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圖1  系統(tǒng)整體連接圖

3.1  底層路徑
    利用EST3主機(jī)的一個RS-232異步串口和BAS系統(tǒng)的PLC直接連接，該接口事先由EST3系統(tǒng)將其配置為打印接口。深圳地鐵項目中，BAS系統(tǒng)控制器采用的是美國羅克韋爾（Rockwell）公司的Control Logix系列可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC），接口模板采用的是美國Prosoft公司的MVI56-ADM模塊，該模板能很好地和Control Logix系列PLC集成，并能夠直接安裝其框架內(nèi)，它提供了3個應(yīng)用物理接口，并可直接通過背板總線實現(xiàn)和PLC的CPU模板進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。該模板提供了一個嵌入式系統(tǒng)環(huán)境（16位DOS環(huán)境），并且為用戶提供了豐富的應(yīng)用程序接口（Application Program Interface，API），用戶可以利用這些API編寫適應(yīng)各種接口應(yīng)用的程序運(yùn)行于該模板中。深圳地鐵的BAS利用該模板提供的資源，編寫了EST3主機(jī)打印機(jī)協(xié)議的接口驅(qū)動程序，該驅(qū)動用于EST3協(xié)議應(yīng)用層的解釋工作，并將相關(guān)數(shù)據(jù)映射到PLC的共享內(nèi)存中用于PLC程序處理。

3.2  上層路徑
    EST3主機(jī)提供另一個RS-232異步串口用于和FAS監(jiān)控工作站連接，F(xiàn)AS監(jiān)控工作站同時和BAS監(jiān)控工作站接入車站局域網(wǎng)，BAS監(jiān)控工作站通過局域網(wǎng)從FAS監(jiān)控工作站獲取數(shù)據(jù)，并傳送至BAS的PLC控制器中，從而實現(xiàn)兩系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)路徑的冗余。通過這樣的系統(tǒng)設(shè)計，從邏輯結(jié)構(gòu)上保證了BAS和FAS之間的通信可靠性，使得BAS的PLC控制器能分別通過兩條路徑獲取數(shù)據(jù)，從而提高接收FAS數(shù)據(jù)的可靠性。

4  接口協(xié)議

    接口協(xié)議的轉(zhuǎn)換及解釋是采用這種方式實現(xiàn)聯(lián)動控制的關(guān)鍵。
    系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了通信路徑的冗余，接下來將面對如何可靠接收并解釋FAS的專用協(xié)議，并傳送至BAS的可編程控制器中。在這兩條通信路徑中，涉及了3種協(xié)議，F(xiàn)AS專業(yè)提供了2種通信協(xié)議：
    ① 用于底層的無應(yīng)答的EST3協(xié)議；
    ② 用于上層的有應(yīng)答的基于TCP/IP（Transfer Control Protocol/Internet Protocol，傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議）的CBP協(xié)議（CGP and BAS Protocol，CBP；CGP：Color Graphic Package，彩色圖形軟件包，是EST3系統(tǒng)的軟件包）。另外是利用Rockwell公司的RSLinx通信引擎，基于TCP/IP的控制與信息協(xié)議（Control and Information Protocol，CIP），關(guān)于CIP這里不作詳細(xì)介紹，只針對EST3系統(tǒng)的兩種協(xié)議做論述。

4.1  EST3協(xié)議
    如前所述，EST3提供的是一種基于事件的無應(yīng)答的打印機(jī)協(xié)議，這就要求作為接收方的驅(qū)動必須做到接收迅速、解析準(zhǔn)確、傳送及時。首先，驅(qū)動的接收方式為中斷接收，由于是通過硬件來觸發(fā)的，與常規(guī)的輪詢方式比，其最大的優(yōu)勢是延遲時間極短，延遲在納秒（10^-9秒）級；其次，解析采用了“滑動窗口”機(jī)制，對數(shù)據(jù)的解析是基于單個字節(jié)的，這樣可以確保在解析時不會誤丟數(shù)據(jù)；最后，在解析出一幀完整的信息后，立即把數(shù)據(jù)放入PLC共享內(nèi)存，通知PLC有新的事件，同時，與PLC的數(shù)據(jù)交換引入握手機(jī)制，可以確保數(shù)據(jù)被PLC接收。

4.2  CBP協(xié)議
    FAS監(jiān)控工作站提供的是基于TCP/IP有應(yīng)答的協(xié)議，這條數(shù)據(jù)路徑作為冗余通道。提供三種應(yīng)答協(xié)議，如圖2所示。其一是網(wǎng)絡(luò)測試幀，用于雙方的相互診斷，協(xié)議文本內(nèi)容固定，監(jiān)控站定期發(fā)送，驅(qū)動收到后只需復(fù)制文本，回饋給監(jiān)控站作為響應(yīng)；其二是變更信息協(xié)議，用于驅(qū)動查詢監(jiān)控站是否存在新的故障信息，驅(qū)動定期發(fā)送查詢幀，如果收到響應(yīng)并發(fā)現(xiàn)有新的故障，驅(qū)動以事件的方式通知本地應(yīng)用層；其三是總召喚信息協(xié)議，用于驅(qū)動查詢監(jiān)控站當(dāng)前存在的所有故障信息，驅(qū)動定期發(fā)送總召喚查詢幀，如果收到響應(yīng)并發(fā)現(xiàn)有新的故障，驅(qū)動以事件的方式通知本地應(yīng)用層。
    顯然，兩種協(xié)議都有各自特點(diǎn)，EST3協(xié)議最大的特點(diǎn)是快速，但協(xié)議有先天缺陷，存在丟失數(shù)據(jù)的可能；TCP協(xié)議最大的特點(diǎn)是可靠，其缺點(diǎn)是存在較大延遲。當(dāng)同時采用兩種協(xié)議接收數(shù)據(jù)時，可以達(dá)到相互取長補(bǔ)短的效果，兩系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳遞迅速、可靠，使BAS能夠滿足聯(lián)動控制系統(tǒng)響應(yīng)性指標(biāo)要求。

圖2  三種應(yīng)答協(xié)議

5  聯(lián)動控制過程

    實現(xiàn)聯(lián)動控制有3個過程：
    ① 接收有效的報警信息；
    ② 模式優(yōu)先級及沖突判斷；
    ③ 發(fā)布模式命令，實現(xiàn)火災(zāi)模式控制。具體流程如圖3所示。

圖3  聯(lián)動控制過程流程圖

5.1  接收有效的報警信息
    在由驅(qū)動層有效可靠的接收數(shù)據(jù)并傳送至BAS系統(tǒng)后，BAS系統(tǒng)控制器的應(yīng)用程序須要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行及時的、可靠的讀取和處理，以避免數(shù)據(jù)被新的事件數(shù)據(jù)所覆蓋，造成事件丟失，為此PLC應(yīng)用程序中采取以FAS事件最小更新周期的1/3時間為周期做定時查詢，以可靠獲取接口驅(qū)動層傳遞來的數(shù)據(jù)，具體是這樣實現(xiàn)的：
    在PLC應(yīng)用中，專門建立一個周期性的（定時中斷）接口數(shù)據(jù)處理任務(wù)（FAS_Handler），用于讀取并處理PLC共享內(nèi)存數(shù)據(jù)。由前面分析可知，由于底層鏈路的數(shù)據(jù)傳遞較快，則PLC周期任務(wù)的時間以底層鏈路數(shù)據(jù)更新周期為基準(zhǔn)。底層物理接口為異步串口，波特率9 600bps，接收1幀數(shù)據(jù)所需時間大于60ms，故將該接口處理任務(wù)的周期設(shè)定為20ms（即20ms的定時中斷），這樣確保BAS能及時可靠地讀取FAS信息。
    接口數(shù)據(jù)處理任務(wù)的功能是讀取并處理接口數(shù)據(jù)。具體流程如圖4所示。根據(jù)設(shè)計，BAS系統(tǒng)只響應(yīng)FAS的模式控制命令，而FAS系統(tǒng)不能直接傳遞模式命令，BAS必須要對FAS數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和過濾，分揀出代表模式命令的信息（FAS輸出的信息是其所有的事件，如火警、手報、溫感、矩陣、與組、故障、狀態(tài)等，而BAS關(guān)心的只是有效的邏輯與組編號，F(xiàn)AS事先針對不同防火/煙分區(qū)的煙感或溫感探頭，設(shè)置不同的邏輯與組，當(dāng)該組內(nèi)相鄰2個探頭報警時，F(xiàn)AS將輸出該與組的編號，作為該防火/煙分區(qū)確認(rèn)的火災(zāi)報警信息，與組編號代表特定防火/煙分區(qū)的模式命令，因此BAS將在FAS傳遞的眾多信息中分揀與組號信息，查表確定對應(yīng)的防排煙模式命令編號）。另外，BAS系統(tǒng)通過CBP協(xié)議接收上層通信路徑傳遞來的與組編號信息，這一層的數(shù)據(jù)過濾在運(yùn)行于BAS監(jiān)控工作站的接口驅(qū)動進(jìn)程中實現(xiàn)。BAS監(jiān)控工作站利用CIP協(xié)議將該信息實時寫入PLC的另一共享內(nèi)存中，同樣PLC將根據(jù)該信息查表產(chǎn)生對應(yīng)的防排煙模式命令編號。由于火災(zāi)事件是有先后順序的，因此在接口數(shù)據(jù)處理任務(wù)中設(shè)計了一個長度為20的數(shù)組文件作為事件隊列（First In First Out，F(xiàn)IFO）FAS_Evt_FIFO，用于緩存防排煙模式號，為BAS后續(xù)處理做準(zhǔn)備。此時事件隊列程序模塊將比較兩條路徑傳遞來的信息，如果數(shù)據(jù)相同，則視為同一火災(zāi)事件，如果不同，則作為兩個不同的事件，這些事件以模式號的方式進(jìn)入事件隊列。
    至此，聯(lián)動控制的第一個步驟完成，這一步是BAS實現(xiàn)聯(lián)動控制的基礎(chǔ)。

圖4  數(shù)據(jù)處理流程圖

5.2  模式優(yōu)先級及沖突判斷
    地鐵一般設(shè)有3類風(fēng)系統(tǒng)：隧道風(fēng)系統(tǒng)，車站公共區(qū)風(fēng)系統(tǒng)（大系統(tǒng)）和設(shè)備及管理用房風(fēng)系統(tǒng)（小系統(tǒng)）。根據(jù)工藝設(shè)計，這些風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備在不同的運(yùn)營工況時動作是不一樣的，不同工況下多設(shè)備不同的運(yùn)行狀態(tài)組合即所謂的模式，BAS將根據(jù)情況對這些設(shè)備進(jìn)行群組控制即模式控制，以適應(yīng)不同的工況。地鐵工況一般有火災(zāi)工況、阻塞工況、正常工況等，對應(yīng)有防排煙模式、阻塞模式和正常模式等，其中防排煙模式具備最高的執(zhí)行優(yōu)先級。另外，當(dāng)同一風(fēng)系統(tǒng)對應(yīng)的不同防火（防煙）分區(qū)同時出現(xiàn)火災(zāi)時，根據(jù)要求要啟動不同的防排煙模式，如果不同的模式對同一設(shè)備的動作要求不一樣的情況，這種情況定義為模式?jīng)_突，此時BAS系統(tǒng)在響應(yīng)并執(zhí)行第一個模式的時候就不能執(zhí)行第二個模式，以上工作全部由BAS可編程控制器來進(jìn)行判斷和處理。當(dāng)出現(xiàn)火災(zāi)時，BAS系統(tǒng)首先根據(jù)事件隊列里的模式號來判斷工況，以決定能否優(yōu)先執(zhí)行該模式（火災(zāi)工況是具有最高優(yōu)先級），接著BAS要根據(jù)模式號進(jìn)行模式?jīng)_突判斷，看是否和當(dāng)前同級別的模式?jīng)_突。以上判斷的結(jié)果就意味著聯(lián)動控制的第二步完成。

5.3  發(fā)布模式命令，實現(xiàn)火災(zāi)模式控制
    經(jīng)過上述2個步驟，事件隊列里的某個模式經(jīng)判斷能夠執(zhí)行時，BAS系統(tǒng)將根據(jù)該模式號查表，取出對應(yīng)的設(shè)備命令分解傳輸?shù)礁鱾€就地級控制器中，由就地級控制器實現(xiàn)對防排煙設(shè)備的控制，至此完成聯(lián)動控制。

6  聯(lián)動控制的響應(yīng)性及實時性

    根據(jù)《消防聯(lián)動控制設(shè)備通用技術(shù)條件》（GB16806－19987）中對聯(lián)動控制的有關(guān)控制方式、響應(yīng)性、反饋顯示等技術(shù)指標(biāo)提出了具體要求。其中要求聯(lián)動控制系統(tǒng)在接收FAS報警信息后需在3秒內(nèi)發(fā)出聯(lián)動控制命令（參見4.2.4條款），這里分析一下BAS系統(tǒng)聯(lián)動控制的響應(yīng)性和實時性。

在做系統(tǒng)設(shè)計時，對BAS聯(lián)動控制的響應(yīng)性和實時性采取了下列措施：
    (1)  接口驅(qū)動采用中斷方式接收FAS的報警信息，并實時更新到PLC的共享內(nèi)存中；
    (2)  BAS系統(tǒng)采用工業(yè)級控制器，其運(yùn)算速度<0.1ms/k基本指令，應(yīng)用程序掃描周期一般為毫秒級；
    (3)  BAS控制器之間的網(wǎng)絡(luò)采用確定性、高速控制網(wǎng)絡(luò)，使得聯(lián)動命令的傳遞同樣在毫秒級內(nèi)完成。

圖5  聯(lián)動過程所需的時間