地铁BAS系统防排烟联动控制的实现.pdf

1 地铁 BAS 对 防排烟 设备 联动控制的实现 1 引言 地铁是一类 位于地下的 特殊建筑，地铁车站是人流密集的公共场所，根据国家消防规范 和地铁设计规范 的要求，必须设置火灾自动报警系统 和 消防系统 及 设备目前，地铁内均设有专业的火灾报警系统（ Fire Alarm System， FAS），担负 着 对建筑 内 火灾的探测、报警及联动控制消防设施的功能 2003 年 2 月发生在韩国大邱地铁的火灾，造成 重大人员伤亡 ， 惨痛的教训让 人 们在进行地铁建设时更加关注地铁 相 关系统对火灾的探测及消防 据统计，在火灾事故中，造成人员伤亡多是 由 有毒烟气造成 的 ，因此火灾前期的防 烟与 排烟至关重要 ，如何实现地铁 防排烟系统设备的联动控制 一直是业界争论的问题 在 新版《地铁设计规范》（ GB50157— 2003） 中 就此 明确 说明 （参见 19.2.3，19.2.14， 20.2.3， 20.3.3 条款） ， 可以采取两种方式： ① FAS 系统直接联动控制； ② 通过 地铁环境与设备监控系统（ Building Automation System， BAS） 进行联动控制， 这里 暂且 不讨论两种方式的利弊 。

深圳地铁 正 是 采用 第二种 方式 ，即通过 BAS 系统 实现对防排烟系统设备 进行 联动控制 的 2 重点与难点 采用该种方式， 将面临 和解决 以下 重点及难点问题 ： 1） BAS 与 FAS 的 接口 问题 一般情况下地铁不设置专门防排烟系统设备，多数情况下 采用 通风系统的共用设备 作为防排烟系统设备 ，它们 在正常工况下实现通风换气的功能，由 BAS 系统实现控制火灾情况下则用于防排烟，此时，对于第一种联动方式， 将 由 FAS 系统实现对它们的控制，而采用第二种方式时，则还是由 BAS 系统实施控制，这里只讨论第二种方式采用第二种方式时， BAS 则需要解决 何时进行联动控制 问题 ，由于火灾工况的探测是由 FAS 系统实现的，因此这种情况下不可避免地涉及到两系统间的 接口 提到接口，其实现一般有三种方式： IO 硬线接口、低速率异步通信接口和网络接口 IO硬线接口的特点是接口简单，容易实现，但物理连接偏于复杂而另两种方式的特点是物理连接 简单， 信息量大，但需要进行协议转换和解释，有一定技术难度 根据《地铁设计规范》的要求 （参见 19.2.7 和 20.2.3 条款 ） ，两系统间采用通信接口 ， BAS 系统将通过通信接口获得 FAS 产生的报警信息及模式联动 控制 命令信息 。

一般而言， FAS 报警主机 均带 有 通信接口，但不是为实现系统间接口设置 的 ，而是多用于报警主机之间联网或连接其外围监控设备（如图形终端、打印机等），且协议一般是基于 ASC 码的不公开的专 用 协议 深圳地铁 FAS 系统采用的是美国爱德华公司的 EST3 系统，该系统主机带有两个异步串口（ RS-232） ，一个设 置为图形终端接口，用于连接 FAS 工作站，另一个设置为打印机接口，其协议是主机固有的打印机协议BAS 系统正是要利用 这一接口 实现和 FAS 连接 ，接收 FAS 信息 从而 实现联动控制，如何在协议层能准确 接收并 解释其信息是 实现联动控制的 关键 另外，防排烟系统设备联动控制的重要性决定了系统设计时须充分考虑 BAS 与 FAS 接口的可靠性由于 EST3 主机协议是无应答协议，存在丢数据的风险，因此只通过报警主机单路径和 BAS接口是不够的，有必要考虑和开辟系统间的第二信息路径 2） BAS 接收信息的实时性和可靠性 由上可知， EST3 系统 打印机 协议是一种基于事件的 无应答的 协议， 该协议是固有协议，应用中无法改变，且 协议中无握手，无通信建立过程，更没有信息重发机制，因此如何保证 BAS 能可靠接收信息 ， 是 系统结构 设计 及信息处理 方法 中需要考虑的问题 。

3） BAS 响应信息 、 实现联动控制的 实时性 和可靠性 当 BAS 系统能正确接收 FAS 信息后， BAS 将迅速整理 、分析 、分拣信息，判断并生成控制命2 令，协调系统内相关控制器动作，从而实现联动控制，这 些 属于信息处理流程，同样 BAS 系统需要提供可靠机制 和硬件平台 来支持该 流程 的实现 3 系统 整体 设计 根据上面的分析， 为 提高 两系统互连的可靠性， 自然要考虑到系统间的网络接口 ， 利用车站局域网， 作为两系统互连的另一条信息路径 如图一 所示 ， BAS 和 FAS 有两条链路实现连接： 1） 底层 路径 利用 EST3 主机的一个 RS-232异步串口和 BAS 系统的 PLC 直接连接 ， 该接口 事先 由 EST3 系统将其配置为打印接口 深圳地铁项目中，BAS 系统控制器采用的是美国 罗克韦尔（ Rockwell） 公司的 Control Logix 系列 可 编 程 控 制 器（ Programmable Logic Controller，PLC ） ，接口模 板 采用的是美国Prosoft 公司的 MVI56-ADM 模块，该模 板 能很好地和 Control Logix 系列 PLC 集成，并能够直接安装其框架内， 它 提供 了 3 个应用物理接口， 并 可 直接 通过背板总线实现和 PLC 的 CPU 模 板 进行数据交换。

该模 板 提供了一个嵌入式系统环境 （ 16 位 DOS 环境 ） ，并且为用户提供了丰富的 应用程序接口（ Application Program Interface， API）， 用户 可以 利用 这些 API 编写适应各种 接口 应用的程序 运行于该模 板 中 深圳地铁的 BAS 利用该模板提供 的 资源，编写了 EST3 主机 打印机 协议的接口 驱动程序 ， 该驱动 用于 EST3 协议 应用层的解释工作，并将相关数据映射 到 PLC 的 共享 内存中用于 PLC程序处理 2） 上层 路径 EST3 主机提供 另一个 RS-232 异步串口用于和 FAS 监控 工作 站 连接 ， FAS 监控工作站 同时和BAS 监控工作站接入车站局域网， BAS 监控工作站通过 局域网 从 FAS 监控 工作 站获取数据，并传送至 BAS 的 PLC 控制器中，从而实现 两系统通信 数据 路径 的冗余 通过这样的系统设计，从逻辑结构上保证了 BAS 和 FAS 之间的通信可靠性，使得 BAS 的 PLC 控制器能分别通过两条 路径 获取数据，从而提高接收 FAS 数据的可靠性 4 接口协议 接口 协议的转换及解释 是采用这种方式实现联动控制的关键。

系统 在 结构 上 实现了通信 路径 的冗余，接下来 将面对 如何可靠接收并解释 FAS 的专用协议 ，并传送至 BAS 的 可编程 控制器中 在这两条通信 路径 中，涉及了 3 种 协议 ， FAS 专业提供了 2 种通信协议 ： ① 用于底层的无应答的 EST3 协议 ； ② 用于上层的有应答的基于 TCP/IP（ Transfer Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议 /网际协议） 的 CBP 协议 （ CGP（ Color Graphic Package， 彩色图形软件包 ，是 EST3 系统的软件包 ） and BAS Protocol， CBP） 另外是 利用 Rockwell 公司的 RSLinx通信引擎 ， 基于 TCP/IP 的 控制与信息协议 （ Control and Information Protocol， CIP） ，关于 CIP 这里不作详细介绍，只针对 EST3 系统的两种协议做论述 1） EST3 协议 3 如前所述， EST3 提供的是一种基于事件的无应答的打印机协议，这就要求作为接收方的驱动必须做到接收迅速、解析准确、传送及时。

首先，驱动的接收方式为中断 接收，由于是通过硬件来触发的，与常规的轮询方式比，其最大的优势是延迟 时间 极短，延迟在 纳 秒（ 10-9 秒）级；其次，解析采用了“滑动窗口”机制，对数据的解析是基于单个字节的，这样可以确保在解析时不会误丢数据；最后，在解析出一帧完整的信息后，立即把数据放入 PLC 共享内存，通知 PLC有新的事件，同时，与 PLC 的数据交换引入握制，可以确保数据被 PLC 接收 2） CBP 协议 FAS 监控工作站提供的是基于 TCP/IP 有 应答的协议，这条数据 路径 作为冗余通道提供三种应答协议， 如图 二 所示其一是网络测试帧，用于双方的相互诊断 ，协议文本内容固定，监控站定期发送，驱动收到后只需 复制文本，回馈给监控站作为响应；其二是变更信息协议，用于驱动查询监控站是否存在新的故障信息，驱动定期发送查询帧，如果收到响应并发现有新的故障，驱动以事件的方式通知本地应用层；其三是总召唤信息协议，用于驱动查询监控站当前存在的所有故障信息，驱动定期发送总召唤查询帧，如果收到响应并发现有新的故障，驱动以事件的方式通知本地应用层 显然，两种协议都有各自特点， EST3 协议最大的特点是快速，但协议有先天缺陷，存在丢失数据的可能； TCP 协议最大的特点是可靠，其缺点是存在较大延迟。

当同时采用两种协议接收数据时，可以达到相互取长补短的 效果，两系统之间的数据传递迅速、可靠，使 BAS 能够 满足联动控制系统响应性指标要求 5 联动控制 过程 实现联动控制 有 3个过程： ① 接收有效的报警信息 ； ② 模式优先级及冲突判断 ； ③ 发布模式命令，实现火灾模式控制具体流程如图 三 所示： 1）接收有效的报警信息 在由驱动层有效可靠的 接收 数据并传送至BAS 系统 后 ， BAS 系统控制器 的应用程序 须要对这些数据进行及时 的 、可靠的 读 取和处理，以避免数据被新的事件数据所覆盖 ，造成事件丢失，为此 PLC 应用程序中采取以 FAS 事件最小更新周期的 1/3 时间为周期做应用层驱动 （ C B P C li ent ）C B P Se rver数据交换变更信息网络测试总召唤图二O SF A S 主 机操 作 命 令YI B P 盘I B P 盘有 效 ？模 式 号 缓 存 区优 先 级 及 冲 突 判 断发 布 模 式 命 令接 口 控 制 器产 生 模 式 号主 控 制 器设 备 控 制 及 模式 执 行 检 测设 备 控 制 及 模式 执 行 检 测执 行 结 果 综合 判 断就 地 控 制 器就 地 控 制 器图 三4 定时查询，以可靠获取接口驱动层传递来的数据，具体是这样实现的： 在 PLC 应用中 ，专门建立 一 个周期性 的（定时中断） 接口数据处理任务（ FAS_Handler），用于读取 并处理 PLC 共享 内 存 数据。

由 前面分析可知， 由于 底层链路 的数据传递较快 ， 则 PLC 周期任务的时间 以底层链路数据更新周期为 基准 底层物理接口为异步串口，波特率 9600bps.， 接收 1 帧数 据所需时间大于 60ms， 故 将该接口处理任务的周期设定为 20ms（即 20ms 的定时中断） ，这样确保 BAS 能及时 可靠地读取 FAS 信息 接口数据处理任务 的功能是读取并处理接口数据 具体流程见图 四 所示 根据设计， BAS 系统只响应 FAS 的模式控制命令，而 FAS 系统 不能 直接传递模式命令， BAS 必须要对 FAS 数据进行整理和过滤，分拣出代表模式命令的信息（ FAS 输出的信息是 其 所有的事件， 如火警、手报、温感、矩阵、与组、故障、状态等等，而 BAS 关心的只是 有效 的逻辑与组 编号 ， FAS 事先 针对不同防火 /烟 分区 的烟感或温感探头 ，设 置不同的逻辑与组，当该。