基于自主可控PLC的城市轨道交通车站环境与设备监控系统（BAS）设计与应用

摘要：本文着重关注基于自主可控PLC的城市轨道交通车站环境与设备监控系统也就是BAS，详细地阐述其架构设计内容包括总体架构、硬件选型配置以及软件功能开发，深入地分析环境监控、设备控制、灾害应急等核心功能模块的实现逻辑情况，重点探讨冗余设计保障系统可靠性、通信协议优化提升数据传输效率、节能优化策略降低运营能耗等关键技术方面。通过系统设计以及技术应用，达成BAS系统自主可控的目标，提升城市轨道交通车站环境调控与设备管理的智能化和安全化水平，为轨道交通行业国产化替代提供具有实践意义的参考。

关键词：自主可控；PLC；城市轨道交通；车站环境；设备监控系统

Abstract: This paper focuses on the Building Automation System (BAS) for urban rail transit stations, which is based on autonomous and controllable PLCs. It elaborates on the architectural design, including the overall framework, hardware selection and configuration, and software functional development. It provides an in-depth analysis of the implementation logic of core functional modules such as environmental monitoring, equipment control, and disaster emergency response. Key technical aspects are discussed, including redundancy design to ensure system reliability, communication protocol optimization to improve data transmission efficiency, and energy-saving optimization strategies to reduce operational energy consumption. Through systematic design and technological application, the goal of achieving autonomous and controllable BAS systems is realized, enhancing the intelligence and safety of station environmental regulation and equipment management in urban rail transit. This offers practical reference for the domestic substitution in the rail transit industry.

Keywords: Independent controllability; PLC; Urban rail transit; Station environment; Equipment monitoring system

在城市化进程不断加速的背景之下，城市轨道交通依靠大运量、高效率等诸多优势成为城市交通体系的核心支柱，其安全稳定运行直接关系到城市功能的正常运转和居民的出行体验，环境与设备监控系统（BAS）作为轨道交通车站的“神经中枢”，凭借精准感知环境参数并智能调控机电设备的功能，在保障乘客安全、提升环境舒适度以及应对火灾等灾害方面发挥着不可替代的作用，不过传统BAS系统长期依赖进口PLC，面临着供应链中断和技术封锁的双重风险，所以研发基于自主可控PLC的BAS系统，不仅是突破技术瓶颈、保障产业安全的必然选择，更是推动轨道交通装备高质量发展的关键举措。

1基于自主可控PLC的BAS系统架构设计

1.1系统总体架构

地铁BAS系统采用的是“中央级-车站级-就地级”这种三级分层分布式架构，在保障自主可控PLC核心应用的前提下，达成全线监控、站级控制与现场执行的高效协同工作，中央级部署在控制中心，通过冗余工业以太网和各车站级控制器进行通信，负责全线设备状态监视、运行模式下发、能耗统计与调度决策等工作，是整个系统的决策核心所在，车站级基于国产高性能PLC来构建，作为本站控制单元具备模块化扩展、双CPU冗余及强电磁干扰适应能力，能独立完成本站通风空调、给排水、照明等设备的逻辑控制与联锁保护，并且在中央级通信中断时可维持本地自治运行，就地级由远程I/O、传感器、执行机构等现场设备组合而成，完成温湿度、CO₂浓度、水位等信号采集以及风机、阀门、水泵的驱动执行任务，三级之间通过双光纤环网进行连接，以此确保数据的实时性与可靠性（如表1所示）。

表1三级控制模式功能分配

1.2硬件设计

在基于自主可控PLC的城市轨道交通车站环境与设备监控系统（BAS）硬件设计当中，主控单元作为整个系统核心部件，配置双CPU冗余模块，依靠主备CPU同步运行和实时数据备份机制，能在任一CPU出现故障时实现无缝切换，以此确保控制指令不会中断，其MTBF（平均无故障时间）达到50000小时以上，为系统长期稳定运行提供可靠保障，I/O模块采用分布式远程设计（RI/O），通过光纤环网构建高带宽且低延迟的通信链路，既减少现场布线复杂度和成本，又能有效抵御地铁环境中强电磁干扰影响，传感器网络作为数据采集前端，部署高精度温湿度、CO₂浓度及风速传感器，将采样周期严格控制在1秒以内，确保环境参数具有实时性，同时支持MODBUSTCP/IP工业协议与PLC无缝对接，实现数据高效传输和标准化处理，为BAS系统精准调控与智能决策奠定坚实基础^[1]。

1.3软件设计

在自主可控PLC的BAS系统软件设计当中，操作系统层面把Linux实时内核当作基石，依靠多任务调度机制与优先级动态分配技术，来保证火灾联动、设备启停等关键控制指令能毫秒级响应，以此满足轨道交通高实时性方面的要求，控制算法模块集成了焓值优化算法，结合温湿度与空气品质参数动态调节通风空调运行模式，再辅以PID闭环控制实现温湿度精准跟踪，同时嵌入季节/时段模式切换逻辑，让系统能耗降低15%以上，人机界面（HMI）运用工业级组态软件开发，构建分层式可视化监控架构，上层展示车站环境全景图与设备运行状态热力图，中层提供通风、给排水等子系统工艺流程动态模拟，下层集成实时报警推送、历史趋势曲线分析及远程参数配置功能，支持运维人员通过多终端（PC/平板/移动端）实现全场景监控与智能化管理，从而显著提升系统运维效率与决策科学性^[2]。

2BAS系统功能模块设计与实现

2.1环境监控模块

在基于自主可控PLC的BAS系统环境监控模块里，温湿度控制运用焓值优化算法和PID闭环调节技术，通过实时采集站厅与站台的温湿度数据以及室外空气焓值，动态切换全新风或者小新风运行模式，当室外空气焓值低于室内设定值时优先引入新风进行免费制冷，反之则启动最小新风量模式来降低空调负荷，同时系统通过PID算法精准调节送风机频率与空调水阀开度，实现温湿度双目标控制确保站厅温度稳定在26±1℃、湿度控制在60%±10%范围内，兼顾乘客舒适性与设备能效，在空气质量监测方面，系统部署高灵敏度CO₂传感器，实时采集浓度数据并触发分级响应机制，当浓度超过1000ppm时自动启动排风系统并联动调节新风阀开度，若持续超标则提升风机转速至最大档位快速稀释污染物，保障站内空气质量符合公共卫生标准为乘客提供健康安全的出行环境^[3]。

2.2设备控制模块

在基于自主可控PLC的BAS系统设备控制模块里，通风空调系统借助多工况智能切换达成高效运行，系统能够依据季节、时段以及火灾等场景自动切换到“空调季”“非空调季”或者“火灾模式”，结合时间表预设和设备群组控制策略来优化风机、空调机组还有水阀的启停时序，避免设备频繁启停导致的能耗浪费，给排水系统采用液位联动控制机制，实时监测集水坑水位并且自动启停排水泵，以此防止水浸事故的发生，同时通过生活水箱水位监测与补水电磁阀联动来确保供水的连续性，照明系统集成智能调光技术，基于客流传感器数据和时间表动态调节站厅、站台以及设备区照明亮度，在满足运营需求的同时实现节能30%以上，此外系统支持远程手动干预和应急照明强制切换功能，全面提升设备控制的可靠性、安全性和能效水平，为轨道交通运营提供智能化保障。

2.3灾害应急模块

在基于自主可控PLC的BAS系统灾害应急模块里，火灾联动功能借助和FAS（火灾自动报警系统）深度集成达成快速响应，当FAS检测到火警信号时，BAS系统马上接收指令且自动切换到预设排烟模式，大系统启动车站两端排风机让其全速运行，小系统针对着火区域执行局部强排烟操作，同时联动关闭非消防电源来防止电气火灾蔓延，并且强制开启应急照明与动态导向标识，为乘客疏散提供清晰指引和安全照明，在阻塞模式下，当列车因为故障停运在区间时，BAS系统依据列车位置信息自动启动对应区间的通风模式，通过送风机往隧道内输送新鲜空气，排风机同步排除废气与烟尘，维持区间空气质量处于安全范围之内，还配合广播系统引导乘客保持镇定，为应急救援争取到关键时间，两种模式都通过冗余通信链路和PLC硬接线接口双重保障指令可靠执行，确保灾害场景下设备联动实现零延迟^[4]。

3关键技术与应用策略

3.1冗余设计技术

在基于自主可控PLC的BAS系统冗余设计技术里，网络冗余采用双光纤环网架构方式，依靠环形拓扑结构达成数据双向传输效果，一旦任一节点或者链路出现故障状况，系统就会自动切换到备用路径之上，网络重构时间小于等于50ms，以此确保监控数据和控制指令不会中断，控制器冗余借助主备PLC同步模块达成双机热备模式，主控单元实时将关键数据备份到备用PLC之中，当主控器发生故障的时候，备用单元无扰动接管控制任务，切换过程对设备运行不存在影响，进而保障控制的连续性，电源冗余配置双路UPS供电系统形式，支持在线式热插拔维护操作，当主电源出现异常情况时，备用电源会自动投入使用，切换时间小于等于10ms，同时通过电池管理模块监测剩余容量，确保系统在断电情况下能够持续运行30分钟以上，全方位提升BAS系统在极端工况下的可靠性与可用性。

3.2通信协议优化

在基于自主可控PLC的BAS系统通信协议优化工作里，工业以太网利用高速100Mbps光纤链路来构建主控器与ISCS（综合监控系统）的骨干通信网络，依靠OPCUA协议达成跨平台数据的透明传输，其标准化语义模型和加密通信机制能确保监控数据的实时性、完整性以及安全性，并且支持多客户端并发访问以满足运营调度、设备管理等上层系统的集成需求，在现场总线层面，分布式RI/O模块和末端设备采用MODBUSRTU协议进行通信，借助中继器把通信距离扩展到1.2km从而有效覆盖地铁长区间设备分布场景，在协议优化方面，通过采用自适应波特率匹配与CRC校验来增强抗干扰能力，同时优化报文结构将响应时间缩短到100ms以内，以此确保温湿度传感器、风阀执行器等设备状态能够实时反馈与精准控制，进而提升系统整体响应效率^[5]。

3.3节能优化策略

在基于自主可控PLC的BAS系统节能优化策略里，设备启停优化借助融合客流预测模型和运营时间表，动态生成设备启停计划，在运营低谷期提前关闭非关键区域照明及广告灯箱等设备，在高峰来临前预启动通风空调系统，让设备空载运行时间减少15%以上，变频调速技术针对通风机和水泵等大功率设备，采用闭环控制策略，通过压力与流量传感器实时监测负载需求，驱动变频器动态调整电机转速，使设备始终运行在高效区，实测节能率达到20%到40%，能效监测平台集成智能电表和水表数据，构建能耗数字孪生模型，通过大数据分析定位高耗能设备以及异常用能时段，生成运维优化建议，辅助管理人员制定节能改造方案，形成“监测-分析-优化”的闭环能效管理体系。

4结束语

基于自主可控PLC的城市轨道交通车站环境与设备监控系统（BAS）在可靠性、实时性和节能性方面表现相当出色，已经具备完全替代进口产品的强大实力，冗余设计、通信协议优化以及节能策略的综合运用有效提升系统整体性能与运维效率，展望未来要进一步深化AI技术在BAS中的集成应用，以此实现设备故障的智能预测与自适应调控，加速推动BAS与5G、物联网技术的深度融合来构建智慧地铁环境监控新生态，同时完善国产PLC标准体系与测试认证机制强化产业链协同创新能力，为轨道交通行业高质量发展提供坚实技术支撑。

参考文献：

[1]郝艳平,陈中川.基于和利时LK大型PLC的地铁BAS系统设计与实现[J].自动化博览,2020,(07):62-65.

[2]刘向阳.PLC技术在城市轨道交通BAS系统中的应用[J].电脑迷,2018,(12):217.

[3]张骁.城市轨道交通环境设备监控系统中多模式控制的设计与实现[D].东南大学,2018.

[4]陈海峰.基于BAS系统在城市轨道交通工程中的应用分析[J].科技风,2016,(06):103.

[5]张晓琴,张丽英.城市轨道交通环境与设备监控系统历史数据存储及其应用[J].城市轨道交通研究,2010,13(11):21-25.