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

前言

地鐵環(huán)境設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，英文縮寫B(tài)AS（又名EMCS），負(fù)責(zé)控制全線車站及區(qū)間的環(huán)境和其它機(jī)電設(shè)備安全、高效、協(xié)調(diào)運(yùn)行，保證地鐵車站及區(qū)間環(huán)境的良好舒適和最佳節(jié)能效果；在突發(fā)事件（如火災(zāi)）時(shí)指揮環(huán)控設(shè)備轉(zhuǎn)向特定模式，為地鐵乘車環(huán)境提供安全保證。目前，國內(nèi)新建地鐵項(xiàng)目雖具體情況各異，但BAS控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)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(xiàn)場(chǎng)總線）的解決方案。本文結(jié)合近年新建成運(yùn)行的地鐵項(xiàng)目，對(duì)其BAS控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行了綜合研究分析。

1 基本要求

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》、《智能建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》等國家標(biāo)準(zhǔn)及地鐵BAS實(shí)際情況，BAS的控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在遵循“分散控制、集中管理、資源共享”基本原則的基礎(chǔ)上，應(yīng)滿足以下要求。

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

（2）安全性：系統(tǒng)應(yīng)具備較強(qiáng)防災(zāi)能力，應(yīng)考慮火災(zāi)、水淹、地震、雷擊和停車事故等災(zāi)害可能，并以防火災(zāi)為主；系統(tǒng)能夠防止系統(tǒng)外部人員入侵以及內(nèi)部人員的非法操作和誤操作。

（3）實(shí)時(shí)性：作為商業(yè)運(yùn)營系統(tǒng)，應(yīng)具備很強(qiáng)的靈敏反應(yīng)能力，在任何情況下，均必須保證信號(hào)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確傳輸和處理。

（4）開放性：具備開放平臺(tái)特性，網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與應(yīng)用系統(tǒng)相獨(dú)立；采用通用數(shù)據(jù)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，支持多廠商，支持多種終端設(shè)備和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應(yīng)用；具備與其它網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用系統(tǒng)無縫集成能力。

（5）可管理性：網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)便于管理、配置和調(diào)整，配有人性化管理接口；在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，能提供有效手段，準(zhǔn)確、及時(shí)定位故障，并提醒管理人員，系統(tǒng)平均修復(fù)時(shí)間不大于0.5小時(shí)。

（6）可擴(kuò)展性：充分考慮目前業(yè)務(wù)需求和今后較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)業(yè)務(wù)發(fā)展需要，系統(tǒng)應(yīng)能方便地升級(jí)；在采用更新技術(shù)同時(shí)，保證原有設(shè)備大部能繼續(xù)使用，保護(hù)投資。

2 系統(tǒng)分析

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

地鐵BAS系統(tǒng)采用分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)管理，由中央管理級(jí)、車站監(jiān)控級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)和相關(guān)通信網(wǎng)絡(luò)組成。與之對(duì)應(yīng)，BAS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由主干網(wǎng)（通信傳輸網(wǎng)）、中央級(jí)和車站級(jí)局域網(wǎng)及現(xiàn)場(chǎng)總線組成。中央級(jí)局域網(wǎng)通過主干網(wǎng)與車站級(jí)局域網(wǎng)相連，車站級(jí)局域網(wǎng)中的車站主控制器與遠(yuǎn)程控制器、遠(yuǎn)程I/O模塊通過現(xiàn)場(chǎng)總線連接。

2.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/P>

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(qū)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(gòu)成千兆工業(yè)以太網(wǎng)；對(duì)應(yīng)雙環(huán)主干網(wǎng)，中央級(jí)和車站級(jí)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(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)，車站級(jí)局域網(wǎng)的主控制器（PLC或工控計(jì)算機(jī)）與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過現(xiàn)場(chǎng)總線相連，現(xiàn)場(chǎng)總線的選型根據(jù)各地鐵線路具體情況而定。有些較長(zhǎng)的線路，在管理上，中央級(jí)和車站級(jí)之間還設(shè)有車輛段作為中間控制級(jí)，車輛段局域網(wǎng)的組網(wǎng)方式和接入方法與中央級(jí)一致。

中央級(jí)局域網(wǎng)終端設(shè)置在地鐵運(yùn)營控制中心（OCC），配備工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為操作站，操作站宜采取冗余配置，另外還可根據(jù)實(shí)際情況增配維護(hù)工作站和數(shù)據(jù)服務(wù)器。車站級(jí)局域網(wǎng)終端設(shè)置在車站控制室，配備工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為操作站，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(jù)具體情況采用冗余配備。車輛段局域網(wǎng)終端設(shè)置在車輛段控制室，配置情況與中央級(jí)相似。

2.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備特點(diǎn)

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備采用工業(yè)以太網(wǎng)骨干交換機(jī)。作為在高性能、高可靠性系統(tǒng)中使用的骨干網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，為滿足要求，其除具備普通交換機(jī)功能外，還須有如下加強(qiáng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)和相應(yīng)協(xié)議；采用合金褶皺結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)，對(duì)寒冷或酷熱的工作環(huán)境有良好適應(yīng)能力；提供導(dǎo)軌、壁掛及任意平面等安裝模式，便于在特定現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境安裝；冗余雙DC電源輸入，并提供故障報(bào)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，系統(tǒng)重、難點(diǎn)技術(shù)主要體現(xiàn)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

作為最具開放性、透明性的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，工業(yè)以太網(wǎng)成為系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)，繼承了普通以太網(wǎng)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(yōu)點(diǎn)；能實(shí)現(xiàn)工控網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，形成企業(yè)級(jí)管控一體化的全開放網(wǎng)絡(luò)，符合全開放、一體化的工控網(wǎng)絡(luò)必然發(fā)展趨勢(shì)；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(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)、可靠；對(duì)于不同工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，采取了專門抗干擾措施，能適應(yīng)惡劣工作條件；眾多主流設(shè)備生產(chǎn)商提供了各類密封性好、堅(jiān)固、抗震動(dòng)的設(shè)備與連接件，基本解決了本質(zhì)安全問題。現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)是全數(shù)字化、全分散、可互操作、開放式的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，專門用于過程自動(dòng)化和制造自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)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(shì)，系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)選用了現(xiàn)場(chǎng)總線。

3.2 網(wǎng)絡(luò)冗余

為充分保證高可用性，系統(tǒng)在主干網(wǎng)采用了雙環(huán)冗余技術(shù)，并在雙環(huán)配對(duì)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)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(shè)備的冗余，可在傳輸介質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)連接器（網(wǎng)卡）同時(shí)出現(xiàn)單點(diǎn)故障時(shí)實(shí)時(shí)自愈故障，是完全冗余系統(tǒng)。

系統(tǒng)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(shù)據(jù)交換包（也稱WD包，Watch Dog Packets）在交換機(jī)間交換鏈路信息。在初始狀態(tài)，各交換機(jī)不啟動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)功能，而先由人工指定主交換機(jī)（Local），一個(gè)冗余環(huán)網(wǎng)里只能有一個(gè)主交換機(jī)。主交換機(jī)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(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀，但可接受HELLO包），主交換機(jī)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(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，只接收和處理HELLO包，處于熱備狀態(tài)（不轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀，但學(xué)習(xí)MAC地址表，在主鏈路故障時(shí)，在300ms之內(nèi)，立刻進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)），從交換機(jī)（Remote）沒有主鏈路和備份鏈路的區(qū)別。主交換機(jī)定期發(fā)送配置信息，這種配置信息被所有從交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)，主交換機(jī)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(jié)構(gòu)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(nèi)恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)通信。

3.3 網(wǎng)絡(luò)管理

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

在運(yùn)營控制中心（OCC）配有網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（NMS），用于配置、監(jiān)視和管理整個(gè)地鐵各系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，BAS控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管理是其一項(xiàng)重要功能。NMS基于SNMP協(xié)議，由網(wǎng)管軟件和監(jiān)控軟件組成；網(wǎng)管軟件主要完成交換機(jī)的監(jiān)視和配置功能，監(jiān)控軟件負(fù)責(zé)除交換機(jī)之外的其他設(shè)備（如操作站、服務(wù)器、控制器和UPS等）的監(jiān)視功能；網(wǎng)管軟件和監(jiān)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(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。NMS可記錄網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化調(diào)整提供參考。

系統(tǒng)管理員將不同地理位置（運(yùn)營控制中心和各車站）的終端根據(jù)級(jí)別、用途和管理需要?jiǎng)澣氩煌奶摂M局域網(wǎng)（VLAN），VLAN技術(shù)遵循IEEE802.1Q標(biāo)準(zhǔn)，同一虛擬網(wǎng)的用戶能正常通信，不同虛擬網(wǎng)之間只能在核心交換機(jī)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(wǎng)絡(luò)廣播信息的傳播，減輕了網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，同一虛擬網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)安全性；與網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（NMS）結(jié)合使用，網(wǎng)絡(luò)管理員可更有效管理網(wǎng)絡(luò)，包括監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)流量、控制流量分流和設(shè)置安全級(jí)別等。

服務(wù)質(zhì)量（QOS）主要解決系統(tǒng)實(shí)時(shí)性問題。QOS的基本思想在于，為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)保留一定專用帶寬，從而把數(shù)據(jù)的丟包率、延時(shí)、吞吐量和擁塞控制在可接受范圍內(nèi)。QOS技術(shù)要點(diǎn)有二：對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)施進(jìn)入控制（Connect Admission Control）和流量調(diào)整（Traffic Shaping）；在數(shù)據(jù)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)前，估算數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)影響。

4 應(yīng)用實(shí)踐

在近年新建成開通的地鐵項(xiàng)目中，如廣州地鐵三號(hào)線、廣州地鐵四號(hào)線、深圳地鐵一號(hào)線和南京地鐵一號(hào)線等，其BAS網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)總體上與本文所介紹的基本相同。由于各線路的實(shí)際情況，在現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)略有差異，主要體現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議選擇和應(yīng)用范圍上，如廣州三號(hào)線，在現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)仍保留了部分模擬量和開關(guān)量控制項(xiàng)目。在實(shí)際運(yùn)營中，各線路BAS網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)均運(yùn)行正常，滿足使用要求。

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(tǒng)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(tǒng)的一種標(biāo)準(zhǔn)解決模式，該模式作為成熟解決方案已得到了眾多國內(nèi)外廠商的廣泛支持（如：西門子、施耐德等），并在樓宇自動(dòng)化、交通控制、過程控制和工廠自動(dòng)化中得到較廣泛運(yùn)用。