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圖 1 北京城市鐵路西直門――東直門供電、環(huán)控和防災(zāi)報(bào)警綜合自動化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

     2.1.1 中央監(jiān)控系統(tǒng)

    北京城鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)在西直門指揮監(jiān)控中心（以下簡稱OCC）設(shè)立中央監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，中央監(jiān)控網(wǎng)的核心是SDH骨干網(wǎng)在OCC的節(jié)點(diǎn)連出的冗余l(xiāng) 00 Mbps交換機(jī)。監(jiān)控網(wǎng)上建立多服務(wù)器、多操作員工作站以及外圍設(shè)備。

    (1) OCC監(jiān)控局域網(wǎng)

    綜合監(jiān)控系統(tǒng)在OCC設(shè)立中央監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，中央監(jiān)控網(wǎng)為冗余的l 00 Mbps交換式以太網(wǎng)，以Cisco2950c-24交換機(jī)為核心。冗余配置的2950C交換機(jī)的各相應(yīng)端口連接OCC各個(gè)設(shè)備，包括兩臺冗余配置的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器、各工作站等，構(gòu)成冗余配置的中央監(jiān)控網(wǎng)。中央監(jiān)控網(wǎng)與骨干網(wǎng)的界面在骨干網(wǎng)中心路由器。

    (2) OCC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器
OCC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器由兩套服務(wù)器冗余配置組成，共同完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和文件管理的服務(wù)。具有雙機(jī)熱備功能，任何一臺服務(wù)器可以完成全部服務(wù)。

    (3) OCC歷史服務(wù)器
OCC配置一套歷史服務(wù)器，共同完成歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警記錄、操作記錄、報(bào)表等與歷史相關(guān)的數(shù)據(jù)和文件服務(wù)。

    (4) 電調(diào)工作站

    電調(diào)工作站是城鐵的中央電力調(diào)度中心。電調(diào)工作站由三套雙屏電力調(diào)度員工作站、事件和報(bào)表打印機(jī)等組成，將對全線各變電所進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)遙測、遙控、遙調(diào)和遙信功能，實(shí)現(xiàn)全線電力線路管理監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)對電力牽引、動力供電管理監(jiān)控功能。

    (5) 環(huán)調(diào)工作站

    環(huán)調(diào)工作站是城鐵的中央環(huán)控調(diào)度中心。環(huán)調(diào)工作站實(shí)現(xiàn)對照明、配電、泵、風(fēng)機(jī)、空調(diào)、冷水機(jī)組、扶梯、電梯等全線BAS設(shè)備的中央監(jiān)控功能。中心設(shè)置兩套環(huán)調(diào)操作員工作站。

    (6) 維護(hù)工作站

    城鐵在中心設(shè)置維護(hù)工作站，由雙維護(hù)工作站、事件打印機(jī)、報(bào)表打印機(jī)等組成，完成系統(tǒng)軟件的維護(hù)。     

    (7) 中心大屏幕

    城鐵在監(jiān)控中心設(shè)置了一套3*16大屏幕系統(tǒng)。

    (8) 中心校時(shí)集線器

    為了保證系統(tǒng)監(jiān)控中心和車站的時(shí)鐘一致，在監(jiān)控中心和各車站都獨(dú)立配置了一套校時(shí)系統(tǒng)。在中心，由中心GPS接收時(shí)鐘信號，向中心服務(wù)器硬對時(shí)，服務(wù)器通過監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)對各工作站校時(shí)。在車站，由車站GPS接收時(shí)鐘信號，向車站服務(wù)器和通信控制器硬對時(shí)。當(dāng)車站的硬校時(shí)失效時(shí)，中心服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)對車站服務(wù)器進(jìn)行校時(shí)，實(shí)現(xiàn)全線的校時(shí)。

    2.1.2 車站監(jiān)控系統(tǒng)

    車站級監(jiān)控層是以冗余l(xiāng)00 Mbps以太網(wǎng)為中心組織起來的局域控制網(wǎng)，從本質(zhì)上講，車站級監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成典型的相對獨(dú)立的監(jiān)控系統(tǒng)。

    車站級監(jiān)控系統(tǒng)相對于中央監(jiān)控系統(tǒng)，體現(xiàn)側(cè)重不同的原則，即對于PSCADA子系統(tǒng)而言，監(jiān)控重心在監(jiān)控中心，車站按無人值班設(shè)計(jì)，保留監(jiān)視功能，監(jiān)視本車站電力設(shè)備的工作狀態(tài)：對于BAS子系統(tǒng)而言，監(jiān)控重心在車站綜控室，監(jiān)控中心保留控制的功能但重心是監(jiān)視全線各車站BAS設(shè)備的工作狀態(tài)。

    (1) 車站監(jiān)控局域網(wǎng)：車站級監(jiān)控網(wǎng)為冗余的l00 Mbps以太網(wǎng)，以Cisco2924XL交換機(jī)為核心。交換機(jī)的各相應(yīng)端口連接車站各個(gè)設(shè)備，包括冗余配置的車站實(shí)時(shí)服務(wù)器，車站電力監(jiān)控工作站、車站環(huán)控監(jiān)控工作站、車站電力通信控制器 (簡稱PSCADAI/ O站)、車站環(huán)控通信控制器 (簡稱BAS I/ O站)。

    (2) 車站服務(wù)器：具有雙機(jī)熱備功能，任何一臺服務(wù)器都可以完成全部服務(wù)。

    (3) 車站電力監(jiān)控工作站：用于監(jiān)控本車站電力設(shè)備的工作狀態(tài)，通常情況下，控制功能由中心電調(diào)掌握，只有當(dāng)權(quán)限下放到本站以后，本站才能使用控制功能。在權(quán)限允許的情況下，也可登錄其他某個(gè)車站，完成對該車站全部電力設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)控。   

    (4) 車站環(huán)控(機(jī)電設(shè)備)監(jiān)控工作站：用于監(jiān)控本車站所有機(jī)電設(shè)備的工作狀態(tài)。可實(shí)現(xiàn)了對本站全部機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)視和控制。在權(quán)限允許的情況下，本站值班員可以通過本站工作站，登錄其他某個(gè)車站，完成對該車站全部BAS設(shè)備的監(jiān)控。

    (5) 車站電力通信控制器：為了減輕服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)處理，所有集成的監(jiān)控設(shè)備均統(tǒng)一接入車站PSCADA I/O站，負(fù)責(zé)與相連智能設(shè)備的周期數(shù)據(jù)巡檢和協(xié)議轉(zhuǎn)換，定期查詢各鏈路的數(shù)據(jù)，按照雙方規(guī)定的協(xié)議，將各種不同格式的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為MACS-SCADA的內(nèi)部數(shù)據(jù)對象格式，提交到車站實(shí)時(shí)服務(wù)器和中心實(shí)時(shí)服務(wù)器。

    (6) 車站環(huán)控通信控制器：環(huán)控通信控制器負(fù)責(zé)與環(huán)控機(jī)電設(shè)備的通信。所有集成的監(jiān)控設(shè)備均統(tǒng)一接入車站BAS I/O站。

    (7) 站校時(shí)系統(tǒng)：目前系統(tǒng)的中心服務(wù)器，由西直門指揮中心的GPS硬校時(shí)，各車站服務(wù)器由本地的GPS硬校時(shí)，車站的工作站由本車站服務(wù)器校時(shí)。車站各I/O站由本地的GPS硬校時(shí)，GPS有故障時(shí)，I/O站由車站服務(wù)器用網(wǎng)絡(luò)方式校時(shí)。I/O站給集成的保護(hù)裝置校時(shí)。

    2.1.3 基礎(chǔ)自動化設(shè)備層

    (1) HSPM系列10kV微機(jī)保護(hù)測控裝置

    HSPM系列微機(jī)保護(hù)測控裝置主要完成10kV系統(tǒng)提供微機(jī)保護(hù)，通過光纖通訊與車站PSCADA I/O站相連。

    (2) DPU96 750V直流保護(hù)裝置

    西門子DPU96直流保護(hù)裝置主要完成750V直流系統(tǒng)的電量保護(hù)功能。通過ProfibusDP總線與車站PSCADA I/O站相連。

    (3) S7-300 Siemens PLC

    西門子S7-300保護(hù)裝置主要完成750V直流系統(tǒng)的框架保護(hù)功能。通過ProfibusDP總線與車站PSCADA I/O站相連。

    (4) Modicon PLC Moment系列

    施耐德Modicom PLC Momentum主要完成開關(guān)與電隔間的閉鎖，和各個(gè)分閘間的閉鎖，用于非電量保護(hù)。為了保障連鎖關(guān)系的可靠性，Modicom PLC采用雙網(wǎng)通信，通過Modbus plus總線與車站PSCADA I/O站相連。

    (5) HollySys PLC

    和利時(shí)的HollySys PLC主要完成400V系統(tǒng)、整流器、照明系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的聯(lián)鎖保護(hù)功能，通過ProfibusDP總線與車站PSCADA I/O站、車站BAS I/O站相連。

    (6) Rockwell PLC

    Rockwell PLC主要用于BAS系統(tǒng)中東直門通風(fēng)系統(tǒng)的遙測、遙信、遙控功能，通過光纖通訊與車站BAS I/O站相連。

    (7) 其他現(xiàn)場測控裝置

    還有一些個(gè)別的測控裝置通過串口總線、MODBUS協(xié)議與車站PSCADA I/O站、車站BAS I/O站相連。如HC6000微機(jī)測量表主要完成對動變、牽變溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能；直流屏微機(jī)測控裝置主要完成了對直流屏運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)控，都是通過串口總線、MODBUS協(xié)議與車站PSCADA I/O站相連。

    3  系統(tǒng)總體功能

    目前的這套自動化綜合監(jiān)控系統(tǒng)可以提供較豐富、實(shí)用的功能。主要分為如下八個(gè)方面：

    3.1 數(shù)據(jù)采集及處理功能

    系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，能采集各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)字量信息點(diǎn)，還能夠通過測量儀表或測量裝置采集模擬量信息點(diǎn)，如電流、電壓、溫度等，并具有對采集到的模擬量進(jìn)行工程值轉(zhuǎn)換、限值檢查、死區(qū)處理、統(tǒng)計(jì)計(jì)算等功能。

    3.2 完備的控制及操作功能

    系統(tǒng)對現(xiàn)場設(shè)備可實(shí)現(xiàn)完備的分散控制，也可實(shí)現(xiàn)高級邏輯控制和混合控制。共分以下幾種控制方式：單獨(dú)遙控、順序控制、模式控制、時(shí)間表控制和人工掛牌（屏蔽）。

    3.3 完善的報(bào)警功能和安全體系

    系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生故常或異常時(shí)可產(chǎn)生報(bào)警信息，并將報(bào)警信息分類、篩選、重組織，建立一個(gè)強(qiáng)大的報(bào)警體系。報(bào)警方式包含聲音報(bào)警、語音報(bào)警、文字報(bào)警、推畫面報(bào)警、燈光報(bào)警、大屏幕報(bào)警等方式，可根據(jù)工作站的職責(zé)范圍有選擇性地報(bào)警。

    3.4 事故追憶功能

    事故追憶功能是在電力系統(tǒng)發(fā)生事故后啟動的數(shù)據(jù)記錄。系統(tǒng)支持模擬量事故追憶和開關(guān)量事故追憶。并可以以各種方式(按時(shí)間、按事故源對象等)查詢、分析和打印事故追憶記錄。

    3.5 實(shí)時(shí)與歷史的趨勢功能

    系統(tǒng)具備能任意顯示模擬量或開關(guān)量的實(shí)時(shí)或歷史變化趨勢的趨勢功能，分曲線和數(shù)字兩種顯示方式。在線顯示時(shí)，可以指定按跟蹤方式顯示還是按歷史方式顯示。

    3.6 歷史數(shù)據(jù)備份與復(fù)原功能

    系統(tǒng)能夠自動或手動將歷史庫中數(shù)據(jù)備份成文件并刪除歷史庫中已備份數(shù)據(jù)，使歷史庫始終保持固定時(shí)間的數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)備份可以按時(shí)間自動進(jìn)行也可以由操作員手動操作。若系統(tǒng)內(nèi)歷史數(shù)據(jù)丟失或損壞，可以通過備份數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的復(fù)原。

    3.7 豐富的畫面監(jiān)控功能

    在本監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控中心的操作員站中，可對全系統(tǒng)所要求的所有監(jiān)控對象的所有點(diǎn)及點(diǎn)信息進(jìn)行系統(tǒng)組織、綜合管理，實(shí)時(shí)監(jiān)控，并用豐富、生動的動態(tài)畫面、多窗口畫面、多層次畫面顯示出來。

    3.8 靈活的組態(tài)功能

    本監(jiān)控系統(tǒng)具有組態(tài)功能，可以在工程師站、操作員站對全系統(tǒng)構(gòu)成及功能設(shè)置按工程需求靈活組態(tài)，也可修改組態(tài)，完善系統(tǒng)運(yùn)行。組態(tài)可在線也可離線進(jìn)行。

    4  系統(tǒng)性能分析

    4.1 可靠性設(shè)計(jì)

    根據(jù)可靠性原理，綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)可修復(fù)系統(tǒng)，它的可靠性指標(biāo)為系統(tǒng)有效度A，A=MTBF/(MTBF+MTTR)，其中MTBF為平均無故障時(shí)間，MTTR為平均修復(fù)時(shí)間。因此雙冗余措施是自動化綜合監(jiān)控系統(tǒng)最重要的可靠性設(shè)計(jì)。

    本設(shè)計(jì)在可靠性方面主要采取的措施是兩個(gè)方向，一是橫向冗余技術(shù)，二是縱向冗余技術(shù)。

    4.1.1 橫向冗余技術(shù)的采用

    從基礎(chǔ)自動化層到全線監(jiān)控中心采取了一系列的橫向冗余技術(shù)。

    全線骨干網(wǎng)是雙光纖自愈環(huán)，全線監(jiān)控中心的局域網(wǎng)是雙網(wǎng)冗余配置，車站局域網(wǎng)是雙網(wǎng)冗余配置、全局服務(wù)器是雙冗余配置、車站服務(wù)器也是雙冗余配置。

    4.1.2 縱向冗余技術(shù)的采用

    在自動化綜合監(jiān)控系統(tǒng)的子系統(tǒng)中，廣泛地應(yīng)用了縱向冗余技術(shù)。一般講，全線監(jiān)控中心一級可以直接對基礎(chǔ)自動化層設(shè)備進(jìn)行直接操作。而在車站終控室也可以對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行直接操作，至于現(xiàn)場一級，既有自動控制又可手動控制。監(jiān)控中心一級故障后可被車站一級接管。車站一級再出故障，可以進(jìn)行單列操作或現(xiàn)場手動操作。這樣的縱向冗余模式同樣大大地提高了系統(tǒng)的可靠性。

    4.2 擴(kuò)展性設(shè)計(jì)

    本設(shè)計(jì)為這個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的拓展空間留有充分的余地。在骨干網(wǎng)帶寬資源較豐富(要求通信骨干網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留有充分的帶寬)的前提下，從頂層到底層系統(tǒng)通過增加骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，通過多層次的接入，使系統(tǒng)具有強(qiáng)大的擴(kuò)展能力。

    工程中若增加一個(gè)車站，只需在骨干網(wǎng)上增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)即可。在OCC指揮監(jiān)控中心，高速交換以太網(wǎng)帶寬為100Mpbs，24口或48口交換機(jī)可支持多服務(wù)器和多操作員站，因此，全線監(jiān)控中心可以接入多系統(tǒng)，可以構(gòu)建多總站。通過選用更多端口的交換機(jī)或交換機(jī)級連，系統(tǒng)的擴(kuò)展余地非常大；在車站級同樣可接入多個(gè)同協(xié)議系統(tǒng)，也可加網(wǎng)關(guān)接入不同協(xié)議系統(tǒng)；在基層控制網(wǎng)絡(luò)上，具有強(qiáng)大的接入第三方現(xiàn)場控制站和第三方PLC的能力。

    從頂層到底層系統(tǒng)通過增加骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，通過多層次的接入，使系統(tǒng)具有強(qiáng)大的擴(kuò)展能力。

    5  結(jié)論

    本監(jiān)控系統(tǒng)在全線監(jiān)控中心和沿線各車站都構(gòu)建了冗余高速交換以太網(wǎng)，為車站和全線的系統(tǒng)集成提供了可靠的、帶寬很大的網(wǎng)絡(luò)平臺。車站服務(wù)器和全局服務(wù)器構(gòu)成了分布式服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了分布式數(shù)據(jù)庫，保證了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的可靠、高速地存取。整個(gè)系統(tǒng)為分層分布式控制，保證了可靠性和實(shí)時(shí)響應(yīng)性。

    從整體布局，系統(tǒng)配置，操作性能，運(yùn)行狀態(tài)以及用戶的反映來看，北京城鐵13號線自動化綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是合理可行的。