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　　一、項(xiàng)目簡介

　　1. 概述

　　北京地鐵5號線線路南起宋家莊，北至太平莊北站，線路全長約27.6km。全線設(shè)22座車站，其中16 座地下站，分別為宋家莊，劉家窯、蒲黃榆、天壇東門、磁器口、崇文門、東單、燈市口、東四、張自忠路、北新橋、雍和宮、和平里北街、和平西橋、北土城東路、干楊樹，線路總長約16.9km。平均站間距為0.9km，其中兩個(gè)區(qū)間長度超過1.5km，最長站間距離1.7km。6座地面站，分別為大屯、大羊坊、立水橋、立水橋北站、太平莊、太平莊北，線路總長約10.7km，在太平莊設(shè)置車輛段1座、在宋家莊設(shè)停車場1座、在小營設(shè)控制中心1 座。地鐵5號線是北京奧運(yùn)會(huì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目之一，計(jì)劃2007 年6月30日建成并投入運(yùn)營。規(guī)劃年限初期為2009 年，近期為2016 年，遠(yuǎn)期為2031年。

　　北京地鐵五號線設(shè)有8 座換乘車站，分別為：宋家莊站與亦莊線、11號線、10 號線換乘；崇文門站與地鐵2 號線換乘；東單站與地鐵1號線換乘；東四站與地鐵6號線換乘；張自忠路站與地鐵3 號線換乘；雍和宮站與地鐵2 號線換乘；北土城東路站與地鐵10號線換乘；立水橋北站與地鐵13 號線換乘。5 號線BAS與換乘站的接口通過綜合監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

　　此項(xiàng)目由北控電信通公司做為北京地鐵5#線BAS 項(xiàng)目的總包商，西門子在此項(xiàng)目中負(fù)責(zé)5 個(gè)典型車站的軟件功能設(shè)計(jì)、編程、組態(tài)和調(diào)試。包括2個(gè)地下站、1個(gè)地上站、1個(gè)停車場、1個(gè)車輛段。

　　北京地鐵五號線機(jī)電系統(tǒng)包括：火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)（FAS）、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）、暖通空調(diào)系統(tǒng)、低壓配電與動(dòng)力照明系統(tǒng)、給排水、電梯系統(tǒng)。

　　2. BAS工藝概述

　　北京地鐵五號線的環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（簡稱BAS）包括16個(gè)地下車站的站級BAS、6個(gè)地面車站站級BAS、宋家莊停車場的站級BAS、太平莊車輛段的站級BAS。該系統(tǒng)對北京地鐵五號線22 個(gè)車站及停車場、車輛段的暖通空調(diào)系統(tǒng)、給排水、低壓配電與動(dòng)力照明系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、車站事故照明電源等車站設(shè)備進(jìn)行全面、有效地進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)控及管理，確保設(shè)備處于安全、可靠、高效、節(jié)能的最佳運(yùn)行狀態(tài)，從而提供一個(gè)舒適的乘車環(huán)境，并能在火災(zāi)或阻塞等災(zāi)害狀態(tài)下，更好地協(xié)調(diào)車站設(shè)備的運(yùn)行，充分發(fā)揮各種設(shè)備應(yīng)有的作用，保證乘客的安全和設(shè)備的正常運(yùn)行。

　　北京地鐵五號線的綜合監(jiān)控系統(tǒng) （ISCS）面向的對象是控制中心（OCC）的調(diào)度員（如行車調(diào)度員、電力調(diào)度員、環(huán)境調(diào)度員、維修調(diào)度員、總調(diào)度員等）和車站值班人員（包括車站值班站長、操作員）。綜合監(jiān)控系統(tǒng)可以根據(jù)不同運(yùn)營人員的不同需求提供不同的信息。BAS系統(tǒng)設(shè)置2路獨(dú)立IP 的100M 以太網(wǎng)接口與ISCS的通信前置機(jī)聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)BAS與ISCS 的數(shù)據(jù)交換。

　　車站BAS系統(tǒng)作為ISCS 的一個(gè)子系統(tǒng)，可以通過接口實(shí)現(xiàn)和綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成，從而在綜合監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下完成車站BAS功能。同時(shí)車站BAS系統(tǒng)又可以形成一個(gè)以車站為單位的相對獨(dú)立的系統(tǒng)，通過車站維修工作站、現(xiàn)場觸摸屏、PLC 控制器等完成對車站環(huán)境與機(jī)電設(shè)備的監(jiān)控，可以脫離ISCS 而獨(dú)立工作。

　　通常情況下，ISCS 完成中央級及車站級的BAS功能的監(jiān)控任務(wù)，包括設(shè)備的遠(yuǎn)程點(diǎn)控、組控及模式控制，并實(shí)時(shí)監(jiān)視各車站BAS 被控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。BAS系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)車站級的控制功能，通過PLC 控制器及接口設(shè)備將現(xiàn)場各被控設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，整理，一方面用于ISCS 的監(jiān)控，一方面用于BAS 維修工作站及現(xiàn)場操作平臺(tái)的監(jiān)控。同時(shí)接收來自上述的數(shù)據(jù)及命令，經(jīng)優(yōu)先級判斷、沖突判斷后執(zhí)行對被控設(shè)備的控制功能。

　　3. 車站BAS功能

　　1） . 車站綜合監(jiān)控系統(tǒng)在調(diào)控地鐵舒適度的同時(shí)，根據(jù)空調(diào)環(huán)境溫、濕度計(jì)算焓值，控制空調(diào)系統(tǒng)冷凍水閥門。充分利用自然有利條件，實(shí)施節(jié)能控制。在車站級控制方式下，車站綜合監(jiān)控系統(tǒng)可進(jìn)行環(huán)控工藝模式選擇（允許多組模式選擇）、修改和添加通過執(zhí)行不同的環(huán)控模式和照明控制方案，實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。

　　2） . 接收本站火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)送的報(bào)警指令，本站綜合監(jiān)控系統(tǒng)停止命令發(fā)送，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警具有控制優(yōu)先權(quán)，并返回指令的執(zhí)行信號。

　　3） . 模式執(zhí)行。所監(jiān)視的模式分類如下：

　　正常模式

　　阻塞模式

　　夜間模式

　　時(shí)間表

　　4） . 單動(dòng)控制功能：在車站綜控室，通過操作員工作站，可實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場機(jī)電設(shè)備的遠(yuǎn)程單動(dòng)控制。

　　4. BAS中西門子產(chǎn)品配置

　　1） PLC 及IO 的型號

　　16 個(gè)地下站分別選用S7 414-2H 型PLC 做為主控制器，每個(gè)地下站采用兩套S7414-2H 型PLC 控制器，分別設(shè)置在車站的南北端。在停車場、車輛段以及6個(gè)地面站選用S7 414-3型PLC 做為主控制器。每個(gè)地下站中選用的專用PLC 均選用S7 300 系列PLC。以下配置以一個(gè)典型地下站為例

　　2） 車站的遠(yuǎn)程IO 模塊采用：ET200M 系列模塊。

　　3） 地下站設(shè)置雙冗余以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)配置如下：

　　4） 現(xiàn)場總線：采用冗余Profibus 現(xiàn)場總線，主要用來完成遠(yuǎn)程IO 與PLC 主站的通信。

　　5） 監(jiān)控計(jì)算機(jī)

　　6） 軟件

　　二、 控制系統(tǒng)構(gòu)成

　　1. 整個(gè)項(xiàng)目中的硬件配置、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；各組成部分選擇的依據(jù)。

　　車站BAS設(shè)備由車站BAS局域網(wǎng)、車站BAS控制器（PLC）、遠(yuǎn)程I/O、現(xiàn)場總線、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、BAS維修工作站、傳感器、接口轉(zhuǎn)換設(shè)備等構(gòu)成。主要設(shè)置在環(huán)控電控室、照明配電室、暖通空調(diào)機(jī)房、電梯系統(tǒng)的控制箱等位置。

　　具體描述如下：

　　對于16 個(gè)地下站BAS系統(tǒng)，每個(gè)地下站由如下設(shè)備構(gòu)成：通信介質(zhì)為光纖的冗余的雙環(huán)型工業(yè)以太網(wǎng)――選用西門子的SCALANCE網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)組建；兩對熱備冗余的PLC 控制器――選用西門子S7 414-2H 及其配套設(shè)備組成；1套不冗余的專用PLC控制器和1 套不冗余的IBP 盤PLC――選用西門子S7 300PLC 組成；冗余的Profibus 現(xiàn)場總線；若干遠(yuǎn)程IO 站及模塊――選用西門子的ET 200M 遠(yuǎn)程站及相關(guān)IO 模塊組成；1個(gè)BAS維修工作站（含監(jiān)控軟件）――選用西門子工業(yè)級工控機(jī)和工業(yè)監(jiān)控SCADA系統(tǒng)軟件WinCC 構(gòu)成；還有若干傳感器和接口轉(zhuǎn)換設(shè)備等構(gòu)成。其中劉家窯、蒲黃榆、天壇東門、磁器口、雍和宮、和平西里、干楊樹等7個(gè)站需使用光纖來連接區(qū)間PLC，其中蒲黃榆需要連接兩個(gè)區(qū)間PLC，在總線末端使用總線藕合器及OLM 來連接光纖和區(qū)間PLC 。

　　CPU 設(shè)計(jì)要求：根據(jù)地鐵車站建筑形式，分為南端與北端BAS子系統(tǒng)，同時(shí)綜合考慮地鐵系統(tǒng)的安全　　性、先進(jìn)性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的需求，每端各設(shè)置一對冗余的S7 414HPLC 站。當(dāng)任一一端的CPU 故障，不影響另一端設(shè)備正常監(jiān)控。每套S7414H PLC 包含如下模塊：兩個(gè)互為獨(dú)立的安裝機(jī)架，兩塊功能和配置完全相同的S7414H 型CPU（帶DP口和MPI口）、兩個(gè)互為冗余的PS 407 電源模塊、兩塊互為冗余的CP343-1型100M 以太網(wǎng)模塊（連接綜合監(jiān)控的PLC，增加兩塊CP343-1 以太網(wǎng)模塊），2塊4M 的擴(kuò)展內(nèi)存卡，4 塊通信速率達(dá)10MB的光纖同步模塊，2條CPU 數(shù)據(jù)同步光纖，4塊用于保持的電池。每端的CPU 分別連接各自端的遠(yuǎn)程IO 和通訊設(shè)備。

　　專用PLC：每個(gè)地下站均需要配備專用PLC－S7 300用于本站的冷水機(jī)組和IBP的監(jiān)控。

　　以太網(wǎng)絡(luò)：系統(tǒng)根據(jù)車站建筑形式分為南端與北端BAS子系統(tǒng)。車站的環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)分二層布置，第一層為站級系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，采用工業(yè)以太網(wǎng)，擔(dān)負(fù)BAS與ISCS,南北端PLC 間、維修工作站同南北端PLC的數(shù)據(jù)交換。采用SCLANCE 交換機(jī)配置為冗余的雙環(huán)以太網(wǎng)。

　　現(xiàn)場總線網(wǎng)：第二層為現(xiàn)場設(shè)備級網(wǎng)絡(luò)，采用冗余PROFIBUS 工業(yè)控制網(wǎng)，擔(dān)負(fù)BAS控制器與BAS現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。由于第三方的通訊設(shè)備轉(zhuǎn)換模塊（DS）以及專用PLC 的通訊接口為單PROFIBUS總線，所以采用Y-LINK 連接器,將冗余的雙PROFIBUS總線轉(zhuǎn)換為單PROFIBUS總線。

　　第三方的通訊設(shè)備轉(zhuǎn)換模塊（DS）：地鐵中很多第三方通訊的設(shè)備需要監(jiān)控，例如冷水機(jī)組、FAS、電扶梯、電梯、輪椅升降臺(tái)、EPS、UPS、振動(dòng)檢測、變頻器。此次采用鼎實(shí)公司的通訊轉(zhuǎn)換模塊，將以上設(shè)備轉(zhuǎn)換為PROFIBUS 通訊，接入BAS系統(tǒng)。如圖 1 中的DS 設(shè)備

圖 1 地下站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖



圖 2 南端大系統(tǒng)－系統(tǒng)圖



圖 3 南端大系統(tǒng)－模式表圖



圖 4 電梯系統(tǒng)圖



圖 5 冷水系統(tǒng)圖 



圖 6 控制權(quán)交接圖



圖 7 報(bào)警表

　　三、 BAS 實(shí)現(xiàn)的功能

　　1. 控制功能

　　BAS 系統(tǒng)的被控對象是車站的各種機(jī)電設(shè)備，由西門子自動(dòng)化產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)下述BAS 系統(tǒng)設(shè)備控制功能：

　　（1）模式控制：屬于一種特定的設(shè)備組控制。模式的定義是根據(jù)工藝設(shè)計(jì)要求而形成，其觸發(fā)可有兩種方式：人為觸發(fā)（HMI，IBP）和自動(dòng)觸發(fā)（FAS 系統(tǒng)）。

　　BAS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對本站所有模式及模式控制相關(guān)設(shè)備的監(jiān)控與操作功能。如：

　　正常模式控制;

　　早晚換氣模式控制;

　　阻塞模式控制;

　　火災(zāi)模式控制;

　　采用STEP7中SCL語言編寫模式控制邏輯塊FB，模式控制邏輯塊的輸入管腳為各系統(tǒng)的模式號。輸出為根據(jù)模式號控制的一組設(shè)備的控制指令。模式控制的優(yōu)先級在BAS系統(tǒng)中是最低的，因此在OB35中進(jìn)行調(diào)用，掃描周期設(shè)置為500ms。

　　（2）焓值自動(dòng)控制：主要是面向車站空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的一種控制方式。BAS將實(shí)時(shí)檢測車站的空氣參數(shù)并進(jìn)行焓值運(yùn)算，根據(jù)室內(nèi)外焓值和溫度，確定空調(diào)運(yùn)行工況，實(shí)時(shí)控制空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行，如控制空調(diào)新風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，各種風(fēng)閥的控制，冷水機(jī)組的控制等；

　　采用STEP7中SCL語言編寫焓值自動(dòng)控制邏輯塊FB，邏輯塊的輸入管腳為焓值和溫度，自動(dòng)調(diào)節(jié)的死區(qū)。輸出為計(jì)算后需要執(zhí)行的相關(guān)工況模式號。焓值控制分為暖通空調(diào)系統(tǒng)和冷水系統(tǒng)，暖通空調(diào)系統(tǒng)的焓值控制在南、北端的PLC 中完成。由于冷水系統(tǒng)的被控制設(shè)備，均接在冷水機(jī)房的專用PLC中，因此冷水系統(tǒng)的焓值控制在專用PLC 完成。

　　（3）時(shí)間表控制正常工況下設(shè)備運(yùn)行控制基本上采用時(shí)間表控制方式。時(shí)間表作為BAS控制設(shè)備在正常情況下運(yùn)行的控制輸出，它以設(shè)備、設(shè)備組或系統(tǒng)為單位，確定設(shè)備在某段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)。BAS PLC 根據(jù)當(dāng)前的時(shí)間表執(zhí)行相應(yīng)的模式。車站操作員可以選擇設(shè)備的控制方式。時(shí)間表的控制優(yōu)先級低于模式控制和手動(dòng)控制。

　　BAS系統(tǒng)支持三類時(shí)間表（包括工作日、周末、夜間）的運(yùn)行，同時(shí)在BAS維修工作站上可以監(jiān)控任何一個(gè)時(shí)間表。BAS系統(tǒng)同綜合監(jiān)控的通訊為MODBUS TCP協(xié)議，綜合監(jiān)控將時(shí)間表下載到BAS PLC 中，BAS將根據(jù)時(shí)間自動(dòng)判斷并執(zhí)行時(shí)間表的控制內(nèi)容，相應(yīng)控制設(shè)備啟動(dòng)或停止。

　　PLC 中的通訊程序?qū)⒕C合監(jiān)控下載的時(shí)間表保存在PLC 的DB 塊中，采用STEP7中SCL語言編寫時(shí)間表控制邏輯塊FB，根據(jù)當(dāng)前的系統(tǒng)時(shí)鐘，判斷出需要執(zhí)行的相應(yīng)模式號輸出。時(shí)間表控制的優(yōu)先級在BAS系統(tǒng)中較高的，因此在OB34中進(jìn)行調(diào)用，掃描周期設(shè)置為300ms。

　　（4）FAS 的通訊控制

　　當(dāng)車站或區(qū)間隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，BAS系統(tǒng)根據(jù)FAS的要求執(zhí)行相應(yīng)的火災(zāi)控制，包括火災(zāi)發(fā)生時(shí)關(guān)閉相應(yīng)的風(fēng)機(jī)和風(fēng)閥，氣滅完成的排廢氣功能。BAS同F(xiàn)AS系統(tǒng)的通過第三方的通訊轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換為DP 進(jìn)行通訊。FAS 通訊的所有數(shù)據(jù)只有2個(gè)字節(jié)，其中一個(gè)做為地址，一個(gè)是指令。在用SCL進(jìn)行編程時(shí)，首先建立一張數(shù)據(jù)表，里面填好FAS數(shù)據(jù)的地址，當(dāng)收到FAS數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)收到的地址，到數(shù)據(jù)表里去查詢到相應(yīng)的地址，再把指令填寫到里面。同F(xiàn)AS的通訊是優(yōu)先級最高的，因此在OB33 中調(diào)用，掃描周期設(shè)置為50ms。

　　（5）單體設(shè)備控制車站BAS系統(tǒng)對單體設(shè)備的控制方式，由綜合 監(jiān)控、BAS維修工作站、現(xiàn)場觸摸屏實(shí)現(xiàn)（5）。BAS系統(tǒng)接收這些操作指令并根據(jù)連鎖條件控制單體設(shè)備的啟停。其觸發(fā)方式由操作人員人為完成，車站BAS系統(tǒng)控制器具體執(zhí)行控制任務(wù)，并進(jìn)行設(shè)備連鎖邏輯判斷。單體設(shè)備控制功能優(yōu)先級最低的，因此在OB35 中調(diào)用，掃描周期設(shè)置為500ms。

　　STEP7 中采用梯形圖編寫FB 塊，每類設(shè)備為一個(gè)FB，每個(gè)設(shè)備為一個(gè)FB 的背景數(shù)據(jù)塊，BAS維護(hù)工作站中WINCC 組態(tài)全部采用結(jié)構(gòu)變量，操作面板采用畫中畫。采用這種方法，工程師每類設(shè)備只需要組一個(gè)結(jié)構(gòu)，畫一個(gè)操作面板，同類其它設(shè)備調(diào)用同一畫中畫輸入不同的變量前綴即可。方便工程師的組態(tài)。

　　（6）多控制源功能的實(shí)現(xiàn)：地鐵BAS系統(tǒng)控制權(quán)分為五級控制，就地控制箱、IBP盤、綜合監(jiān)控、BAS維護(hù)工作站、現(xiàn)場觸摸屏。每個(gè)控制源的控制級別由高到低排列。每個(gè)可控制設(shè)備都有這五個(gè)控制級，因此在用SCL編寫程序時(shí)，需要對設(shè)備控制源進(jìn)行檢查。

　　2. 冗余環(huán)網(wǎng)絡(luò)功能的實(shí)現(xiàn)：

　　地鐵BAS的控制設(shè)備是根據(jù)地理位置進(jìn)行分散式安裝，集中控制，同時(shí)由綜合監(jiān)控系統(tǒng)下來的控制命令只進(jìn)入到南端的PLC，通過冗余環(huán)形以太網(wǎng)再傳送到北端PLC，并且南北兩端的設(shè)備需要相互協(xié)調(diào)動(dòng)作。因此要求南北兩端間PLC、維護(hù)工作站同PLC 間的數(shù)據(jù)傳送可靠，不能因?yàn)閱吸c(diǎn)或任意兩點(diǎn)間故障，造成三者間的數(shù)據(jù)出現(xiàn)中斷，而一般的單環(huán)以太網(wǎng)和簡單的雙環(huán)以太網(wǎng)無法實(shí)現(xiàn)用戶要求，如圖 8，因此設(shè)計(jì)采用冗余的雙環(huán)以太網(wǎng)保證數(shù)據(jù)傳送的可靠性。配置4臺(tái)SCALANCE202-IRT 交換機(jī)和2 臺(tái)SCALANCE204 交換機(jī)組態(tài)冗余的環(huán)形以太網(wǎng)。如圖 9

　　配置方法如下：

　　X202-2S和X202-2M1配置為Ring redundancy manager 。

　　X202-2M 和X202-2M2配置為Standby manager 。

　　X204-2S和X204-2S2不需特殊配置要配置。 

　　X204-2S和X204-2M 間連接級連網(wǎng)線。

　　X204-2S2 和X204-2M2 間連接級連網(wǎng)線。

圖 8 南－北端PLC 數(shù)據(jù)通訊中斷



圖 9 南－北端PLC 及維修工作站數(shù)據(jù)通訊正常。

　　四、 項(xiàng)目運(yùn)行

　　典型車站的整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和編程已經(jīng)基本完成，所有功能已經(jīng)同業(yè)主測試完成，并通過出廠驗(yàn)收測試。北京地鐵5#線明年3月通車，需要在剩下時(shí)間將其它車站的組態(tài)和現(xiàn)場調(diào)試完成。

　　五、 應(yīng)用體會(huì)

　　項(xiàng)目進(jìn)行當(dāng)中，使用西門子自動(dòng)化產(chǎn)品的體會(huì)。如使用方便的地方，遇到的困難，解決的方案。

　　在北京地鐵5#線項(xiàng)目中，西門子工程師同設(shè)計(jì)院，業(yè)主和甲方進(jìn)行全方面的溝通和交流，了解用戶的需求。采用西門子的PLC、遠(yuǎn)程IO、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、工作站為用戶解決了一個(gè)又一個(gè)的地鐵控制中的難題。

　　因此我們相信西門子的自動(dòng)化產(chǎn)品能夠?yàn)橐院笃渌牡罔F項(xiàng)目為用戶提供更好的解決方案。