基于工控网络的地铁BAS控制网络系统的研析

【摘 要】对工控网络在地铁BAS控制网络系统的应用进行了介绍，分析其关键技术，并总结该应用为高可靠性、高安全性、高性能大型网络控制系统的一种标准解决模式。

地铁环境设备监控系统，英文缩写BAS（又名EMCS），负责控制全线车站及区间的环境和其它机电设备安全、高效、协调运行，保证地铁车站及区间环境的良好舒适和最佳节能效果；在突发事件（如火灾）时指挥环控设备转向特定模式，为地铁乘车环境提供安全保证。目前，国内新建地铁项目虽具体情况各异，但BAS控制网络系统总体方案都基本相同，均采用了基于工业控制网络（工业以太网加现场总线）的解决方案。本文结合近年新建成运行的地铁项目，对其BAS控制网络系统进行了综合研究分析。
1 基本要求
根据《地铁设计规范》、《智能建筑设计标准》等国家标准及地铁BAS实际情况，BAS的控制网络系统在遵循“分散控制、集中管理、资源共享”基本原则的基础上，应满足以下要求。
1）可靠性：系统工作稳定可靠，所用设备先进成熟，能适应7天24小时不间断工作要求，系统平均无故障时间大于10000小时；采用冗余技术，系统处于热备状态，具备故障自愈能力，能在网络设备、网络连接器、控制设备和通信线路同时发生单点故障情况下正常工作，故障恢复时间控制在300ms内；环境适应性强，能在高温、粉尘、强电磁和潮湿等恶劣条件下稳定工作。
2）安全性：系统应具备较强防灾能力，应考虑火灾、水淹、地震、雷击和停车事故等灾害可能，并以防火灾为主；系统能够防止系统外部人员入侵以及内部人员的非法操作和误操作。
3）实时性：作为商业运营系统，应具备很强的灵敏反应能力，在任何情况下，均必须保证信号的实时、准确传输和处理。
4）开放性：具备开放平台特性，网络体系结构与应用系统相独立；采用通用数据通信协议标准，支持多厂商，支持多种终端设备和数据库系统应用；具备与其它网络、应用系统无缝集成能力。
5）可管理性：网络系统应便于管理、配置和调整，配有人性化管理接口；在网络系统出现故障时，能提供有效手段，准确、及时定位故障，并提醒管理人员，系统平均修复时间不大于0.5小时。
6）可扩展性：充分考虑目前业务需求和今后较长时间内业务发展需要，系统应能方便地升级；在采用更新技术同时，保证原有设备大部能继续使用，保护投资。
2 系统分析
2.1系统构成
地铁BAS系统采用分布式计算机系统管理，由中央管理级、车站监控级、现场控制级和相关通信网络组成。与之对应，BAS网络系统采用分布式网络结构，由主干网（通信传输网）、中央级和车站级局域网及现场总线组成。中央级局域网通过主干网与车站级局域网相连，车站级局域网中的车站主控制器与远程控制器、远程I/O模块通过现场总线连接。
2.2网络拓扑
网络拓扑图如图1所示。


主干网和局域网均采用工业以太网，但组网方式有所区别：主干网以单模光纤为传输介质，采用双环网冗余方式，构成千兆工业以太网；对应双环主干网，中央级和车站级局域网均布有两套星型工业以太网，各终端均以链路冗余方式接入主干网。现场控制级，车站级局域网的主控制器（PLC或工控计算机）与现场设备通过现场总线相连，现场总线的选型根据各地铁线路具体情况而定。有些较长的线路，在管理上，中央级和车站级之间还设有车辆段作为中间控制级，车辆段局域网的组网方式和接入方法与中央级一致。
中央级局域网终端设置在地铁运营控制中心（OCC），配备工业控制计算机作为操作站，操作站宜采取冗余配置，另外还可根据实际情况增配维护工作站和数据服务器。车站级局域网终端设置在车站控制室，配备工业控制计算机作为操作站，现场设备的主控制器也配置在该局域网，主控制器一般选用PLC，根据具体情况采用冗余配备。车辆段局域网终端设置在车辆段控制室，配置情况与中央级相似。
2.3网络设备特点
系统的网络交换设备采用工业以太网骨干交换机。作为在高性能、高可靠性系统中使用的骨干网络设备，为满足要求，其除具备普通交换机功能外，还须有如下加强特征：采用高性能交换引擎和宽带宽背板，保证网络实时通信能力；支持冗余环网拓扑结构和相应协议；采用合金褶皱结构外壳，屏蔽电磁干扰，抗振动冲击，散热快，耐灰尘、潮湿；宽温设计，对寒冷或酷热的工作环境有良好适应能力；提供导轨、壁挂及任意平面等安装模式，便于在特定现场环境安装；冗余双DC电源输入，并提供故障报警输出，有效保障与减少故障还原时间。
3 技术要点
归纳起来，系统重、难点技术主要体现在网络选型、网络冗
余、网络管理三个方面。
3.1网络选型
作为最具开放性、透明性的工业控制网络体系结构，工业以太网成为系统主干网和局域网的必然选型：完全兼容普通以太网（IEEE802.3）标准，继承了普通以太网具有的传输速度高、兼容性好、开放性高、管理方便、成本低廉、能耗低和便于安装等优点；能实现工控网络与企业信息网络的无缝连接，形成企业级管控一体化的全开放网络，符合全开放、一体化的工控网络必然发展趋势；综合采用快速交换（Fast Switch）、虚拟局域网（VLAN）、服务质量（QOS）和增大宽带等技术及手段，保证数据传输实时、可靠；对于不同工业现场环境，采取了专门抗干扰措施，能适应恶劣工作条件；众多主流设备生产商提供了各类密封性好、坚固、抗震动的设备与连接件，基本解决了本质安全问题。现场总线网络是全数字化、全分散、可互操作、开放式的互联网络，专门用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪表互联。与工业以太网相比，其实时性、可靠性、安全性仍有优势，系统在现场控制级选用了现场总线。
3.2网络冗余
为充分保证高可用性，系统在主干网采用了双环冗余技术，并在双环配对网络交换机间建立了环间冗余链接（在一路环网通道发生故障时，可自动切换到另外一条环网通道）。与单环冗余相比，双环冗余既提供传输介质的冗余，也提供网络设备的冗余，可在传输介质、网络设备和网络连接器（网卡）同时出现单点故障时实时自愈故障，是完全冗余系统。
系统采用Supreme-Ring协议作为网络冗余协议。Supreme-Ring协议是工业以太网使用的环网冗余协议，它定义HELLO数据交换包（也称WD包，Watch Dog Packets）在交换机间交换链路信息。在初始状态，各交换机不启动转发功能，而先由人工指定主交换机（Local），一个冗余环网里只能有一个主交换机。主交换机指定后，所有端口都以阻塞方式启动（处于阻塞状态的端口不转发数据帧，但可接受HELLO包），主交换机选择最低COST值的端口作为主链路，另一条COST值高的端口作为备份链路。备份链路不转发数据，只接收和处理HELLO包，处于热备状态（不转发数据帧，但学习MAC地址表，在主链路故障时，在300ms之内，立刻进入转发状态），从交换机（Remote）没有主链路和备份链路的区别。主交换机定期发送配置信息，这种配置信息被所有从交换机转发，主交换机动态选择主链路和备份链路，以消除回路，一旦网络结构发生变化，网络状态将重新配置。Supreme-Ring协议是简洁高效的冗余协议，能够保证环网在链路故障时，在300ms内恢复网络通信。
3.3网络管理
网络管理，主要体现在网管系统、虚拟局域网（VLAN）和服务质量（QOS）三个方面。
在运营控制中心（OCC）配有网络管理系统（NMS），用于配置、监视和管理整个地铁各系统的网络系统，BAS控制网络系统的管理是其一项重要功能。NMS基于SNMP协议，由网管软件和监控软件组成；网管软件主要完成交换机的监视和配置功能，监控软件负责除交换机之外的其他设备（如操作站、服务器、控制器和UPS等）的监视功能；网管软件和监控软件配合工作，在OCC网管工作站即可完成整个BAS控制网络系统的实时监控。NMS可记录网络系统历史数据并进行统计分析，为网络的优化调整提供参考。
系统管理员将不同地理位置（运营控制中心和各车站）的终端根据级别、用途和管理需要划入不同的虚拟局域网（VLAN），VLAN技术遵循IEEE802.1Q标准，同一虚拟网的用户能正常通信，不同虚拟网之间只能在核心交换机的路由模块控制下交换信息。通过划分VLAN，带来的好处是：有效控制了网络广播信息的传播，减轻了网络负担，同一虚拟网的用户可更高效通信；不同VLAN之间可以在路由模块配置访问控制策略，避免非法访问，提高网络安全性；与网络管理系统（NMS）结合使用，网络管理员可更有效管理网络，包括监视网络流量、控制流量分流和设置安全级别等。
服务质量（QOS）主要解决系统实时性问题。QOS的基本思想在于，为实时业务保留一定专用带宽，从而把数据的丢包率、延时、吞吐量和拥塞控制在可接受范围内。QOS技术要点有二：对数据实施进入控制（Connect Admission Control）和流量调整（Traffic Shaping）；在数据进入网络前，估算数据对整个网络影响。
4 应用实践
在近年新建成开通的地铁项目中，如广州地铁三号线、广州地铁四号线、深圳地铁一号线和南京地铁一号线等，其BAS网络控制系统总体上与本文所介绍的基本相同。由于各线路的实际情况，在现场控制级略有差异，主要体现在现场总线协议选择和应用范围上，如广州三号线，在现场控制级仍保留了部分模拟量和开关量控制项目。在实际运营中，各线路BAS网络控制系统均运行正常，满足使用要求。
由以上分析可以得出，基于工控网络的地铁BAS网络控制系统本质上是高可靠性、高安全性、高性能大型网络控制系统的一种标准解决模式，该模式作为成熟解决方案已得到了众多国内外厂商的广泛支持（如：西门子、施耐德等），并在楼宇自动化、交通控制、过程控制和工厂自动化中得到较广泛运用。