陳青云

（貴陽市城市軌道交通有限公司，貴州貴陽 550081）

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地鐵BAS系統(tǒng)不同組網(wǎng)方案對比研究

陳青云

（貴陽市城市軌道交通有限公司，貴州貴陽 550081）

摘 要：結(jié)合地鐵工程中BAS系統(tǒng)局域網(wǎng)設(shè)置的實際應(yīng)用情況，比較了基于羅克韋爾（Rockwell Automation）公司的ControlLogix平臺下總線型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)方案和工業(yè)以太網(wǎng)組網(wǎng)方案的不同結(jié)構(gòu)特點，并分析其各自冗余機制，為后續(xù)各地的地鐵建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵；BAS系統(tǒng)；總線型；以太網(wǎng)；組網(wǎng)方案

0　引言

環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）作為地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的一個重要集成子系統(tǒng)，承擔(dān)著地鐵車站舒適性和節(jié)能性的作用，其與火災(zāi)自動報警系統(tǒng)（FAS）的接口，實現(xiàn)了緊急情況下通風(fēng)空調(diào)設(shè)備的火災(zāi)聯(lián)動，還承擔(dān)了一定程度防災(zāi)救災(zāi)的重責(zé)[1-3]，對地鐵正常運營和保證乘客人身安全起到了至關(guān)重要的作用。目前，在城市軌道交通行業(yè)具有應(yīng)用業(yè)績的 BAS系統(tǒng)生產(chǎn)廠商主要有羅克韋爾、施耐德、西門子、通用電氣，現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)主要有全總線和全以太網(wǎng) 2 種實現(xiàn)形式[4]。本文以羅克韋爾公司 ContrlLogix 平臺下 2 種不同方案的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在實際地鐵線路中的應(yīng)用為例，分析其各自的特點，為后續(xù)線路的建設(shè)和運營提供參考。

1　全總線式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

西安地鐵 1號線線路全長 25.36km，全線共設(shè) 19座地下站，其中 5 座為換乘站。工程于 2009 年初開工建設(shè)，2013 年9月通車試運營。其車站 BAS系統(tǒng)局域網(wǎng)采用了 ControlNet 冗余雙總線的全總線網(wǎng)絡(luò)方案[5]，傳輸介質(zhì)主要為同軸電纜現(xiàn)場總線，當 2 點之間的距離超過1km 時，采用光纖連接，總線傳輸速率為 5Mbps。主端和從端的冗余 PLC[6]、綜合后備盤（IBP）、I/O、遠程 I/ O模塊都掛接在冗余的 ControlNet 控制網(wǎng)上。

1.1系統(tǒng)主要設(shè)備組成

主端冗余的 PLC系統(tǒng)主要包括 1756-L62 處理器（2 塊）、冗余同步模塊1756-RM（2 塊）、機架冗余電源模塊 1756-PA72（2 塊）、ControlNet 網(wǎng)絡(luò)通信控制器1756-CNBR（6 塊）、Ethernet/IP 以太網(wǎng)模塊 1756-ENBT（4 塊）、10 槽機架 1756-A10（2 塊）以及冗余同步模塊的光纜 1756-RMC1（1根）、TAP 分支電纜連接頭 1786-TPS（數(shù)量按需提供），以上為環(huán)控電控室 PLC 控制柜內(nèi)主要設(shè)備。除此之外還包括分布在車站站廳與站臺的遠程 I/O 箱內(nèi)設(shè)備，I/O 箱數(shù)量按照現(xiàn)場具體情況配置，每個 I/O 箱內(nèi)包含 Flex I/O 通信模塊1794-ACNR15（1 塊）、I/O 模塊底座 1794-TB3（按箱內(nèi)I/O模塊數(shù)量配置）、16 點 DI 模塊 1974-IB16、16 點 DO 模塊 1974-OB16P、8 點 AI 模塊 1974-IE8、4 點 AO 模塊1794-OE4，以上各輸入輸出模塊數(shù)量均按需配置。通信接口產(chǎn)品采用瑞典 HMS 公司的Anybus 通信轉(zhuǎn)換模塊 AB7006，BAS系統(tǒng)提供足夠數(shù)目的通信接口供相關(guān)專業(yè)的設(shè)備接入。

從端配置與主端類似，所不同的是從端采用 7 槽機架，沒有配置 Ethernet/IP 以太網(wǎng)模塊 1756-ENBT，從端通過同軸電纜與主端在 IBP 盤處相連接，IBP 盤處配置2 塊 ACNR15、5 塊 16 點 DI 模塊 1974-IB16、5 塊 16 點DO 模塊 1974-OB16，并配置和FAS等專業(yè)的通信接口。

1.2車站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

西安地鐵 1號線車站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。主從端均采用 2 套冗余的 ControlLogix PLC 控制器。以主端為例，從左至右為 PA72 電源模塊，采用背板總線的方式給整個機架提供 220V 直流電源，然后是 L62 系列的PLC，PLC 作為 BAS系統(tǒng)的核心采用 2 個 32 位的高性能工業(yè)級微處理器，分別進行 IO 掃描和程序掃描，2 個處理器可以異步執(zhí)行并共享 1 個公共數(shù)據(jù)區(qū)，最大訪問和處理 I/O 點的數(shù)字量和模擬量分別為 128K 和 4K，處理速度為 0.05ms/k。PLC 也采用背板的方式和機架上其他模塊進行通信，并且所有的模塊均支持帶電熱插拔。PLC 右邊是冗余模塊 RM，RM 模塊通過冗余同步光纜不斷地維持主、備機架之間的通信，使主、備 CPU 的程序與數(shù)據(jù)得以同步。往右是第 1 塊通信控制器 CNBR，負責(zé)與遠程 IO 模塊和通信接口模塊實現(xiàn)通信功能，再向右第 2 塊 CNBR 負責(zé)與低壓環(huán)控設(shè)備通信，第 3 塊 CNBR 負責(zé) A、B 兩端的通信。最右邊的 2 塊以太網(wǎng)模塊 ENBT 通過 2 根以太網(wǎng)線接入車站綜合監(jiān)控系統(tǒng)交換機，將 BAS系統(tǒng)所有功能交由綜合監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)。

從端結(jié)構(gòu)與主端類似，所不同的是從端沒有以太網(wǎng)模塊 ENBT，從端 PLC 處理的所有數(shù)據(jù)最后都將傳送到主端，由主端統(tǒng)一將數(shù)據(jù)傳給車站綜合監(jiān)控系統(tǒng)。

IBP 盤處的數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊分別負責(zé)接收 IBP 上信號、屏蔽門、扶梯、環(huán)控等相關(guān)專業(yè)的邏輯狀態(tài)顯示和應(yīng)急控制指令。通信模塊通過 RS485總線與 FAS 相連用于接收 FAS 的模式控制指令，以實現(xiàn)火災(zāi)聯(lián)動功能。

1.3冗余及安全機制

ControlLogix 熱備系統(tǒng)由 2 套配置完全相同的硬件系統(tǒng)和1根同步光纖組成，采用冗余機架配置，每個機架單獨供電，采用雙電源、雙 CPU、雙以太網(wǎng)模塊、冗余熱備模塊、雙遠程 I/O 的總線通信方式，實現(xiàn)了硬件上的完全冗余。其中 1 套硬件系統(tǒng)作為主控制系統(tǒng)，另外 1 套作為后備控制系統(tǒng)實時跟蹤主控制系統(tǒng)狀態(tài)，且 2 套 CPU 的掃描同步進行，從而保證在設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)通信出現(xiàn)故障時可以實現(xiàn)無憂切換。主備控制器之間切換時間最快可以達到 60ms。

冗余配置的控制器可共同操作所連接的所有 RI/O 和 I/O 設(shè)備，但同一時刻只能由主控制器發(fā)出指令，系統(tǒng)在CPU或通信出現(xiàn)故障時，所有輸出模塊均可以設(shè)置為關(guān)斷、保持及安全預(yù)設(shè)定幾種狀態(tài)之一，以確保系統(tǒng)及設(shè)備的安全。當故障恢復(fù)時，主控制器能即時地自動連接通信網(wǎng)絡(luò)，程序和內(nèi)存狀態(tài)具有斷電自保持功能。

圖1　西安地鐵 1號線車站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2　全以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

成都地鐵 4號線線路全長 21.96km，全線共設(shè) 16 座地下車站，其中 2 座為換乘站。其車站級 BAS系統(tǒng)采用光纖以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線[7]，車站兩端各配置1套冗余的 ControlLogix PLC，與 IBP 盤配置的 CompactLogix PLC 通過光纖雙環(huán)以太網(wǎng)相連，所有設(shè)備均通過交換機接入光纖以太環(huán)網(wǎng)，由于采用的是TCP/IP 協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度為 100Mbps，較總線型網(wǎng)絡(luò)傳輸速率快，并且通信協(xié)議更加開放。

2.1系統(tǒng)主要設(shè)備構(gòu)成

2 套對等冗余 PLC系統(tǒng)主要包括 1756-L71 處理器（2 塊）、冗余同步模塊1756-RM2（2 塊）、機架冗余電源模塊 1756-PA72（2 塊）、Ethernet/IP 以太網(wǎng)模塊 1756-EN2T（4 塊）、7槽機架1756-A7（2 塊）、冗余同步模塊的光纜 1756-RMC1（2 根）。遠程控制箱內(nèi) I/ O 模塊選用羅克韋爾公司的 Point I/O 系列，通過 Point 系列以太網(wǎng)通信適配器 1734-AENT 接入兩端各自的光纖環(huán)網(wǎng)，包括 8 點 DI 模塊 1734-IB8、8 點 DO 模塊 1734-OB8、8 點 AI 模塊1734-IE8C、4 點 AO 模塊 1734-OE4C以及模塊底座 1734-TOP，I/O 模塊數(shù)量均按現(xiàn)場具體設(shè)備點數(shù)確定。IBP 盤處配置 CompactLogix 系列 PLC 1768-L43（1 塊）、電源模塊 1768-PA3（1 塊）、以太網(wǎng)通信模塊 1768-ENBT（2塊）、16 點 DI 模塊1769-IQ16（5 塊）、16 點 DO 模塊 1756-OB16（5 塊）、電源模塊 1769-PA2（1 塊）、擴展電纜 1769-CRL3（1 根）。IBP 盤與 FAS 的接口通信模塊采用 AB 公司的 2080-LC50-48QWB，工業(yè)以太網(wǎng)交換機選用卓越公司的 Carat55D-6TX-2FM（2 光 6 電，數(shù)量由各站按需分配）。

2.2車站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

成都地鐵 4號線 BAS系統(tǒng)采用光纖全以太環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其車站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

圖2　成都地鐵 4號線車站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

車站 BAS 底層系統(tǒng)按照車站特點分別設(shè)置 2 套對等冗余的監(jiān)控子系統(tǒng)，它們通過光纖雙環(huán)以太網(wǎng)與 IBP 盤 PLC 相連，構(gòu)成車站 BAS 局域網(wǎng)，即完成兩端控制器與 IBP 盤之間的數(shù)據(jù)交換功能。兩端冗余控制器又與各自 I/O 箱設(shè)備組成各自單環(huán)以太網(wǎng)，完成兩端冗余控制器與兩端各自設(shè)備的通信。通信接口模塊選用羅克韋爾公司的 2080-LC50-48QWB，其自帶一小型 CPU，可自行對接入的底層設(shè)備進行數(shù)據(jù)處理，故通信接口模塊可直接接入車站級光纖雙環(huán)網(wǎng)。并且此通信接口模塊自帶 5 個串口，每個串口支持最高串聯(lián) 32 個節(jié)點通信，故一端設(shè)置 1 個通信接口模塊即可滿足需求。IBP 采用非冗余的 CompactLogix PLC，并設(shè)置一定數(shù)量的 I/O 模塊，負責(zé)接收 IBP 上信號、屏蔽門、扶梯、環(huán)控等相關(guān)專業(yè)的邏輯狀態(tài)顯示和應(yīng)急控制指令。通過通信接口模塊與 FAS 控制盤相連，實現(xiàn)火災(zāi)模式的聯(lián)動控制。IBP 盤處交換機通過以太網(wǎng)接入綜合監(jiān)控系統(tǒng)交換機，由綜合監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn) BAS系統(tǒng)的功能。

2.3冗余及安全機制

ControlLogix 控制器的冗余結(jié)構(gòu)由配置完全相同的 2 組硬件冗余設(shè)備構(gòu)成，雙機熱備應(yīng)用雙機架、雙電源、雙 CPU、雙以太網(wǎng)模塊、雙 RI/O 通信網(wǎng)絡(luò)方式，硬件冗余設(shè)備使用時無需編程。確保任一模塊不能工作或被診斷故障時，所有受控設(shè)備及模式能不間斷、無擾動地自動切換運行，同時可以通過監(jiān)控軟件和PLC系統(tǒng)的硬件按鈕進行手動切換。無論何種切換方式都能夠保證整個系統(tǒng)切換的無擾動。

在本冗余系統(tǒng)里，每個機架都配備 1 個 1756-RM2冗余管理模塊以實現(xiàn)主、備 CPU 之間的程序和數(shù)據(jù)同步，2 個 1756-RM2 之間采用 1756-RMC1 光纜連接，提供1條高速數(shù)據(jù)同步通道，及時同步程序與數(shù)據(jù)。因此，冗余系統(tǒng)對于外部連接的設(shè)備來說是完全透明的，發(fā)生 CPU 切換時外部連接的設(shè)備不會察覺到，設(shè)備運行狀態(tài)不會因為切換而發(fā)生不穩(wěn)定，是無擾動的冗余切換機制。PLC 的主備 CPU 切換時間最低可達到 60ms。

表1　BAS系統(tǒng)以太網(wǎng)和總線組網(wǎng)方案特性對比

3　系統(tǒng)比較

由上述分析可知，由于全總線和以太網(wǎng) 2 種 BAS系統(tǒng)組網(wǎng)類型都是采用羅克韋爾公司的 ControlLogix 系列冗余控制器，冗余切換機制基本相同。其主要區(qū)別如表 1 所示。

4　總結(jié)

綜上所述，全總線型和以太網(wǎng)型方案均可以滿足地鐵車站 BAS系統(tǒng)主要需求指標。對于實時性和可靠性要求比較高的場合，總線型比以太網(wǎng)具有更大的優(yōu)勢；對于開放性和與其他系統(tǒng)互聯(lián)互通要求較高的場合，以太網(wǎng)比總線型具有更廣泛的應(yīng)用。無論是全總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還是全以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，均具有各自的優(yōu)點和缺點，在滿足系統(tǒng)性能指標的前提下，綜合考慮各方因素，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

參考文獻

[1] 陳鵬. BAS系統(tǒng)在地鐵中的應(yīng)用[J]. 中國科技報，2002，15（2）：33-36.

[2] 許巧祥. 南京地鐵BAS設(shè)計的技術(shù)創(chuàng)新[J]. 都市快軌交通，2005，18（4）：61-64.

[3] 張紹，陳曉東. BAS系統(tǒng)在地鐵環(huán)境中的應(yīng)用及實現(xiàn)[J]. 地鐵與輕軌，2003（5）：30-37.

[4] 曲立東. 城市軌道交通環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[5] 西安地下鐵道有限責(zé)任公司. 西安地鐵1號線一期工程（后衛(wèi)寨至紡織城）綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成采購項目合同技術(shù)規(guī)格書（二）專用技術(shù)要求[G]. 陜西西安，2010.

[6] GB 50157-2013地鐵設(shè)計規(guī)范[M]. 北京：中國計劃出版社，2013.

[7] 成都地鐵有限責(zé)任公司. 成都地鐵 4號線一期工程綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成與施工總承包合同技術(shù)規(guī)格書（二）專用技術(shù)要求[G]. 四川成都，2013.

責(zé)任編輯 凌晨

Study on Two Different Networking Schemes in Metro BAS

Chen Qingyun

Abstract:The paper discusses the practical application of LAN settings of the metro BAS, and compares the different structure characteristics the main line networking structure scheme based on Rockwell Automation’s ControlLogix platform and the industrial Ethernet networking scheme. It analyzes the respective mechanism of redundancy, provides some references for metro construction around the follow-up.

Keywords:metro, BAS, main line type, Ethernet network, networking schemes

中圖分類號：U270.34

作者簡介：陳青云（1986—），男，工程師

收稿日期2016-01-19