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(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號線是北京奧運會的重要基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(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(zé)5 個典型車站的軟件功能設(shè)計、編程、組態(tài)和調(diào)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(zāi)自動報警系統(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(diào)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(shè)備進行全面、有效地進行自動化監(jiān)控及管理，確保設(shè)備處于安全、可靠、高效、節(jié)能的最佳運行狀態(tài)，從而提供一個舒適的乘車環(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(diào)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(shè)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(wù)，包括設(shè)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(shè)備的運行狀態(tài)。BAS系統(tǒng)主要負責(zé)實現(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(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，根據(jù)空調(diào)環(huán)境溫、濕度計算焓值，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(zāi)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(zāi)自動報警具有控制優(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：
o 正常模式
o 阻塞模式
o 夜間模式
o 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(shè)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(shè)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。
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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(gòu)成
1. 整個項目中的硬件配置、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(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；若干遠程IO 站及模塊――選用西門子的ET 200M 遠程站及相關(guān)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(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(shè)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(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(nèi)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(shè)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(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(shè)備級網(wǎng)絡(luò)，采用冗余PROFIBUS 工業(yè)控制網(wǎng)，擔(dān)負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。
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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(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
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圖5 冷水系統(tǒng)圖
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(shè)備，由西門子自動化產(chǎn)品實現(xiàn)下述BAS 系統(tǒng)設(shè)備控制功能：
?。?）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(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中進行調(diào)用，掃描周期設(shè)置為500ms。
?。?）焓值自動控制：主要是面向車站空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的一種控制方式。BAS將實時檢測車站的空氣參數(shù)并進行焓值運算，根據(jù)室內(nèi)外焓值和溫度，確定空調(diào)運行工況，實時控制空調(diào)設(shè)備的運行，如控制空調(diào)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(diào)節(jié)的死區(qū)。輸出為計算后需要執(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，均接在冷水機房的專用PLC中，因此冷水系統(tǒng)的焓值控制在專用PLC 完成。
?。?）時間表控制正常工況下設(shè)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(shè)備在正常情況下運行的控制輸出，它以設(shè)備、設(shè)備組或系統(tǒng)為單位，確定設(shè)備在某段時間內(nèi)的運行狀態(tài)。BAS PLC 根據(jù)當(dāng)前的時間表執(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(nèi)容，相應(yīng)控制設(shè)備啟動或停止。
PLC 中的通訊程序?qū)⒕C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(dāng)前的系統(tǒng)時鐘，判斷出需要執(zhí)行的相應(yīng)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(diào)用，掃描周期設(shè)置為300ms。
?。?）FAS 的通訊控制
當(dāng)車站或區(qū)間隧道發(fā)生火災(zāi)時，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)生時關(guān)閉相應(yīng)的風(fēng)機和風(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(dāng)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(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。
?。?）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FB，每個設(shè)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(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)備只需要組一個結(jié)構(gòu)，畫一個操作面板，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)。
?。?）多控制源功能的實現(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(shè)備都有這五個控制級，因此在用SCL編寫程序時，需要對設(shè)備控制源進行檢查。
2. 冗余環(huán)網(wǎng)絡(luò)功能的實現(xiàn)：
地鐵BAS的控制設(shè)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(shè)備需要相互協(xié)調(diào)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(shè)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。
四、 項目運行
典型車站的整個系統(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(diào)試完成。
五、 應(yīng)用體會
項目進行當(dāng)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(shè)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。
（轉(zhuǎn)載）
