制系统根据中心级或车站级预选的环控模式，依次起动/停止模式中的相关设备。根据环境温湿度计算焓值，或者根据暖通工艺要求，控制空调系统冷冻水阀门、回风和新风阀门的开度比例，实现节能控制。充分利用自然有利条件，实施节能控制。另外，通过照明控制方案，对照明系统实行区域性分时控制，实现节电照明。

2）闭环控制功能。车站级 BAS具有闭环控制功能。通过对环境参数的检测和过程控制，实现对风系统、水系统等环控设备的自动闭环控制，进而满足环境设定指标的要求。

3）当发生阻塞时。车站 PLC接收控制中心下发的阻塞模式指令并立即执行，同时产生报警；当车站与控制中心的网络中断时，可以通过本站的BAS监控工作站或者IBP盘手动发出阻塞模式指令给PLC执行。

4）当发生隧道火灾时，则车站 BAS接收控制中心下发的隧道火灾模式指令并立即执行，同时产生报警；当发生车站火灾时，车站FAS系统通过与BAS系统PLC的接口为BAS提供经确认过的车站防火分区综合火灾信息，BAS接收车站火灾报警信号，执行相应的车站火灾模式，并进行报警；当车站与控制中心的网络中断或者车站 BAS与 FAS系统的通信出现中断，造成车站BAS无法接收到火灾信息时，可以通过本站的BAS监控工作站或者IBP盘手动发出火灾模式指令给PLC执行。

4.3 接口功能

BAS与FAS系统在车站的接口分为车站级和现场级两处接口。车站级接口软件依据接口规范所规定的通信协议与FAS系统进行通信，判断通信状态是否正常，接收FAS系统提供的防火分区综合火灾信息，并将处理后的信息供BAS车站监控工作站，仅做显示用；同时将BAS监控的火灾共用设备的状态反馈给FAS系统。

图6

图7

BAS与FAS系统在现场级接口软件依据接口规范中所规定的通信协议与FAS系统进行通信，判断通信状态是否正常，接收经确认过的车站防火分区综合火灾信息，并将处理后的信息提供给BAS车站PLC。BAS与PSD系统的接口软件依据接口规范中所规定的通信协议与PSD系统进行通信，判断通信状态是否正常，接收安全门的相关信息，并将处理后的信息供BAS车站监控工作站；同时为安全门系统提供对时的时间基准；安全门的状态不需上传至OCC。

5 结论

由于地铁的复杂性和特殊性，对车站环境和设备监控系统的控制在硬件的配置和功能上有其特殊的要求，因此，我们还要认真分析，并总结经验，根据地铁的实际情况，合理配置系统，完善系统功能，最大限度的提高地铁环境控制系统的自动化水平。

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