西门子可编程控制器在深圳地铁3号线BAS系统中的应用

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西门子可编程控制器在深圳地铁3号线BAS系统中的应用The application of SIMENS PLC in Shenzhen Metro 3 Buiding Automation System

谭春林

深圳市地铁三号线运营公司，广东省深圳市

摘要：本文讲述西门子自动化系统在深圳地铁3号线BAS系统项目中的应用。首先介绍了典型车站BAS系统的结构、硬件配置以及监控的设备I/O，从而引出BAS系统对可靠性，开放性，先进性等方面的必要性，然后分析西门子自动化系统能很好满足BAS系统要求，最后说明如何成功的实现。

中文关键词：西门子PLC、S7-400H、S7-300、WinCC、工业以太网、楼宇自控系统、自动化集成系统

Abstract: This paper discuss that application of SIMENS Automation System in Shenzhen Metro 3 Building Automation System project. First introduce the system construction and hardware configuration of typical underground Metro Station Building Automation System, then explain the necessity of the system reliability, openness and advanced nature, after that analyze why Siemens Automation System can perfectly meet the system requirement, finally show the successful implementation of the BAS system.

Key Words: Siemens PLC、S7-400H、S7-300、WinCC、Industrial Ethernet、Building Automation System、Automation Integrated System

一、项目简介

1.概述

深圳市地铁3号线是由福田区的益田村至龙岗的双龙，总长约41公里，设车站30座。分两期建设，一期工程（即在建段）由红岭至双龙，线路长约32.86公里，设车站22座。二期工程（即西延段）工程由益田至红岭，线长约9公里，设车站8座。项目于2011年6月30日建成全线通车。

2.深圳地铁3号线BAS系统介绍

深圳地铁3号线车站楼宇自控系统BAS (Building Automation System)对龙岗线全线30 座车站及区间隧道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（EPS）等机电设备进行实时监控，确保车站设备处于高效、节能的运行状态，创造一个安全舒适的地下环境，并能在异常情况下（火灾或列车阻塞事故状态），控制车站设备进入相应的控制模式，保证乘客的安全和设备的正常运行。同时，BAS系统深

度集成到自动化集成系统AIS（Automation Integrated System，简称AIS），BAS是AIS 的一个子系统。由AIS 组建全线监控系统。AIS 设在控制中心的中央级设备实现BAS 全线的全部功能，AIS设在车站控制室的工作站实现BAS 分控级的全部功能。同时在车站计算机房内设置一台BAS 维护工作站，作为BAS 系统监控的后备机，具有监控本站BAS 机电设备的全

部功能。

3.典型车站BAS系统的监控设备I/O

(1)车站通风空调系统

1）冷却塔、冷却水泵和冷冻水泵的监控点：启停控制、启停状态、就地/遥控状态、故障/正常状态；（仅地下站）

2）冷水机组的监控点：启停控制、启停状态、内置保护启动状态、就地/遥控状态、故障/正常状态、冷冻水流动/静止状态、冷冻水供水温度、冷冻水回水温度、水流量、kWH监测；（仅地下站）

3）冷水总管传感器的监控点：冷冻水供水温度、冷冻水回水温度、水流量；（仅地下站）

4)电动风阀、电动蝶阀的监控点：开关控制、开关状态、就地/遥控状态；

5)旁通差压调节阀的监控点：阀门位置；

6)公共区组合式空调机组的监控点：启停控制、启停状态、就地/遥控状态、故障/正常状态、过滤网压差报警、动态流量平衡电动调节阀位置与控制、送风温度、回风温湿度、公共区温湿度、室外（风井）温湿度；

7)风机盘管：启停控制、启停状态、故障/正常状态；

8)柜式空调机组的监控点：启停控制、启停状态、就地/遥控状态、故障/正常状态、动态流量平衡电动调节阀位置与控制、送风温度、回风温湿度、室内（重要设备房）温度；

9)变频多联(VRV)空调机组的监控点(仅高架站)：启停控制、启停状态、故障状态、室内温度；

10)空调新风机、排风机（单速）、回排风机（单速）的监控点：启停控制、启停状态、就地/遥控状态、故障状态；

11)排风机（双速）、回／排风机（双速、兼排烟风机）的监控点：高速控制、低速控制、启停控制、高/低速状态、启停状态、就地/遥控状态、故障状态；

12)温、湿传感器的监控点：测量信号（温、湿度等）；

(2)隧道通风系统（仅地下站）

(3)应急照明电源系统

(4)给排水系统

(5)动力照明系统

(6)广告屏系统

(7)导向标识系统（共分三类导向）：

(8)电扶梯

4.BAS系统软硬件配置

（1）系统软件

编程软件：STEP7 V5.4

LCP（就地控制屏）监控组态软件：SIMATIC WINCC V6.0

AIS（综合监控）组态软件：CitectSCADAv7.10

CITECT组态软件中的西门子驱动：SiemensIEBackendV7_10_53For Citect

（2）冗余通讯网络

（3）车站CPU配置

15个高架站分别选用一套S7 414-4H作为主控器，设于通风空调配电室，一套S7-315-2DP作为远程站设于车站计算机房。15个地下站分别选用二套S7 414-4H作为主控器，设于A、B端通风空调配电室，一套S7-315-2DP作为远程站设于车站计算机房。以下为典型地下站的配置例子：

（4）远程冗余接口及IO模块

（5）维护工作站及就地工作站

S7-400H CPU控制器及远程ET200 分布式I/O

二、控制系统构成

1.整个项目中的硬件配置、系统结构

深圳地铁3号线车站BAS系统由计算机房的BAS维护工作站、通风空调室的就地操作站（LCP）、冗余CPU主站、车站控制值班室的IBP远程子站、照明配电室的远程I/O及双路冗余光纤以太环网组成。典型的车站BAS系统配置分为高架站与地下站二种类型的配置，其系统结构图如下：

（1）典型地下站BAS系统网络框架图

（2）典型高架站BAS系统网络框架图

2.主要组成部分选择的依据。

深圳地铁3号线的BAS系统基于以下原则来选择设备。

可靠性原则：地铁机电设备监控系统可靠性的要求很高。在地铁的运行和管理中，机电设备监控系统起着重要作用，其可靠程度直接影响到地铁的正常运行和服务质量，使地铁监控系统具有高度的可靠性。

开放性原则：监控系统的开放性关系到系统内不同设备之间的网络互联。由于机电设备监控系统牵涉到的设备厂家很多，不同接口、不同协议的设备互联的需求和难度很大。因此应选择开放性好、联网方便的网络系统。同时，兼顾将来的可扩充性，如系统网络节点增加、网段扩展等。

先进性原则：应尽量选择技术水平高、有发展前途、短期内不会被淘汰的网络系统。尽量采用国际主流成熟技术。

经济性原则：监控系统必须考虑投资的合理性，如系统的性能价格比。在充分考虑上述可靠实用开放、先进性等因素基础上，尽可能节省投资。

以下是根据以上几条原则，并参考国内地铁行业同类产品所选择的西门子可编程器系统产品：

(1)冗余主CPU：

由于地铁环控工艺复杂，模式工况众多，在系统配置上要充分考虑控制器CPU资源和内存资源的配置，留有充分的裕量。采用SIEMENS S7414-4H作为冗余控制器，S7414-4H热备系统采用高速光缆连接，有二组冗余的通讯通道进行实时数据传输，在每个扫描周期均传送数据及状态信息。选择10KM的同步模块，热备系统可放于10kM之外；程序下装时只需针对一个CPU下装一次程序，可在线实时修改PLC程序或参数，修改后的程序在下一次扫描即执行，不需中断控制过程，冗余切换时间小于30毫秒。在地下站选择二套SIEMENS S7414-4H 分别安装于车站两端通风空调配电室，高架站因设备数量较小，设备及管理用房也相对较小，采用VRV空调系统，基于经济性考虑，只选择一套SIEMENS S7414-4H安装于站厅层计算机房。

(2) IBP PLC

车站车控室配置综合后备盘（IBP）是在中央一级发生通信故障或在车站一级人机接口发生故障时，保证车站具有紧急后备的装置。操作员采用人工介入方式，通过IBP进行运行模式操作和某些设备的远程单动操作。IBP盘PLC采用S7-315-2DP/PN、 CP343-1、扩展I/O模块，通过315CPU的DP总线与瑞典HMS工业网络有限公司的现场总线串行网关，型号为

ab7000-c，实现Profibus-DP 与FAS、EPS、VRV（高架站）、冷水机组（地下站）实现标准的MODBUS通讯协议转换功能，而CPU的PN端口与CP343－1则实现与S7-400主站的数据冗余以太网交换。

(3)ET 200M 分布式 IO 设备

ET 200M 具有 S7-300 自动化系统的组态技术，由一个 IM 153-2 和多个 S7-300 的

I/O 模块组成。通过PROFIBUS I/O 控制器执行所有数据冗余的通讯链路分别与远程S7-400主站的二个CPU的DP总线进行数据交换。为了实现与车站马达控制中心MCC（MOTOR CONTROL CENTER）系统的通讯，使用 Y－LINK总线耦合器，连接冗余H主站到单通道的PROFIBUS站。

(4)网络通讯

车站BAS系统网络采用二层布置，第一层为站级系统网络，采用工业以太网，实现S7-400主站、S7－300子站、就地控制触摸屏（LCP）、维护工作站、前置通讯机（FEP）之间组成二路冗余环网结构实现数据的交换。采用集成了2对光纤接口，6个10Base-TX以太网

RJ45接口的KIEN 2000工业交换机。第二层为现场设备总线网络，采用PROFIBUS工业控制网，实现CPU与ET200M远程模块、Y－LINK总线耦合器、Profibus-DP转MODBUS的ab7000-c通讯网关的数据交换。

三、控制系统完成的功能

1.正常监控功能

(1)车站设备按照运行时间表程序操作，例如启动/停机、开/关。

(2)进行自动控制，使车站的环境条件控制在可接受的范围内，及优化设备的使用。

(3)操作员能查看和修改设备的状态,在线监控车站设备的运行和表现。

(4)所有的设备和报警状态改变实时通知操作员。

(5) 必要时，操作员能够介入和改变车站设备的控制。

(6) 操作员能监视和修改车站设备的运行参数，以确保设备的自动控制功能正常运行。

(7) 系统能够记录设备运行的某些参数，使操作员能对设备的运行效率化和最优化。

2.应急监控功能

(1)紧急情况下，BAS按照预先定义的程序与逻辑自动和安全地运行。

(2) 如果自动控制不能正常工作，控制系统允许操作员能够从BAS、LCP或AIS的HMI手动启动或停止车站防排烟模式、隧道列车阻塞模式、隧道火灾模式。

(3)应急情况下实现BAS系统内部的导向、照明、电扶梯、通风空调、AFC（收费闸机）的联动，或者从综合监控系统接收或发送信号，实现更多专业、更多设备参与统一协作，应对复杂或者是突发的各种运营状况。

3.控制难点

（1）火灾联动模式的执行：当在车站特定区域检测到火灾报警时，为了确定发生火灾的具体位置，在FAS系统中对发生的火灾的区域进行编号，再经FAS串行接口传送火灾报警信号给BAS，为防止误动作，在系统设计中将BAS传送信号送给AIS，在AIS的HMI界面弹出火灾联动确认对话框，车站值班人员可点击“确认”按钮来执行火灾联动功能，AIS再将信号传送给BAS，BAS根据FAS传送过来的编号（模式号），根据预先定义的模式号来联动相关的设备执行车站火灾模式。此种方法有效了控制了设备联动的区域、范围。当然，为防止因人为疏忽，在HIM界面弹出对话框，经一定延时，如无人工执行确认信号，AIS能自动进行确认联动。典型地下站PLC程序的FC400功能块中包含FAS模式号的调用。如下图所示：

（2）控制优先级的切换：BAS控制命令应能分别从中央工作站、车站工作站和车站紧急控制盘（IBP）人工或由外部触发（如，FAS系统触发火灾信号或信号系统触发隧道停车信号等）自动判定执行，并具有越级控制功能；对设备操作的优先级遵循人工高于自动的原则；在PLC程序中高优先级能中断低优先级的控制，同时，为防止在切换过程中断原设备的运行，在程序中对设备运行状态及运行顺序进行判别，如，符合联动顺序的设备在由低优先级转向高优先级时，则不中断设备的运行，实行向高优先级的无扰切换。典型地下站PLC程序的FC340功能块中包含BAS子系统各功能块的调用。如下图所示：

（3）空调通风系统的控制

地铁内的环境复杂，空调通风系统的运行与室外空气状况、列车运行情况以及地下环境状况都有关系。简单地根据各点温度来启/停设备，难以维持合适的温湿度环境。同时，地铁环境又具有巨大的热惯性,很难在短时间内通过对空调和通风系统的调整迅速改变地下环境的温湿度。这就使通风系统的控制非常复杂。车站通风空调系统正常有以下三种模式：模式I：小新风空调运行工况

模式II：全新风空调运行工况

模式III：全新风非空调运行工况

三种工况模式的转换条件如下：

iw > ir 进入小新风空调运行工况。

iw <= ir且Tw > To 进入全新风空调运行工况。

Tw <= To进入全新风非空调运行工况。

参数说明：

Tw：室内温度；

To：车站空调送风温度，由设计负荷计算确定；

Tr：回风干球温度；

iw：车站室外焓值，由设在车站进风道消声器入口前的温湿度探测器进行监测；

ir：车站回风焓值，由设在车站环控机房回排风室（或回排风总管）内的温湿度探测器监测。

由于车站室外焓值iw与车站回风焓值ir的计算通过温湿度探测器的测量值在PLC程序中进行计算，其公式如下：

i=1.01t+(2500+1.84t)d 或i=(1.01+1.84d)t+2500d （kj/kg干空气）

式中： t—空气温度℃

d —空气的含湿量 g/kg干空气

1.01 —干空气的平均定压比热 kj/(kg.K)

1.84 —水蒸气的平均定压比热kj/(kg.K)

2500 —0℃时水的汽化潜热 kj/kg

四、项目运行

2010年9月28日深圳市地铁3号线一期（双龙－草埔共16个站）投入运行，2011年6月28日二期（水贝－益田共14个站）投入运行，全线开通后的运营时间为6:30-

23:00，行车间隔为平峰8分钟、高峰3分钟，全程运行70分钟。龙岗线BAS系统的提前顺利调试并可靠运行，有力地保障了深圳地铁龙岗线的安全运营和优质服务。

五、应用体会

西门子的可编程控制器的人性化设计，丰富的产品线及产品的灵活性、可靠性给调试、运营维护人员留下了深刻的印象，主要体现在以下几方面：

1、安装与扩展方便，采用模块化设计且体积小巧，接口模块卡装到标准导轨上，并通过连接器与I/O连接在一起，系统扩展方便。

2、安装布置灵活，可集中安装或分布安装，机架可根据最佳布置水平或垂直安装。

3.易于故障诊断，控制器中的CPU具有智能化的诊断功能，同时，控制器或模块上有状态LED指示灯，便于分析与判断设备状态。

4.网络时钟自动同步功能，不需要进行编程即可实现各站时钟自动同步，确保各站的设备精准的时间表控制。

5.I/O模块的热插拔功能，不需进行停机即可对故障模块进行更换，而不影响其他I/O模块的正常监控，减少了设备中断时间，缩少了影响范围。

6. S7-400H系统允许在不中断系统程序运行的情况下对系统的硬件配置进行修改。这一功能特别适用于需要修改或增加系统硬件而不能停机的工艺控制要求。

7.通过以太网，可以远程对任何一台PLC进行编程、监控和维护。每个车站的BAS 以太网络通过网线接入AIS网络，维护人员可在任何一个车站对其他车站进行远程PLC 的程序或组态更新，这在初期调试过程中优势特别明显，大大节约了维护人员的时间，提高了工作效率。

综上所述，深圳地铁龙岗线BAS系统采取双网冗余、控制器与工作站冗余热备、模件可热插拔、在线修改硬件组态、I/O通道隔离的西门子可编程控制器产品，特别适合于构建高可靠性、高容错性、高灵活性的应用系统。

六、参考文献

1.SIMATIC使用STEP7编程手册2007年8月版

2.SIMATIC分布式I/O设备ET200M操作说明 2008年12月版

3.SIMATIC S7-400自动化系统 CPU规格设备手册 2009年4月版

4.CITECT 网络和体系培训手册V7.0 2009年12月版

5.SIMATIC Factory Automation 产品样本

6.魏晓东城市轨道交通自动化系统与技术[M]. 北京: 电子工业出版社，2004.

7.曲立东城市轨道交通环境与设备监控系统设计与应用电子工业出版社 2008