基于工控網(wǎng)絡(luò )的地鐵BAS控制網(wǎng)絡(luò )系統的研析

前言

地鐵環(huán)境設備監控系統，英文縮寫(xiě)BAS（又名EMCS），負責控制全線(xiàn)車(chē)站及區間的環(huán)境和其它機電設備安全、高效、協(xié)調運行，保證地鐵車(chē)站及區間環(huán)境的良好舒適和最佳節能效果；在突發(fā)事件（如火災）時(shí)指揮環(huán)控設備轉向特定模式，為地鐵乘車(chē)環(huán)境提供安全保證。目前，國內新建地鐵項目雖具體情況各異，但BAS控制網(wǎng)絡(luò )系統總體方案都基本相同，均采用了基于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )（工業(yè)以太網(wǎng)加現場(chǎng)總線(xiàn)）的解決方案。本文結合近年新建成運行的地鐵項目，對其BAS控制網(wǎng)絡(luò )系統進(jìn)行了綜合研究分析。

1 基本要求

根據《地鐵設計規范》、《智能建筑設計標準》等國家標準及地鐵BAS實(shí)際情況，BAS的控制網(wǎng)絡(luò )系統在遵循“分散控制、集中管理、資源共享”基本原則的基礎上，應滿(mǎn)足以下要求。

（1）可靠性：系統工作穩定可靠，所用設備先進(jìn)成熟，能適應7天24小時(shí)不間斷工作要求，系統平均無(wú)故障時(shí)間大于10000小時(shí)；采用冗余技術(shù)，系統處于熱備狀態(tài)，具備故障自愈能力，能在網(wǎng)絡(luò )設備、網(wǎng)絡(luò )連接器、控制設備和通信線(xiàn)路同時(shí)發(fā)生單點(diǎn)故障情況下正常工作，故障恢復時(shí)間控制在300ms內；環(huán)境適應性強，能在高溫、粉塵、強電磁和潮濕等惡劣條件下穩定工作。

（2）安全性：系統應具備較強防災能力，應考慮火災、水淹、地震、雷擊和停車(chē)事故等災害可能，并以防火災為主；系統能夠防止系統外部人員入侵以及內部人員的非法操作和誤操作。

（3）實(shí)時(shí)性：作為商業(yè)運營(yíng)系統，應具備很強的靈敏反應能力，在任何情況下，均必須保證信號的實(shí)時(shí)、準確傳輸和處理。

（4）開(kāi)放性：具備開(kāi)放平臺特性，網(wǎng)絡(luò )體系結構與應用系統相獨立；采用通用數據通信協(xié)議標準，支持多廠(chǎng)商，支持多種終端設備和數據庫系統應用；具備與其它網(wǎng)絡(luò )、應用系統無(wú)縫集成能力。

（5）可管理性：網(wǎng)絡(luò )系統應便于管理、配置和調整，配有人性化管理接口；在網(wǎng)絡(luò )系統出現故障時(shí)，能提供有效手段，準確、及時(shí)定位故障，并提醒管理人員，系統平均修復時(shí)間不大于0.5小時(shí)。

（6）可擴展性：充分考慮目前業(yè)務(wù)需求和今后較長(cháng)時(shí)間內業(yè)務(wù)發(fā)展需要，系統應能方便地升級；在采用更新技術(shù)同時(shí)，保證原有設備大部能繼續使用，保護投資。

2 系統分析

2.1 系統構成

地鐵BAS系統采用分布式計算機系統管理，由中央管理級、車(chē)站監控級、現場(chǎng)控制級和相關(guān)通信網(wǎng)絡(luò )組成。與之對應，BAS網(wǎng)絡(luò )系統采用分布式網(wǎng)絡(luò )結構，由主干網(wǎng)（通信傳輸網(wǎng)）、中央級和車(chē)站級局域網(wǎng)及現場(chǎng)總線(xiàn)組成。中央級局域網(wǎng)通過(guò)主干網(wǎng)與車(chē)站級局域網(wǎng)相連，車(chē)站級局域網(wǎng)中的車(chē)站主控制器與遠程控制器、遠程I/O模塊通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)連接。

2.2 網(wǎng)絡(luò )拓撲

主干網(wǎng)和局域網(wǎng)均采用工業(yè)以太網(wǎng)，但組網(wǎng)方式有所區別：主干網(wǎng)以單模光纖為傳輸介質(zhì)，采用雙環(huán)網(wǎng)冗余方式，構成千兆工業(yè)以太網(wǎng)；對應雙環(huán)主干網(wǎng)，中央級和車(chē)站級局域網(wǎng)均布有兩套星型工業(yè)以太網(wǎng)，各終端均以鏈路冗余方式接入主干網(wǎng)?，F場(chǎng)控制級，車(chē)站級局域網(wǎng)的主控制器（PLC或工控計算機）與現場(chǎng)設備通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)相連，現場(chǎng)總線(xiàn)的選型根據各地鐵線(xiàn)路具體情況而定。有些較長(cháng)的線(xiàn)路，在管理上，中央級和車(chē)站級之間還設有車(chē)輛段作為中間控制級，車(chē)輛段局域網(wǎng)的組網(wǎng)方式和接入方法與中央級一致。

中央級局域網(wǎng)終端設置在地鐵運營(yíng)控制中心（OCC），配備工業(yè)控制計算機作為操作站，操作站宜采取冗余配置，另外還可根據實(shí)際情況增配維護工作站和數據服務(wù)器。車(chē)站級局域網(wǎng)終端設置在車(chē)站控制室，配備工業(yè)控制計算機作為操作站，現場(chǎng)設備的主控制器也配置在該局域網(wǎng)，主控制器一般選用PLC，根據具體情況采用冗余配備。車(chē)輛段局域網(wǎng)終端設置在車(chē)輛段控制室，配置情況與中央級相似。

2.3 網(wǎng)絡(luò )設備特點(diǎn)

系統的網(wǎng)絡(luò )交換設備采用工業(yè)以太網(wǎng)骨干交換機。作為在高性能、高可靠性系統中使用的骨干網(wǎng)絡(luò )設備，為滿(mǎn)足要求，其除具備普通交換機功能外，還須有如下加強特征：采用高性能交換引擎和寬帶寬背板，保證網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)通信能力；支持冗余環(huán)網(wǎng)拓撲結構和相應協(xié)議；采用合金褶皺結構外殼，屏蔽電磁干擾，抗振動(dòng)沖擊，散熱快，耐灰塵、潮濕；寬溫設計，對寒冷或酷熱的工作環(huán)境有良好適應能力；提供導軌、壁掛及任意平面等安裝模式，便于在特定現場(chǎng)環(huán)境安裝；冗余雙DC電源輸入，并提供故障報警輸出，有效保障與減少故障還原時(shí)間。

3 技術(shù)要點(diǎn)

歸納起來(lái)，系統重、難點(diǎn)技術(shù)主要體現在網(wǎng)絡(luò )選型、網(wǎng)絡(luò )冗余、網(wǎng)絡(luò )管理三個(gè)方面。

3.1 網(wǎng)絡(luò )選型

作為最具開(kāi)放性、透明性的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )體系結構，工業(yè)以太網(wǎng)成為系統主干網(wǎng)和局域網(wǎng)的必然選型：完全兼容普通以太網(wǎng)（IEEE802.3）標準，繼承了普通以太網(wǎng)具有的傳輸速度高、兼容性好、開(kāi)放性高、管理方便、成本低廉、能耗低和便于安裝等優(yōu)點(diǎn)；能實(shí)現工控網(wǎng)絡(luò )與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò )的無(wú)縫連接，形成企業(yè)級管控一體化的全開(kāi)放網(wǎng)絡(luò )，符合全開(kāi)放、一體化的工控網(wǎng)絡(luò )必然發(fā)展趨勢；綜合采用快速交換（Fast Switch）、虛擬局域網(wǎng)（VLAN）、服務(wù)質(zhì)量（QOS）和增大寬帶等技術(shù)及手段，保證數據傳輸實(shí)時(shí)、可靠；對于不同工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境，采取了專(zhuān)門(mén)抗干擾措施，能適應惡劣工作條件；眾多主流設備生產(chǎn)商提供了各類(lèi)密封性好、堅固、抗震動(dòng)的設備與連接件，基本解決了本質(zhì)安全問(wèn)題?，F場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )是全數字化、全分散、可互操作、開(kāi)放式的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )，專(zhuān)門(mén)用于過(guò)程自動(dòng)化和制造自動(dòng)化最底層的現場(chǎng)設備或現場(chǎng)儀表互聯(lián)。與工業(yè)以太網(wǎng)相比，其實(shí)時(shí)性、可靠性、安全性仍有優(yōu)勢，系統在現場(chǎng)控制級選用了現場(chǎng)總線(xiàn)。

3.2 網(wǎng)絡(luò )冗余

為充分保證高可用性，系統在主干網(wǎng)采用了雙環(huán)冗余技術(shù)，并在雙環(huán)配對網(wǎng)絡(luò )交換機間建立了環(huán)間冗余鏈接（在一路環(huán)網(wǎng)通道發(fā)生故障時(shí)，可自動(dòng)切換到另外一條環(huán)網(wǎng)通道）。與單環(huán)冗余相比，雙環(huán)冗余既提供傳輸介質(zhì)的冗余，也提供網(wǎng)絡(luò )設備的冗余，可在傳輸介質(zhì)、網(wǎng)絡(luò )設備和網(wǎng)絡(luò )連接器（網(wǎng)卡）同時(shí)出現單點(diǎn)故障時(shí)實(shí)時(shí)自愈故障，是完全冗余系統。

系統采用Supreme-Ring協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò )冗余協(xié)議。Supreme-Ring協(xié)議是工業(yè)以太網(wǎng)使用的環(huán)網(wǎng)冗余協(xié)議，它定義HELLO數據交換包（也稱(chēng)WD包，Watch Dog Packets）在交換機間交換鏈路信息。在初始狀態(tài)，各交換機不啟動(dòng)轉發(fā)功能，而先由人工指定主交換機（Local），一個(gè)冗余環(huán)網(wǎng)里只能有一個(gè)主交換機。主交換機指定后，所有端口都以阻塞方式啟動(dòng)（處于阻塞狀態(tài)的端口不轉發(fā)數據幀，但可接受HELLO包），主交換機選擇最低COST值的端口作為主鏈路，另一條COST值高的端口作為備份鏈路。備份鏈路不轉發(fā)數據，只接收和處理HELLO包，處于熱備狀態(tài)（不轉發(fā)數據幀，但學(xué)習MAC地址表，在主鏈路故障時(shí)，在300ms之內，立刻進(jìn)入轉發(fā)狀態(tài)），從交換機（Remote）沒(méi)有主鏈路和備份鏈路的區別。主交換機定期發(fā)送配置信息，這種配置信息被所有從交換機轉發(fā)，主交換機動(dòng)態(tài)選擇主鏈路和備份鏈路，以消除回路，一旦網(wǎng)絡(luò )結構發(fā)生變化，網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)將重新配置。Supreme-Ring協(xié)議是簡(jiǎn)潔高效的冗余協(xié)議，能夠保證環(huán)網(wǎng)在鏈路故障時(shí)，在300ms內恢復網(wǎng)絡(luò )通信。

3.3 網(wǎng)絡(luò )管理

網(wǎng)絡(luò )管理，主要體現在網(wǎng)管系統、虛擬局域網(wǎng)（VLAN）和服務(wù)質(zhì)量（QOS）三個(gè)方面。

在運營(yíng)控制中心（OCC）配有網(wǎng)絡(luò )管理系統（NMS），用于配置、監視和管理整個(gè)地鐵各系統的網(wǎng)絡(luò )系統，BAS控制網(wǎng)絡(luò )系統的管理是其一項重要功能。NMS基于SNMP協(xié)議，由網(wǎng)管軟件和監控軟件組成；網(wǎng)管軟件主要完成交換機的監視和配置功能，監控軟件負責除交換機之外的其他設備（如操作站、服務(wù)器、控制器和UPS等）的監視功能；網(wǎng)管軟件和監控軟件配合工作，在OCC網(wǎng)管工作站即可完成整個(gè)BAS控制網(wǎng)絡(luò )系統的實(shí)時(shí)監控。NMS可記錄網(wǎng)絡(luò )系統歷史數據并進(jìn)行統計分析，為網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)化調整提供參考。

系統管理員將不同地理位置（運營(yíng)控制中心和各車(chē)站）的終端根據級別、用途和管理需要劃入不同的虛擬局域網(wǎng)（VLAN），VLAN技術(shù)遵循IEEE802.1Q標準，同一虛擬網(wǎng)的用戶(hù)能正常通信，不同虛擬網(wǎng)之間只能在核心交換機的路由模塊控制下交換信息。通過(guò)劃分VLAN，帶來(lái)的好處是：有效控制了網(wǎng)絡(luò )廣播信息的傳播，減輕了網(wǎng)絡(luò )負擔，同一虛擬網(wǎng)的用戶(hù)可更高效通信；不同VLAN之間可以在路由模塊配置訪(fǎng)問(wèn)控制策略，避免非法訪(fǎng)問(wèn)，提高網(wǎng)絡(luò )安全性；與網(wǎng)絡(luò )管理系統（NMS）結合使用，網(wǎng)絡(luò )管理員可更有效管理網(wǎng)絡(luò )，包括監視網(wǎng)絡(luò )流量、控制流量分流和設置安全級別等。

服務(wù)質(zhì)量（QOS）主要解決系統實(shí)時(shí)性問(wèn)題。QOS的基本思想在于，為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)保留一定專(zhuān)用帶寬，從而把數據的丟包率、延時(shí)、吞吐量和擁塞控制在可接受范圍內。QOS技術(shù)要點(diǎn)有二：對數據實(shí)施進(jìn)入控制（Connect Admission Control）和流量調整（Traffic Shaping）；在數據進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )前，估算數據對整個(gè)網(wǎng)絡(luò )影響。

4 應用實(shí)踐

在近年新建成開(kāi)通的地鐵項目中，如廣州地鐵三號線(xiàn)、廣州地鐵四號線(xiàn)、深圳地鐵一號線(xiàn)和南京地鐵一號線(xiàn)等，其BAS網(wǎng)絡(luò )控制系統總體上與本文所介紹的基本相同。由于各線(xiàn)路的實(shí)際情況，在現場(chǎng)控制級略有差異，主要體現在現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議選擇和應用范圍上，如廣州三號線(xiàn)，在現場(chǎng)控制級仍保留了部分模擬量和開(kāi)關(guān)量控制項目。在實(shí)際運營(yíng)中，各線(xiàn)路BAS網(wǎng)絡(luò )控制系統均運行正常，滿(mǎn)足使用要求。

由以上分析可以得出，基于工控網(wǎng)絡(luò )的地鐵BAS網(wǎng)絡(luò )控制系統本質(zhì)上是高可靠性、高安全性、高性能大型網(wǎng)絡(luò )控制系統的一種標準解決模式，該模式作為成熟解決方案已得到了眾多國內外廠(chǎng)商的廣泛支持（如：西門(mén)子、施耐德等），并在樓宇自動(dòng)化、交通控制、過(guò)程控制和工廠(chǎng)自動(dòng)化中得到較廣泛運用。