基于工控網絡的地鐵BAS控制網絡系統的研析

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

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實際情況，BAS的控制網絡系統在遵循“分散控制、集中管理、資源共享”基本原則的基礎上，應滿足以下要求。

　　1）可靠性：系統工作穩定可靠，所用設備先進成熟，能適應7天24小時不間斷工作要求，系統平均無故障時間大于10000小時；采用冗余技術，系統處于熱備狀態，具備故障自愈能力，能在網絡設備、網絡連接器、控制設備和通信線路同時發生單點故障情況下正常工作，故障恢復時間控制在300ms內；環境適應性強，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）實時性：作為商業運營系統，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時、準確傳輸和處理。
　　4）開放性：具備開放平臺特性，網絡體系結構與應用系統相獨立；采用通用數據通信協議標準，支持多廠商，支持多種終端設備和數據庫系統應用；具備與其它網絡、應用系統無縫集成能力。
　　5）可管理性：網絡系統應便于管理、配置和調整，配有人性化管理接口；在網絡系統出現故障時，能提供有效手段，準確、及時定位故障，并提醒管理人員，系統平均修復時間不大于0.5小時。
　　6）可擴展性：充分考慮目前業務需求和今后較長時間內業務發展需要，系統應能方便地升級；在采用更新技術同時，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、車站監控級、現場控制級和相關通信網絡組成。與之對應，BAS網絡系統采用分布式網絡結構，由主干網（通信傳輸網）、中央級和車站級局域網及現場總線組成。中央級局域網通過主干網與車站級局域網相連，車站級局域網中的車站主控制器與遠程控制器、遠程I/O模塊通過現場總線連接。

2.2網絡拓撲
　　主干網和局域網均采用工業以太網，但組網方式有所區別：主干網以單模光纖為傳輸介質，采用雙環網冗余方式，構成千兆工業以太網；對應雙環主干網，中央級和車站級局域網均布有兩套星型工業以太網，各終端均以鏈路冗余方式接入主干網。現場控制級，車站級局域網的主控制器（PLC或工控計算機）與現場設備通過現場總線相連，現場總線的選型根據各地鐵線路具體情況而定。有些較長的線路，在管理上，中央級和車站級之間還設有車輛段作為中間控制級，車輛段局域網的組網方式和接入方法與中央級一致。
　　中央級局域網終端設置在地鐵運營控制中心（OCC），配備工業控制計算機作為操作站，操作站宜采取冗余配置，另外還可根據實際情況增配維護工作站和數據服務器。車站級局域網終端設置在車站控制室，配備工業控制計算機作為操作站，現場設備的主控制器也配置在該局域網，主控制器一般選用PLC，根據具體情況采用冗余配備。車輛段局域網終端設置在車輛段控制室，配置情況與中央級相似。

2.3網絡設備特點
　　系統的網絡交換設備采用工業以太網骨干交換機。作為在高性能、高可靠性系統中使用的骨干網絡設備，為滿足要求，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，保證網絡實時通信能力；支持冗余環網拓撲結構和相應協議；采用合金褶皺結構外殼，屏蔽電磁干擾，抗振動沖擊，散熱快，耐灰塵、潮濕；寬溫設計，對寒冷或酷熱的工作環境有良好適應能力；提供導軌、壁掛及任意平面等安裝模式，便于在特定現場環境安裝；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間。

3 技術要點
　　歸納起來，系統重、難點技術主要體現在網絡選型、網絡冗余、網絡管理三個方面。

3.1網絡選型
　　作為最具開放性、透明性的工業控制網絡體系結構，工業以太網成為系統主干網和局域網的必然選型：完全兼容普通以太網（IEEE802.3）標準，繼承了普通以太網具有的傳輸速度高、兼容性好、開放性高、管理方便、成本低廉、能耗低和便于安裝等優點；能實現工控網絡與企業信息網絡的無縫連接，形成企業級管控一體化的全開放網絡，符合全開放、一體化的工控網絡必然發展趨勢；綜合采用快速交換（Fast Switch）、虛擬局域網（VLAN）、服務質量（QOS）和增大寬帶等技術及手段，保證數據傳輸實時、可靠；對于不同工業現場環境，采取了專門抗干擾措施，能適應惡劣工作條件；眾多主流設備生產商提供了各類密封性好、堅固、抗震動的設備與連接件，基本解決了本質安全問題。現場總線網絡是全數字化、全分散、可互操作、開放式的互聯網絡，專門用于過程自動化和制造自動化最底層的現場設備或現場儀表互聯。與工業以太網相比，其實時性、可靠性、安全性仍有優勢，系統在現場控制級選用了現場總線。

3.2 網絡冗余
　　為充分保證高可用性，系統在主干網采用了雙環冗余技術，并在雙環配對網絡交換機間建立了環間冗余鏈接（在一路環網通道發生故障時，可自動切換到另外一條環網通道）。與單環冗余相比，雙環冗余既提供傳輸介質的冗余，也提供網絡設備的冗余，可在傳輸介質、網絡設備和網絡連接器（網卡）同時出現單點故障時實時自愈故障，是完全冗余系統。
　　系統采用Supreme-Ring協議作為網絡冗余協議。Supreme-Ring協議是工業以太網使用的環網冗余協議，它定義HELLO數據交換包（也稱WD包，Watch Dog Packets）在交換機間交換鏈路信息。在初始狀態，各交換機不啟動轉發功能，而先由人工指定主交換機（Local），一個冗余環網里只能有一個主交換機。主交換機指定后，所有端口都以阻塞方式啟動（處于阻塞狀態的端口不轉發數據幀，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。備份鏈路不轉發數據，只接收和處理HELLO包，處于熱備狀態（不轉發數據幀，但學習MAC地址表，在主鏈路故障時，在300ms之內，立刻進入轉發狀態），從交換機（Remote）沒有主鏈路和備份鏈路的區別。主交換機定期發送配置信息，這種配置信息被所有從交換機轉發，主交換機動態選擇主鏈路和備份鏈路，以消除回路，一旦網絡結構發生變化，網絡狀態將重新配置。Supreme-Ring協議是簡潔高效的冗余協議，能夠保證環網在鏈路故障時，在300ms內恢復網絡通信。

3.3網絡管理
　　網絡管理，主要體現在網管系統、虛擬局域網（VLAN）和服務質量（QOS）三個方面。
　　在運營控制中心（OCC）配有網絡管理系統（NMS），用于配置、監視和管理整個地鐵各系統的網絡系統，BAS控制網絡系統的管理是其一項重要功能。NMS基于SNMP協議，由網管軟件和監控軟件組成；網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、服務器、控制器和UPS等）的監視功能；網管軟件和監控軟件配合工作，在OCC網管工作站即可完成整個BAS控制網絡系統的實時監控。NMS可記錄網絡系統歷史數據并進行統計分析，為網絡的優化調整提供參考。
　　系統管理員將不同地理位置（運營控制中心和各車站）的終端根據級別、用途和管理需要劃入不同的虛擬局域網（VLAN），VLAN技術遵循IEEE802.1Q標準，同一虛擬網的用戶能正常通信，不同虛擬網之間只能在核心交換機的路由模塊控制下交換信息。通過劃分VLAN，帶來的好處是：有效控制了網絡廣播信息的傳播，減輕了網絡負擔，同一虛擬網的用戶可更高效通信；不同VLAN之間可以在路由模塊配置訪問控制策略，避免非法訪問，提高網絡安全性；與網絡管理系統（NMS）結合使用，網絡管理員可更有效管理網絡，包括監視網絡流量、控制流量分流和設置安全級別等。
　　服務質量（QOS）主要解決系統實時性問題。QOS的基本思想在于，為實時業務保留一定專用帶寬，從而把數據的丟包率、延時、吞吐量和擁塞控制在可接受范圍內。QOS技術要點有二：對數據實施進入控制（Connect Admission Control）和流量調整（Traffic Shaping）；在數據進入網絡前，估算數據對整個網絡影響。

4 應用實踐
　　在近年新建成開通的地鐵項目中，如廣州地鐵三號線、廣州地鐵四號線、深圳地鐵一號線和南京地鐵一號線等，其BAS網絡控制系統總體上與本文所介紹的基本相同。由于各線路的實際情況，在現場控制級略有差異，主要體現在現場總線協議選擇和應用范圍上，如廣州三號線，在現場控制級仍保留了部分模擬量和開關量控制項目。在實際運營中，各線路BAS網絡控制系統均運行正常，滿足使用要求。
　　由以上分析可以得出，基于工控網絡的地鐵BAS網絡控制系統本質上是高可靠性、高安全性、高性能大型網絡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商的廣泛支持（如：西門子、施耐德等），并在樓宇自動化、交通控制、過程控制和工廠自動化中得到較廣泛運用。