西門(mén)子全集成自動(dòng)化解決方案在重慶輕軌2號(hào)線的應(yīng)用
前言：
當(dāng)前，城市化是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，伴隨著城市化建設(shè)，交通擁堵正迅速成為制約我國(guó)城市發(fā)展的重要問(wèn)題之一。出于解決城市交通問(wèn)題的需要，公共交通，特別是軌道交通受到了有關(guān)部門(mén)及社會(huì)各界越來(lái)越廣泛的關(guān)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(wǎng)結(jié)構(gòu)和公共交通場(chǎng)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(lǐng)域,超前規(guī)劃,適時(shí)建設(shè)”。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)城市規(guī)劃建設(shè)的軌道交通網(wǎng)絡(luò)總里程已達(dá)5000公里，城市軌道交通總投資估算超過(guò)8000億元，資金投入規(guī)模僅次于鐵路和高速公路。國(guó)家政策導(dǎo)向使城市軌道交通建設(shè)有較好的發(fā)展前景。
輕軌交通是一種中等運(yùn)量的城市軌道交通客運(yùn)系統(tǒng)，其運(yùn)力介于地鐵與公共汽車(chē)之間，車(chē)型和軌道結(jié)構(gòu)也與地鐵相類(lèi)似。新型輕軌交通具有“投資小、占地少、運(yùn)量大、速度快、無(wú)噪音、無(wú)污染”的突出優(yōu)點(diǎn)，是符合我國(guó)中大型城市現(xiàn)實(shí)情況的軌道交通建設(shè)的選擇。
重慶輕軌2號(hào)線即“重慶軌道交通2號(hào)線”，亦稱“重慶輕軌較新線”，它是重慶乃至中國(guó)西部地區(qū)第一條軌道交通線，在重慶城市交通現(xiàn)代化的進(jìn)程中具有里程碑式的重大意義。輕軌2號(hào)線途經(jīng)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(chǎng)口，西抵重慶鋼鐵基地新山村，服務(wù)于核心城區(qū)的商業(yè)區(qū)、公共活動(dòng)區(qū)等大型客流集散點(diǎn)。一期工程14.35公里，2004年11月開(kāi)始試運(yùn)行，2005年6月正式運(yùn)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(kāi)始運(yùn)行。2號(hào)線全線運(yùn)行時(shí)間34分鐘。
重慶輕軌2號(hào)線設(shè)15個(gè)地面車(chē)站、3個(gè)地下車(chē)站和一座控制中心（OCC）大樓，一期工程初期配車(chē)21列84輛(每列車(chē)四節(jié)車(chē)廂，遠(yuǎn)期根據(jù)客流情況最多可以加掛8列車(chē)廂）。全線建成后，可形成最大單向3萬(wàn)人次/小時(shí)的客運(yùn)能力，年客運(yùn)量可達(dá)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(hào)線根據(jù)重慶山高坡陡道路曲折的地形特征采用了噪聲小、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)的高架跨座式單軌交通系統(tǒng)，亦是中國(guó)第一次引進(jìn)的中運(yùn)量膠輪輕軌系統(tǒng)，該系統(tǒng)轉(zhuǎn)彎半徑小，爬坡能力強(qiáng)，采用橡膠輪胎，車(chē)輛運(yùn)行噪聲低，具有明顯的環(huán)保特性；獨(dú)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(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)）是將現(xiàn)代科技的計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化控制原理，以專(zhuān)門(mén)的地鐵環(huán)境通風(fēng)空調(diào)及防災(zāi)處理等理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對(duì)車(chē)站建筑物內(nèi)的環(huán)境與空氣條件、通風(fēng)、給排水、照明、乘客導(dǎo)向、自動(dòng)扶梯及電梯、屏蔽門(mén)、防淹門(mén)等建筑設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)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(diǎn)：
(1)監(jiān)控并協(xié)調(diào)地下各車(chē)站及OCC大樓通風(fēng)空調(diào)設(shè)備、冷水系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行；
(2)監(jiān)控并協(xié)調(diào)地下區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行；
(3) 對(duì)車(chē)站機(jī)電設(shè)備故障進(jìn)行報(bào)警，統(tǒng)計(jì)設(shè)備累積運(yùn)行時(shí)間；
(4) 對(duì)地下環(huán)境參數(shù)（溫、濕度）及水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)（水流開(kāi)關(guān)、壓力、溫度等）進(jìn)行檢測(cè)、分析及報(bào)警；
(5) 接收輕軌防災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)（FAS）火災(zāi)信息并觸發(fā)BAS系統(tǒng)的災(zāi)害運(yùn)行模式，控制環(huán)控設(shè)備按災(zāi)害模式運(yùn)行；
(6) 通過(guò)與信號(hào)ATS接口接收區(qū)間信息，控制相關(guān)環(huán)控設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)命令；
(7) 緊急狀況下，可通過(guò)車(chē)站CRT控制環(huán)控設(shè)備執(zhí)行相關(guān)命令；
(8) 監(jiān)視地下各站及隧道區(qū)間給排水、屏蔽門(mén)等機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；
(9) 管理資料并定期打印報(bào)表；
(10) 與主時(shí)鐘接口，保證BAS系統(tǒng)時(shí)鐘同步。
(2)監(jiān)控并協(xié)調(diào)地下區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行；
(3) 對(duì)車(chē)站機(jī)電設(shè)備故障進(jìn)行報(bào)警，統(tǒng)計(jì)設(shè)備累積運(yùn)行時(shí)間；
(4) 對(duì)地下環(huán)境參數(shù)（溫、濕度）及水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)（水流開(kāi)關(guān)、壓力、溫度等）進(jìn)行檢測(cè)、分析及報(bào)警；
(5) 接收輕軌防災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)（FAS）火災(zāi)信息并觸發(fā)BAS系統(tǒng)的災(zāi)害運(yùn)行模式，控制環(huán)控設(shè)備按災(zāi)害模式運(yùn)行；
(6) 通過(guò)與信號(hào)ATS接口接收區(qū)間信息，控制相關(guān)環(huán)控設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)命令；
(7) 緊急狀況下，可通過(guò)車(chē)站CRT控制環(huán)控設(shè)備執(zhí)行相關(guān)命令；
(8) 監(jiān)視地下各站及隧道區(qū)間給排水、屏蔽門(mén)等機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；
(9) 管理資料并定期打印報(bào)表；
(10) 與主時(shí)鐘接口，保證BAS系統(tǒng)時(shí)鐘同步。
與通常意義上的樓宇自動(dòng)化BAS不同，由于輕軌BAS所需的功能和其特定的應(yīng)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(yīng)為工業(yè)級(jí)控制設(shè)備,具有很強(qiáng)的環(huán)境(含電磁環(huán)境、物理環(huán)境、化學(xué)環(huán)境等)適應(yīng)能力；
(2)中央處理器處理I/O點(diǎn)數(shù)多，處理速度快,支持多種工業(yè)級(jí)實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)整體實(shí)時(shí)性強(qiáng)；
(3) 因輕軌BAS承擔(dān)一定的防災(zāi)任務(wù)，所以BAS控制系統(tǒng)屬于安全系統(tǒng)，對(duì)可靠性要求極高, 需具備冗余配置；
(4)系統(tǒng)應(yīng)用靈活,支持創(chuàng)造性設(shè)計(jì)思維,可以方便地構(gòu)建復(fù)雜監(jiān)控系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。
綜上，BAS對(duì)于控制輕軌全線車(chē)站和區(qū)間的環(huán)控及其它機(jī)電設(shè)備安全、高效、協(xié)調(diào)的運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，它不僅要確保車(chē)站及區(qū)間環(huán)境的良好舒適，產(chǎn)生最佳的節(jié)能效果，而且需要在遇到突發(fā)事件（如列車(chē)阻塞、火災(zāi)）時(shí)指揮環(huán)控設(shè)備轉(zhuǎn)向特定模式，為軌道交通的乘車(chē)環(huán)境提供安全保證。
根據(jù)重慶輕軌2號(hào)線工程BAS系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)及性能、造價(jià)等多方面考慮，充分結(jié)合國(guó)外成功案例的成熟經(jīng)驗(yàn)，BAS最終選用了基于西門(mén)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(hào)線車(chē)站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置中央級(jí)、車(chē)站級(jí)和就地級(jí)三級(jí)對(duì)環(huán)控設(shè)備及其它機(jī)電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。
重慶輕軌2號(hào)線車(chē)站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置中央級(jí)、車(chē)站級(jí)和就地級(jí)三級(jí)對(duì)環(huán)控設(shè)備及其它機(jī)電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。
1.中央級(jí)
中央級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)是整個(gè)BAS系統(tǒng)的監(jiān)控核心，除負(fù)責(zé)接收通信系統(tǒng)時(shí)間同步信號(hào)外，在OCC局域網(wǎng)中還連接有與ATS數(shù)據(jù)接口HLI以及模擬屏設(shè)備，并通過(guò)中央工作站（PC機(jī)）將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紹AS以太網(wǎng)上，同其它車(chē)站級(jí)BAS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。中央級(jí)局域網(wǎng)采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，由工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，WinCC冗余數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、工程師工作站、操作員工程站等構(gòu)成。
2.車(chē)站級(jí)
車(chē)站級(jí)BAS系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)本站機(jī)電設(shè)備的單點(diǎn)控制、執(zhí)行中央級(jí)模式控制、編輯臨時(shí)時(shí)間表控制、顯示各種工作狀態(tài)與報(bào)警。出于承擔(dān)防災(zāi)功能的考慮，系統(tǒng)在每個(gè)車(chē)站的兩端各配置了1套西門(mén)子具有冗余功能的S7-400 414H PLC作為車(chē)站級(jí)BAS系統(tǒng)的主控制器，每臺(tái)PLC下設(shè)若干ET200M遠(yuǎn)程I/O站，它們與主控制器通過(guò)雙重化的PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，構(gòu)成了本系統(tǒng)的車(chē)站控制級(jí)。
車(chē)站級(jí)網(wǎng)絡(luò)以光纖為傳輸介質(zhì)，把整個(gè)車(chē)站所有的PLC和WinCC連成一個(gè)封閉的環(huán)型結(jié)構(gòu)，
3.就地級(jí)
就地級(jí)控制器的功能為對(duì)單臺(tái)機(jī)電設(shè)備(如屏蔽門(mén)、電扶梯、事故電源、排水泵等)進(jìn)行就地控制，滿足設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試要求，并且通過(guò)車(chē)站控制網(wǎng)與車(chē)站主PLC通信，接收控制指令，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行就地控制。就地級(jí)向車(chē)站級(jí)實(shí)時(shí)傳遞監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài)、執(zhí)行車(chē)站級(jí)的控制命令，當(dāng)車(chē)站級(jí)發(fā)生故障時(shí)能獨(dú)立地進(jìn)行監(jiān)控，使故障影響降至最低。就地級(jí)監(jiān)控設(shè)備根據(jù)機(jī)電設(shè)備的設(shè)置情況就近配置，設(shè)于各設(shè)備機(jī)房之中。在本項(xiàng)目中，每個(gè)車(chē)站都單獨(dú)設(shè)置了若干個(gè)就地級(jí)的從控制器，考慮到造價(jià)與性能的平衡，PLC選用了西門(mén)子S7-300系列CPU 313C，它具有2M用戶程序存儲(chǔ)器并集成PROFIBUS-DP主/從接口和用于編程器上裝程序的多點(diǎn)MPI接口。
系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)
1.全集成自動(dòng)化
全集成自動(dòng)化（TIA）是由西門(mén)子自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)于1996年提出的先進(jìn)自動(dòng)化系統(tǒng)概念，意指用一種系統(tǒng)完成原來(lái)由多種系統(tǒng)搭配起來(lái)才能完成的所有功能，核心是對(duì)所有產(chǎn)品與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理、配置及通訊功能的集成。應(yīng)用TIA概念構(gòu)建的解決方案采用標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，統(tǒng)一的編程組態(tài)環(huán)境和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)管理，集高度的集成統(tǒng)一性和前所未有的開(kāi)放性于一身，可以極大地簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、減少接口部件并克服上位機(jī)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(shí)現(xiàn)了橫向和縱向信息集成。這樣，用戶能快速完成過(guò)程的優(yōu)化、擴(kuò)展和調(diào)整，將生產(chǎn)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(jìn)成熟的雙重冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)處于熱備狀態(tài)，能適應(yīng)7天24小時(shí)不間斷工作，并能在網(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)故障情況下仍保持正常工作，最大限度的滿足用戶對(duì)可靠性的要求，大大提升了PLC控制的安全性能。所有設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性也很強(qiáng)，可以在輕軌高溫、粉塵、強(qiáng)電磁和潮濕等惡劣條件下穩(wěn)定工作。
3.方便維護(hù)與診斷
基于西門(mén)子全集成自動(dòng)化技術(shù)，WinCC通過(guò)SIMATICS7協(xié)議集可以和SIMATICS7設(shè)備進(jìn)行各種協(xié)議的通訊。WinCC在系統(tǒng)中承擔(dān)了數(shù)據(jù)采集與管理、故障報(bào)警、實(shí)時(shí)與歷史趨勢(shì)記錄及生成報(bào)表等工作。操作員通過(guò)工作站可詳細(xì)了解車(chē)站環(huán)境與設(shè)備運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。
WinCC組態(tài)軟件根據(jù)系統(tǒng)要求，實(shí)時(shí)顯示各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并具有良好的用戶界面。通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合,可以建立統(tǒng)一的分布式數(shù)據(jù)庫(kù),保證所有數(shù)據(jù)的完整性和互操作性;現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通信,使用戶通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò)中標(biāo)準(zhǔn)的圖形界面隨時(shí)隨地了解現(xiàn)場(chǎng)情況;控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)的緊密集成也便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、診斷和維護(hù)功能。
總結(jié)及展望
本控制系統(tǒng)自投入使用以來(lái)，一直運(yùn)行良好，表現(xiàn)出很高的穩(wěn)定性，由西門(mén)子公司提供的全集成自動(dòng)化系統(tǒng)不僅以最先進(jìn)的科技保障了乘客乘車(chē)安全、舒適，改善了傳統(tǒng)軌道交通的環(huán)境，并且使相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行能耗降至最低，體現(xiàn)了我國(guó)“節(jié)能減排”長(zhǎng)期戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃的內(nèi)涵，符合當(dāng)前建設(shè)節(jié)能型社會(huì)、和諧社會(huì)的需求，反映了我國(guó)軌道交通BAS系統(tǒng)發(fā)展的大勢(shì)所趨，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。
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