一、項目簡(jiǎn)介

　　1. 概述

　　北京地鐵5號線(xiàn)線(xiàn)路南起宋家莊，北至太平莊北站，線(xiàn)路全長(cháng)約27.6km。全線(xiàn)設22座車(chē)站，其中16 座地下站，分別為宋家莊，劉家窯、蒲黃榆、天壇東門(mén)、磁器口、崇文門(mén)、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(shù)，線(xiàn)路總長(cháng)約16.9km。平均站間距為0.9km，其中兩個(gè)區間長(cháng)度超過(guò)1.5km，最長(cháng)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(xiàn)路總長(cháng)約10.7km，在太平莊設置車(chē)輛段1座、在宋家莊設停車(chē)場(chǎng)1座、在小營(yíng)設控制中心1 座。地鐵5號線(xiàn)是北京奧運會(huì )的重要基礎設施建設項目之一，計劃2007 年6月30日建成并投入運營(yíng)。規劃年限初期為2009 年，近期為2016 年，遠期為2031 年。

　　北京地鐵五號線(xiàn)設有8 座換乘車(chē)站，分別為：宋家莊站與亦莊線(xiàn)、11號線(xiàn)、10 號線(xiàn)換乘；崇文門(mén)站與地鐵2 號線(xiàn)換乘；東單站與地鐵1號線(xiàn)換乘；東四站與地鐵6號線(xiàn)換乘；張自忠路站與地鐵3 號線(xiàn)換乘；雍和宮站與地鐵2 號線(xiàn)換乘；北土城東路站與地鐵10號線(xiàn)換乘；立水橋北站與地鐵13 號線(xiàn)換

乘。5 號線(xiàn)BAS與換乘站的接口通過(guò)綜合監控系統實(shí)現。

　　此項目由北控電信通公司做為北京地鐵5#線(xiàn)BAS 項目的總包商，西門(mén)子在此項目中負責5 個(gè)典型車(chē)站的軟件功能設計、編程、組態(tài)和調試。包括2個(gè)地下站、1個(gè)地上站、1個(gè)停車(chē)場(chǎng)、1個(gè)車(chē)輛段。

　　北京地鐵五號線(xiàn)機電系統包括：火災自動(dòng)報警系統（FAS）、環(huán)境與設備監控系統（BAS）、暖通空調系統、低壓配電與動(dòng)力照明系統、給排水、電梯系統。

　　2. BAS工藝概述

　　北京地鐵五號線(xiàn)的環(huán)境與設備監控系統（簡(jiǎn)稱(chēng)BAS）包括16個(gè)地下車(chē)站的站級BAS、6個(gè)地面車(chē)站站級BAS、宋家莊停車(chē)場(chǎng)的站級BAS、太平莊車(chē)輛段的站級BAS。該系統對北京地鐵五號線(xiàn)22 個(gè)車(chē)站及停車(chē)場(chǎng)、車(chē)輛段的暖通空調系統、給排水、低壓配電與動(dòng)力照明系統、電梯系統、車(chē)站事故照明電源等車(chē)站設備進(jìn)行全面、有效地進(jìn)行自動(dòng)化監控及管理，確保設備處于安全、可靠、高效、節能的最佳運行狀態(tài)，從而提供一個(gè)舒適的乘車(chē)環(huán)境，并能在火災或阻塞等災害狀態(tài)下，更好地協(xié)調車(chē)站設備的運行，充分發(fā)揮各種設備應有的作用，保證乘客的安全和設備的正常運行。

　　北京地鐵五號線(xiàn)的綜合監控系統 （ISCS）面向的對象是控制中心（OCC）的調度員（如行車(chē)調度員、電力調度員、環(huán)境調度員、維修調度員、總調度員等）和車(chē)站值班人員（包括車(chē)站值班站長(cháng)、操作員）。綜合監控系統可以根據不同運營(yíng)人員的不同需求提供不同的信息。BAS系統設置2路獨立IP 的100M 以太網(wǎng)接口與ISCS的通信前置機聯(lián)接，實(shí)現BAS與ISCS 的數據交換。

　　車(chē)站BAS系統作為ISCS 的一個(gè)子系統，可以通過(guò)接口實(shí)現和綜合監控系統集成，從而在綜合監控系統的協(xié)調下完成車(chē)站BAS功能。同時(shí)車(chē)站BAS系統又可以形成一個(gè)以車(chē)站為單位的相對獨立的系統，通過(guò)車(chē)站維修工作站、現場(chǎng)觸摸屏、PLC 控制器等完成對車(chē)站環(huán)境與機電設備的監控，可以脫離ISCS 而獨立工作。

　　通常情況下，ISCS 完成中央級及車(chē)站級的BAS功能的監控任務(wù)，包括設備的遠程點(diǎn)控、組控及模式控制，并實(shí)時(shí)監視各車(chē)站BAS 被控設備的運行狀態(tài)。BAS系統主要負責實(shí)現車(chē)站級的控制功能，通過(guò)PLC 控制器及接口設備將現場(chǎng)各被控設備的狀態(tài)數據采集，整理，一方面用于ISCS 的監控，一方面用于BAS 維修工作站及現場(chǎng)操作平臺的監控。同時(shí)接收來(lái)自上述的數據及命令，經(jīng)優(yōu)先級判斷、沖突判斷后執行對被控設備的控制功能。

　　3. 車(chē)站BAS功能

　　3.1  車(chē)站綜合監控系統在調控地鐵舒適度的同時(shí)，根據空調環(huán)境溫、濕度計算焓值，控制空調系統冷凍水閥門(mén)。充分利用自然有利條件，實(shí)施節能控制。在車(chē)站級控制方式下，車(chē)站綜合監控系統可進(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(guò)執行不同的環(huán)控模式和照明控制方案，實(shí)現節能控制。

    3.2  接收本站火災自動(dòng)報警系統發(fā)送的報警指令，本站綜合監控系統停止命令發(fā)送，火災自動(dòng)報警具有控制優(yōu)先權，并返回指令的執行信號。

　　3.3  模式執行。所監視的模式分類(lèi)如下：

　?。?） 正常模式
　?。?） 阻塞模式
　?。?） 夜間模式
　?。?） 時(shí)間表

　   3.4 單動(dòng)控制功能：在車(chē)站綜控室，通過(guò)操作員工作站，可實(shí)現對現場(chǎng)機電設備的遠程單動(dòng)控制。

　　 4. BAS中西門(mén)子產(chǎn)品配置

　　 4.1  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，分別設置在車(chē)站的南北端。在停車(chē)場(chǎng)、車(chē)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(zhuān)用PLC 均選用S 7 300 系列PLC。以下配置以一個(gè)典型地下站為例。

　    4.2  車(chē)站的遠程IO 模塊采用：ET200M 系列模塊。

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

　　   4.4   現場(chǎng)總線(xiàn)：采用冗余Profibus 現場(chǎng)總線(xiàn)，主要用來(lái)完成遠程IO 與PLC 主站的通信。

　  4.5   監控計算機

　   4.6   軟件

　　二、 控制系統構成

　　1. 整個(gè)項目中的硬件配置、系統結構；各組成部分選擇的依據。

　　車(chē)站BAS設備由車(chē)站BAS局域網(wǎng)、車(chē)站BAS控制器（PLC）、遠程I/O、現場(chǎng)總線(xiàn)、網(wǎng)絡(luò )設備、BAS維修工作站、傳感器、接口轉換設備等構成。主要設置在環(huán)控電控室、照明配電室、暖通空調機房、電梯系統的控制箱等位置。

　　具體描述如下：

　　對于16 個(gè)地下站BAS系統，每個(gè)地下站由如下設備構成：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(mén)子的SCALANCE網(wǎng)絡(luò )交換機組建；兩對熱備冗余的PLC 控制器――選用西門(mén)子S7 414-2H 及其配套設備組成；1套不冗余的專(zhuān)用PLC控制器和1 套不冗余的IBP 盤(pán)PLC――選用西門(mén)子S7 300PLC 組成；冗余的Profibus 現場(chǎng)總

線(xiàn)；若干遠程IO 站及模塊――選用西門(mén)子的ET 200M 遠程站及相關(guān)IO 模塊組成；1個(gè)BAS維修工作站（含監控軟件）――選用西門(mén)子工業(yè)級工控機和工業(yè)監控SCADA系統軟件WinCC 構成；還有若干傳感器和接口轉換設備等構成。其中劉家窯、蒲黃榆、天壇東門(mén)、磁器口、雍和宮、和平西里、干楊樹(shù)等7個(gè)站需使用光纖來(lái)連接區間PLC，其中蒲黃榆需要連接兩個(gè)區間PLC，在總線(xiàn)末端使用總線(xiàn)藕合器及OLM 來(lái)連接光纖和區間PLC 。

　　CPU 設計要求：根據地鐵車(chē)站建筑形式，分為南端與北端BAS子系統，同時(shí)綜合考慮地鐵系統的安全　　性、先進(jìn)性、可靠性和經(jīng)濟性的需求，每端各設置一對冗余的S7 414HPLC 站。當任一一端的CPU 故障，不影響另一端設備正常監控。每套S7414H PLC 包含如下模塊：兩個(gè)互為獨立的安裝機架，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（連接綜合監控的PLC，增加兩塊CP343-1 以太網(wǎng)模塊），2塊4M 的擴展內存卡，4 塊通信速率達10MB的光纖同步模塊，2條CPU 數據同步光纖，4塊用于保持的電池。每端的CPU 分別連接各自端的遠程IO 和通訊設備。

　　專(zhuān)用PLC：每個(gè)地下站均需要配備專(zhuān)用PLC－S7 300用于本站的冷水機組和IBP的監控。

　　以太網(wǎng)絡(luò )：系統根據車(chē)站建筑形式分為南端與北端BAS子系統。車(chē)站的環(huán)境與設備監控系統網(wǎng)分二層布置CONTROL ENGINEERING China版權所有，第一層為站級系統網(wǎng)絡(luò )，采用工業(yè)以太網(wǎng)，擔負BAS與ISCS,南北端PLC 間、維修工作站同南北端PLC的數據交換。采用SCLANCE 交換機配置為冗余的雙環(huán)以太網(wǎng)。

　　現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)：第二層為現場(chǎng)設備級網(wǎng)絡(luò )，采用冗余PROFIBUS 工業(yè)控制網(wǎng)，擔負BAS控制器與BAS現場(chǎng)設備的數據交換。由于第三方的通訊設備轉換模塊（DS）以及專(zhuān)用PLC 的通訊接口為單PROFIBUS總線(xiàn)，所以采用Y-LINK 連接器,將冗余的雙PROFIBUS總線(xiàn)轉換為單PROFIBUS總線(xiàn)。

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

　　圖 1 地下站系統結構圖

　　圖 2 南端大系統－系統圖


　　
圖 3 南端大系統－模式表圖


　
　圖 4 電梯系統圖


　　
圖 5 冷水系統圖


　
　圖 6 控制權交接圖


　
　圖 7 報警表

　　三、 BAS 實(shí)現的功能

　　1. 控制功能

　　BAS 系統的被控對象是車(chē)站的各種機電設備，由西門(mén)子自動(dòng)化產(chǎn)品實(shí)現下述BAS 系統設備控制功能：

　?。?）模式控制：屬于一種特定的設備組控制。模式的定義是根據工藝設計要求而形成，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）。

　　BAS系統可以實(shí)現對本站所有模式及模式控制相關(guān)設備的監控與操作功能。如：

　　· 正常模式控制;

　　· 早晚?yè)Q氣模式控制;

　　· 阻塞模式控制;

　　· 火災模式控制;

　　采用STEP7中SCL語(yǔ)言編寫(xiě)模式控制邏輯塊FB，模式控制邏輯塊的輸入管腳為各系統的模式號。輸出為根據模式號控制的一組設備的控制指令。模式控制的優(yōu)先級在BAS系統中是最低的，因此在OB35中進(jìn)行調用控制工程網(wǎng)版權所有，掃描周期設置為500ms。

　?。?）焓值自動(dòng)控制：主要是面向車(chē)站空調系統

    設備的一種控制方式。BAS將實(shí)時(shí)檢測車(chē)站的空氣參數并進(jìn)行焓值運算，根據室內外焓值和溫度，確定空調運行工況，實(shí)時(shí)控制空調設備的運行，如控制空調新風(fēng)機的運行，各種風(fēng)閥的控制，冷水機組的控制等；

　　采用STEP7中SCL語(yǔ)言編寫(xiě)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)調節的死區。輸出為計算后需要執行的相關(guān)工況模式號。焓值控制分為暖通空調系統和冷水系統，暖通空調系統的焓值控制在南、北端的PLC 中完成。由于冷水系統的被控制設備，均接在冷水機房的專(zhuān)用PLC中，因此冷水系統的焓值控制在專(zhuān)用PLC 完成。

　?。?）時(shí)間表控制正常工況下設備運行控制基本上采用時(shí)間表控制方式。時(shí)間表作為BAS控制設備在正常情況下運行的控制輸出，它以設備、設備組或系統為單位，確定設備在某段時(shí)間內的運行狀態(tài)。BAS PLC 根據當前的時(shí)間表執行相應的模式。車(chē)站操作員可以選擇設備的控制方式。時(shí)間表的控制優(yōu)先級低于模式控制和手動(dòng)控制。

　　BAS系統支持三類(lèi)時(shí)間表（包括工作日、周末、夜間）的運行，同時(shí)在BAS維修工作站上可以監控任何一個(gè)時(shí)間表。BAS系統同綜合監控的通訊為MODBUS TCP協(xié)議，綜合監控

將時(shí)間表下載到BAS PLC 中，BAS將根據時(shí)間自動(dòng)判斷并執行時(shí)間表的控制，相應控制設備啟動(dòng)或停止。

　　PLC 中的通訊程序將綜合監控下載的時(shí)間表保存在PLC 的DB 塊中，采用STEP7中SCL語(yǔ)言編寫(xiě)時(shí)間表控制邏輯塊FB，根據當前的系統時(shí)鐘，判斷出需要執行的相應模式號輸出。時(shí)間表控制的優(yōu)先級在BAS系統中較高的，因此在OB34中進(jìn)行調用，掃描周期設置為300ms。

　?。?）FAS 的通訊控制
　　當車(chē)站或區間隧道發(fā)生火災時(shí)，BAS系統根據FAS的要求執行相應的火災控制，包括火災發(fā)生時(shí)關(guān)閉相應的風(fēng)機和風(fēng)閥，氣滅完成的排廢氣功能。BAS同FAS系統的通過(guò)第三方的通訊轉換模塊，轉換為DP 進(jìn)行通訊。FAS 通訊的所有數據只有2個(gè)字節，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)，首先建立一張數據表，里面填好FAS數據的地址，當收到FAS數據時(shí)，根據收到的地址，到數據表里去查詢(xún)到相應的地址，再把指令填寫(xiě)到里面。同FAS的通訊是優(yōu)先級最高的，因此在OB33 中調用，掃描周期設置為50ms。

　?。?）單體設備控制車(chē)站BAS系統對單體設備的控制方式，由綜合 監控、BAS維修工作站、現場(chǎng)觸摸屏實(shí)現（5）。BAS系統接收這些操作指令并根據連鎖條件控制單體設備的啟停。其觸發(fā)方式由操作人員人為完成，車(chē)站BAS系統控制器具體執行控制任務(wù)，并進(jìn)行設備連鎖邏輯判斷。單體設備控制功能優(yōu)先級最低的，因此在OB35 中調用，掃描周期設置為500ms。

　　STEP7 中采用梯形圖編寫(xiě)FB 塊，每類(lèi)設備為一個(gè)FB，每個(gè)設備為一個(gè)FB 的背景數據塊，BAS維護工作站中WINCC 組態(tài)全部采用結構變量，操作面板采用畫(huà)中畫(huà)。采用這種方法，工程師每類(lèi)設備只需要組一個(gè)結構，畫(huà)一個(gè)操作面板，同類(lèi)其它設備調用同一畫(huà)中畫(huà)輸入不同的變量前綴即可。方便工程師的組態(tài)。

　?。?）多控制源功能的實(shí)現：地鐵BAS系統控制權分為五級控制，就地控制箱、IBP盤(pán)、綜合監控、BAS維護工作站、現場(chǎng)觸摸屏。每個(gè)控制源的控制級別由高到低排列。每個(gè)可控制設備都有這五個(gè)控制級，因此在用SCL編寫(xiě)程序時(shí)，需要對設備控制源進(jìn)行檢查。

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

　　地鐵BAS的控制設備是根據地理位置進(jìn)行分散式安裝，集中控制，同時(shí)由綜合監控系統下來(lái)的控制命令只進(jìn)入到南端的PLC，通過(guò)冗余環(huán)形以太網(wǎng)再傳送到北端PLC，并且南北兩端的設備需要相互協(xié)調動(dòng)作。因此要求南北兩端間PLC、維護工作站同PLC 間的數據傳送可靠，不能因為單點(diǎn)或任意兩點(diǎn)間故障，造成三者間的數據出現中斷控制工程網(wǎng)版權所有，而一般的單環(huán)以太網(wǎng)和簡(jiǎn)單的雙環(huán)以太網(wǎng)無(wú)法實(shí)現用戶(hù)要求，如圖 8，因此設計采用冗余的雙環(huán)以太網(wǎng)保證數據傳送的可靠性。配置4臺SCALANCE202-IRT 交換機和2 臺SCALANCE204 交換機組態(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(xiàn)

　　· X204-2S2 和X204-2M2 間連接級連網(wǎng)線(xiàn)

　　圖 8 南－北端PLC 數據通訊中斷

　　圖 9 南－北端PLC 及維修工作站數據通訊正常。

　　四、 項目運行

　　典型車(chē)站的整個(gè)系統的結構和編程已經(jīng)基本完成，所有功能已經(jīng)同業(yè)主測試完成，并通過(guò)出廠(chǎng)驗收測試。北京地鐵5#線(xiàn)明年3月通車(chē)，需要在剩下時(shí)間將其它車(chē)站的組態(tài)和現場(chǎng)調試完成。

　　五、 應用體會(huì )

　　項目進(jìn)行當中，使用西門(mén)子自動(dòng)化產(chǎn)品的體會(huì )。如使用方便的地方控制工程網(wǎng)版權所有，遇到的困難，解決的方案。
 
　　在北京地鐵5#線(xiàn)項目中，西門(mén)子工程師同設計院 ，業(yè)主和甲方進(jìn)行全方面的溝通和交流，了解用戶(hù)的需求。采用西門(mén)子的PLC、遠程IO、工業(yè)以太網(wǎng)交換機、工作站為用戶(hù)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(mén)子的自動(dòng)化產(chǎn)品能夠為以后其它的地鐵項目為用戶(hù)提供更好的解決方案。