摘要：随着社会发展，交通拥堵已经蔓延到三四线城市。兴建城市轨道交通（地铁、快轨、有轨电车）是未来城市交通发展的趋势。城市轨道交通环境与设备监控子系统BAS作为地铁建设中必不可少的系统，该系统主要有PLC系统构成， 基于施耐德PLC 的地铁BAS系统控制方案，充分体现了PLC对大型计算机监控系统的适应性、高可靠性、优秀的网络扩展能力和良好的开放性等方面的特点。
关键词：城市轨道交通；BAS；PLC
引言：地铁BAS系统由中央、车站、就地三级控制系统组成，使车站设备监控系统对全线所有车站的机电设备进行全面、有效的监控和管理，确保车站设备处于高效、节能、最佳运行状态、并能在火灾或者事故状态下，指挥控制车站设备进入救灾模式，保证乘客的安全和设备的正常运行。系统主要监控的子系统包括火灾报警系统、隧道及站台通风设备、空调系统、照明系统、给排水系统、屏蔽门系统和其他机电设备。由于PLC的厂家众多，每个厂家构成的BAS系统结构都不相同，且每种PLC构成的BAS系统都有各自的特点，因此如何搭建一套PLC系统成为构建城市轨道交通BAS系统的关键。
系统概述：轨道交通工程环境与设备监控系统（简称 BAS ）包含环境调节（ Environment Control System）和设备监控（ Building Automation System）二部分，对轨道交通全线所有地下车站、高架车站、地面车站、停车场、车辆段、临时控制中心、区间隧道内设置的各种正常运营保障设施 (包括通风空调设备、给排水设备、照明设备、自动扶梯、电梯等 )和事故紧急防救灾设施 (防排烟系统、应急照明系统等 )进行实时的监控管理， 并确保以上这些系统的安全可靠运行， 特别是在地下车站发生火灾事故的情况下，使有关救灾设施按照设计工况及时有效地运行，从而保障人身安全。车站、车辆段/停车场环境与设备监控系统通过冗余通信接口与 ISCS 连接， 将信息集中上传至 ISCS， 实现环境与设备监控系统在 ISCS 中的集成。
1 系统监控对象
BAS 系统的监控对象可分为：环控系统、车站空调通风系统、车站公共区暖通空调系统、设备及管理用房暖通空调系统、空调冷水系统、隧道通风系统、区间隧道活塞风系统和机械通风系统（ TVF ）
区间隧道配线通风系统、站台下/轨道顶排热通风系统（ UPE/OTC ）、机电设备系统、电扶梯系统、照明系统、应急照明系统、给排水系统
2 系统设计方案
系统采用工业以太网加双总线构建车站 BAS 局域网络。 在车站控制室、 A 端环控电控室、 B 端环控电控室分别设置 1 套冗余的工业以太网交换机 （具备光口和电口） ， 使用光纤互连组成 100M 双环光纤工业以太网。 A 端主控制器通过冗余通信接口与 ISCS 连接，将信息集中上传至 ISCS，实现BAS 在 ISCS 中的集成。 A、 B 两端 PLC 控制器下设置双总线将各类远端 I/O、 具有智能通信口的现场设备以及现场小型控制器等设备统一接入，分别对车站 A、 B 两端的环控、机电设备进行监控管理。
在车站控制室，由 ISCS 统一布设 IBP 盘， BAS 在盘内设置 PLC，通过硬接线将盘上与消防联动直接有关的火灾模式手动按钮（隧道通风系统、车站大系统、车站小系统等的火灾模式）连接到PLC 上，实现对 IBP 手动火灾模式指令的接收和模式执行状态信息的反馈。 FAS 系统通过车站控制室 IBP 控制器与 BAS 进行接口。火灾模式下， FAS 向 BAS 下发火灾模式指令， BAS 两端的控制器将按预定工况转入灾害模式下启动相关设备。
BAS 和 ISCS 之间通过工业以太网进行数据通信、 BAS 内部的数据通过专用网络 M ODBUSPLUS 进行通信。现场级控制网采用冗余工业总线网络 MODBUS PLUS 。车站冗余 PLC 与智能低压之间采用独立的冗余总线进行连接。
在地下车站的 A 端环控电控室设置维护工作站、 B 端环控电控室设置维护终端，并通过MODBUS PLUS 总线与主控制器连接BAS 配置满足所有通信协议转换要求的装置与其他智能设备接口， 满足 BAS 系统的功能及扩展要求。现场总线为 M ODBUS PLUS ， 为符合国际和国家通用标准的开放通信协议的工业现场总线。传输介质为无卤、低烟、阻燃型屏蔽电缆 (线)或光纤。区间被控设备以冗余光纤连接方式接入相关车站的 BAS 现场级控制网络。地下车站 A、B 两端的主、从 PLC 之间采用冗余 MODBUS PLUS 总线进行连接。车辆段 /停车场各单体之间采用冗余光纤或总线进行连接。车站每端单一网络能最多连接 63 节点，并能根据应用需要，支持灵活的网络结构，可实现网络之间的通讯桥接、隔离和数据交换。MODBUS PLU 距离最长为 450 米（不带中继），加电口中继器可达 1800 米，光纤中继器最长可达 3KM（多模光纤）。在不带中继器情况下， MB+ 总线的传输率为恒定 1M BIT/S， 带中继器只增加网络的传输距离。现场总线的最高速率不低于 1M BPS 。除第三方系统通信接口外， 本 BAS 系统除了与 FAS 、UPS 以及风机空调变频器有网关连接外，其余系统内部的包括网关、 RI/O 等均采用MODBUS PLUS 通信协议连接。现场级控制网符合国际标准 IEC61158 。
3 系统功能
3.1 环境与设备监控的目的
地铁环境控制的目的是利用通风和空调等手段，把车站与区间隧道的热环境控制在一定范围内，以创造一个适宜的人工环境，满足乘客和工作人员生理和心理上对所处环境中空气的温度、湿度、质量、流速、噪声等诸多因素的综合要求，同时保证地铁列车和其它机电设备正常地工作。
3.2 环境与设备监控系统的功能
系统对全线不同运营模式下的机电设备进行监视、控制和管理。系统按中心级、车站级两级管理，实现中心级、车站级、就地级三级控制方式，中心级主要负责全线 BAS 的日常调度、 控制模式、 运行统计等工作， 车站级主要负责本站机电设备的单点控制、执行中心级模式控制、编辑临时时间表控制、显示各种工作状态与报警。
3.2.1 正常运行模式
通过空调或通风等手段排除余热、余湿，为地铁乘客创造一往返于地面至车站至地铁列车内的过渡性舒适环境，最大限度地吸引客流。
为满足地铁车站内各种设备及管理用房的工艺和功能要求提供适宜的温度和湿度条件，保证地铁内的工作人员和运行设备有一个良好的工作环境，以确保地铁列车正常安全运营。
系统对给排水系统、 照明系统、 应急照明系统、 电扶梯系统等系统的系统工作状态、 设备状态、报警信息进行监视、控制和管理。
3.2.2 阻塞运营模式
向阻塞区间内提供足够的送、排风量，以保证列车空调冷凝器能继续运行。
3.2.3 火灾事故运营模式
向疏散的旅客提供迎面新风，诱导乘客安全撤离，同时还具备排烟功能，防止乘客和工作人员被窒息。
4 系统性能
车站 BAS 控制响应时间（车站 ISCS 、 BAS 维护终端发出命令到 RI/O 输出动作的时间）不大于 1 秒。车站 BAS 信息响应时间（ RI/O 输入接受动作信号到车站 ISCS 、 BAS 维护终端正常显示的时间）不大于 1 秒。系统整体实现的显示精度为：模拟量的显示精度不低于 1 级温度的分辨率不低于 0.2℃。BAS 主要单台设备平均无故障时间 MTBF ：≥ 50000 小时。BAS 故障恢复时间 MTTR ：≤ 30 分钟。BAS 不因单点设备故障而影响整个系统的正常运转。BAS 的显示设备的图形界面刷新时间不大于 1 秒，在外界电磁场和静电干扰下，不会出现任何画面跳动和扰动。当电源供应中断后，再恢复运作时， PLC 、 RI/O 及网络通讯设备能自动重新启动，并在120 秒内恢复正常运行。BAS 具有抗电磁干扰能力，满足相关的标准和规范要求。BAS 可抵抗无线电频率为 150KH Z 至 30MH Z 中的接触性干扰或满足国家相关的标准和规范要求。开放性： 网络符合完全开放的、 符合国际公认的网络标准协议。 如 IEC61158 、 IEEE802.3 、100B ASE TX 等。
实时性：对于远程 I/O 数据和 PLC 间互锁信息的传输，网络具备高度实时性，网络的刷新时间、 I/O 数据的传送时间是有保证的。信息传输服务： 控制层设备提供方便的接入端口， 无论从任何一点接入， 都方便地支持编程上传 /下载、系统诊断和数据采集功能，且不需要复杂的编程或特殊的软硬件支持，同时不影响实时信息传输性能。
5 系统软件
BAS 所需的软件包括： PLC 编程、组态软件，人机界面（ HMI ）开发、维护工作站 Windows操作系统软件及运行软件等。由于 BAS 系统属于 ISCS 的一个集成子系统， 车站级和中心级人机界面的功能均由 ISCS 实现。因此， BAS 系统自身配置的软件只包括 PLC 编程软件。人机界面软件的相关描述请见 ISCS 系统相关内容。系统采用监控组态软件，其相关软件包括开发软件、通信软件、运行软件、模拟测试软件等。
6 系统接口
BAS 系统与众多专业系统存在系统接口和工程界面。
6.1 基本要求
6.1.1 通信接口子系统
综合监控系统（ ISCS ）、火灾自动报警（ FAS ）、智能低压柜、应急照明（ EPS ）、车站主风机变频器、冷水机组
6.1.2 硬线连接子系统
自动扶梯、电梯、给排水系统、照明系统、暖通空调系统
6.2 相关系统监控要求
6.2.1 隧道通风系统
6.2.1.1 监控对象：
主要有区间风机、车站送排风机（兼区间风机） 、隧道射流风机、相关风阀和防火阀。
6.2.1.2 监控要求：
1) 对区间隧道通风系统进行中央级、车站级控制。中央级下达运行模式指令到车站级，由车站级实现对区间隧道通风系统设备的模式控制，控制操作以中央级为主。
2) 区间隧道通风系统运行分为正常运行、阻塞运行、火灾模式。由系统根据预先设定的时间表或具体事故情况来执行不同的运行模式，同时可以通过计算机进行人工干预。
正常运行状态：根据地铁运营的时间，由系统预先设定的时间表来控制不同的运行模式。模式的启停时间主要依据地铁运营开始及停止的时间和日期，具体分为：夜间运行：夜间收车后，根据系统的时间表功能，区间隧道通风系统进行 1 小时（可调整）的纵向机械通风，排除隧道中的废气和余热余湿。此时车站通风系统隔站送排，区间隧道的中间风井关闭。
正常运行：列车正常运行时，车站公共区暖通空调系统投入运行而区间隧道通风系统停止运行。阻塞运行状态： 当列车因故障或其他原因而停在区间并确定短时间内无法继续行驶时， 中央级下达运行模式指令到车站级，车站级控制通风系统设备进行隧道阻塞通风模式控制。从而控制隧道内温度， 保证列车空调冷凝器在正常的工作范围内。隧道通风系统变频器工作情况为：
夜间运行状态：每站 4 台风机按照一定的运行频率运行，该频率将在联合调试时确定；阻塞事故运行状态：变频器将被旁路，风机在工频下运行；
火灾事故运行状态： 控制中心根据信号系统传来的停车位置信息和司机报告的火灾情况下达相关指令给相关的车站 BAS ，相关车站 BAS 采取相应的火灾运行模式，保证旅客的安全疏散。 当着火列车驶入前方车站时， 利用前方车站的隧道通风系统进行排烟； 当着火列车停在区间隧道时，应按预定的隧道内火灾模式运行。
6.2.2 车站公共区系统、设备管理用房空调通风系统
6.2.2.1 监控对象
车站公共区系统： 车站送风机、 车站排风机、 大型表冷器、 过滤器、 相关风阀、 防火阀等。车站设备管理用房系统：空调机组、新风机组、回 /排风机、送风机、排风机、排烟排风机风机、相关风阀、防火阀等。
6.2.2.2 监控要求
车站站厅、站台公共区的暖通空调系统监控、新风温湿度；送风温湿度；回排风温湿度；站台温湿度；站厅温湿度；二氧化碳浓度测试；
6.2.3 车站冷源系统
6.2.3.1 监控对象
空调水系统：冷却塔、冷却水泵、冷水机组、冷冻水泵、电动蝶阀、电动二通调节阀、补
水泵、传感器等；
6.2.3.2 监控要求
根据站厅、站台温湿度探头的采样参数和其它相关参数 (新风室、回风室、送风室温湿度 )经 PLC 计算来控制二通流量调节阀的阀门开度，以此控制空调表冷器的冷冻水量；记录监测所有设备的运行状态和运行时间等；对相关的水位进行自动报警；监视和记录水系统设备的温度、压力、压差、液位、流量等工艺参数；通过压力、压差信号或流量对管网的稳定性进行监视和预测；实现设备开停顺序控制及启停联锁保护；
6.2.4 给排水系统
6.2.4.1 监控对象
给排水系统的监控对象：废水泵、污水泵、区间废水泵、电保温、阀门、液位控制器、压力表、远程水表等。
6.2.4.2 监控要求
系统监视监控对象的工作状态、故障报警并进行控制管理。
6.2.5 电扶梯系统
6.2.5.1 监控对象
监控对象：站台与站厅电扶梯系统设备、出入口电扶梯系统设备。
6.2.5.2 监控要求
正常工况：对各车站的自动扶梯、电梯的运行状态、故障进行监视。
火灾工况： 对反疏散方向的自动扶梯在确认无人情况下紧急停止； 对有紧急疏散功能的扶梯保持继续运行；将电梯停至安全层的控制。
6.2.6 照明系统
6.2.6.1 监控对象
照明系统的监控对象包括公共区照明、广告照明、 设备房照明、事故照明电源、导向灯箱等。
结束语：
通过以上架构基于施耐德PLC的城市轨道交通BAS系统，BAS系统作为ISCS系统的集成子系统，二者深度集成，不仅为地铁的乘客带来舒适的乘车环境，也为地铁的运营者带来极大的便利。
参考文献：
[1]城市轨道交通工程通信及综合监控系统,中铁电气化局第三工程有限公司
[2]城市轨道交通车站机电设备,上海申通地铁集团有限公司