城市轨道交通建筑设备监控系统设计研究

李 莉，苗 晨

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

城市轨道交通建筑设备监控系统设计研究

李 莉，苗 晨

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

建筑设备监控系统（BAS）是城市轨道交通中不可或缺的重要系统，随着其系统设计的日趋成熟，多种系统结构形式也涌现出来。在具体的项目设计中，宜选用怎样的结构形式。结合在建的莞惠城际轨道交通，论述BAS的系统结构与网络、系统功能，研究比选系统整体及各级功能、接口设计等，以期对城市轨道交通项目的BAS设计有一定的参考价值，使其设计更合理、更高效。

城市轨道交通；建筑设备监控系统；设计

1 概述

城市轨道交通建筑设备监控系统(BAS)是对车站建筑物内的冷冻及冷却水、热源及热交换、采暖通风及空气调节、给排水、公共照明、电扶梯、环境质量参数等建筑设备和系统进行集中监视、控制和管理的系统。BAS系统的作用为节约能源、方便管理、实现无人值班［1]。合理的设置BAS系统,对整个城市轨道交通线路的运营至关重要。如何科学地设置BAS系统？应遵循分散控制、集中管理、资源共享的基本原则。

2 系统结构与网络

在地下线路为四站三区间及以上时,BAS应设中央管理级。在地下线路为三站二区间或以下时,可不设置中央管理级,仅设车站管理级。

莞惠城际全线新建车站17个,其BAS采用分布式计算机系统,由中央管理级、车站监控级、现场控制级及相关通信网络组成。系统功能具有中央和车站两级监控功能,系统结构由中央管理级、车站监控级、就地控制级三级结构组成［2]。

网络由中央级、车站级监控网、现场总线及通信传输网组成。中央级与车站级网络之间通信传输骨干网络由通信系统的传输系统提供。管理网络采用TCP/IP通信协议的开放型的以太网络,以太网络采用物理星形逻辑总线的拓扑结构或环形结构。控制网络由控制总线、现场总线或控制总线与现场总线混合组成。车站级局域网连接控制器、操作站和通信设备。因受控对象系统以数字测控参数为主,选用PLC控制。

莞惠城际FAS、BAS独立设置,系统之间设置高可靠性通信接口,防排烟系统与正常送排风系统合用的设备正常运行由BAS统一监控,火灾工况BAS接受由FAS发布的火灾模式指令,BAS优先执行相应的控制程序。专用排烟风机、消防泵等火灾专用设备由FAS直接控制［3]。

3 系统整体功能

BAS具有机电设备监控、执行防灾及阻塞模式、环境监控与节能运行管理、环境和设备的管理和系统维修功能。此部分为各城际轨道交通BAS系统均应实现的功能。

(1)机电设备监控:具有中央及车站两级监控信息管理；BAS控制命令应能分别从中央工作站；车站工作站和车站紧急控制盘IBP人工发布或由程序自动判定执行；注册和操作权限设定功能。

(2)执行防灾及阻塞模式:具有接收车站FAS自动或手动火灾模式指令,执行车站防烟、排烟模式；接收列车区间停车位置、火灾部位信息,执行隧道防排烟模式；接收列车区间阻塞信息,执行阻塞通风模式；监控车站逃生指示系统和应急照明系统；监视各排水泵房危险水位功能。

(3)环境监控与节能运行管理:通过对车站环境参数检测对能耗进行统计分析,控制通风、空调设备优化运行,提高整体环境的舒适度及降低能源消耗。

(4)环境和设备的管理:能对车站环境等参数进行统计；对设备的运行状况进行统计,据此优化设备的运行；形成维护管理趋势预告,提高设备管理效率。

(5)系统维修:监视全线BAS的设备运行状态,对系统设备进行集中监控和管理；对全线BAS系统软件进行维护、组态、运行参数的定义、系统数据库的形成及用户操作界面的修改等；通过对硬件设备故障的判断,保证对系统进行实时监控及维护。

4 系统设计

4.1 系统整体结构设计

BAS系统按照与其他系统的集成关系,其整体结构形式可分为独立系统和集成系统两大类结构形式。

4.1.1 独立系统结构

根据BAS承担的功能范围,独立系统结构可分为完全独立系统结构、无中央级功能的集成ISCS结构、有中央级功能的集成ISCS结构。

(1)完全独立系统结构

BAS具有完整和独立的中央管理级、车站监控级和就地(现场)控制级结构与功能,通过通信传输骨干网构建完整的系统。南京地铁1号线,天津地铁,广州地铁1号、2号线,北京地铁1号、2号、4号线采用该结构。

(2)无中央级功能的集成ISCS结构

BAS具有完整的车站级系统结构及功能,不具有中央级结构与功能,中央级监控功能由ISCS实现。BAS不提供与通信传输骨干网接口,在车站级向ISCS提供接口。广州地铁3号线、北京地铁5号线、成都地铁1号线采用这种结构。

(3)有中央级功能的集成ISCS结构

BAS具有完整结构,通过通信传输骨干网构建完整的系统,同时在车站级向ISCS提供接口。正常情况下,由ISCS实现中央级监控功能,BAS中央管理级作为后备工作站。广州地铁4号线、莞惠城际采用这种结构。

4.1.2 集成系统结构

BAS不作为一个独立的系统,被集成在其他系统中。根据系统集成规模可分为集成于其他子系统结构和高度集成BAS功能的ISCS结构。

(1)集成于其他子系统结构

BAS设备较少,其监控范围的规模较小,BAS不承担防灾功能时,不设置独立的中央及车站监控级,不构建专用网络,集成于其他子系统网络平台实现功能。北京城铁13号线采用该结构。

(2)高度集成BAS功能的ISCS结构

BAS功能高度集成于ISCS,构成高度集成BAS功能的ISCS,BAS不作为一个独立的子系统,而是集成于ISCS中的一项专业功能,ISCS建立统一的监控层硬、软件平台。BAS具有独立的控制层及现场层网络或总线结构,具有专用的、完整的控制及接口设备。中央级和车站级监控是基于ISCS,与其他被集成或互连的系统共享监控设备。车站及中央的监控功能作为ISCS的一项功能存在。深圳地铁4号线、广州地铁5号线、北京地铁10号线、西安地铁2号线采用该结构。

4.1.3 系统结构对比

无中央级功能的集成ISCS结构、有中央级功能的集成ISCS结构具有较高的技术先进性,高度集成BAS功能的ISCS结构已逐渐成为国内轨道交通构建监控系统的趋势。系统结构对比见表1。

表1 系统结构对比

4.2 车站级结构设计

以莞惠城际为例,车站级结构网络主要有以下几种方案。

方案一:车站设2组冗余主控制器,见图1。

图1 BAS系统车站级设计方案一

车站采用双端冗余配置PLC结构。在靠近车站值班室一侧的环控电控室配置一组冗余的工业级PLC主控制器,在车站另一端的环控电控室配置冗余从控制器,车站值班室内配置BAS接口网关与FAS相连,两端环控电控室内冗余的主控制器之间通过冗余现场总线相连,RI/O、与其他系统连接的接口网关通过冗余现场总线与各自端的冗余PLC控制器相连,冗余主PLC控制器配置以太网接口卡与通信系统连接。

本方案的特点是双端冗余PLC配置,方案适应范围广,BAS与FAS的联动控制直接,紧密,由于FAS报警控制盘与主控制器直接相连,IBP综合后备盘RI/O与主控制器冗余配置,整个系统的可靠性高。

方案二:车站设一组冗余主控制器,见图2。

图2 BAS系统车站级设计方案二

BAS采用单端冗余配置PLC结构。在车站靠近车站值班室一端配置一组冗余工业级PLC控制器；在车站值班室内配置接口网关与FAS系统相连,通过总线与车站控制室内IBP内的RI/O连接。BAS控制器通过双以太网与通信系统车站交换机连接。主控制器与RI/O采用总线连接,构成车站的星型局域网,监控整个车站机电设备。

本方案的特点是监控管理更加集中,投资相比偏低,编程方便,但现场总线较多,布线相对比较复杂,现场总线长度增加,整个车站需集中调试。

对车站级BAS网络构成方案一和方案二的比选见表2。

表2 BAS网络构成方案比选

经过以上技术经济综合比较,莞惠城际地下站推荐方案一为主选方案,地上站推荐方案二为主选方案。

5 各级系统功能

(1)中央级功能

显示全线各站的设备状态,并可以发出控制指令；在数据库中存储各车站设备状态、环境状态等信息数据,并提供分析处理、查询、打印等功能；协调各站BAS的运行,实现全线设备的联合运行。

(2)车站级功能

显示本站的设备状态,并可以发出控制指令；接收并存储本站设备状态、环境状态等信息数据；对本站设备、环境状态数据进行分析处理,得到当前的合理运行模式和相关参数,并向本站各PLC控制器发出模式指令和参数；接受控制中心指令,并指挥PLC控制器执行；接收车站FAS控制器的火灾信号,根据预定方案向本站各PLC控制器发出相应的运行模式指令。

(3)就地级功能

实现单台设备进行就地控制,满足设备的现场调试要求；实现对现场信号的采集、信号的转换和控制信号的输出；具有智能通信接口的各个现场设备通过现场总线,实现数据的通讯；各相关通信接口,主要实现不同通信要求的转换,保证通信数据的实时采集和安全传输。

6 硬、软件配置要求

(1)设备应选择具备可靠性、容错性、可维护性和工业级控制产品；具有标准、开放的通信接口和协议,实现智能仪表、设备和系统的数据交换,并能向集成系统提供接口；控制器宜采用可扩展、易维修的模块化结构,并具有远程编程功能；输入输出I/O模块可具有带电插拔功能及必要的隔离措施；传感器的输出应选用标准电信号；系统应具有抑制变频器谐波及防噪声干扰的措施。

(2)软件系统应与硬件系统配置相适应,应在成熟、可靠、开放的监控系统软件平台的基础上,按城市轨道交通功能需求开发应用软件；软件系统应采用模块化结构,应具有良好的开放性和扩展性；软件体系应具备完整的系统维护和诊断功能,以及良好的人机界面。

7 系统电源及接地

BAS为一级负荷,双路电源供电,双电源经切换箱供至系统自带UPS。设备电源由UPS供电。UPS后备电源可保证系统正常工作1 h。

接地采用共用综合接地装置,所有BAS现场机柜等设备均接地并接入综合接地系统,接地电阻不大于1 Ω［4]。

8 与各主要系统的接口

BAS与其他主要系统的接口有:与通信系统、ISCS、FAS、通风与空调系统、给排水系统、动力照明、电梯及自动扶梯系统、土建专业等。因其余皆为常规接口,仅就莞惠城际BAS与ISCS系统接口进行论述。

莞惠城际轨道交通设有ISCS系统,为节约资源, BAS不再单独设置工作站,系统功能集成于ISCS系统内,即BAS采用有中央级功能的集成ISCS结构。因此,与综合监控系统的接口在综合监控设备室设备配线架外侧、车站控制室IBP盘的配线架外侧。BAS负责向综合监控系统提出数据通信接口、数据内容及格式、数据传输时机等要求。综合监控系统负责提供主时钟同步信号,实现全线BAS监控功能。

9 结语

城市轨道交通建筑设备监控系统在于将各种建筑设备的信息进行分析、归类、判断、处理,采用最优化的控制手段,对系统设备进行集中监控和管理,使各子系统设备处于有条不紊的状态下运行,降低系统造价和管理费用,节省能耗,在保证系统充分运行的同时,提高智能建筑的高水平管理和服务,使投资得到良好回报［5]。在具体项目设计中,除应遵循基本设计原则外,还应满足运营管理的需要,服务功能与管理体制相适应,并考虑当地的特殊因素等,设置技术水平合理、科学高效的BAS系统。

［1] 徐起万.地铁车站设备监控系统的设计［J].铁道标准设计, 1997(12).

［2] 刘永谦.地铁FAS、BAS系统设计中几个问题的探讨［J].铁道标准设计,2006(4).

［3] 中铁工程设计咨询集团有限公司.东莞至惠州城际轨道交通初步设计文件［Z].北京:中铁工程设计咨询集团有限公司,2010.

［4] 王著,路勇.地铁环境与设备监控系统的设计［J].铁路计算机与应用,2011(12).

［5] 李士峰.地铁环境与设备监控系统(BAS)设计浅谈［J].铁道勘测与设计,2005(3).

［6] 钟松辉,赵军.广州地铁电气、电动蝶阀、BAS系统间的配合［J].铁道标准设计,1999(Z1).

［7] 铁道第四勘察设计院.广州至珠海(含中山至江门)城际快速轨道交通工程初步设计文件［Z].武汉:铁道第四勘察设计院,2005.

［8] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中华人民共和国建设部.GB50157―2003地铁设计规范［S].北京:中国计划出版社,2003.

［9] 中华人民共和国建设部.JGJ16―2008民用建筑电气设计规范［S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

［10]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50116―2013火灾自动报警设计规范［S].北京:中国计划出版社,2013.

［11]曲立东.城市轨道交通环境与设备监控系统设计与应用［M].北京:电子工业出版社,2010.

［12]魏晓东.城市轨道交通自动化系统与技术［M].北京:电子工业出版社,2004.

Design Research on Building Automation System Used in Urban Rail Transit

LI Li,RUI Chen
(China Railway Engineering Consulting Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China)

U231+.6

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.031

1004-2954(2014)07-0134-05

2014-01-20；

2014-02-26

李 莉(1983―),女,工程师,2008年毕业于北京理工大学控制理论与控制工程专业,工学硕士,E-mail:14494541@qq.com。