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　　一、項目簡介

　　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，在太平莊設置車輛段1座、在宋家莊設停車場1座、在小營設控制中心1 座。地鐵5號線是北京奧運會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。規(guī)劃年限初期為2009 年，近期為2016 年，遠期為2031年。

　　北京地鐵五號線設有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)實現(xiàn)。

　　此項目由北控電信通公司做為北京地鐵5#線BAS 項目的總包商，西門子在此項目中負責5 個典型車站的軟件功能設計、編程、組態(tài)和調試。包括2個地下站、1個地上站、1個停車場、1個車輛段。

　　北京地鐵五號線機電系統(tǒng)包括：火災自動報警系統(tǒng)（FAS）、環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）、暖通空調系統(tǒng)、低壓配電與動力照明系統(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)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)（簡稱BAS）包括16個地下車站的站級BAS、6個地面車站站級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 個車站及停車場、車輛段的暖通空調系統(tǒng)、給排水、低壓配電與動力照明系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、車站事故照明電源等車站設備進行全面、有效地進行自動化監(jiān)控及管理，確保設備處于安全、可靠、高效、節(jié)能的最佳運行狀態(tài)，從而提供一個舒適的乘車環(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。

　　北京地鐵五號線的綜合監(jiān)控系統(tǒng) （ISCS）面向的對象是控制中心（OCC）的調度員（如行車調度員、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)不同運營人員的不同需求提供不同的信息。BAS系統(tǒng)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，實現(xiàn)BAS與ISCS 的數(shù)據(jù)交換。

　　車站BAS系統(tǒng)作為ISCS 的一個子系統(tǒng)，可以通過接口實現(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)調下完成車站BAS功能。同時車站BAS系統(tǒng)又可以形成一個以車站為單位的相對獨立的系統(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)境與機電設備的監(jiān)控，可以脫離ISCS 而獨立工作。

　　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，包括設備的遠程點控、組控及模式控制，并實時監(jiān)視各車站BAS 被控設備的運行狀態(tài)。BAS系統(tǒng)主要負責實現(xiàn)車站級的控制功能，通過PLC 控制器及接口設備將現(xiàn)場各被控設備的狀態(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)場操作平臺的監(jiān)控。同時接收來自上述的數(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)在調控地鐵舒適度的同時，根據(jù)空調環(huán)境溫、濕度計算焓值，控制空調系統(tǒng)冷凍水閥門。充分利用自然有利條件，實施節(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，實現(xiàn)節(jié)能控制。

　　2） . 接收本站火災自動報警系統(tǒng)發(fā)送的報警指令，本站綜合監(jiān)控系統(tǒng)停止命令發(fā)送，火災自動報警具有控制優(yōu)先權，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

　　時間表

　　4） . 單動控制功能：在車站綜控室，通過操作員工作站，可實現(xiàn)對現(xiàn)場機電設備的遠程單動控制。

　　4. BAS中西門子產(chǎn)品配置

　　1） PLC 及IO 的型號

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

　　2） 車站的遠程IO 模塊采用：ET200M 系列模塊。

　　3） 地下站設置雙冗余以太網(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，主要用來完成遠程IO 與PLC 主站的通信。

　　5） 監(jiān)控計算機

　　6） 軟件

　　二、 控制系統(tǒng)構成

　　1. 整個項目中的硬件配置、系統(tǒng)結構；各組成部分選擇的依據(jù)。

　　車站BAS設備由車站BAS局域網(wǎng)、車站BAS控制器（PLC）、遠程I/O、現(xiàn)場總線、網(wǎng)絡設備、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(tǒng)的控制箱等位置。

　　具體描述如下：

　　對于16 個地下站BAS系統(tǒng)，每個地下站由如下設備構成：通信介質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)絡交換機組建；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；若干遠程IO 站及模塊――選用西門子的ET 200M 遠程站及相關IO 模塊組成；1個BAS維修工作站（含監(jiān)控軟件）――選用西門子工業(yè)級工控機和工業(yè)監(jiān)控SCADA系統(tǒng)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、磁器口、雍和宮、和平西里、干楊樹等7個站需使用光纖來連接區(qū)間PLC，其中蒲黃榆需要連接兩個區(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 設計要求：根據(jù)地鐵車站建筑形式，分為南端與北端BAS子系統(tǒng)，同時綜合考慮地鐵系統(tǒng)的安全　　性、先進性、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(jiān)控。每套S7414H PLC 包含如下模塊：兩個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 的擴展內存卡，4 塊通信速率達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程IO 和通訊設備。

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

　　以太網(wǎng)絡：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，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(shù)據(jù)交換。采用SCLANCE 交換機配置為冗余的雙環(huán)以太網(wǎng)。

　　現(xiàn)場總線網(wǎng)：第二層為現(xiàn)場設備級網(wǎng)絡，采用冗余PROFIBUS 工業(yè)控制網(wǎng)，擔負BAS控制器與BAS現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)交換。由于第三方的通訊設備轉換模塊（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總線轉換為單PROFIBUS總線。

　　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(jiān)控，例如冷水機組、FAS、電扶梯、電梯、輪椅升降臺、EPS、UPS、振動檢測、變頻器。此次采用鼎實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(tǒng)。如圖 1 中的DS 設備

圖 1 地下站系統(tǒng)結構圖



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 控制權交接圖



圖 7 報警表

　　三、 BAS 實現(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電設備，由西門子自動化產(chǎn)品實現(xiàn)下述BAS 系統(tǒng)設備控制功能：

　　（1）模式控制：屬于一種特定的設備組控制。模式的定義是根據(jù)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）和自動觸發(fā)（FAS 系統(tǒng)）。

　　BAS系統(tǒng)可以實現(xiàn)對本站所有模式及模式控制相關設備的監(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中進行調用，掃描周期設置為500ms。

　　（2）焓值自動控制：主要是面向車站空調系統(tǒng)設備的一種控制方式。BAS將實時檢測車站的空氣參數(shù)并進行焓值運算，根據(jù)室內外焓值和溫度，確定空調運行工況，實時控制空調設備的運行，如控制空調新風機的運行，各種風閥的控制，冷水機組的控制等；

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

　　（3）時間表控制正常工況下設備運行控制基本上采用時間表控制方式。時間表作為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(tǒng)為單位，確定設備在某段時間內的運行狀態(tài)。BAS PLC 根據(jù)當前的時間表執(zhí)行相應的模式。車站操作員可以選擇設備的控制方式。時間表的控制優(yōu)先級低于模式控制和手動控制。

　　BAS系統(tǒng)支持三類時間表（包括工作日、周末、夜間）的運行，同時在BAS維修工作站上可以監(jiān)控任何一個時間表。BAS系統(tǒng)同綜合監(jiān)控的通訊為MODBUS TCP協(xié)議，綜合監(jiān)控將時間表下載到BAS PLC 中，BAS將根據(jù)時間自動判斷并執(zhí)行時間表的控制內容，相應控制設備啟動或停止。

　　PLC 中的通訊程序將綜合監(jiān)控下載的時間表保存在PLC 的DB 塊中，采用STEP7中SCL語言編寫時間表控制邏輯塊FB，根據(jù)當前的系統(tǒng)時鐘，判斷出需要執(zhí)行的相應模式號輸出。時間表控制的優(yōu)先級在BAS系統(tǒng)中較高的，因此在OB34中進行調用，掃描周期設置為300ms。

　　（4）FAS 的通訊控制

　　當車站或區(qū)間隧道發(fā)生火災時，BAS系統(tǒng)根據(jù)FAS的要求執(zhí)行相應的火災控制，包括火災發(fā)生時關閉相應的風機和風閥，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換模塊，轉換為DP 進行通訊。FAS 通訊的所有數(shù)據(jù)只有2個字節(jié)，其中一個做為地址，一個是指令。在用SCL進行編程時，首先建立一張數(shù)據(jù)表，里面填好FAS數(shù)據(jù)的地址，當收到FAS數(shù)據(jù)時，根據(jù)收到的地址，到數(shù)據(jù)表里去查詢到相應的地址，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 中調用，掃描周期設置為50ms。

　　（5）單體設備控制車站BAS系統(tǒng)對單體設備的控制方式，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，并進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FB 塊，每類設備為一個FB，每個設備為一個FB 的背景數(shù)據(jù)塊，BAS維護工作站中WINCC 組態(tài)全部采用結構變量，操作面板采用畫中畫。采用這種方法，工程師每類設備只需要組一個結構，畫一個操作面板，同類其它設備調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）多控制源功能的實現(xiàn)：地鐵BAS系統(tǒng)控制權分為五級控制，就地控制箱、IBP盤、綜合監(jiān)控、BAS維護工作站、現(xiàn)場觸摸屏。每個控制源的控制級別由高到低排列。每個可控制設備都有這五個控制級，因此在用SCL編寫程序時，需要對設備控制源進行檢查。

　　2. 冗余環(huán)網(wǎng)絡功能的實現(xiàn)：

　　地鐵BAS的控制設備是根據(jù)地理位置進行分散式安裝，集中控制，同時由綜合監(jiān)控系統(tǒng)下來的控制命令只進入到南端的PLC，通過冗余環(huán)形以太網(wǎng)再傳送到北端PLC，并且南北兩端的設備需要相互協(xié)調動作。因此要求南北兩端間PLC、維護工作站同PLC 間的數(shù)據(jù)傳送可靠，不能因為單點或任意兩點間故障，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)無法實現(xiàn)用戶要求，如圖 8，因此設計采用冗余的雙環(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。

　　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、 項目運行

　　典型車站的整個系統(tǒng)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，并通過出廠驗收測試。北京地鐵5#線明年3月通車，需要在剩下時間將其它車站的組態(tài)和現(xiàn)場調試完成。

　　五、 應用體會

　　項目進行當中，使用西門子自動化產(chǎn)品的體會。如使用方便的地方，遇到的困難，解決的方案。

　　在北京地鐵5#線項目中，西門子工程師同設計院，業(yè)主和甲方進行全方面的溝通和交流，了解用戶的需求。采用西門子的PLC、遠程IO、工業(yè)以太網(wǎng)交換機、工作站為用戶解決了一個又一個的地鐵控制中的難題。

　　因此我們相信西門子的自動化產(chǎn)品能夠為以后其它的地鐵項目為用戶提供更好的解決方案。