西门子全集成自动化解决方案在重庆轻轨2号线的应用设计

［摘要］：重庆轻轨2号线为我国首次采用跨座式单轨列车的轨道交通线路，其BAS系统的电气控制部分选用了西门子公司提供的全集成自动化系统解决方案。基于S7-400和S7-300系列PLC及WinCC监控组态软件的控制系统负责对地下站环控系统进行监控，并对车站的给排水设备、应急电源、屏蔽门系统等进行监视控制。实践表明，系统整体运行稳定，控制性能优异，可供类似工程参考。
［关键词］：轨道交通 BAS S7-400 WinCC TIA
　
前言：
        当前，城市化是我国经济发展的必然趋势，伴随着城市化建设，交通拥堵正迅速成为制约我国城市发展的重要问题之一。出于解决城市交通问题的需要，公共交通，特别是轨道交通受到了有关部门及社会各界越来越广泛的关注。“十一五”规划明确提出,“优先发展公共交通,完善城市路网结构和公共交通场站,有条件的大城市和城市群地区要把轨道交通作为优先领域,超前规划,适时建设”。据统计，目前我国城市规划建设的轨道交通网络总里程已达5000公里，城市轨道交通总投资估算超过8000亿元，资金投入规模仅次于铁路和高速公路。国家政策导向使城市轨道交通建设有较好的发展前景。
        轻轨交通是一种中等运量的城市轨道交通客运系统，其运力介于地铁与公共汽车之间，车型和轨道结构也与地铁相类似。新型轻轨交通具有“投资小、占地少、运量大、速度快、无噪音、无污染”的突出优点，是符合我国中大型城市现实情况的轨道交通建设的选择。

重庆轻轨2号线简介

行驶中的列车及重庆轻轨2号线杨家坪站
        重庆轻轨2号线即“重庆轨道交通2号线”，亦称“重庆轻轨较新线”，它是重庆乃至中国西部地区第一条轨道交通线，在重庆城市交通现代化的进程中具有里程碑式的重大意义。轻轨2号线途经渝中区、九龙坡区、大渡口区、巴南区，东起重庆商业中心附近的较场口，西抵重庆钢铁基地新山村，服务于核心城区的商业区、公共活动区等大型客流集散点。一期工程14.35公里，2004年11月开始试运行，2005年6月正式运行。二期工程从大堰村至新山村，全程4.7公里，于2006年7月1日开始运行。2号线全线运行时间34分钟。
　　重庆轻轨2号线设15个地面车站、3个地下车站和一座控制中心（OCC）大楼，一期工程初期配车21列84辆(每列车四节车厢，远期根据客流情况最多可以加挂8列车厢）。全线建成后，可形成最大单向3万人次/小时的客运能力，年客运量可达2亿人次，全线工程总投资43亿元。
        不同于一般的轻轨，重庆轨道交通2号线根据重庆山高坡陡道路曲折的地形特征采用了噪声小、转弯半径小、爬坡能力强的高架跨座式单轨交通系统，亦是中国第一次引进的中运量胶轮轻轨系统，该系统转弯半径小，爬坡能力强，采用橡胶轮胎，车辆运行噪声低，具有明显的环保特性；独特的高架轨道梁占用道路少，体积轻巧，透光性佳并可立体绿化。　　

面临挑战
        轨道交通BAS（Building Automation System，环境与设备监控系统）是将现代科技的计算机及其网络技术结合机电设备自动化控制原理，以专门的地铁环境通风空调及防灾处理等理论为基础的自动化控制系统，负责对车站建筑物内的环境与空气条件、通风、给排水、照明、乘客导向、自动扶梯及电梯、屏蔽门、防淹门等建筑设备和系统进行集中监视、控制和管理，一般可将其功能归纳为以下几点：
(1)监控并协调地下各车站及OCC大楼通风空调设备、冷水系统设备的运行；
(2)监控并协调地下区间隧道通风系统设备的运行；
(3) 对车站机电设备故障进行报警，统计设备累积运行时间；
(4) 对地下环境参数（温、湿度）及水系统运行参数（水流开关、压力、温度等）进行检测、分析及报警；
(5) 接收轻轨防灾报警系统（FAS）火灾信息并触发BAS系统的灾害运行模式，控制环控设备按灾害模式运行；
(6) 通过与信号ATS接口接收区间信息，控制相关环控设备执行相应命令；
(7) 紧急状况下，可通过车站CRT控制环控设备执行相关命令；
(8) 监视地下各站及隧道区间给排水、屏蔽门等机电设备的运行状态；
(9) 管理资料并定期打印报表；
(10) 与主时钟接口，保证BAS系统时钟同步。
        与通常意义上的楼宇自动化BAS不同，由于轻轨BAS所需的功能和其特定的应用环境限制, 用于轻轨BAS的控制器必须满足以下要求：
(1)应为工业级控制设备,具有很强的环境(含电磁环境、物理环境、化学环境等)适应能力；
(2)中央处理器处理I/O点数多，处理速度快,支持多种工业级实时控制网络,系统整体实时性强；
(3) 因轻轨BAS承担一定的防灾任务，所以BAS控制系统属于安全系统，对可靠性要求极高, 需具备冗余配置；
(4)系统应用灵活,支持创造性设计思维,可以方便地构建复杂监控系统并实现复杂的控制功能。
        综上，BAS对于控制轻轨全线车站和区间的环控及其它机电设备安全、高效、协调的运行起着至关重要的作用，它不仅要确保车站及区间环境的良好舒适，产生最佳的节能效果，而且需要在遇到突发事件（如列车阻塞、火灾）时指挥环控设备转向特定模式，为轨道交通的乘车环境提供安全保证。
        根据重庆轻轨2号线工程BAS系统的技术特点及性能、造价等多方面考虑，充分结合国外成功案例的成熟经验，BAS最终选用了基于西门子公司S7-400和S7-300系列PLC及WinCC监控组态软件的全集成控制系统。

方案配置
　　重庆轻轨2号线车站设备监控系统设置中央级、车站级和就地级三级对环控设备及其它机电设备进行监控。
1.中央级
        中央级监控系统是整个BAS系统的监控核心，除负责接收通信系统时间同步信号外，在OCC局域网中还连接有与ATS数据接口HLI以及模拟屏设备，并通过中央工作站（PC机）将数据传输到BAS以太网上，同其它车站级BAS系统进行数据交换。中央级局域网采用标准工业以太网协议，由工业以太网交换机，WinCC冗余数据库服务器、工程师工作站、操作员工程站等构成。

中央级局域网的网络结构示意图

以太网交换机设备连接示意图
2.车站级
        车站级BAS系统主要负责本站机电设备的单点控制、执行中央级模式控制、编辑临时时间表控制、显示各种工作状态与报警。出于承担防灾功能的考虑，系统在每个车站的两端各配置了1套西门子具有冗余功能的S7-400 414H PLC作为车站级BAS系统的主控制器，每台PLC下设若干ET200M远程I/O站，它们与主控制器通过双重化的PROFIBUS-DP现场总线网络进行通信，构成了本系统的车站控制级。

        车站级网络以光纤为传输介质，把整个车站所有的PLC和WinCC连成一个封闭的环型结构，其结构简图如下：

PLC和WinCC工作站构成的环网结构简图
系统网络图如下：

重庆轻轨2号线BAS设备控制系统网络图
CPU机架放大图为：

CPU机架放大图

3.就地级
        就地级控制器的功能为对单台机电设备(如屏蔽门、电扶梯、事故电源、排水泵等)进行就地控制，满足设备的现场调试要求，并且通过车站控制网与车站主PLC通信，接收控制指令，对现场设备进行就地控制。就地级向车站级实时传递监控设备的状态、执行车站级的控制命令，当车站级发生故障时能独立地进行监控，使故障影响降至最低。就地级监控设备根据机电设备的设置情况就近配置，设于各设备机房之中。在本项目中，每个车站都单独设置了若干个就地级的从控制器，考虑到造价与性能的平衡，PLC选用了西门子S7-300系列CPU 313C，它具有2M用户程序存储器并集成PROFIBUS-DP主/从接口和用于编程器上装程序的多点MPI接口。
　　　　
系统优势
1.全集成自动化
        全集成自动化（TIA）是由西门子自动化与驱动集团于1996年提出的先进自动化系统概念，意指用一种系统完成原来由多种系统搭配起来才能完成的所有功能，核心是对所有产品与系统的数据管理、配置及通讯功能的集成。应用TIA概念构建的解决方案采用标准化的网络体系结构，统一的编程组态环境和统一的数据库管理，集高度的集成统一性和前所未有的开放性于一身，可以极大地简化系统的结构、减少接口部件并克服上位机和工业控制器之间、连续控制和逻辑控制之间、集中与分散之间的界限，从而使TIA为企业实现了横向和纵向信息集成。这样，用户能快速完成过程的优化、扩展和调整，将生产中断的可能性降到最低。这将大大提高其在工厂的可用性。
2.高可靠性
        S7-414H系统中的主要元件均采用了先进成熟的双重冗余结构设计，系统处于热备状态，能适应7天24小时不间断工作，并能在网络设备、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仍保持正常工作，最大限度的满足用户对可靠性的要求，大大提升了PLC控制的安全性能。所有设备的环境适应性也很强，可以在轻轨高温、粉尘、强电磁和潮湿等恶劣条件下稳定工作。
3.方便维护与诊断
        基于西门子全集成自动化技术，WinCC通过SIMATICS7协议集可以和SIMATICS7设备进行各种协议的通讯。WinCC在系统中承担了数据采集与管理、故障报警、实时与历史趋势记录及生成报表等工作。操作员通过工作站可详细了解车站环境与设备运行情况，实现自动化控制。
         WinCC组态软件根据系统要求，实时显示各设备的运行状态，并具有良好的用户界面。通过控制网络与信息网络的结合,可以建立统一的分布式数据库,保证所有数据的完整性和互操作性;现场设备与信息网络实时通信,使用户通过信息网络中标准的图形界面随时随地了解现场情况;控制网络和信息网络的紧密集成也便于实现远程监控、诊断和维护功能。

WinCC监控界面

总结及展望
        本控制系统自投入使用以来，一直运行良好，表现出很高的稳定性，由西门子公司提供的全集成自动化系统不仅以最先进的科技保障了乘客乘车安全、舒适，改善了传统轨道交通的环境，并且使相关设备的运行能耗降至最低，体现了我国“节能减排”长期战略发展规划的内涵，符合当前建设节能型社会、和谐社会的需求，反映了我国轨道交通BAS系统发展的大势所趋，具有良好的经济效益与社会效益。