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摘要：本文针对高速铁路机电设备的应用需求和机电设备的运行特征，从机电设备监控系统的组网方案、系统构成、控制器选择、电源等多个方面进行了总结和探讨。
关键词：高速铁路 机电设备监控 组网方案 系统构成
1 概述
在高速铁路、城际快速铁路的建设中，针对高速铁路线重要站场，其环控空调、通风、给排水、配电、照明、电梯等机电设备是不可或缺的。机电设备监控系统就是采用先进的计算机、通信和控制技术对机电设备进行监视、控制和管理，以达到节约能源、节省人力、提高设备自动化水平和人工管理水平的目的。本文主要探讨目前高速铁路机电设备监控的建设方案。
2 高速铁路机电设备监控系统车站组网方案
由于高速铁路机电监控以环境控制为主，各站之间机电设备的运行管理相对独立，没有对应联系和联动关系，且高速铁路线路长、跨地区广、站间距大，集中监控组网投资大，调试困难，因此在不是特别强调集中管理的情况下，一般采用分散监控方案。
分散方案就是以车站为独立监控单位，构建监控系统，全线不设监控中心，区间监控设备就近纳入附近车站监控系统，各车站机电设备独立管理运行，与其它车站可通过其它系统传递信息，也可以通过Web浏览器浏览相关车站监控信息。这种监控方案简单实用、安装调试方便，独立性强，对其它系统影响小，投资相对集中监控少。
车站机电设备监控系统主要由站级设备包括工作站、储存、输出设备，现场设备包括各种控制器、控制模块和各类检测执行单元组成。其监控对象主要包括车站供配电设备及UPS、EPS设备、照明系统、空调通风系统、给排水系统、垂直电梯、自动扶梯和停车场等。
车站机电设备监控系统从网络的配置到主控制器的构成可组成多种方案。
2.1 单网
从车站内主控制器到所有控制器、远程I/O模块之间采用单一网络和设备。单网的特点是组网简单、成本较低，基本满足高速铁路车站机电设备运营控制要求。该方案适用投资受限制、追求经济实用的项目。
2.2 部分单网、部分双网
根据被控对象的重要程度不同，可采用部分单网、部分冗余网络的组网方式。因为并不是所有的被控对象都是采用冗余配置，只有可靠性要求很高的监控设备采用双网冗余配置，对一般配电、给排水、电梯等系统则采用单网，投资可以进行有效控制。
在高速铁路机电设备车站监控系统中，无论是单网还是双网，将现场总线作为控制系统的远程I/O单元与控制器通信的联接网络，利用集散在各处的远程I/O单元采集相关信息，通过现场总线实现远距离通信。从主控制器到现场设备间的网络就是现场总线，现场总线是用于智能化设备和自动化控制系统间的多结点、总线式双向数字通信规程。现场总线接线十分简单，采用总线连接方式替代一对一的I/O连线，因而减少了电缆用量，简化连线设计；便于适当扩充现场设备，减少安装工作量；方便大量数字信息传送，完成现场设备的远程参数设定和修改。
3 系统构成
3.1 车站设多组主控制器方案
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图1 多控制器方案车站系统构成
车站监控系统结构如图1所示，系统设置2台工作站、1台数据库服务器、1台Web服务器组成，车站网络采用环形以太网。
各系统控制器负责各子系统的数据采集、规约转换、命令下达和数据预处理，负责采集、处理现场设备的数据，并下达指令完成控制任务，一般以现场总线形式与被控设施的控制模块或I/O设备相连。
监控工作站完成调度值班员人机交互功能，它为调度员执行运行操作提供了所有入口：显示各种监控画面，如变配电接线图、照明系统状态图、给排水运行图、空调通风系统运行图、电梯运行图、视频监控画面等，以及系统配置图、实时数据和信息、生产报表管理、告警信息、各种曲线、数据查询等。系统的各种控制和调节功能，如开关控制、变压器调节、照明控制、水泵调节、空调控制和调节、电梯控制以及时钟同步等，也可以通过监控画面直接操作完成。
监控工作站可以驱动打印机打印各种运行报表、告警/事故信息等，还可以驱动数字投影系统、大屏幕或模拟屏显示。
对于规模较大或要求比较苛刻的系统，还可以设置单独的维护工作站。维护工作站具备普通监控工作站的所有功能，可以用作监控工作站的备用工作站，维护工作站主要供维护工程师对系统进行参数设置、进程调度、权限管理和系统维护使用。
数据库服务器负责保存和管理监控系统的历史数据和管理信息系统的数据，保证系统数据的唯一性。
Web服务器以Web发布的方式向MIS或办公自动化系统提供服务，用户端只需使用IE浏览器即可查询监控系统的实时数据和信息、各种监控画面、管理报表、历史数据和曲线等。
数据库服务器和Web服务器可以单独设置，也可以由数据库服务器兼作Web服务器。
此种方案集中管理，分散控制，主控制器与现场I/O之间距离短，各子系统相对独立，系统之间影响较小，对大型站房、动车段、所、维修基地等比较适用。
3.2 车站设一组冗余主控制器方案
系统结构如图2，系统配置与设上面的方案类似，但车站级主控制器仅设一组，网络改为双网或单网。此方案控制管理集中，投资相对较省，但主控制器与现场I/O之间距离较长，各子系统间共用主控制器，一个子系统故障容易对其它子系统产生影响，但通过对重要监控设备采用网络冗余配置后，可满足系统可靠性要求。该方案中小型站房比较适用。
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图2 一组主控制器方案车站系统构成
4 控制器选择
机电设备监控系统可以采用PLC构建系统，也可以采用DCS构建系统。PLC是由模仿继电器控制原理发展起来的，具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能，更加适合工业现场的要求，具有高可靠性、强抗干扰能力，编程安装简便，输入和输出端更接近现场设备。DCS是在运算放大器的基础上得以发展的，具有模拟量控制的优势，在一些高级运算和大量的PID函数运算方面具有优势。对这两类系统进行分析比较如表1。
根据表1，高速铁路机电设备监控系统监控对象以开关量为主，并且工业环境下PLC系统综合性能优于DCS系统，而且在交通领域已经经过运行检验，因此在高速铁路机电设备监控系统设计中一般采用PLC系统。
5 车站监控电源
为了保障车站机电设备监控系统运行，向其提供安全、稳定、可靠的电源是必不可少的，工程中主要采用以下几种方案。
5.1 集中供电方案
在控制室设自动切换装置，由车站低压供电系统接取2路380/220V电源，切换装置后设在线式UPS， UPS分回路向车站级监控设备，现场监控模块提供电源，监控模块再向各种变送器提供电源。集中供电方案电源系统独立，供电可靠，但由于现场监控设备分散，当供电半径过长时，该供电方案就会受到局限。
5.2 分散供电方案
分散供电方案中，除控制室接取2路电源外，其它控制模块等相关控制设备电源就近接取电源，各模块箱内设备用电池。这种方案简单实用，供电线路段，但电源接取点分散，供电可靠性差。
5.3 混合供电方案
将集中供电与分散供电相结合，分区域设置切换装置和UPS，向附近控制设备提供电源，这样既可以保证供电的可靠性，又能减少供电线路。
6 结束语
高速铁路机电设备监控系统是改善交通环境、保障行车安全的重要技术手段，也是铁路企业实现节能增效，提高运行管理水平，实现综合维修管理的关键技术。与机电设备监控系统相关的系统有牵引供电、电力SCADA系统、旅客引导系统、行包管理系统、红外探测传输系统等，这些系统的设置与铁路行车组织方式及管理模式密切相关，随着高速铁路管理模式的探索，这些监控系统怎样有效衔接甚至有机融合成综合系统，还需要进一步研究和探讨。
参考文献：
[1]TB10008-2006，铁路电力设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2007.
[2]TB10621-2009，高速铁路设计规范（试行）[S].北京：中国铁道出版社，2010.
[3]刘敬军.机电设备监控系统在高速铁路中的运用[J].电气化与通信信号，2009（8）：98-103.
关键词：高速铁路 机电设备监控 组网方案 系统构成
1 概述
在高速铁路、城际快速铁路的建设中，针对高速铁路线重要站场，其环控空调、通风、给排水、配电、照明、电梯等机电设备是不可或缺的。机电设备监控系统就是采用先进的计算机、通信和控制技术对机电设备进行监视、控制和管理，以达到节约能源、节省人力、提高设备自动化水平和人工管理水平的目的。本文主要探讨目前高速铁路机电设备监控的建设方案。
2 高速铁路机电设备监控系统车站组网方案
由于高速铁路机电监控以环境控制为主，各站之间机电设备的运行管理相对独立，没有对应联系和联动关系，且高速铁路线路长、跨地区广、站间距大，集中监控组网投资大，调试困难，因此在不是特别强调集中管理的情况下，一般采用分散监控方案。
分散方案就是以车站为独立监控单位，构建监控系统，全线不设监控中心，区间监控设备就近纳入附近车站监控系统，各车站机电设备独立管理运行，与其它车站可通过其它系统传递信息，也可以通过Web浏览器浏览相关车站监控信息。这种监控方案简单实用、安装调试方便，独立性强，对其它系统影响小，投资相对集中监控少。
车站机电设备监控系统主要由站级设备包括工作站、储存、输出设备，现场设备包括各种控制器、控制模块和各类检测执行单元组成。其监控对象主要包括车站供配电设备及UPS、EPS设备、照明系统、空调通风系统、给排水系统、垂直电梯、自动扶梯和停车场等。
车站机电设备监控系统从网络的配置到主控制器的构成可组成多种方案。
2.1 单网
从车站内主控制器到所有控制器、远程I/O模块之间采用单一网络和设备。单网的特点是组网简单、成本较低，基本满足高速铁路车站机电设备运营控制要求。该方案适用投资受限制、追求经济实用的项目。
2.2 部分单网、部分双网
根据被控对象的重要程度不同，可采用部分单网、部分冗余网络的组网方式。因为并不是所有的被控对象都是采用冗余配置，只有可靠性要求很高的监控设备采用双网冗余配置，对一般配电、给排水、电梯等系统则采用单网，投资可以进行有效控制。
在高速铁路机电设备车站监控系统中，无论是单网还是双网，将现场总线作为控制系统的远程I/O单元与控制器通信的联接网络，利用集散在各处的远程I/O单元采集相关信息，通过现场总线实现远距离通信。从主控制器到现场设备间的网络就是现场总线，现场总线是用于智能化设备和自动化控制系统间的多结点、总线式双向数字通信规程。现场总线接线十分简单，采用总线连接方式替代一对一的I/O连线，因而减少了电缆用量，简化连线设计；便于适当扩充现场设备，减少安装工作量；方便大量数字信息传送，完成现场设备的远程参数设定和修改。
3 系统构成
3.1 车站设多组主控制器方案
■
图1 多控制器方案车站系统构成
车站监控系统结构如图1所示，系统设置2台工作站、1台数据库服务器、1台Web服务器组成，车站网络采用环形以太网。
各系统控制器负责各子系统的数据采集、规约转换、命令下达和数据预处理，负责采集、处理现场设备的数据，并下达指令完成控制任务，一般以现场总线形式与被控设施的控制模块或I/O设备相连。
监控工作站完成调度值班员人机交互功能，它为调度员执行运行操作提供了所有入口：显示各种监控画面，如变配电接线图、照明系统状态图、给排水运行图、空调通风系统运行图、电梯运行图、视频监控画面等，以及系统配置图、实时数据和信息、生产报表管理、告警信息、各种曲线、数据查询等。系统的各种控制和调节功能，如开关控制、变压器调节、照明控制、水泵调节、空调控制和调节、电梯控制以及时钟同步等，也可以通过监控画面直接操作完成。
监控工作站可以驱动打印机打印各种运行报表、告警/事故信息等，还可以驱动数字投影系统、大屏幕或模拟屏显示。
对于规模较大或要求比较苛刻的系统，还可以设置单独的维护工作站。维护工作站具备普通监控工作站的所有功能，可以用作监控工作站的备用工作站，维护工作站主要供维护工程师对系统进行参数设置、进程调度、权限管理和系统维护使用。
数据库服务器负责保存和管理监控系统的历史数据和管理信息系统的数据，保证系统数据的唯一性。
Web服务器以Web发布的方式向MIS或办公自动化系统提供服务，用户端只需使用IE浏览器即可查询监控系统的实时数据和信息、各种监控画面、管理报表、历史数据和曲线等。
数据库服务器和Web服务器可以单独设置，也可以由数据库服务器兼作Web服务器。
此种方案集中管理，分散控制，主控制器与现场I/O之间距离短，各子系统相对独立，系统之间影响较小，对大型站房、动车段、所、维修基地等比较适用。
3.2 车站设一组冗余主控制器方案
系统结构如图2，系统配置与设上面的方案类似，但车站级主控制器仅设一组，网络改为双网或单网。此方案控制管理集中，投资相对较省，但主控制器与现场I/O之间距离较长，各子系统间共用主控制器，一个子系统故障容易对其它子系统产生影响，但通过对重要监控设备采用网络冗余配置后，可满足系统可靠性要求。该方案中小型站房比较适用。
■
图2 一组主控制器方案车站系统构成
4 控制器选择
机电设备监控系统可以采用PLC构建系统，也可以采用DCS构建系统。PLC是由模仿继电器控制原理发展起来的，具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能，更加适合工业现场的要求，具有高可靠性、强抗干扰能力，编程安装简便，输入和输出端更接近现场设备。DCS是在运算放大器的基础上得以发展的，具有模拟量控制的优势，在一些高级运算和大量的PID函数运算方面具有优势。对这两类系统进行分析比较如表1。
根据表1，高速铁路机电设备监控系统监控对象以开关量为主，并且工业环境下PLC系统综合性能优于DCS系统，而且在交通领域已经经过运行检验，因此在高速铁路机电设备监控系统设计中一般采用PLC系统。
5 车站监控电源
为了保障车站机电设备监控系统运行，向其提供安全、稳定、可靠的电源是必不可少的，工程中主要采用以下几种方案。
5.1 集中供电方案
在控制室设自动切换装置，由车站低压供电系统接取2路380/220V电源，切换装置后设在线式UPS， UPS分回路向车站级监控设备，现场监控模块提供电源，监控模块再向各种变送器提供电源。集中供电方案电源系统独立，供电可靠，但由于现场监控设备分散，当供电半径过长时，该供电方案就会受到局限。
5.2 分散供电方案
分散供电方案中，除控制室接取2路电源外，其它控制模块等相关控制设备电源就近接取电源，各模块箱内设备用电池。这种方案简单实用，供电线路段，但电源接取点分散，供电可靠性差。
5.3 混合供电方案
将集中供电与分散供电相结合，分区域设置切换装置和UPS，向附近控制设备提供电源，这样既可以保证供电的可靠性，又能减少供电线路。
6 结束语
高速铁路机电设备监控系统是改善交通环境、保障行车安全的重要技术手段，也是铁路企业实现节能增效，提高运行管理水平，实现综合维修管理的关键技术。与机电设备监控系统相关的系统有牵引供电、电力SCADA系统、旅客引导系统、行包管理系统、红外探测传输系统等，这些系统的设置与铁路行车组织方式及管理模式密切相关，随着高速铁路管理模式的探索，这些监控系统怎样有效衔接甚至有机融合成综合系统，还需要进一步研究和探讨。
参考文献：
[1]TB10008-2006，铁路电力设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2007.
[2]TB10621-2009，高速铁路设计规范（试行）[S].北京：中国铁道出版社，2010.
[3]刘敬军.机电设备监控系统在高速铁路中的运用[J].电气化与通信信号，2009（8）：98-103.