1 引言
       随着城市化进程的不断推进，地铁已然成为城市中不可或缺的交通工具，是人们日常出行的最重要方式之一。由于地铁是狭长的地下建筑，除各站出入口和通风道口与大气连通之外，地铁基本上是与大气隔绝的，且列车运行、设备运转和乘客等会散发出大量热量，尤其发生火灾等事故时，其环境会进一步恶化。因此，地铁的安全性、舒适性及稳定性成为了地铁运营状况最重要的考核指标。基于地铁的特殊要求，在运营过程必须投入大量的用电动力设备，以确保地铁建筑物内的通风、给排水、照明、乘客导向、自动扶梯及电梯、屏蔽门、防淹门等设备和系统正常运作。
       地铁环境与设备监控系统（Building Automation System，以下简称BAS系统）融合计算机技术、自动控制技术、网络通讯技术及分布式智能技术等，采用分散控制、集中管理的系统架构，对地铁车站及区间隧道内的空调通风、给排水、照明、电梯、扶梯、安全门等机电设备进行全面的运行管理与控制。同时BAS系统对于地铁内潜在的突发事件，如火灾、地震、洪水、恐怖袭击等，提供了一整套智能应急模式预案。在灾害状态下，BAS系统依旧能及时有效的响应，协调机电设备的运行，最大限度地发挥车站机电设备的作用。
    2 BAS系统
       地铁BAS系统一般是集成于综合监控系统，不独立组建全线网络。BAS系统设置中央、车站两级管理，中央、车站、就地三级控制。中央级和车站级监控功能由综合监控系统实现，BAS作为综合监控系统的一个子系统，通过各级的有机配合，最终实现BAS的整体功能。
       2.1系统结构
       BAS系统要求采用冗余设计，包括：网络冗余、主控冗余、接口冗余等。当系统发生故障时，出现故障的节点能进行无扰切换，其余节点不变，保证BAS及其它系统的运行完整、可靠。BAS系统是基于分层分布式的系统结构：
       · 中央级：中央级位于OCC（Operating Control Center，运行控制中心）的调度工作站，由行车综合自动化系统实现。
       · 车站级：车站级位于车站监控室和车站控制室，包括车站级行车综合自动化系统监控功能和车站BAS监控功能。车站级监控功能由行车综合自动化系统完成，车站BAS监控功能以车站BAS紧急维护终端、BAS维护工作站、PLC控制器为平台实现。
      · 现场级：现场级位于车站各就地监控点或数据采集点，具体包括各类传感器、执行器、远程I/O模块、接口模块等。
       地铁BAS系统根据其功能划分为不同的BAS系统，如：车站BAS系统、车辆段BAS系统、停车场BAS系统等，车站BAS系统又根据其位置区分为地下车站BAS系统和地上车站BAS系统，由于地下车站BAS系统最为复杂，也最具有代表性，本文以地下车站BAS系统作为研究对象。
       2.2 地下车站BAS系统
       地铁BAS系统作为综合监控系统的重要组成部分，承担着地下车站机电设备监控以及紧急情况下防灾救灾的重要责任。地下车站机电设备分布广泛，BAS系统核心控制器及远程I/O之间一般以网络通信的形式连接。
       地下车站BAS由冗余控制器、远程模块箱柜、现场传感器、车站IBP嵌入式一体化工作站（带触摸功能）、环控电控室嵌入式一体化工作站（维护工作站、带触摸功能、双网）等组成。监控的对象包括车站隧道通风系统、车站公共区空调通风系统、设备管理用房区空调通风系统、智能低压系统、空调系统、给排水系统、电扶梯系统、低压动力照明系统等。
       两端环控电控室内各部署一套冗余PLC控制系统，靠近车站综合控制室的PLC为主控制器，另一端的PLC为从控制器。在主控制器配置带触摸功能的嵌入式一体化工作站，并通过BAS交换机与主控制器相连。在车站控制室IBP盘设置单机PLC控制系统、带触摸功能的嵌入式一体化工作站。
       两端环控电控室的PLC通过BAS现场级网络将各类远程I/O、具有智能通信接口的现场设备和就地现场小型控制器等设备统一接入，对车站两端的机电设备进行监控管理。车站控制室IBP盘PLC与车站FAS系统连接，在火灾模式下，FAS系统向BAS系统下发火灾模式指令，BAS系统控制器按预定工况转入灾害模式，启动相关设备。
       主端的冗余PLC控制器通过冗余以太网接口连接到综合监控系统的冗余BAS交换机，实现BAS系统与综合监控系统的冗余连接（链路、端口及数据冗余）。主端主控制器通过BAS现场级网络与从端从控制器相连，同时主控制器与FAS系统冗余相连。
       在车站及车站所辖区间的环控机房、照明配电室、车站各类水泵房或水泵附近、区间水泵房、区间变电所等处设置远程I/O控制箱，监控现场设备。主从控制器通过BAS现场级网络连接远程I/O模块箱。
       随着城市轨道交通技术的发展，国内外地铁环境与设备监控系统已经走过了各站分离的发展阶段，进入了全线组网的新阶段，普遍采用分散控制、集中管理的系统架构。BAS系统现场级网络主要有现场总线和工业以太网两种实现形式。
    3 和利时BAS系统解决方案
       针对地铁BAS控制系统对冗余、网络、设备性能等方面的要求，和利时推出LK系列大型PLC产品，并持续优化提升性能，以应对地铁BAS系统越来越高的可靠性、易维护性方面等需求。LK PLC采用模块化结构设计，包括CPU、电源、通讯及I/O模块等，通过总线或以太网的通讯方式连接远程I/O，从而实现现场信号的就近采集，节省线缆成本。LK冗余PLC的系统切换时间短，充分保证地铁BAS系统的安全可用；CPU模块主频高，处理速度快，可满足地铁BAS系统复杂程序处理要求。LK PLC采用宽温设计，所有板卡涂覆三防漆，适用于地下比较恶劣的环境。同时，支持带电热插拔，具有通道级诊断功能，方便系统运维。
       3.1 地下车站BAS方案
       BAS系统现场级网络主要有现场总线和以太网两种方式。和利时基于PROFIBUS-DP总线的地下车站BAS系统网络如图1所示，该方案在主、从端环控电控室各设置一套LK冗余PLC，在车站控制室的IBP盘里设置一套LK单机PLC，远程I/O控制箱通过冗余DP总线与PLC控制器连接，进行数据采集和设备控制。主、从端环控电控室及IBP盘的PLC经以太网环网完成数据交互，主端环控电控室的PLC作为主端控制器，通过冗余以太网与综合监控系统连接进行设备监控。

 

图1 基于PROFIBUS-DP总线的地下车站BAS系统

       现场总线网络结构是BAS系统的一种传统网络方式，它具有节省设备数量，降低投资成本、安装费用低、易于维护等优点。但是，各种现场总线技术之间信号转换困难、远距离传输信号衰减严重。相对现场总线，工业以太网具有开放稳定、通信速率高、易于集成等特点，随着全球工业自动化技术的不断进步，也引发了地铁BAS系统网络从现场总线向工业以太网发展的趋势。
       LK PLC同样能够提供基于以太网BAS系统解决方案，如图2所示。该方案在主、从端环控电控室各设置一套LK冗余PLC，在车站控制室的IBP盘里设置一套LK单机PLC，远程I/O控制箱通过以太网环网与各自的PLC控制器连接，进行数据采集和设备控制。主、从端环控电控室及IBP盘的PLC经以太网环网完成数据交互，主端环控电控室的PLC作为主端控制器，通过冗余以太网与综合监控系统连接进行设备监控。

图2 基于以太网的地下车站BAS系统图

       3.2 车站网络结构
       BAS系统在车站级的网络可分为三级：车站级、子系统级（BAS级）、现场级。
       （1）车站级
       主端LK冗余PLC通过冗余以太网接入车站级网络，实现车站综合监控系统对车站的监控。同时，主端PLC通过冗余以太网连接BAS维修工作站，方便设备维护。
       控制层网络上传输的数据包括：
       · 车站所有机电设备的状态、传感器测量值、报警等；
       · 控制命令（点控、组控、模式、时间表）等；
       · 模式运行状态、通风空调系统运行工况等；
       · IBP盘面操作控制及状态显示；
       · FAS报警信息。
       （2）子系统级
       车站主、从端的LK冗余系统通过冗余光纤环网进行通信，实现主、从端数据共享，进行有效的联锁控制。
       子系统级网络上传输的数据包括：
       · 系统运行时间、控制方式、权限信息、挂牌信息等；
       · 机电设备的状态、传感器测量值、报警等；
       · 控制命令（点控、组控、模式、时间表）等；
       · 通风空调系统运行工况等。
       （3）现场级
       LK控制器通过现场级网络连接各远程I/O、具有智能通信接口的现场设备和就地现场小型控制器等设备，实现对车站现场设备的数据采集和控制。
       现场网络上传输的数据包括：
       · 机电设备的状态等；
       · 传感器测量值、报警等；
       · 控制输出等。
       不管是现场总线网络，还是以太网网络，网络上的任意两个节点之间均可扩展新的节点，在进行系统扩展时，只需将新增网络节点接入现有网络即可，对新增节点的位置没有限制，便于系统扩容。
       3.3 设备监控
       综合监控系统对所有车站及区间隧道设备进行监控，如图3所示的综合监控对BAS系统及网络的监控，根据不同的操作权限和口令，实现中央级、车站级的分级控制。

图3 综合监控对BAS系统及网络的监控

       综合监控系统和BAS系统的控制器LK系列PLC共同完成对通风、空调、消防、照明、疏散等的基本控制，同时协同完场防灾控制、智能控制、设备管理、节能控制及系统维护等功能，如表1所示。在维修工作站和综合监控系统工程师站，工程师能够通过网络对所有LK大型PLC进行远程监控和调试，提升维修效率。

表1 系统控制功能

       LK控制器通过远程I/O模块或通信模块采集现场数据，经LK控制器逻辑处理后实时传递给综合监控系统，以实现设备监控。同时，综合监控系统的命令下发到LK控制器后通过远程I/O模块或通信模块完成设备的控制。LK控制系统与综合监控系统紧密合作共同完成通风模式、消防模式、给排水系统等控制，完成权限、时钟、报警等控制。
       · 通风模式控制：正常运营情况下，根据站内和站外的环境温度、湿度、焓值进行全新风、小新风、空调等运行模式的运行和切换。
       · 消防模式控制：在车站火灾、区间隧道火灾时，按照消防规范，自动或人工启动通风、排烟模式，启动疏散指示。
       · 时间表自动控制：事先设定全年的运行时间表，系统根据工作日、假日、特殊日的设定时间表，自 动启动相关设备和模式，实现无人职守的功能。
       · 给排水系统控制：控制集中冷站、空调机的水系统，为空调系统提供足够和均衡的冷源。
       · 报警记录和统计报表：记录全线的设备状态信息、系统信息，记录和语音提示各种报警状态，记录所有设备的操作情况，对数百个传感器进行实时和历史曲线的记录和分析，生成运营和设备运行的统计报表。
       · 口令与权限：可以对控制中心和各车站操作人员、维护人员进行口令和操作权限管理。
    4 结束语
       和利时LK大型PLC已在国内外多条地铁线的BAS系统中成功应用。其中，北京地铁14号线是一条连接东北、西南方向的“L”型骨干线，线路全长47.3公里，途经丰台、东城、朝阳等行政区，共设37个车站，1个车辆段，1个停车场。2013年开通首段，2015年全线开通。北京地铁14号线BAS系统共采用144套LK系列冗余控制系统、39套LK系列单机控制系统，是国内首条在BAS系统中采用国产自主研发的大型PLC的地铁线路。自2013年投运以来，稳定运行超过7年，年均客流输送量超过1亿人次。
       作者简介：
       郝艳平（1982-），女，山西朔州人，工程师，学士，现就职于北京和利时智能技术有限公司，主要从事PLC应用及控制方案设计等方面的工作。
       陈中川（1985-），男，浙江温州人，工程师，硕士，现就职于北京和利时智能技术有限公司，主要研究领域为工业控制器嵌入式软硬件设计、控制系统设计与实现、自主可控PLC设计与开发等。