GE PACSystems RX3i PROFINET在长沙轨道交通2号线环境与设备监控系统中的应用

　　概述
　　GE Intelligent Platforms自上世纪末签约中国第一条建设综合监控系统的上海轨道交通明珠线开始，进军国内轨道交通行业，十几年来一直致力于国内轨道交通建设发展和产品方案创新。陆续为上海、广州、北京、成都、哈尔滨、长沙等城市轨道交通提供了综合监控系统、环境与设备监控系统、电力监控系统、智能马达控制系统解决方案及产品。
　　本文根据长沙市轨道交通2号线的环境与设备监控系统（BAS）实际工程经验，介绍GE Intelligent Platforms 的PACSystems RX3i PROFINET、VersaMax分布式I/O等产品在长沙市轨道交通2号线BAS系统中的应用方案。
　　长沙市轨道交通2 号线为贯通长沙市东西，连接城市“一主、两次”的线路。全线共设19 座车站，其中换乘站6 座。长沙市轨道交通2 号线一期综合监控系统（ISCS）以乘客、环境及设备的防灾和安全为核心，集成环境与设备监控系统（BAS）、电力监控系统（PSCADA）、防灾报警系统（FAS），互联门禁（ACS）、广播（PA）、闭路电视（CCTV）、时钟（CLK）等子系统，为安全行车和调度指挥提供应急处理方案及丰富的信息。BAS系统由车站环控电控室的BAS系统设备、车站控制室的BAS系统设备、隧道温度监测系统、运营控制中心内的BAS系统设备、车辆段综合楼内的BAS系统设备及现场BAS系统设备等组成。BAS负责对全线19个车站的通风空调系统设备、给排水设备、自动扶梯、车站公共区照明、广告照明、车站事故照明电源、屏蔽门、防淹门等机电设备进行全面、有效的监控和管理，确保车站设备处于高效、节能、稳定运行状态，创造一个安全舒适的地下乘车环境，并能在火灾或列车阻塞事故状态下，控制或联动车站设备进入救灾模式，保证乘客的安全和设备的正常运行。
　　解决方案
　　长沙轨道交通2号线BAS系统选用GE高端控制器平台PACSystems RX3i系列冗余控制器，VersaMax分布式I/O，总线协议采用高速、确定、实时的PROFINET工业光纤以太环网。

　　系统结构示意图如下：

　　网络结构
　　1) 控制中心与各车站、车辆段局域网的连接
　　综合监控系统单独组建双环冗余的主干网络，通信专业在控制中心、各车站、车辆段为综合监控系统提供用于组建主干网络所需的光纤。
　　2) 控制中心、各车站、车辆段、培训中心的局域网
　　中央级局域网（控制中心）采用冗余的100/1000Mbps 交换式工业级以太网，车站、车辆段、培训中心采用冗余的100/1000Mbps 交换式工业级以太网。
　　3) 现场层网络
　　A端和B端采用GE PACSystems RX3i冗余控制器，冗余PLC与分布式I/O之间采用工业光纤以太环网连接，通讯协议为PROFINET；车站A、B两端冗余PLC之间采用冗余管理型交换机连接，光纤介质，通讯协议为EGD（以太网全局数据协议）；第三方设备通讯直接连接至就近I/O模块箱，通过GE公司自有的通讯模块，实现对第三方设备的数据采集和设备管理，支持Modbus、DeviceNet、Profibus-DP等通讯协议。
　　车站系统
　　车站BAS系统由BAS工作站，A、B端冗余PLC，IBP盘PLC，通讯网关，远程IO以及光纤环网等组成。A、B端冗余PLC为GE RX3i硬件冗余系统，由冗余电源模块，冗余CPU模块，冗余机架，冗余光纤同步模块，PNC模块（PROFINET控制器），冗余以太网模块等组成。A、B端冗余PLC每个机架上安装2块以太网模块，接入车站BAS局域网交换机，用于A、B两端冗余PLC数据交互、IBP PLC通讯以及综合监控与BAS系统通讯使用。A、B端冗余PLC通过PROFINET环型以太网络连接本端区域内所需要监控的VersaMax远程IO，区间远程IO通过光纤与本端冗余PLC连接。
　　IBP盘PLC采用VersaMax I/O，通过设置在I/O机架上的PNS模块（PROFINET扫描器）接入PROFINET光纤以太环网，实现与主冗余PLC的通讯。FAS系统通过IBP PLC机架上的串口通讯模块与主冗余PLC进行通讯。
　　智能马达控制中心（MCC）由A、B端通讯管理器，就地PLC，现场总线以及就地设备等组成。A、B端通讯管理器采用GE VersaMax PLC，由VersaMax CPU，电源，串口模块，Profibus-DP从站模块，DeviceNet主站模块，通讯底座等组成。就地PLC采用GE模块化的Micro PLC，通过串口通讯接口组成RS485现场总线网络，经由VersaMax PLC通讯管理器通过冗余串口连接至BAS系统本端区域内的远程I/O站上，实现BAS与MCC的冗余数据通讯。对于其它第三方设备通信，直接接入就近的远程I/O站上实现串口通讯要求。
　　现场总线

车站冗余PLC与本端控制区域内的现场分布式I/O通过PROFINET工业光纤以太环网进行连接。PROFINET是一种开放的工业以太网协议，满足国际工业现场总线标准IEC61158 Type 10的要求。支持MRP协议（介质冗余环协议），即任何一个单一节点宕机，不影响系统其它节点的正常运行，与冗余总线相比，除了满足工业现场总线对数据通信的要求以外，还具有安装简单，方便维护，施工成本低廉等优点。基于GE PROFINET以太网技术和高性能RX3i冗余热备控制器的BAS（环境与设备监控）系统，无需交换机以及光电转换器，就可以快速可靠地在现场层和管理层构建一个高速、实时、确定性的10/100/1000M PROFINET铜口或光口以太网络，通过高性能的RX3i冗余控制器平台和灵活丰富的智能通讯模块，稳定、可靠、准确的实现各类现场设备的实时数据采集和控制。截至2009年，全球有210万个PROFINET站点安装，平均年增长率37%。可以预见，随着支持PROFINET设备节点数量的不断增加，PROFINET将获得越来越多的第三方设备的支持，其竞争力和市场份额将得到不断的提升和增加。

　　通讯接口
　　GE PACSystems RX3i控制器接口模块十分丰富，并且提供了多种可编程接口协议，协议的开发也非常方便。长沙市轨道交通2号线BAS系统与外部系统的通讯接口主要包括：
　　1，综合监控系统接口
　　BAS通过冗余以太网接口与综合监控系统进行通讯，实现综合监控系统数据通讯以及主时钟信息的下传，协议为Modbus TCP/IP。
　　2，与低压配电、电扶梯、FAS等其它系统通讯接口
　　采用RS485接口方式，双方自行开发协议进行通讯。
　　系统功能
　　BAS中央级功能由综合监控系统实现。BAS车站级主要功能包括：
　　1，数据采集与处理功能
　　1）当设备开启后，控制器应可收集到相关监控设备的状态。
　　2）当系统初次启动、更新及将监控点值储存时，控制器可以从OCC监控工作站、车控室监控工作站或其他控制系统接收信息，并传输监控点资料到车站BAS工作站及综合监控系统。
　　2，安全监视功能
　　1）监视和记录车站典型区域测试点的温度、湿度、二氧化碳等环境参数。
　　2）对通风系统的变频器进行监控，能在线监视变频器的工作状况、转速、电压、频率、电流、输出功率，以及变频器故障报警及历史记录显示。监视电机的温度、转速，判断电机故障。
　　3，控制与调节功能
　　1）对本车站及所辖区间隧道的通风空调系统、给排水系统、照明系统、导向系统等设备进行监视和控制，对车站应急照明电源、自动扶梯进行监视，并对设备故障进行报警。对电梯进行火灾情况下运行至安全层的控制。
　　2）BAS对车站大系统空调设备根据热焓计算，进行运行模式的最优化控制，从而达到节能的目的。
　　3）对于所有的监控设备，可以实现单独控制、连锁控制、各种模式手动和自动控制。
　　4）车站BAS系统具有PID控制、智能控制等先进控制功能。
　　5）当供电电源中断后，控制器可根据规定的情况停止相关设备操作。当电源恢复供应后，所有设备应即时自动根据相应程序重新启动。
　　6）监视车站小系统的参数，配合对车站通风系统的控制。
　　7）控制器可对车站级大系统设备进行运行模式的转换、并进行最优化的控制。
　　8）控制器设置的程序能根据客流量的变化、温度、湿度自动控制变频器的输出功率，实现最佳的温、湿度控制。
　　4，报警处理功能
　　1）将车站被控设备运行状态、报警信号及测试点数据及时送至OCC，并接受中央级的各种监控指令和运行模式。
　　2）接受车站级FAS 的指令，控制车站通风空调系统及相关设备转入灾害模式下运行，并反馈执行信息。
　　3）紧急情况发生时，当车控室工作站出现故障，可以通过综合后备盘IBP，手动紧急控制通风排烟设备按灾害模式运行。
　　4）与综合监控系统间的通讯出现故障的情况下，控制器可以保证正常运行。且在车站BAS工作站上具有声光报警，在画面上报警界面弹出。
　　5，通讯功能
　　将车站被控设备运行状态、报警信号及测试点数据及时送至综合监控系统，并接受中央级和车站级综合监控系统下达的各种监控指令。
　　6，自诊断功能
　　1）系统自诊断程序可以监视每一个模块、UPS 和网络的运行情况，当出现故障时发出报警。并将故障的信息传达至车站BAS 工作站及综合监控系统，同时还可以显示网络的负荷情况。
　　2）控制器和BAS工作站的软件环境具有较高可兼容性及可执行性，管理及多重程序诊断恢复功能。
　　结束语
　　GE PACSystems RX3i控制器在国内外地铁BAS系统包括北京、广州、上海、哈尔滨等已经有大量的成功运行案例。近几年来，随着工业以太网技术的不断发展和逐渐成熟，工业以太网解决方案在轨道交通BAS系统应用也逐渐增多，但不时也暴露出一些安全漏洞、数据丢祯等方面的问题或用户疑虑。GE是一家全球化的高科技创新企业，重视客户需求和产品创新，2012年初推出支持RX3i PROFINET工业以太网解决方案，PROFINET是一种实时、确定、可靠的以太通讯协议，通过加入数据优先级等技术规避了传统工业以太网通讯潜在的数据丢失和传输不确定性等风险，推向市场以后便显示出其强大的市场需求和竞争力，并在长沙市轨道交通2号线激烈竞标中胜出，实现PROFINET解决方案在国内轨道交通BAS系统零的突破。