西門子全集成自動化解決方案在重慶輕軌2號線的應用設計
［摘要］：重慶輕軌2號線為我國首次采用跨座式單軌列車的軌道交通線路，其BAS系統(tǒng)的電氣控制部分選用了西門子公司提供的全集成自動化系統(tǒng)解決方案?；赟7-400和S7-300系列PLC及WinCC監(jiān)控組態(tài)軟件的控制系統(tǒng)負責對地下站環(huán)控系統(tǒng)進行監(jiān)控，并對車站的給排水設備、應急電源、屏蔽門系統(tǒng)等進行監(jiān)視控制。實踐表明，系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定，控制性能優(yōu)異，可供類似工程參考。
［關鍵詞］：軌道交通 BAS S7-400 WinCC TIA
前言：
當前，城市化是我國經濟發(fā)展的必然趨勢，伴隨著城市化建設，交通擁堵正迅速成為制約我國城市發(fā)展的重要問題之一。出于解決城市交通問題的需要，公共交通，特別是軌道交通受到了有關部門及社會各界越來越廣泛的關注?！笆晃濉币?guī)劃明確提出,“優(yōu)先發(fā)展公共交通,完善城市路網結構和公共交通場站,有條件的大城市和城市群地區(qū)要把軌道交通作為優(yōu)先領域,超前規(guī)劃,適時建設”。據統(tǒng)計，目前我國城市規(guī)劃建設的軌道交通網絡總里程已達5000公里，城市軌道交通總投資估算超過8000億元，資金投入規(guī)模僅次于鐵路和高速公路。國家政策導向使城市軌道交通建設有較好的發(fā)展前景。
輕軌交通是一種中等運量的城市軌道交通客運系統(tǒng)，其運力介于地鐵與公共汽車之間，車型和軌道結構也與地鐵相類似。新型輕軌交通具有“投資小、占地少、運量大、速度快、無噪音、無污染”的突出優(yōu)點，是符合我國中大型城市現實情況的軌道交通建設的選擇。
重慶輕軌2號線簡介
行駛中的列車及重慶輕軌2號線楊家坪站
重慶輕軌2號線即“重慶軌道交通2號線”，亦稱“重慶輕軌較新線”，它是重慶乃至中國西部地區(qū)第一條軌道交通線，在重慶城市交通現代化的進程中具有里程碑式的重大意義。輕軌2號線途經渝中區(qū)、九龍坡區(qū)、大渡口區(qū)、巴南區(qū)，東起重慶商業(yè)中心附近的較場口，西抵重慶鋼鐵基地新山村，服務于核心城區(qū)的商業(yè)區(qū)、公共活動區(qū)等大型客流集散點。一期工程14.35公里，2004年11月開始試運行，2005年6月正式運行。二期工程從大堰村至新山村，全程4.7公里，于2006年7月1日開始運行。2號線全線運行時間34分鐘。
重慶輕軌2號線設15個地面車站、3個地下車站和一座控制中心（OCC）大樓，一期工程初期配車21列84輛(每列車四節(jié)車廂，遠期根據客流情況最多可以加掛8列車廂）。全線建成后，可形成最大單向3萬人次/小時的客運能力，年客運量可達2億人次，全線工程總投資43億元。
不同于一般的輕軌，重慶軌道交通2號線根據重慶山高坡陡道路曲折的地形特征采用了噪聲小、轉彎半徑小、爬坡能力強的高架跨座式單軌交通系統(tǒng)，亦是中國第一次引進的中運量膠輪輕軌系統(tǒng)，該系統(tǒng)轉彎半徑小，爬坡能力強，采用橡膠輪胎，車輛運行噪聲低，具有明顯的環(huán)保特性；獨特的高架軌道梁占用道路少，體積輕巧，透光性佳并可立體綠化?！ ?/SPAN>
面臨挑戰(zhàn)
軌道交通BAS（Building Automation System，環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)）是將現代科技的計算機及其網絡技術結合機電設備自動化控制原理，以專門的地鐵環(huán)境通風空調及防災處理等理論為基礎的自動化控制系統(tǒng)，負責對車站建筑物內的環(huán)境與空氣條件、通風、給排水、照明、乘客導向、自動扶梯及電梯、屏蔽門、防淹門等建筑設備和系統(tǒng)進行集中監(jiān)視、控制和管理，一般可將其功能歸納為以下幾點：
(1)監(jiān)控并協(xié)調地下各車站及OCC大樓通風空調設備、冷水系統(tǒng)設備的運行；
(2)監(jiān)控并協(xié)調地下區(qū)間隧道通風系統(tǒng)設備的運行；
(3) 對車站機電設備故障進行報警，統(tǒng)計設備累積運行時間；
(4) 對地下環(huán)境參數（溫、濕度）及水系統(tǒng)運行參數（水流開關、壓力、溫度等）進行檢測、分析及報警；
(5) 接收輕軌防災報警系統(tǒng)（FAS）火災信息并觸發(fā)BAS系統(tǒng)的災害運行模式，控制環(huán)控設備按災害模式運行；
(6) 通過與信號ATS接口接收區(qū)間信息，控制相關環(huán)控設備執(zhí)行相應命令；
(7) 緊急狀況下，可通過車站CRT控制環(huán)控設備執(zhí)行相關命令；
(8) 監(jiān)視地下各站及隧道區(qū)間給排水、屏蔽門等機電設備的運行狀態(tài)；
(9) 管理資料并定期打印報表；
(10) 與主時鐘接口，保證BAS系統(tǒng)時鐘同步。
(2)監(jiān)控并協(xié)調地下區(qū)間隧道通風系統(tǒng)設備的運行；
(3) 對車站機電設備故障進行報警，統(tǒng)計設備累積運行時間；
(4) 對地下環(huán)境參數（溫、濕度）及水系統(tǒng)運行參數（水流開關、壓力、溫度等）進行檢測、分析及報警；
(5) 接收輕軌防災報警系統(tǒng)（FAS）火災信息并觸發(fā)BAS系統(tǒng)的災害運行模式，控制環(huán)控設備按災害模式運行；
(6) 通過與信號ATS接口接收區(qū)間信息，控制相關環(huán)控設備執(zhí)行相應命令；
(7) 緊急狀況下，可通過車站CRT控制環(huán)控設備執(zhí)行相關命令；
(8) 監(jiān)視地下各站及隧道區(qū)間給排水、屏蔽門等機電設備的運行狀態(tài)；
(9) 管理資料并定期打印報表；
(10) 與主時鐘接口，保證BAS系統(tǒng)時鐘同步。
與通常意義上的樓宇自動化BAS不同，由于輕軌BAS所需的功能和其特定的應用環(huán)境限制, 用于輕軌BAS的控制器必須滿足以下要求：
(1)應為工業(yè)級控制設備,具有很強的環(huán)境(含電磁環(huán)境、物理環(huán)境、化學環(huán)境等)適應能力；
(2)中央處理器處理I/O點數多，處理速度快,支持多種工業(yè)級實時控制網絡,系統(tǒng)整體實時性強；
(3) 因輕軌BAS承擔一定的防災任務，所以BAS控制系統(tǒng)屬于安全系統(tǒng)，對可靠性要求極高, 需具備冗余配置；
(4)系統(tǒng)應用靈活,支持創(chuàng)造性設計思維,可以方便地構建復雜監(jiān)控系統(tǒng)并實現復雜的控制功能。
綜上，BAS對于控制輕軌全線車站和區(qū)間的環(huán)控及其它機電設備安全、高效、協(xié)調的運行起著至關重要的作用，它不僅要確保車站及區(qū)間環(huán)境的良好舒適，產生最佳的節(jié)能效果，而且需要在遇到突發(fā)事件（如列車阻塞、火災）時指揮環(huán)控設備轉向特定模式，為軌道交通的乘車環(huán)境提供安全保證。
根據重慶輕軌2號線工程BAS系統(tǒng)的技術特點及性能、造價等多方面考慮，充分結合國外成功案例的成熟經驗，BAS最終選用了基于西門子公司S7-400和S7-300系列PLC及WinCC監(jiān)控組態(tài)軟件的全集成控制系統(tǒng)。
方案配置
重慶輕軌2號線車站設備監(jiān)控系統(tǒng)設置中央級、車站級和就地級三級對環(huán)控設備及其它機電設備進行監(jiān)控。
重慶輕軌2號線車站設備監(jiān)控系統(tǒng)設置中央級、車站級和就地級三級對環(huán)控設備及其它機電設備進行監(jiān)控。
1.中央級
中央級監(jiān)控系統(tǒng)是整個BAS系統(tǒng)的監(jiān)控核心，除負責接收通信系統(tǒng)時間同步信號外，在OCC局域網中還連接有與ATS數據接口HLI以及模擬屏設備，并通過中央工作站（PC機）將數據傳輸到BAS以太網上，同其它車站級BAS系統(tǒng)進行數據交換。中央級局域網采用標準工業(yè)以太網協(xié)議，由工業(yè)以太網交換機，WinCC冗余數據庫服務器、工程師工作站、操作員工程站等構成。
中央級局域網的網絡結構示意圖
以太網交換機設備連接示意圖
2.車站級
車站級BAS系統(tǒng)主要負責本站機電設備的單點控制、執(zhí)行中央級模式控制、編輯臨時時間表控制、顯示各種工作狀態(tài)與報警。出于承擔防災功能的考慮，系統(tǒng)在每個車站的兩端各配置了1套西門子具有冗余功能的S7-400 414H PLC作為車站級BAS系統(tǒng)的主控制器，每臺PLC下設若干ET200M遠程I/O站，它們與主控制器通過雙重化的PROFIBUS-DP現場總線網絡進行通信，構成了本系統(tǒng)的車站控制級。
車站級網絡以光纖為傳輸介質，把整個車站所有的PLC和WinCC連成一個封閉的環(huán)型結構，其結構簡圖如下：
PLC和WinCC工作站構成的環(huán)網結構簡圖
系統(tǒng)網絡圖如下：
重慶輕軌2號線BAS設備控制系統(tǒng)網絡圖
CPU機架放大圖為：
CPU機架放大圖
3.就地級
就地級控制器的功能為對單臺機電設備(如屏蔽門、電扶梯、事故電源、排水泵等)進行就地控制，滿足設備的現場調試要求，并且通過車站控制網與車站主PLC通信，接收控制指令，對現場設備進行就地控制。就地級向車站級實時傳遞監(jiān)控設備的狀態(tài)、執(zhí)行車站級的控制命令，當車站級發(fā)生故障時能獨立地進行監(jiān)控，使故障影響降至最低。就地級監(jiān)控設備根據機電設備的設置情況就近配置，設于各設備機房之中。在本項目中，每個車站都單獨設置了若干個就地級的從控制器，考慮到造價與性能的平衡，PLC選用了西門子S7-300系列CPU 313C，它具有2M用戶程序存儲器并集成PROFIBUS-DP主/從接口和用于編程器上裝程序的多點MPI接口。
系統(tǒng)優(yōu)勢
1.全集成自動化
全集成自動化（TIA）是由西門子自動化與驅動集團于1996年提出的先進自動化系統(tǒng)概念，意指用一種系統(tǒng)完成原來由多種系統(tǒng)搭配起來才能完成的所有功能，核心是對所有產品與系統(tǒng)的數據管理、配置及通訊功能的集成。應用TIA概念構建的解決方案采用標準化的網絡體系結構，統(tǒng)一的編程組態(tài)環(huán)境和統(tǒng)一的數據庫管理，集高度的集成統(tǒng)一性和前所未有的開放性于一身，可以極大地簡化系統(tǒng)的結構、減少接口部件并克服上位機和工業(yè)控制器之間、連續(xù)控制和邏輯控制之間、集中與分散之間的界限，從而使TIA為企業(yè)實現了橫向和縱向信息集成。這樣，用戶能快速完成過程的優(yōu)化、擴展和調整，將生產中斷的可能性降到最低。這將大大提高其在工廠的可用性。
2.高可靠性
S7-414H系統(tǒng)中的主要元件均采用了先進成熟的雙重冗余結構設計，系統(tǒng)處于熱備狀態(tài)，能適應7天24小時不間斷工作，并能在網絡設備、網絡連接器、控制設備和通信線路同時發(fā)生單點故障情況下仍保持正常工作，最大限度的滿足用戶對可靠性的要求，大大提升了PLC控制的安全性能。所有設備的環(huán)境適應性也很強，可以在輕軌高溫、粉塵、強電磁和潮濕等惡劣條件下穩(wěn)定工作。
3.方便維護與診斷
基于西門子全集成自動化技術，WinCC通過SIMATICS7協(xié)議集可以和SIMATICS7設備進行各種協(xié)議的通訊。WinCC在系統(tǒng)中承擔了數據采集與管理、故障報警、實時與歷史趨勢記錄及生成報表等工作。操作員通過工作站可詳細了解車站環(huán)境與設備運行情況，實現自動化控制。
WinCC組態(tài)軟件根據系統(tǒng)要求，實時顯示各設備的運行狀態(tài)，并具有良好的用戶界面。通過控制網絡與信息網絡的結合,可以建立統(tǒng)一的分布式數據庫,保證所有數據的完整性和互操作性;現場設備與信息網絡實時通信,使用戶通過信息網絡中標準的圖形界面隨時隨地了解現場情況;控制網絡和信息網絡的緊密集成也便于實現遠程監(jiān)控、診斷和維護功能。
WinCC監(jiān)控界面
總結及展望
本控制系統(tǒng)自投入使用以來，一直運行良好，表現出很高的穩(wěn)定性，由西門子公司提供的全集成自動化系統(tǒng)不僅以最先進的科技保障了乘客乘車安全、舒適，改善了傳統(tǒng)軌道交通的環(huán)境，并且使相關設備的運行能耗降至最低，體現了我國“節(jié)能減排”長期戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃的內涵，符合當前建設節(jié)能型社會、和諧社會的需求，反映了我國軌道交通BAS系統(tǒng)發(fā)展的大勢所趨，具有良好的經濟效益與社會效益。
本文標簽：西門子全集成自動化解決方案在重慶輕軌2號線的應用設計
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