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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控系統實現。

　　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包括：火災自動報警系統（FAS）、環境與設備監控系統（BAS）、暖通空調系統、低壓配電與動力照明系統、給排水、電梯系統。

　　2. BAS工藝概述

　　北京地鐵五號線的環境與設備監控系統（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、給排水、低壓配電與動力照明系統、電梯系統、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，從而提供一個舒適的乘車環境，并能在火災或阻塞等災害狀態下，更好地協調車站設備的運行，充分發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控系統 （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）。綜合監控系統可以根據不同運營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 以太網接口與ISCS的通信前置機聯接，實現BAS與ISCS 的數據交換。

　　車站BAS系統作為ISCS 的一個子系統，可以通過接口實現和綜合監控系統集成，從而在綜合監控系統的協調下完成車站BAS功能。同時車站BAS系統又可以形成一個以車站為單位的相對獨立的系統，通過車站維修工作站、現場觸摸屏、PLC 控制器等完成對車站環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 完成中央級及車站級的BAS功能的監控任務，包括設備的遠程點控、組控及模式控制，并實時監視各車站BAS 被控設備的運行狀態。BAS系統主要負責實現車站級的控制功能，通過PLC 控制器及接口設備將現場各被控設備的狀態數據采集，整理，一方面用于ISCS 的監控，一方面用于BAS 維修工作站及現場操作平臺的監控。同時接收來自上述的數據及命令，經優先級判斷、沖突判斷后執行對被控設備的控制功能。

　　3. 車站BAS功能

　　1） . 車站綜合監控系統在調控地鐵舒適度的同時，根據空調環境溫、濕度計算焓值，控制空調系統冷凍水閥門。充分利用自然有利條件，實施節能控制。在車站級控制方式下，車站綜合監控系統可進行環控工藝模式選擇（允許多組模式選擇）、修改和添加通過執行不同的環控模式和照明控制方案，實現節能控制。

　　2） . 接收本站火災自動報警系統發送的報警指令，本站綜合監控系統停止命令發送，火災自動報警具有控制優先權，并返回指令的執行信號。

　　3） . 模式執行。所監視的模式分類如下：

　　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，可實現對現場機電設備的遠程單動控制。

　　4. BAS中西門子產品配置

　　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環網配置如下：

　　4） 現場總線：采用冗余Profibus 現場總線，主要用來完成遠程IO 與PLC 主站的通信。

　　5） 監控計算機

　　6） 軟件

　　二、 控制系統構成

　　1. 整個項目中的硬件配置、系統結構；各組成部分選擇的依據。

　　車站BAS設備由車站BAS局域網、車站BAS控制器（PLC）、遠程I/O、現場總線、網絡設備、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 個地下站BAS系統，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型工業以太網――選用西門子的SCALANCE網絡交換機組建；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（含監控軟件）――選用西門子工業級工控機和工業監控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、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間PLC，其中蒲黃榆需要連接兩個區間PLC，在總線末端使用總線藕合器及OLM 來連接光纖和區間PLC 。

　　CPU 設計要求：根據地鐵車站建筑形式，分為南端與北端BAS子系統，同時綜合考慮地鐵系統的安全　　性、先進性、可靠性和經濟性的需求，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 以太網模塊（連接綜合監控的PLC，增加兩塊CP343-1 以太網模塊），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的監控。

　　以太網絡：系統根據車站建筑形式分為南端與北端BAS子系統。車站的環境與設備監控系統網分二層布置，第一層為站級系統網絡，采用工業以太網，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以太網。

　　現場總線網：第二層為現場設備級網絡，采用冗余PROFIBUS 工業控制網，擔負BAS控制器與BAS現場設備的數據交換。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。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 實現的功能

　　1. 控制功能

　　BAS 系統的被控對象是車站的各種機電設備，由西門子自動化產品實現下述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，其觸發可有兩種方式：人為觸發（HMI，IBP）和自動觸發（FAS 系統）。

　　BAS系統可以實現對本站所有模式及模式控制相關設備的監控與操作功能。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。模式控制的優先級在BAS系統中是最低的，因此在OB35中進行調用，掃描周期設置為500ms。

　?。?）焓值自動控制：主要是面向車站空調系統設備的一種控制方式。BAS將實時檢測車站的空氣參數并進行焓值運算，根據室內外焓值和溫度，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，自動調節的死區。輸出為計算后需要執行的相關工況模式號。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用PLC中，因此冷水系統的焓值控制在專用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、設備組或系統為單位，確定設備在某段時間內的運行狀態。BAS PLC 根據當前的時間表執行相應的模式。車站操作員可以選擇設備的控制方式。時間表的控制優先級低于模式控制和手動控制。

　　BAS系統支持三類時間表（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控任何一個時間表。BAS系統同綜合監控的通訊為MODBUS TCP協議，綜合監控將時間表下載到BAS PLC 中，BAS將根據時間自動判斷并執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，根據當前的系統時鐘，判斷出需要執行的相應模式號輸出。時間表控制的優先級在BAS系統中較高的，因此在OB34中進行調用，掃描周期設置為300ms。

　　（4）FAS 的通訊控制

　　當車站或區間隧道發生火災時，BAS系統根據FAS的要求執行相應的火災控制，包括火災發生時關閉相應的風機和風閥，氣滅完成的排廢氣功能。BAS同FAS系統的通過第三方的通訊轉換模塊，轉換為DP 進行通訊。FAS 通訊的所有數據只有2個字節，其中一個做為地址，一個是指令。在用SCL進行編程時，首先建立一張數據表，里面填好FAS數據的地址，當收到FAS數據時，根據收到的地址，到數據表里去查詢到相應的地址，再把指令填寫到里面。同FAS的通訊是優先級最高的，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、現場觸摸屏實現（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。其觸發方式由操作人員人為完成，車站BAS系統控制器具體執行控制任務，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 的背景數據塊，BAS維護工作站中WINCC 組態全部采用結構變量，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。

　?。?）多控制源功能的實現：地鐵BAS系統控制權分為五級控制，就地控制箱、IBP盤、綜合監控、BAS維護工作站、現場觸摸屏。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. 冗余環網絡功能的實現：

　　地鐵BAS的控制設備是根據地理位置進行分散式安裝，集中控制，同時由綜合監控系統下來的控制命令只進入到南端的PLC，通過冗余環形以太網再傳送到北端PLC，并且南北兩端的設備需要相互協調動作。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，不能因為單點或任意兩點間故障，造成三者間的數據出現中斷，而一般的單環以太網和簡單的雙環以太網無法實現用戶要求，如圖 8，因此設計采用冗余的雙環以太網保證數據傳送的可靠性。配置4臺SCALANCE202-IRT 交換機和2 臺SCALANCE204 交換機組態冗余的環形以太網。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 間連接級連網線。

　　X204-2S2 和X204-2M2 間連接級連網線。

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

　　典型車站的整個系統的結構和編程已經基本完成，所有功能已經同業主測試完成，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和現場調試完成。

　　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、工業以太網交換機、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。