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劉 麗：北京和利時系統工程股份有限公司
1 引言
隨著我國建設小康社會目標的全面推進，越來越多的城市提出通過建設軌道交通來解決日益嚴重的大城市道路擁擠、堵塞以及環境污染等問題。城市軌道交通的自動化控制問題也隨之顯得尤為重要。
自20世紀60年代北京地鐵開通運營以來，近40年的時間里，地鐵變電站是采用典型的傳統繼電器控制系統，變電站里都是有人值守、獨立運行，中心對電力系統（以下簡稱PSCADA系統）的指揮調度是通過電話進行的。設備的運行狀態是無法反映到指揮中心的。環境與設備監控系統（以下簡稱BAS系統）也是如此。同時，傳統的繼電器保護逐年老化、性能下降、整定也不精確，嚴重降低了系統的可靠性與穩定性。直到90年代，經過改造，采用了英國公司提供的變電所集中式的RTU結構，通道采用串行通道，但中心、所有車站之間仍然是未組網方式。到了21世紀伊始，網絡技術、自動控制技術、計算機技術飛速發展的時代，能否實現網絡互聯、信息共享、具有冗余性、高可靠性與穩定性的自動化綜合監控系統呢？該如何實現?這給北京城鐵13號線項目帶來了一個嚴峻的技術難題。
2 設計思想的詳細介紹
經過多次反復的技術論證，終于定下了如下的設計方案，通過應用成熟的網絡技術、自動控制技術、計算機技術、I/O技術在北京城鐵13號線項目中實現網絡互連、信息共享、具有冗余性、高可靠性與穩定性的分層分布式結構的綜合監控自動化系統。
2.1 系統總體結構
整套系統總體上采用分層分布式結構。監控系統分為三層：(1)西直門指揮監控中心與監控中心以太網組成的系統頂層；(2)由全線l 6個車站，l個區間變電所和車輛段的車站綜控室與車站級以太網組成的車站監控層；(3)PSCADA和BAS子系統組成的基礎自動化設備層。
監控系統配備的網絡相應也分為三層體系結構：(1)頂層網為由SDH通信骨干網(通過高速交換機)支持的高速交換冗余以太網，作為本系統全線監控中心的網絡。(2)車站層采用100Mbps交換以太網。(3)底層是車站里的各子系統組成的實時控制網絡和現場總線。
監控系統頂層的中央監控局域網和各車站監控局域網由SDH通信骨干網連接起來，構成了一個廣域網，形成一個地理上分散的大型自動化綜合監控系統。通信骨干網沿西直門到東直門40多公里線上分布，將l6個車站、6個區間變電所、1個車輛段里的監控局域網連接起來同時連入的局域網，構建起整個計算機系統的四通八達的基礎網絡。車站局域網和中心局域網皆為冗余高速以太網。系統的監控功能主要在西直門指揮監控中心和各個車站綜控室里實現。
車站以太網將底層供電系統的實時數據存入車站服務器的數據庫里，通過通信骨干網又匯結到指揮監控中心服務器(又稱全局服務器)里。骨干網連接的全局服務器和車站服務器組成了一個分布式服務器系統，采用Client/Server結構，TCP/IP協議，構建起監控系統的數據處理核心。
車站以太網將PSCADA系統中的l0kV交流、750V直流、400V、220V保護裝置系統和BAS系統中的PLC控制系統連接起來。指揮監控中心又通過骨干網將局域網連起來進行全系統的總體監控。另外在各監控層都留有對第三方設備、第三方子系統、第三方系統的接口。
本監控系統的構架如圖1所示。
圖 1 北京城市鐵路西直門――東直門供電、環控和防災報警綜合自動化系統總體結構
2.1.1 中央監控系統
北京城鐵綜合監控系統在西直門指揮監控中心（以下簡稱OCC）設立中央監控網絡，中央監控網的核心是SDH骨干網在OCC的節點連出的冗余l 00 Mbps交換機。監控網上建立多服務器、多操作員工作站以及外圍設備。
(1) OCC監控局域網
綜合監控系統在OCC設立中央監控網絡，中央監控網為冗余的l 00 Mbps交換式以太網，以Cisco2950c-24交換機為核心。冗余配置的2950C交換機的各相應端口連接OCC各個設備，包括兩臺冗余配置的實時數據服務器、各工作站等，構成冗余配置的中央監控網。中央監控網與骨干網的界面在骨干網中心路由器。
(2) OCC實時數據服務器
OCC實時數據服務器由兩套服務器冗余配置組成，共同完成實時數據、處理數據和文件管理的服務。具有雙機熱備功能，任何一臺服務器可以完成全部服務。
(3) OCC歷史服務器
OCC配置一套歷史服務器，共同完成歷史數據、報警記錄、操作記錄、報表等與歷史相關的數據和文件服務。
(4) 電調工作站
電調工作站是城鐵的中央電力調度中心。電調工作站由三套雙屏電力調度員工作站、事件和報表打印機等組成，將對全線各變電所進行監控，實現遙測、遙控、遙調和遙信功能，實現全線電力線路管理監控功能，實現對電力牽引、動力供電管理監控功能。
(5) 環調工作站
環調工作站是城鐵的中央環控調度中心。環調工作站實現對照明、配電、泵、風機、空調、冷水機組、扶梯、電梯等全線BAS設備的中央監控功能。中心設置兩套環調操作員工作站。
(6) 維護工作站
城鐵在中心設置維護工作站，由雙維護工作站、事件打印機、報表打印機等組成，完成系統軟件的維護。
(7) 中心大屏幕
城鐵在監控中心設置了一套3*16大屏幕系統。
(8) 中心校時集線器
為了保證系統監控中心和車站的時鐘一致，在監控中心和各車站都獨立配置了一套校時系統。在中心，由中心GPS接收時鐘信號，向中心服務器硬對時，服務器通過監控中心網絡對各工作站校時。在車站，由車站GPS接收時鐘信號，向車站服務器和通信控制器硬對時。當車站的硬校時失效時，中心服務器通過網絡對車站服務器進行校時，實現全線的校時。
2.1.2 車站監控系統
車站級監控層是以冗余l00 Mbps以太網為中心組織起來的局域控制網，從本質上講，車站級監控系統構成典型的相對獨立的監控系統。
車站級監控系統相對于中央監控系統，體現側重不同的原則，即對于PSCADA子系統而言，監控重心在監控中心，車站按無人值班設計，保留監視功能，監視本車站電力設備的工作狀態：對于BAS子系統而言，監控重心在車站綜控室，監控中心保留控制的功能但重心是監視全線各車站BAS設備的工作狀態。
(1) 車站監控局域網：車站級監控網為冗余的l00 Mbps以太網，以Cisco2924XL交換機為核心。交換機的各相應端口連接車站各個設備，包括冗余配置的車站實時服務器，車站電力監控工作站、車站環控監控工作站、車站電力通信控制器 (簡稱PSCADAI/ O站)、車站環控通信控制器 (簡稱BAS I/ O站)。
(2) 車站服務器：具有雙機熱備功能，任何一臺服務器都可以完成全部服務。
(3) 車站電力監控工作站：用于監控本車站電力設備的工作狀態，通常情況下，控制功能由中心電調掌握，只有當權限下放到本站以后，本站才能使用控制功能。在權限允許的情況下，也可登錄其他某個車站，完成對該車站全部電力設備工作狀態的監控。
(4) 車站環控(機電設備)監控工作站：用于監控本車站所有機電設備的工作狀態。可實現了對本站全部機電設備工作狀態的監視和控制。在權限允許的情況下，本站值班員可以通過本站工作站，登錄其他某個車站，完成對該車站全部BAS設備的監控。
(5) 車站電力通信控制器：為了減輕服務器的負擔，實現分布式數據處理，所有集成的監控設備均統一接入車站PSCADA I/O站，負責與相連智能設備的周期數據巡檢和協議轉換，定期查詢各鏈路的數據，按照雙方規定的協議，將各種不同格式的實時數據轉換成為MACS-SCADA的內部數據對象格式，提交到車站實時服務器和中心實時服務器。
(6) 車站環控通信控制器：環控通信控制器負責與環控機電設備的通信。所有集成的監控設備均統一接入車站BAS I/O站。
(7) 站校時系統：目前系統的中心服務器，由西直門指揮中心的GPS硬校時，各車站服務器由本地的GPS硬校時，車站的工作站由本車站服務器校時。車站各I/O站由本地的GPS硬校時，GPS有故障時，I/O站由車站服務器用網絡方式校時。I/O站給集成的保護裝置校時。
2.1.3 基礎自動化設備層
(1) HSPM系列10kV微機保護測控裝置
HSPM系列微機保護測控裝置主要完成10kV系統提供微機保護，通過光纖通訊與車站PSCADA I/O站相連。
(2) DPU96 750V直流保護裝置
西門子DPU96直流保護裝置主要完成750V直流系統的電量保護功能。通過ProfibusDP總線與車站PSCADA I/O站相連。
(3) S7-300 Siemens PLC
西門子S7-300保護裝置主要完成750V直流系統的框架保護功能。通過ProfibusDP總線與車站PSCADA I/O站相連。
(4) Modicon PLC Moment系列
施耐德Modicom PLC Momentum主要完成開關與電隔間的閉鎖，和各個分閘間的閉鎖，用于非電量保護。為了保障連鎖關系的可靠性，Modicom PLC采用雙網通信，通過Modbus plus總線與車站PSCADA I/O站相連。
(5) HollySys PLC
和利時的HollySys PLC主要完成400V系統、整流器、照明系統、給排水系統、風機系統的聯鎖保護功能，通過ProfibusDP總線與車站PSCADA I/O站、車站BAS I/O站相連。
(6) Rockwell PLC
Rockwell PLC主要用于BAS系統中東直門通風系統的遙測、遙信、遙控功能，通過光纖通訊與車站BAS I/O站相連。
(7) 其他現場測控裝置
還有一些個別的測控裝置通過串口總線、MODBUS協議與車站PSCADA I/O站、車站BAS I/O站相連。如HC6000微機測量表主要完成對動變、牽變溫度的實時監控功能；直流屏微機測控裝置主要完成了對直流屏運行的實時監控，都是通過串口總線、MODBUS協議與車站PSCADA I/O站相連。
3 系統總體功能
目前的這套自動化綜合監控系統可以提供較豐富、實用的功能。主要分為如下八個方面：
3.1 數據采集及處理功能
系統正常運行時，能采集各個設備的運行狀態等數字量信息點，還能夠通過測量儀表或測量裝置采集模擬量信息點，如電流、電壓、溫度等，并具有對采集到的模擬量進行工程值轉換、限值檢查、死區處理、統計計算等功能。
3.2 完備的控制及操作功能
系統對現場設備可實現完備的分散控制，也可實現高級邏輯控制和混合控制。共分以下幾種控制方式：單獨遙控、順序控制、模式控制、時間表控制和人工掛牌（屏蔽）。
3.3 完善的報警功能和安全體系
系統設備發生故常或異常時可產生報警信息，并將報警信息分類、篩選、重組織，建立一個強大的報警體系。報警方式包含聲音報警、語音報警、文字報警、推畫面報警、燈光報警、大屏幕報警等方式，可根據工作站的職責范圍有選擇性地報警。
3.4 事故追憶功能
事故追憶功能是在電力系統發生事故后啟動的數據記錄。系統支持模擬量事故追憶和開關量事故追憶。并可以以各種方式(按時間、按事故源對象等)查詢、分析和打印事故追憶記錄。
3.5 實時與歷史的趨勢功能
系統具備能任意顯示模擬量或開關量的實時或歷史變化趨勢的趨勢功能，分曲線和數字兩種顯示方式。在線顯示時，可以指定按跟蹤方式顯示還是按歷史方式顯示。
3.6 歷史數據備份與復原功能
系統能夠自動或手動將歷史庫中數據備份成文件并刪除歷史庫中已備份數據，使歷史庫始終保持固定時間的數據。歷史數據備份可以按時間自動進行也可以由操作員手動操作。若系統內歷史數據丟失或損壞，可以通過備份數據進行歷史數據的復原。
3.7 豐富的畫面監控功能
在本監控系統的監控中心的操作員站中，可對全系統所要求的所有監控對象的所有點及點信息進行系統組織、綜合管理，實時監控，并用豐富、生動的動態畫面、多窗口畫面、多層次畫面顯示出來。
3.8 靈活的組態功能
本監控系統具有組態功能，可以在工程師站、操作員站對全系統構成及功能設置按工程需求靈活組態，也可修改組態，完善系統運行。組態可在線也可離線進行。
4 系統性能分析
4.1 可靠性設計
根據可靠性原理，綜合自動化監控系統是一個可修復系統，它的可靠性指標為系統有效度A，A=MTBF/(MTBF+MTTR)，其中MTBF為平均無故障時間，MTTR為平均修復時間。因此雙冗余措施是自動化綜合監控系統最重要的可靠性設計。
本設計在可靠性方面主要采取的措施是兩個方向，一是橫向冗余技術，二是縱向冗余技術。
4.1.1 橫向冗余技術的采用
從基礎自動化層到全線監控中心采取了一系列的橫向冗余技術。
全線骨干網是雙光纖自愈環，全線監控中心的局域網是雙網冗余配置，車站局域網是雙網冗余配置、全局服務器是雙冗余配置、車站服務器也是雙冗余配置。
4.1.2 縱向冗余技術的采用
在自動化綜合監控系統的子系統中，廣泛地應用了縱向冗余技術。一般講，全線監控中心一級可以直接對基礎自動化層設備進行直接操作。而在車站終控室也可以對現場設備進行直接操作，至于現場一級，既有自動控制又可手動控制。監控中心一級故障后可被車站一級接管。車站一級再出故障，可以進行單列操作或現場手動操作。這樣的縱向冗余模式同樣大大地提高了系統的可靠性。
4.2 擴展性設計
本設計為這個監控系統的拓展空間留有充分的余地。在骨干網帶寬資源較豐富(要求通信骨干網設計時預留有充分的帶寬)的前提下，從頂層到底層系統通過增加骨干網節點，通過多層次的接入，使系統具有強大的擴展能力。
工程中若增加一個車站，只需在骨干網上增加一個節點即可。在OCC指揮監控中心，高速交換以太網帶寬為100Mpbs，24口或48口交換機可支持多服務器和多操作員站，因此，全線監控中心可以接入多系統，可以構建多總站。通過選用更多端口的交換機或交換機級連，系統的擴展余地非常大；在車站級同樣可接入多個同協議系統，也可加網關接入不同協議系統；在基層控制網絡上，具有強大的接入第三方現場控制站和第三方PLC的能力。
從頂層到底層系統通過增加骨干網節點，通過多層次的接入，使系統具有強大的擴展能力。
5 結論
本監控系統在全線監控中心和沿線各車站都構建了冗余高速交換以太網，為車站和全線的系統集成提供了可靠的、帶寬很大的網絡平臺。車站服務器和全局服務器構成了分布式服務器，實現了分布式數據庫，保證了實時數據的可靠、高速地存取。整個系統為分層分布式控制，保證了可靠性和實時響應性。
從整體布局，系統配置，操作性能，運行狀態以及用戶的反映來看，北京城鐵13號線自動化綜合監控系統的設計是合理可行的。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號