图 1 北京城市铁路西直门――东直门供电、环控和防灾报警综合自动化系统总体结构

     2.1.1 中央监控系统

    北京城铁综合监控系统在西直门指挥监控中心（以下简称OCC）设立中央监控网络，中央监控网的核心是SDH骨干网在OCC的节点连出的冗余l 00 Mbps交换机。监控网上建立多服务器、多操作员工作站以及外围设备。

    (1) OCC监控局域网

    综合监控系统在OCC设立中央监控网络，中央监控网为冗余的l 00 Mbps交换式以太网，以Cisco2950c-24交换机为核心。冗余配置的2950C交换机的各相应端口连接OCC各个设备，包括两台冗余配置的实时数据服务器、各工作站等，构成冗余配置的中央监控网。中央监控网与骨干网的界面在骨干网中心路由器。

    (2) OCC实时数据服务器
OCC实时数据服务器由两套服务器冗余配置组成，共同完成实时数据、处理数据和文件管理的服务。具有双机热备功能，任何一台服务器可以完成全部服务。

    (3) OCC历史服务器
OCC配置一套历史服务器，共同完成历史数据、报警记录、操作记录、报表等与历史相关的数据和文件服务。

    (4) 电调工作站

    电调工作站是城铁的中央电力调度中心。电调工作站由三套双屏电力调度员工作站、事件和报表打印机等组成，将对全线各变电所进行监控，实现遥测、遥控、遥调和遥信功能，实现全线电力线路管理监控功能，实现对电力牵引、动力供电管理监控功能。

    (5) 环调工作站

    环调工作站是城铁的中央环控调度中心。环调工作站实现对照明、配电、泵、风机、空调、冷水机组、扶梯、电梯等全线BAS设备的中央监控功能。中心设置两套环调操作员工作站。

    (6) 维护工作站

    城铁在中心设置维护工作站，由双维护工作站、事件打印机、报表打印机等组成，完成系统软件的维护。     

    (7) 中心大屏幕

    城铁在监控中心设置了一套3*16大屏幕系统。

    (8) 中心校时集线器

    为了保证系统监控中心和车站的时钟一致，在监控中心和各车站都独立配置了一套校时系统。在中心，由中心GPS接收时钟信号，向中心服务器硬对时，服务器通过监控中心网络对各工作站校时。在车站，由车站GPS接收时钟信号，向车站服务器和通信控制器硬对时。当车站的硬校时失效时，中心服务器通过网络对车站服务器进行校时，实现全线的校时。

    2.1.2 车站监控系统

    车站级监控层是以冗余l00 Mbps以太网为中心组织起来的局域控制网，从本质上讲，车站级监控系统构成典型的相对独立的监控系统。

    车站级监控系统相对于中央监控系统，体现侧重不同的原则，即对于PSCADA子系统而言，监控重心在监控中心，车站按无人值班设计，保留监视功能，监视本车站电力设备的工作状态：对于BAS子系统而言，监控重心在车站综控室，监控中心保留控制的功能但重心是监视全线各车站BAS设备的工作状态。

    (1) 车站监控局域网：车站级监控网为冗余的l00 Mbps以太网，以Cisco2924XL交换机为核心。交换机的各相应端口连接车站各个设备，包括冗余配置的车站实时服务器，车站电力监控工作站、车站环控监控工作站、车站电力通信控制器 (简称PSCADAI/ O站)、车站环控通信控制器 (简称BAS I/ O站)。

    (2) 车站服务器：具有双机热备功能，任何一台服务器都可以完成全部服务。

    (3) 车站电力监控工作站：用于监控本车站电力设备的工作状态，通常情况下，控制功能由中心电调掌握，只有当权限下放到本站以后，本站才能使用控制功能。在权限允许的情况下，也可登录其他某个车站，完成对该车站全部电力设备工作状态的监控。   

    (4) 车站环控(机电设备)监控工作站：用于监控本车站所有机电设备的工作状态。可实现了对本站全部机电设备工作状态的监视和控制。在权限允许的情况下，本站值班员可以通过本站工作站，登录其他某个车站，完成对该车站全部BAS设备的监控。

    (5) 车站电力通信控制器：为了减轻服务器的负担，实现分布式数据处理，所有集成的监控设备均统一接入车站PSCADA I/O站，负责与相连智能设备的周期数据巡检和协议转换，定期查询各链路的数据，按照双方规定的协议，将各种不同格式的实时数据转换成为MACS-SCADA的内部数据对象格式，提交到车站实时服务器和中心实时服务器。

    (6) 车站环控通信控制器：环控通信控制器负责与环控机电设备的通信。所有集成的监控设备均统一接入车站BAS I/O站。

    (7) 站校时系统：目前系统的中心服务器，由西直门指挥中心的GPS硬校时，各车站服务器由本地的GPS硬校时，车站的工作站由本车站服务器校时。车站各I/O站由本地的GPS硬校时，GPS有故障时，I/O站由车站服务器用网络方式校时。I/O站给集成的保护装置校时。

    2.1.3 基础自动化设备层

    (1) HSPM系列10kV微机保护测控装置

    HSPM系列微机保护测控装置主要完成10kV系统提供微机保护，通过光纤通讯与车站PSCADA I/O站相连。

    (2) DPU96 750V直流保护装置

    西门子DPU96直流保护装置主要完成750V直流系统的电量保护功能。通过ProfibusDP总线与车站PSCADA I/O站相连。

    (3) S7-300 Siemens PLC

    西门子S7-300保护装置主要完成750V直流系统的框架保护功能。通过ProfibusDP总线与车站PSCADA I/O站相连。

    (4) Modicon PLC Moment系列

    施耐德Modicom PLC Momentum主要完成开关与电隔间的闭锁，和各个分闸间的闭锁，用于非电量保护。为了保障连锁关系的可靠性，Modicom PLC采用双网通信，通过Modbus plus总线与车站PSCADA I/O站相连。

    (5) HollySys PLC

    和利时的HollySys PLC主要完成400V系统、整流器、照明系统、给排水系统、风机系统的联锁保护功能，通过ProfibusDP总线与车站PSCADA I/O站、车站BAS I/O站相连。

    (6) Rockwell PLC

    Rockwell PLC主要用于BAS系统中东直门通风系统的遥测、遥信、遥控功能，通过光纤通讯与车站BAS I/O站相连。

    (7) 其他现场测控装置

    还有一些个别的测控装置通过串口总线、MODBUS协议与车站PSCADA I/O站、车站BAS I/O站相连。如HC6000微机测量表主要完成对动变、牵变温度的实时监控功能；直流屏微机测控装置主要完成了对直流屏运行的实时监控，都是通过串口总线、MODBUS协议与车站PSCADA I/O站相连。

    3  系统总体功能

    目前的这套自动化综合监控系统可以提供较丰富、实用的功能。主要分为如下八个方面：

    3.1 数据采集及处理功能

    系统正常运行时，能采集各个设备的运行状态等数字量信息点，还能够通过测量仪表或测量装置采集模拟量信息点，如电流、电压、温度等，并具有对采集到的模拟量进行工程值转换、限值检查、死区处理、统计计算等功能。

    3.2 完备的控制及操作功能

    系统对现场设备可实现完备的分散控制，也可实现高级逻辑控制和混合控制。共分以下几种控制方式：单独遥控、顺序控制、模式控制、时间表控制和人工挂牌（屏蔽）。

    3.3 完善的报警功能和安全体系

    系统设备发生故常或异常时可产生报警信息，并将报警信息分类、筛选、重组织，建立一个强大的报警体系。报警方式包含声音报警、语音报警、文字报警、推画面报警、灯光报警、大屏幕报警等方式，可根据工作站的职责范围有选择性地报警。

    3.4 事故追忆功能

    事故追忆功能是在电力系统发生事故后启动的数据记录。系统支持模拟量事故追忆和开关量事故追忆。并可以以各种方式(按时间、按事故源对象等)查询、分析和打印事故追忆记录。

    3.5 实时与历史的趋势功能

    系统具备能任意显示模拟量或开关量的实时或历史变化趋势的趋势功能，分曲线和数字两种显示方式。在线显示时，可以指定按跟踪方式显示还是按历史方式显示。

    3.6 历史数据备份与复原功能

    系统能够自动或手动将历史库中数据备份成文件并删除历史库中已备份数据，使历史库始终保持固定时间的数据。历史数据备份可以按时间自动进行也可以由操作员手动操作。若系统内历史数据丢失或损坏，可以通过备份数据进行历史数据的复原。

    3.7 丰富的画面监控功能

    在本监控系统的监控中心的操作员站中，可对全系统所要求的所有监控对象的所有点及点信息进行系统组织、综合管理，实时监控，并用丰富、生动的动态画面、多窗口画面、多层次画面显示出来。

    3.8 灵活的组态功能

    本监控系统具有组态功能，可以在工程师站、操作员站对全系统构成及功能设置按工程需求灵活组态，也可修改组态，完善系统运行。组态可在线也可离线进行。

    4  系统性能分析

    4.1 可靠性设计

    根据可靠性原理，综合自动化监控系统是一个可修复系统，它的可靠性指标为系统有效度A，A=MTBF/(MTBF+MTTR)，其中MTBF为平均无故障时间，MTTR为平均修复时间。因此双冗余措施是自动化综合监控系统最重要的可靠性设计。

    本设计在可靠性方面主要采取的措施是两个方向，一是横向冗余技术，二是纵向冗余技术。

    4.1.1 横向冗余技术的采用

    从基础自动化层到全线监控中心采取了一系列的横向冗余技术。

    全线骨干网是双光纤自愈环，全线监控中心的局域网是双网冗余配置，车站局域网是双网冗余配置、全局服务器是双冗余配置、车站服务器也是双冗余配置。

    4.1.2 纵向冗余技术的采用

    在自动化综合监控系统的子系统中，广泛地应用了纵向冗余技术。一般讲，全线监控中心一级可以直接对基础自动化层设备进行直接操作。而在车站终控室也可以对现场设备进行直接操作，至于现场一级，既有自动控制又可手动控制。监控中心一级故障后可被车站一级接管。车站一级再出故障，可以进行单列操作或现场手动操作。这样的纵向冗余模式同样大大地提高了系统的可靠性。

    4.2 扩展性设计

    本设计为这个监控系统的拓展空间留有充分的余地。在骨干网带宽资源较丰富(要求通信骨干网设计时预留有充分的带宽)的前提下，从顶层到底层系统通过增加骨干网节点，通过多层次的接入，使系统具有强大的扩展能力。

    工程中若增加一个车站，只需在骨干网上增加一个节点即可。在OCC指挥监控中心，高速交换以太网带宽为100Mpbs，24口或48口交换机可支持多服务器和多操作员站，因此，全线监控中心可以接入多系统，可以构建多总站。通过选用更多端口的交换机或交换机级连，系统的扩展余地非常大；在车站级同样可接入多个同协议系统，也可加网关接入不同协议系统；在基层控制网络上，具有强大的接入第三方现场控制站和第三方PLC的能力。

    从顶层到底层系统通过增加骨干网节点，通过多层次的接入，使系统具有强大的扩展能力。

    5  结论

    本监控系统在全线监控中心和沿线各车站都构建了冗余高速交换以太网，为车站和全线的系统集成提供了可靠的、带宽很大的网络平台。车站服务器和全局服务器构成了分布式服务器，实现了分布式数据库，保证了实时数据的可靠、高速地存取。整个系统为分层分布式控制，保证了可靠性和实时响应性。

    从整体布局，系统配置，操作性能，运行状态以及用户的反映来看，北京城铁13号线自动化综合监控系统的设计是合理可行的。