1 引言
隨著社會進步、城市規模不斷擴大、人口密度迅速增加，交通擁堵日趨嚴重已成為制約城市經濟發展的一大障礙。由于城市
軌道交通具有運量大、安全正點、快捷舒適及污染小等特點，建立以城市軌道交通為主的城市交通系統是解決城市交通擁堵問題的重要途徑。近幾年國內的城市軌道交通建設正在快速發展，為了提高運輸效率、保證行車安全及旅客舒適度等，必須建設一個滿足調度運營的自動化監控系統。
2 軌道交通環控系統設計分析
2.1 軌道交通設備分類
由于軌道交通中機電設備種類繁多，且分布在沿線車站和區間中，許多地方在車輛運行時人員根本無法達到。而這些設備的正常運行又是軌道交通正常運行的基本保障。
(1) 按車站劃分的軌道交通設備系統常規設備系統：0.4kv低壓配電系統、給排水系統、環控系統、消防系統以及電扶梯系統。
(2)按照軌道交通全線劃分的專業設備系統：信號系統、通信系統、接觸網系統、自動售檢票afc系統、屏蔽門系統、中壓壓供電系統(牽引、降壓供電)。
如何對這些各自獨立的設備系統進行全面、有效的監控和管理，創造一個安全、舒適的地下旅行環境，尤其是在火災等災害情況下或阻塞事故狀況下，及時根據不同運行工況更好地協調車站設備的運行，實施搶險救災，充分發揮各種設備合理有效的作用，以確保乘客生命安全和設備的正常運行，正越來越引起人們重視。bas環控(環境控制)系統的產生，正是滿足了人們對上述設備監控的功能需求。
2.2 環控系統監控對象
環控bas系統主要監控對象包括隧道及車站的通風系統、空調大系統、小系統、冷水系統、事故照明、給排水系統、人防密閉隔斷門等，監測公共區、設備區等地點的溫度，并配置與屏蔽門、照明系統、自動扶梯、電梯、fas系統的數據接口，其具體的監控分類如圖1所示，主要對象介紹如下：
(1) 大系統：車站公共區(站廳/站臺)通風空調系統；
(2) 小系統：車站設備用房通風空調系統；
(3) 水系統：包括
水泵、水塔、供冷、供暖、排污和排廢等水的處理與監控；
(4) 隧道通風系統：執行隧道區間正常及緊急情況下通風排煙工況的環控子系統；
(5) 照明系統：根據時間表對照明電源進行控制、檢測照明電源的開關狀態、記錄照明電源的使用時間、根據用戶需求制定照明系統開閉表；
(6) 自動扶梯系統：bas對車站扶梯采用只監控的工作模式，bas將監視、記錄扶梯的工作狀態與故障狀態，并統計扶梯的工作時間、檢修紀錄等信息。
圖1 軌道交通bas系統主要監控對象分類
2.3 環控系統主要特點
軌道交通是一類特殊的建筑，是由多個車站通過隧道連接成的一個整體。軌道交通系統大部分位于地下，是一個相對封閉的場所。內部空間較大，但與外界連通的開口相對較少，在車站和隧道內有大量的人流和車流。而且流量在不斷地變化。從環控的角度具有以下特點：
(1) 受陽光，雨雪等外界氣象條件的影響較小。
(2) 有顯著的內熱源。包括各設備系統散熱、列車牽引、剎車系統散熱，列車空調散熱，人員散熱等，是影響隧道及站臺的熱環境的主要因素。因此，南京軌道交通環境的主要問題是過熱，而不是過冷，局部范圍內設備散熱量相當大，導致空調制冷效果受較大影響。
(3) 由于客流量的變化，內熱源的強度也隨之變化。其中既有以天，星期，年為周期的周期性變化，也有不規則的變動。
(4) 由于被厚土層覆蓋，圍護結構的蓄熱量很大，熱惰性明顯。因此，熱環境要經歷一個長期的變化過程才能達到穩定。
(5) 列車在隧道內的高速運動會引起“活塞風”。活塞風的風量很大。在無屏蔽門系統，活塞風是車站通風換氣的主要動力之一。但活塞風帶來的負面影響也是明顯的，由于活塞風將大量隧道空氣及室外空氣帶人車站，車站空調負荷將比較大。
(6) 軌道交通內部的空間和發熱量大，為了維持其熱環境，環控系統的風機、制冷機、空調機容量大，由此引起設備初投資大和運行后能耗費用高等諸多問題。在軌道交通運營初期，環控系統能耗甚至超過軌道交通建筑物總能耗的30％，嚴重影響軌道交通的運營經濟陛。因此，節能是軌道交通環控系統必須重點考慮的問題。
(7) 軌道交通的各種發熱量及活塞風量與客流量、車流量直接相關，始終處于變化之中。環控系統的運行也會對出入口的風量造成影響，因此，軌道交通的實際熱負荷很難準確預測。
(8) 由于軌道交通內部空間相對封閉，隧道內就更為狹窄。對于謀些單線隧道，列車與隧道間隙很小，人員難以通過。而目軌道交通客流量大，高峰時車內都相當擁擠，因此軌道交通一旦發生阻塞或火災，人員難以疏散，必須在設計時對隧道通風事故予以充分的考慮。既要保證風向在不同地域的火災時有利于人員疏散，又要保證排煙效果。
軌道交通環境的這些特點，使得軌道交通的環境控制不同于常規的建筑。其中既有有利的因素，也有不利條件。因此，在軌道交通環控系統的設計和運行中，要針對軌道交通的特點，在滿足設備及人員對環境要求的基礎上，采用合理的系統設計并進行科學的運行控制，實現最小的初期投資和最低的運行費用。
2.4 bas環控系統主要功能
(1) 監控并協調全線各車站及occ大樓通風空調設備、冷水系統設備的運行；
(2) 監控并協調全線區間隧道通風系統設備的運行；
(3) 對車站機電設備故障進行報警，統計設備累積運行時間；
(4) 對全線環境參數(溫、濕度)及水系統運行參數進行檢測、分析及報警；
(5) 接收軌道交通防災系統(fas系統)火災報警信息并觸發bas系統的災害運行模式，控制環控設備按災害模式運行；
(6) 通過與信號ats接口接收區間堵車信息，控制相關環控設備執行相應命令；
(7) 緊急狀況下，可通過車站模擬屏控制環控設備執行相關命令；
(8) 監視全線各站及隧道區間給排水、自動扶梯等機電設備的運行狀態；
(9) 管理資料并定期打印報表；
(10) 與主時鐘接口，保證bas系統時鐘同步。
3 環控系統需求分析
3.1 典型環控項目簡介
以南京軌道交通二號線一期工程為例，南京軌道交通二號線一期工程的環境與設備監控系統(簡稱bas或環控)包括0cc控制中心、維修中心及19個車站的站級bas。其中l7個地下站、1個地面車站、1座高架車站。該系統對南京軌道交通二號線一期工程19個車站的車站設備進行全面、有效地進行自動化監控及管理，確保設備處于安全、可靠、高效、節能的最佳運行狀態，從而給乘客提供一個舒適的乘車環境，并能在火災或阻塞等災害狀態下，更好地協調車站設備的運行，充分發揮各種設備應有的作用，保證乘客的安全和設備的正常運行。設置bas系統的目的、是以現代計算機技術、網絡技術、自動控制技術、軟件技術實現對車站各類機電設備的智能化控制，使得系統更安全、可靠、節省人力、物力、降低運營成本。bas應本著技術先進，投資合理，功能完善，組網靈活，運營管理方便和節能降耗的原則進行實施。
南京軌道交通二號線的bas系統組成中央級和車站級的兩級管理體系，實現控制中心、車站、就地的三級控制功能。全線網絡系統由19個車站及維修中心、occ控制中心組成。具體由設置在occ中央控制室bas設備、各車站綜控室的bas設備、配電室、變電所等地的bas設備、現場bas設備組成。車站級的bas信息通過軌道交通通信系統的全線雙冗余的骨干網傳輸至occ中央控制室，實現中央級功能。bas系統監視全線各類設備的運行狀態，并根據人防門的控制工藝要求，對各隧道區間的水位報警，監視人防門的狀態。
3.2 網絡通用需求分析
bas設備監控系統主要由中央級、車站級和就地級的設備構成。bas中央系統位于行車調度指揮中心occ(operation control center)內，具有良好和靈活的人機界面。由雙機熱備的操作員工作站、冗余服務器及一些外圍設備組成。工作人員可監視全線各車站的通風空調、給排水、電扶梯、照明、屏蔽門、人防隔斷門、fas系統、ats系統、occ控制中心大樓設備運行狀態，以及火災等災害情況或阻塞事故狀態，并及時控制和處理。
在車站綜合控制室內，由車站局域網構成。局域網內設有控制器、主要監控隧道及車站的通風系統、空調大系統、小系統、冷水系統、事故照明、給排水系統、人防密閉隔斷門等，監測公共區、設備區等地點的溫度，并配置與屏蔽門、照明系統、自動扶梯、fas系統的數據接口，同時在車站控制室設置緊急后備盤ibp(integrated backup panel)，其典型的車站bas系統的網絡結構如圖2所示。
圖2 軌道交通車站環控bas系統設備的典型網絡結構圖
bas車站局域網采用冗余工業以太網，通信速率為100m的物理接口。車站級局域網通過光口連接到通信系統所提供的接口上，實現車站級局域網與bas廣域網的連接。
對于車站的服務器、工作站及其網絡交換機不是本文探討的重點，其具體需求和選型在這里就不加多以詳述，下面，我們來分析車站級的冗余plc、ibp盤的plc及其遠程i/o的具體需求描述。但總的要求就是所有的硬件設備要求具有防塵、防腐蝕、防潮、防霉、防震、抗電磁干擾和靜電干擾的能力，保證在軌道交通環境中安全、可靠地運行。
3.3 主控plc需求
在南京軌道交通二號線環控系統中，在車站兩端環控電控室內分別設冗余plc控制器及帶控制器的i/o，集中監控車站被控機電系統各設備(包括區間射流風機、區間隧道風機、排熱風機、回/排風機、空調新風機、組合式空調機組及相關風閥等)的運行狀態和故障信號，接收車站的操作命令，并上傳數據。兩端的冗余處理器分別放置在車站兩端的環控電控室內的plc機柜中。處理器帶i/o模塊，與環控電控室內被監控設備的硬線接口，在每端的plc柜中設置modbus通訊端口，完成與環控電控室內的被監控設備的通訊接口。每端的主控制器上設置兩塊塊以太網卡，向上接入車站級100m以太網，實現數據的可靠上傳與下發。主控冗余plc之間通過光纖進行通信，以實現主控冗余plc之間的冗余切換功能。
3.4 ibp盤的plc需求
在南京軌道交通二號線環控系統中，在車站控制室各設置一個ibp緊急后備盤，對于應急、備份和直接的操作要求，設置在ibp盤上，由相關人員根據具體情況及相應的操作規程進行處置。當車站各專業系統的設備發生故障時或緊急情況下，可通過ibp實現車站的關鍵控制功能。ibp在每個車站控制室為以下控制操作提供緊急操作功能。ibp為操作值班員提供常用設備的備用操作手段，保障設備的正常運轉。
ibp作為排水泵、隧道通風系統、車站大系統、小系統在火災模式或列車阻塞模式等的運行控制的緊急后備操作盤。當車控室工作站(由主控系統配置)出現故障時，可以通過綜合后備盤ibp，手動緊急控制通風排煙設備按災害模式運行。此外,ibp還根據ats、pa、pscada、afc、psd、fas等專業的要求提供的報警音響器件、控制按鈕以及指示燈等元器件。
ibp盤的plc要求必需完成上述所提到的功能，并可以實現與車站的冗余網絡進行互聯。
3.5 就地級i/o的需求
在南京軌道交通二號線環控系統中，就地級設備控制由就地級控制箱、ri/o模塊等設備組成，通過現場
總線與車站的plc連接，實現對現場信號的采集、信號的轉換和控制信號的輸出。通過plc專用通訊模件，與具有智能通信接口的各個現場設備通過現場總線，實現數據的通訊。通訊協議為modbus或profibus現場總線。通過plc專用通訊模件，實現不同通信要求的轉換，保證通信數據的實時采集和安全傳輸。
實現單臺機電設備的就地控制，滿足設備的現場調試和現場控制的要求。可對現場設備的狀態進行數據采集、并將信號轉換輸送到上位控制系統，同時，執行控制器的控制命令，完成現場設備與控制系統的連接。
具有智能通信接口的各個現場設備通過現場總線和控制器相連接，實現數據的通訊與數據交換。采用各個通信接口模塊，用以實現不同通信信號的數據交換要求，保證現場數據的實時采集和安全傳輸。實現對遠離主控制系統的末端設備的信息采集和監督控制。
4 modicon plc的具體解決方案
4.1
施耐德plc簡介
施耐德電氣公司不僅是公認得可編程邏輯控制器plc的發明者，同時也是plc熱備系統技術發明的擁有者。quantum通用自動化系統是專門面向過程控制而設計的通用的自動化系統平臺,適用于軌道交通，電力，化工，建材等各行各業的工業控制和自動化領域中。quantum繼承和發展了施耐德自動化modicon產品一貫的特點和優點，并且融入了當今最新的it技術和網絡技術，具有結構靈活、功能強勁、使用簡便、性價比高、集成度高、兼容性好,廣泛的開放性等眾多特點。
quantum系統已在國內外諸多行業中得到了非常廣泛和成熟的應用，并在工業現場經過了長期、穩定運行，受到了廣大用戶的信任和稱贊。quantum系統具有配置簡單、接線方便、易于維護、隔離性好，結構堅固，抗腐蝕強，適應極其惡劣的工業環境。并且quantum所有部件均可帶電熱插拔，并且平均無故障時間均大于200000小時。
quantum 自動化平臺提供多種形式的解決方案。單機架控制系統最大448個i/o點，多站點控制系統可配置網絡服務功能，最大64000個i/o點。在通訊選件的支持下具有至工廠級和現場總線網絡ethernet、modbus plus，profibus-dp，interbus等的連接性能。
使用unity pro軟件的雙機熱備系統能夠實現主備機之間平穩、無縫的切換。切換對于過程而言是透明的，系統對過程的監控不會中斷，并且不會因為發生硬件故障而受到不利影響。quantum 模塊的i/o站點在unity pro 軟件編程環境中進行配置，使用unity pro 的雙機熱備系統因此能夠減少停機時間，從而提高生產效率。
4.2 plc模件選型
我們根據根據在南京軌道交通二號線環控系統的要求，通過調研，根據南京軌道交通二號線的實際設計方案，選用了施耐德公司推出的modicon quantum 系列plc作為南京軌道交通二號線環控bas系統的plc組網方案。其具體的plc模件選型如附表所示。
4.3 主控plc選型
根據南京軌道交通二號線環控系統對主要控plc的要求，其南京軌道交通二號線環控系統的主控plc的選型如圖3所示。
圖3 主控plc的選型組成
4.4 ibp盤的plc選型
根據南京軌道交通二號線環控系統對ibp盤的plc的要求，其南京軌道交通二號線環控系統的ibp盤的plc的選型如圖4所示。
圖4 ibp盤的plc的選型組成
4.5 就地級i/o的選型
根據南京軌道交通二號線環控系統對就地級i/o的要求，其南京軌道交通二號線環控系統的就地級i/o的選型如圖5所示。
圖5 就地級i/o的選型組成
通過采用上述的modicon系列模件的選型，完成了南京軌道交通二號線環控bas系統的組網方案，并且該方案已經在具體的項目中被加以采用。
5 結束語
南京軌道交通二號線的環控bas系統，在總結國際國內先進軌道交通技術和南瑞以往軌道線路經驗的基礎上進行了改進和優化，采用了施耐德公司推出的modicon quantum系列plc作為bas系統的組網方案，實現了信息的共享和對軌道交通環控設備的實時監控。由于施耐德公司推出的modicon quantum 系列plc具有數據傳輸速度快、系統實現簡單、可靠性高，易用性高等以上優點，該modicon quantum系列plc產品的已經在在北京地鐵10號線環控bas系統、上海地鐵6、8號線環控bas系統、廣州地鐵3號線環控bas系統等軌道交通線路均采用了modicon quantum 系列plc產品，現場運行狀況十分良好。由于modicon quantum 系列plc以實現系統結構、服務、管理的最優化組合，最大限度地發揮設備的效能，減少硬件設備、管理人員數量，從而降低成本，可以預見，施耐德modicon quantum 系列plc必將在軌道交通環控系統中得到廣泛的應用。(e
