SCADA 系统在地铁项目中的设计与实现

兰志军

（太原轨道交通集团有限公司， 山西 太原 030000）

引言

近年来，随着城市规模的不断扩大，人民生活水平的不断提升，为提高人们上下班的通勤效率，减缓城市早晚高峰拥堵情况，以地铁为主以地铁为主的城市轨道交通因其运量大、速度快以及节能、环保等优势被广泛应用。地铁作为电气化高度集成的铁路系统，随着城市地铁网络不断扩大，对其信息化建设的要求越高[1]。信号系统、通信系统以及SCADA 系统是地铁信息化建设中的三个分系统。其中，SCADA 系统即监控和数据采集系统，可将地铁中各个分散且相对独立的系统集成为一体，实现全区域资源的互通和共享。本文重点开展SCADA 系统在地铁项目中的应用研究。

1 SCADA 系统概述及项目概述

1.1 SCADA 系统概述

基于SCADA 系统，可实现下位机与工作现场各类控制仪表、执行机构之间的通信，实现监控中心与远程客户端之间的通信。随着城市地铁网络的不断扩大，对地铁的信息化、智能化以及数字化的要求越来越高，直接体现为对SCADA 系统的数据通信技术和网络技术的严格要求[2]。

SCADA 系统的数据传输方式包括通用串行通信技术和现场总线技术。SCADA 系统除了常见的无线通信技术外，还可用无线计算机局域网、无线电台、GSM、GPRS 以及-800 MHz 无线集群技术等。SCADA系统可依据经典的OPC 标准和OPC UA 标准实现数据通信和交换。SCADA 系统是在监测的基础上，对现场执行机构进行控制，从而保证现场设备或者机器能够按照预定规律运行。SCADA 系统可采用的自动控制技术包括有开环控制、闭环控制、随动控制、定制控制、离散控制、线性控制和非线性控制等。

本文将重点以北京某地铁线路为例，进行SCADA 系统在地铁项目中的应用研究。

1.2 项目概述

北京15 号地铁线路在建设初期共分为三阶段工程，15 号地铁线路总长度为40.8 km，整个地铁线路包含有地下线路和高架线路。其中，地下线路长度约27.1 km，高架线路的长度约为13.7 km。其中第一阶段线路长度为20.2 km，共包含有4 个地下车站和4个高架车站。第二阶段线路长度约10.8 km，包含有4个地下车站。第三阶段线路长度约9.8 km，包含有5个地下车站。

2 SCADA 系统在15 号线地铁线路中的设计与实现

在15 号线地铁线路中设计SCADA 系统，可使该地铁线路与北京市的轨道交通指挥控制中心实现互联互通，保证在紧急情况下可实现交通指挥控制中心对该地铁线路的统一管理和控制。为保证互联互通功能的可靠、稳定实现，将该地铁线路中的SCADA 系统设计为三级管理三级控制模式，包括全线控制中心、车站级控制中心和本地级控制中心[3]。具体功能描述如下：

1）全线控制中心：作为SCADA 系统的上层控制中心，对地铁线路的电力、环境、屏蔽门、广播、自动售票以及火灾等系统进行控制。

2）车站级控制中心：对该地铁线路中各个站点的系统和设备进行管理和监控。

3）本地级控制中心：对地铁线路中的设备进行就地控制。

结合15 号地铁线路的实际情况，为其匹配性设计的SCADA 系统的总体架构如下页图1 所示。

2.1 SCADA 系统的互联互通

将子系统中的各个分系统在SCADA 系统的作用下实现集成，包括系统的集成和系统界面的集成，是SCADA 系统实现互联互通的基础。基于SCADA 系统，可实现对15 号地铁线路中的电力和环境系统的监控，并将视频监控、广播和屏蔽系统与火灾、自动售票检测、信息显示以及门禁等系统实现界面集成[4]。基于SCADA 系统实现15 号地铁线路的集成和互联，对应的应用效果如下页图2 所示。

根据15 号地铁线路的站点数和北京轨道交通指挥中心统一指挥功能，SCADA 系统的子系统在地下车站和高架车站所配置的接入点如表1 所示。

表1 SCADA 系统接入点配套数量

2.2 SCADA 系统的软件设计

为实现15 号地铁线路中SCADA 系统的功能，在硬件配置的基础上设计了合理、全面的软件架构体系[5]。结合SCADA 系统的功能需求，其对应的软件结构包括有数据接口层、数据处理层和人机接口层。各层结构的功能如下：

1）数据接口层：该层软件主要对相关数据进行采集，并对所采集的数据进行转换，所配套的硬件为远程前端处理器。

2）数据处理层：该层软件主要是对所采集的数据进行处理，所配套的硬件主要包括有中心服务器和车站服务器。

3）人机接口层：该层软件主要服务于操作人员，所配套的硬件为现场操作的工作站。

SCADA 系统在15 号地铁线路中应用的软件结构如图3 所示。

2.3 SCADA 系统的网络通信设计

根据15 号地铁线路各个站点的网络通信需求和15 号地铁线路与北京轨道交通指挥中心的通讯需求，将其所配套的SCADA 系统的通信网络分为主干层网络、局域网和现场层网络。各层通信网络的设计如下：

1）主干层通信网络主要依靠光纤实现数据传输，实现交通指挥中心、各站点和各车辆段数据的高速传输。

2）局域网依靠以太网实现数据传输，主要实现各个子系统之间的数据通信。

3）现场层网络依靠现场总线技术实现数据传输，主要是电力监控子系统、环境监控子系统等各个子系统的内部数据传输。SCADA 系统的网络通信架构如图4 所示。

3 结语

近年来，随着我国国民经济的飞速发展，地铁已经成为城市交通不可分割的一部分。为了实现城市交通的统一管理和指挥，为地铁项目设计匹配的SCADA 系统非常有必要。基于SCADA 系统实现地铁项目中各个站点之间的互联互通，实现各个站点中各类设备和子系统的信息传输，实现整条地铁线路控制中心与交通指挥控制中心的通信，为保证地铁的安全、可靠运行奠定了坚实的基础。