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摘要：本论文主要是结合目前工业以太网技术的应用发展趋势，对于环境与设备监控系统的以太网技术的应用进行了探索，并介绍了实施方案。
关键词：环境与设备监控系统；工业以太网；地铁
中图分类号：U672.7+4文献标识码：A文章编号：
Abstract: this paper combining industrial Ethernet technology application development trend, for environment and equipment monitoring system of Ethernet technology's application in the exploration, and introduced the plan.
Keywords: environment and equipment monitoring system; Industrial Ethernet; subway
1、概述
隨着城市轨道交通技术国内外地铁环境与设备监控系统已经走过了各站分离的阶段，进入了全线组网的新阶段设备监控多采用分散控制、集中管理的系统模式。由于现场总线技术的各种标准之间转换困难、系统集成存在各种壁垒等种种制约性，而相对的工业以太网的种种优势，造成了BAS系统网络正在从现场总线向工业以太网方向发展。
2、工业以太网与现场总线比较
目前国内城市轨道交通BAS系统普遍采用PLC设备，是一个基于网络的自动化系统，涉及多种通信及网络技术，如用于装置控制层的现场总线技术。而由于现场总线标准存在12种之多，如何统一现场总线标准经过了16年的标准大战，最终没有形成一个统一的标准，多标准等于无标准，因此无论是最终用户还是制造商，普遍都在关注现场总线技术的发展动态，寻求高性能低成本的方案。以太网技术由于其开放性、稳定性和可靠性，在全球范围取得了巨大成功，因此如何对以太网技术进行改进，使其适合应用于工业控制领域的数字通信，已成为业内近些年内的热门研究方向，很多人都寄希望于现场总线技术在以太网技术的基础上达成统一，改变目前多标准并存的现状，同时用以太网统一工业控制网络的各个层次，实现真正的无缝信息集成。BAS系统网络也随着工业以太网的发展，逐渐实现装置控制层设备由采用现场总线改变为工业以太网技术。
由于现场总线技术的各种标准之间转换困难、系统集成存在各种壁垒等种种制约性，而相对的工业以太网的种种优势，造成了BAS系统网络正在从现场总线向工业以太网方向发展。
1）BAS系统采用工业以太网方案对比传统的总线方案具有以下优点：
传统双现场总线方案中，车站两端冗余PLC各自负责一端的BAS系统设备。对于车站内需要联动运行的部分设备，如正常模式下分布在车站不同端的风机、风阀联动、火灾模式下的两端空调系统联动等均需要两端的冗余PLC之间首先相互联动和确认设备状态到位后才能执行下一步动作。在常规地铁设计中，车站两端的冗余PLC虽然采用了热备方式，配置了两块背板、两块CPU、两块电源等，但所有的模块均放置在同一房间甚至同一面控制柜内，当房间内发生火灾或电源故障，容易引起冗余PLC整体故障。而一端的冗余PLC一旦退出服务，则另一端的冗余PLC则可能因为联锁动作失败而导致系统整体瘫痪。若采用光纤环网方式连接两端冗余PLC，若一端冗余PLC发生整体性故障退出服务，系统将立即切换到另一端的一套冗余PLC上继续工作，保证系统在极端恶劣的情况下能正常运行，中央和车站下达的指令能迅速传达到现场设备。
传统双现场总线方案中，双总线均采用平行布线方式，两条总线紧靠着分布到就地控制箱。发生火灾或其他特殊情况时，极易引起两条总线同时中断，从而造成系统与RI/O之间失去联系。而光纤环网采用分布式布线方式，一条光纤在车站内分布成环状，一旦发生火灾或其他特殊情况，总线将立即切换传输路径，不会造成PLC与RIO之间的通信中断。
传统双现场总线方案中，主要传输介质是通讯电缆。在复杂环境下，通讯电缆容易受到地铁内各种电磁干扰源的干扰。而采用光纤介质则可从根源上避免电磁干扰对系统的影响。
传统双现场总线方案中，各厂家的控制器均采用专用的协议进行通信，现场调试或诊断时需要专用工具或特殊软件才可进行。而光纤环网采用标准开放的Modbus TCP/IP协议，通过手提电脑上的RJ45接口即可进行调试和诊断，现场调试和维护将十分便利。
2）相对现场总线而言，现场级装置采用工业以太网也存在一些不足：
现场级装置采用工业以太网组网将增加前期投资费用，由于地铁车站内通讯距离较长，故采用工业以太网需增加环网光纤设备及光纤熔接费用。
大量采用光纤熔接会造成施工控制难度较大。
采用工业以太网技术实时性能否保证还处于探索试验期。
综上所述，采用环线环网的BAS系统方案具有系统可靠性高，抗干扰能力强以及调试、维护方便等特点，但同样也存在相应的不足性，但整体对比传统现场总线方案具有更大的实用优势。
3、 广州地铁新线建设BAS系统工业以太网应用探索
目前各个主流PLC设备供货商也在加大工业以太网方面的推广工作，提出了BAS系统以太网组网方案。
图1
图2
本方案选用的是施耐德的Unity Quantum系列PLC，两套冗余的Unity Quantum冗余PLC。冗余PLC与远程IO之间通过冗余的冗余的Modbus TCP以太网双相连，每套冗余的PLC均配备了IMCC接口网关，也通过冗余的双总线连接到冗余PLC，并提供一个双串口的串口网关用于连接给风机变频器等串口通讯设备，可以支持单口转换为双口。
A端冗余PLC作为主PLC负责与综合监控通讯，提供4各独立的以太网接口模块连接至综合监控提供的交换机上，与B冗余PLC相比，A端多了4个以太网接口模块。A端与B端冗余PLC采用Modbus TCP连接，完成数据交换。
IBP盘PLC选用M340远程IO，通过冗余的100Mbps以太网连接到冗余以太环网上，与FAS系统的通信则通过安装在远程IO机架上的双串口模块接口来实现，该模块可以采用标准的Modbus RTU协议，也可以采用其他的协议实现BAS与FAS的通信，并实现BAS与FAS的联动控制。
4、总结
本文对于目前地铁BAS系统采用的现场总线与工业以太网技术进行性能比较，别列出了各自的优缺点，针对工业以太网提出了广州地铁新线BAS系统网络方案，明确了工业以太网将取代现场总线将是BAS系统可能的趋势，将来会得到较大的发展应用。
参考文献
[1]、曲立东，城市轨道交通环境与设备监控系统设计与应用[M]，北京：电子工业出版社，2008年
[2]、包伟华，工业以太网与现场总线比较[J]，第八届工业仪表与自动化学术会议，2007年
[3]、郭晓蒙等， 地铁设备自动化现状及展望[ J ]，都市快轨交通，2005，18 ( 5 ) ：14 ~17
[4]、张浩等， 现场总线与工业以太网络应用技术手册[ M ]，上海：上海科技出版社，2002
[5]、Practical Fieldbus，DeviceNet and Ethernet for Industry，IDC Technologies，Web site：www.idc-online.com
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：环境与设备监控系统；工业以太网；地铁
中图分类号：U672.7+4文献标识码：A文章编号：
Abstract: this paper combining industrial Ethernet technology application development trend, for environment and equipment monitoring system of Ethernet technology's application in the exploration, and introduced the plan.
Keywords: environment and equipment monitoring system; Industrial Ethernet; subway
1、概述
隨着城市轨道交通技术国内外地铁环境与设备监控系统已经走过了各站分离的阶段，进入了全线组网的新阶段设备监控多采用分散控制、集中管理的系统模式。由于现场总线技术的各种标准之间转换困难、系统集成存在各种壁垒等种种制约性，而相对的工业以太网的种种优势，造成了BAS系统网络正在从现场总线向工业以太网方向发展。
2、工业以太网与现场总线比较
目前国内城市轨道交通BAS系统普遍采用PLC设备，是一个基于网络的自动化系统，涉及多种通信及网络技术，如用于装置控制层的现场总线技术。而由于现场总线标准存在12种之多，如何统一现场总线标准经过了16年的标准大战，最终没有形成一个统一的标准，多标准等于无标准，因此无论是最终用户还是制造商，普遍都在关注现场总线技术的发展动态，寻求高性能低成本的方案。以太网技术由于其开放性、稳定性和可靠性，在全球范围取得了巨大成功，因此如何对以太网技术进行改进，使其适合应用于工业控制领域的数字通信，已成为业内近些年内的热门研究方向，很多人都寄希望于现场总线技术在以太网技术的基础上达成统一，改变目前多标准并存的现状，同时用以太网统一工业控制网络的各个层次，实现真正的无缝信息集成。BAS系统网络也随着工业以太网的发展，逐渐实现装置控制层设备由采用现场总线改变为工业以太网技术。
由于现场总线技术的各种标准之间转换困难、系统集成存在各种壁垒等种种制约性，而相对的工业以太网的种种优势，造成了BAS系统网络正在从现场总线向工业以太网方向发展。
1）BAS系统采用工业以太网方案对比传统的总线方案具有以下优点：
传统双现场总线方案中，车站两端冗余PLC各自负责一端的BAS系统设备。对于车站内需要联动运行的部分设备，如正常模式下分布在车站不同端的风机、风阀联动、火灾模式下的两端空调系统联动等均需要两端的冗余PLC之间首先相互联动和确认设备状态到位后才能执行下一步动作。在常规地铁设计中，车站两端的冗余PLC虽然采用了热备方式，配置了两块背板、两块CPU、两块电源等，但所有的模块均放置在同一房间甚至同一面控制柜内，当房间内发生火灾或电源故障，容易引起冗余PLC整体故障。而一端的冗余PLC一旦退出服务，则另一端的冗余PLC则可能因为联锁动作失败而导致系统整体瘫痪。若采用光纤环网方式连接两端冗余PLC，若一端冗余PLC发生整体性故障退出服务，系统将立即切换到另一端的一套冗余PLC上继续工作，保证系统在极端恶劣的情况下能正常运行，中央和车站下达的指令能迅速传达到现场设备。
传统双现场总线方案中，双总线均采用平行布线方式，两条总线紧靠着分布到就地控制箱。发生火灾或其他特殊情况时，极易引起两条总线同时中断，从而造成系统与RI/O之间失去联系。而光纤环网采用分布式布线方式，一条光纤在车站内分布成环状，一旦发生火灾或其他特殊情况，总线将立即切换传输路径，不会造成PLC与RIO之间的通信中断。
传统双现场总线方案中，主要传输介质是通讯电缆。在复杂环境下，通讯电缆容易受到地铁内各种电磁干扰源的干扰。而采用光纤介质则可从根源上避免电磁干扰对系统的影响。
传统双现场总线方案中，各厂家的控制器均采用专用的协议进行通信，现场调试或诊断时需要专用工具或特殊软件才可进行。而光纤环网采用标准开放的Modbus TCP/IP协议，通过手提电脑上的RJ45接口即可进行调试和诊断，现场调试和维护将十分便利。
2）相对现场总线而言，现场级装置采用工业以太网也存在一些不足：
现场级装置采用工业以太网组网将增加前期投资费用，由于地铁车站内通讯距离较长，故采用工业以太网需增加环网光纤设备及光纤熔接费用。
大量采用光纤熔接会造成施工控制难度较大。
采用工业以太网技术实时性能否保证还处于探索试验期。
综上所述，采用环线环网的BAS系统方案具有系统可靠性高，抗干扰能力强以及调试、维护方便等特点，但同样也存在相应的不足性，但整体对比传统现场总线方案具有更大的实用优势。
3、 广州地铁新线建设BAS系统工业以太网应用探索
目前各个主流PLC设备供货商也在加大工业以太网方面的推广工作，提出了BAS系统以太网组网方案。
图1
图2
本方案选用的是施耐德的Unity Quantum系列PLC，两套冗余的Unity Quantum冗余PLC。冗余PLC与远程IO之间通过冗余的冗余的Modbus TCP以太网双相连，每套冗余的PLC均配备了IMCC接口网关，也通过冗余的双总线连接到冗余PLC，并提供一个双串口的串口网关用于连接给风机变频器等串口通讯设备，可以支持单口转换为双口。
A端冗余PLC作为主PLC负责与综合监控通讯，提供4各独立的以太网接口模块连接至综合监控提供的交换机上，与B冗余PLC相比，A端多了4个以太网接口模块。A端与B端冗余PLC采用Modbus TCP连接，完成数据交换。
IBP盘PLC选用M340远程IO，通过冗余的100Mbps以太网连接到冗余以太环网上，与FAS系统的通信则通过安装在远程IO机架上的双串口模块接口来实现，该模块可以采用标准的Modbus RTU协议，也可以采用其他的协议实现BAS与FAS的通信，并实现BAS与FAS的联动控制。
4、总结
本文对于目前地铁BAS系统采用的现场总线与工业以太网技术进行性能比较，别列出了各自的优缺点，针对工业以太网提出了广州地铁新线BAS系统网络方案，明确了工业以太网将取代现场总线将是BAS系统可能的趋势，将来会得到较大的发展应用。
参考文献
[1]、曲立东，城市轨道交通环境与设备监控系统设计与应用[M]，北京：电子工业出版社，2008年
[2]、包伟华，工业以太网与现场总线比较[J]，第八届工业仪表与自动化学术会议，2007年
[3]、郭晓蒙等， 地铁设备自动化现状及展望[ J ]，都市快轨交通，2005，18 ( 5 ) ：14 ~17
[4]、张浩等， 现场总线与工业以太网络应用技术手册[ M ]，上海：上海科技出版社，2002
[5]、Practical Fieldbus，DeviceNet and Ethernet for Industry，IDC Technologies，Web site：www.idc-online.com
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。