引言

北京地铁14号线全长47.7公里，起于丰台区永定河以西的张郭庄站，向东经过丰台北路、南二环和南三环之间，至西大望路一线向北，迄于朝阳区来广营以北的善各庄站，呈L状。全线经过丰台、东城、朝阳3区，共设车站37座，除张郭庄站及园博园站是高架站外，其余均为地下车站。

为了配合第九届中国（北京）国际园林博览会的举办，项目于2013年05月05日开通张郭庄站至西局站段（全长12.4千米，共有7座车站），有利地保障了园博会在北京的顺利举办。

项目概况

北京地铁十四号线的环境和设备监控系统（以下简称BAS系统）对全线所有地下车站、高架车站、车辆段、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、动力照明设备、自动电/扶梯、电保温设备、EPS等)和事故紧急防救灾设施(防排烟系统、应急照明系统等)进行全面、有效地自动化监控及管理，确保设备处于安全、可靠、高效、节能的最佳运行状态，从而提供一个舒适的乘车环境，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，充分发挥各种设备应有的作用，保证乘客的安全和设备的正常运行。

37座车站的BAS均采用的是和利时LK系列的大型PLC产品。通过冗余以太网通信接口与综合监控系统连接，将信息集中上传至综合监控系统，实现BAS在综合监控系统中的深度集成。

系统结构

BAS系统是基于分层分布式系统结构：

中央级：BAS的中央级主要是OCC的调度工作站，由综合监控系统实现；

车站级：包括车站级综合监控功能和车站BAS监控功能，正常情况下，车站级监控功能由综合监控

系统完成。车站BAS监控功能以车站BAS应急操作终端、BAS维护工作站、32位LKPLC

控制器为平台实现；

现场级：通过LK系列远程I/O模块实现车站各就地信号的采集与控制，具体包括各类传感器、执行

器、或装置等。

中央级系统

综合监控系统软件由和利时开发，通过冗余光纤环网与各个车站BAS系统通讯，进行数据采集与控制，整个监控点数大约在150000点左右。

车站级BAS系统

车站级包括地下车站和高架站两类，每个车站监控点数大约在4000点左右，由PLC控制器、现场传感器、维护终端等组成。

3.2.1地下车站BAS系统

由车站维护工作站、应急操作终端、PLC、RI/O、现场总线、IBP（综合后备盘）PLC等组成。

车站控制室设IBP，IBP处设置PLC和应急操作终端，IBP盘处PLC选用和利时的LK210冗余CPU，应急操作终端选用工业级产品触摸屏式一体化工控机，实现IBP盘面监视和控制。

车站两端各设置一套冗余控制器PLC_A和PLC_B，选用和利时LK210CPU，LK210CPU数字量可扩展57344点,模拟量3584点，集成了4路冗余以太网接口，支持CPU之间数据共享，通过冗余光纤环网（TCP/IP协议）进行连接实现大数据信息上传和PLC_A与PLC_B之间关键数据交互，对本车站所辖区间隧道及车站的通风空调大系统、小系统及其水系统、照明系统、自动扶梯、电梯、给排水系统相关设备进行监控及管理，同时对相关设备用房和公共区的环境温湿度等参数进行监测。

FAS接口通信是自定义的特殊协议，采用LK239串口通讯模块接收FAS主机传送的火灾报警模式号，实现车站BAS在火灾工况下对设备的联动控制。

区间设备房设备距离控制室非常远，通过LK233光纤通信模块进行远程I/O扩展，最远可以扩展20KM。

地下车站系统网络图如图3‑1所示：

图3‑1典型地下车站BAS系统图

3.2.2高架车站BAS系统

高架车站与地下站A端设计一致，车站系统网络图如图3‑2所示：

图3‑2典型高架站BAS系统图

网络层次

BAS系统在车站内的网络可分为三级，分别为：车站级、子系统级（即BAS级）、现场级。

车站级：车站A、B端的冗余LKPLC集成冗余以太网接口接入车站级环网，无须额外配以太网通信模块。为保证系统安全，不同专业数据有效传输，PLC网络均分配特定的IP段，在进入综合监控系统时需要做地址映射，LKPLC自身集成的以太网接口支持跨VLAN功能，可灵活应用于复杂网络配置中，通过三层交换机与综合监控通信；

子系统：A端与B端通过冗余光纤环网通信，同时LKPLC支持多机互联，方便实现A、B端数据共享，进行有效的联锁控制；

现场级：由BAS系统负责配置。距离小于1000m采用LK232PRIFIBUS-DP总线扩展模块扩展远程I/O；距离超过1km，使用LK233光纤通信模块，最远可以扩展4级，每级5km，总计20km。

网络层次如图4‑1所示：

图4‑1BAS网络层次图

BAS系统实现的功能

1.工艺参数及画面显示

BAS系统对现场各类传感器数据以及机电设备的运行状态、故障报警信息等进行实时采集、处理，以便及时准确的处理各类突发事故，信息采集量单个车站可达数千点。

2.冗余功能

LK冗余系统可实现CPU冗余、以太网冗余、总线冗余、电源冗余。每个CPU带有冗余以太网口，冗余PLC控制器通过以太网与车站综合监控进行连接，实现综合监控系统对车站机电设备的监视与控制。

3.模式控制

即设备组控制，是根据工艺设计要求而形成，其触发有人工触发（HMI，IBP）和自动触发（FAS系统、时间表）两种。BAS系统可以实现对本站所有模式及相关设备的监控与操作功能。正常模式的状态分为：未启动、执行中、执行成功和执行失败。模式执行时间结束后，根据该模式中设备状态是否符合模式要求，判断模式的执行结果为成功或失败。所监视的模式分为早晚换气模式控制、异常模式控制、火灾模式控制、阻塞模式控制等。

4.调节功能

车站LKPLC能够根据所检测的车站环境参数自动判断车站所处空调季工况，根据检测参数采用科学的算法和实用的控制策略，对空调冷水系统的二通调节阀、公共区风机转速根据时间的信息进行调节。对车站大系统空调设备根据热焓计算，进行运行模式的最优化控制，从而达到节能目的。

5.参数存储

所有系统设置参数、所有模式控制、预制时间表控制等相关参数由操作站进行设置，经确认后下载到LKPLC中，因此车站PLC能够脱离综合监控系统独立运行。

6.与FAS的联动控制

BAS系统与FAS系统的联动在所有的控制权限里优先级别是最高的。BAS系统同FAS系统的通信是通过LK239串口通信模块进行的，当收到FAS报警数据后，根据收到的数据（二者事先定义对应的模式），BAS系统开始执行相应的火灾模式。此后，BAS系统不再接收任何操作指令，直到FAS报警信号复位。

7.多控制点功能

BAS系统控制权分为五级控制，就地控制箱、IBP、ISCS、BAS维护工作站、现场触摸屏。每个控制点的控制级别由高到低排列，每个可控制设备都有这五个控制级。

系统特点

基于LK系列PLC应用于BAS系统具有的特点：

1.高性能

LKCPU配置工业级（533MHz）处理器，拥有纳秒级（13ns）的处理速度；

数字量I/O可达57344点，模拟量I/O可达3584点；

远程I/O最远可扩展20KM；

程序容量可达16MB，数据容量可达64MB，掉电保持区可达1MB。

2.高可靠性

LKPLC是经济型单机架硬件冗余设计，支持电源冗余、CPU冗余、以太网冗余、PROFIBUS-DP总线冗余。两个CPU之间通过高速背板总线进行数据同步，无需专门的同步模块。每个运算周期，主机检测自己发生变化都要向从机进行数据同步，保障主从数据一致。冗余切换过程是无扰切换，切换时间<50ms，切换过程无报警或中断的丢失；

LKPLC具有通信故障时输出预置功能，当输出模块与CPU通信出故障时，输出模块会按上一个预算周期的有效值或者预先设置的安全值输出，保障系统安全运行；

提供三防（防潮、防盐雾、防霉）模块，适用于地铁恶劣的环境。

3.强大的网络通信能力

LKPLC本体集成冗余以太网接口，具有可配置不同IP段地址、网关、子网掩码、静态路由功能；

支持跨VLAN功能，LKPLC同网段支持IP地址数量为89个，如果PLC使用数量超过这个数量时，系统可以通过划分不同VLAN，把不同IP地址映射到同一IP段，有效解决IP节点的限制，系统容量无限扩展。

4.多机互联，实现数据共享

通过自身集成的以太网接口，实现最多32个站数据共享；

可配置共享数据大小，每次最多可共享700个字；

适合分布式控制系统间联锁控制。

5.易用、易维护性

模块小型化、智能化设计，具有超限报警、超量程报警、断线检测、掉电检测等自诊断功能；

支持带电插拔，可在不停机的状态下更换故障模块；

背板上设计有防混销，避免插错模块。

结束语

目前北京地铁14号线西局至园博园站已顺利开通，系统运行稳定，有效地保障了北京国际园博会的交通。

参考文献

曲立东，《城市轨道交通环境与设备监控系统设计与应用》，电子工业出版社

聂占文，宋小莉，曲立东．经济实用的PLC及网络冗余技术在地铁BAS中的应用[J]．自动化博览，2009，（7）

王锦标，《和利时PLC技术—综合篇》，机械工业出版社

和利时公司，LK大型可编程控制器硬件手册，2008

和利时公司，LK大型可编程控制器编程手册，2008