摘 要：以地铁BAS实训系统为研究对象，按照集中管理、分散控制的设计思想，基于Niagara软件平台设计和搭建了一套3层分布式地铁BAS实训系统，分为管理层、控制层、现场层，包含空调送回风和智能照明两个监控子系统。首先建立了控制层与现场层的数据通信，完成PLC的编程逻辑控制，实现控制层PLC对现场层各类开关、传感器、送风机、照明等设备的数据采集，然后建立控制层与管理层的通信，将底层的状态数据上传给Niagara上位机监控系统，同时将上位机下达的用户控制指令下达给PLC，实现对现场设备的实时监控，最后通过联动测试证明，所设计的BAS实训系统能够可靠稳定运行，投资小，结构简单，可面向学员开展地铁BAS系统检修岗位技能培训。
关键词：Niagara软件平台；BAS实训系统；上位机；监控
0 引言
地铁BAS系统是地铁机电设备的自动化监控管理系统。现阶段大部分高职院校城轨机电专业的地铁BAS系统课程授课过程中存在教学情境缺乏、教学体验差、实训操作场地受限、实训操作设备耗材成本较高、重复利用率低等情况。本文结合地铁BAS系统检修岗位技能要求，开发设计了一种基于Niagara软件平台的地铁BAS实训系统，使学生能使用主机对软件场景进行编程控制与接收反馈，对培养学生的动手实践能力具有十分重要的意义。
1 系统总体设计方案
本系统以集中管理、分散控制为设计思想，基于Niagara软件平台，设计了3层分布式地铁BAS实训系统，分为现场层、控制层和管理层。现场层为各类开关、传感器、阀门、风机、工作照明、广告照明、出入口照明等设备；控制层主要是空调送回风控制PLC及照明控制PLC；管理层由网络控制器、网络交换机、Niagara工控机及编程电脑组成。系统的总体架构设计如图1所示。
图1 系统网络结构拓扑图
其中，编程电脑通过网线直连PLC控制器进行在线编程，PLC控制模块通过硬线与最底层的各类传感器、阀门、照明等设备进行连接，完成PLC与现场设备的联动调试工作，PLC控制器基于RS485通信接口配置BACnetMS/TP协议或Modbus RTU协议，与网络控制器联网实现数据交换，网络控制器与Niagara工控机通过交换机相连，完成系统智能化集成管理。
2 系统具体设计与实现
2.1 硬件设计
本系统硬件主要由空调送回风系统和照明系统等现场设备、PLC、网络控制器、网络交换机、Niagara工控电脑、编程电脑组成。主要设备要求如下：
2.1.1 PLC
选用SIEMENSS7-400系列产品，不要求冗余配置，采用模块化结构，包括CPU、电源、通信、I/O和底板等部件。PLC的CPU处理I/O的最大能力应为实际I/O总点数4倍以上，数字量不少于64K，模拟量不少于4K，能够提供10M/100M以太网接口以及符合国际和国家标准的各类现场总线接口，满足网络通信及PLC与现场设备通信的要求。
2.1.2 智能交换机
采用工业以太网交换机，交换机端口数量应满足要求，要求至少提供2个单模光口，4个以太网电口，速率不小于100Mbps。
2.1.3 网络控制器
采用JACE8000，直接与PLC控制器通信获取现场设备状态信息，并与Niagara上位机工作站通信，以便Niagara工控机通过获取Jace网络控制器工作的数据信息间接读取PLC控制器监控点位的实时状态。
2.1.4 Niagara工控机
Niagara是Tridium公司所研发的设计用于解决设备连接应用的软件框架平台技术。Niagara工控机作为上位机，具备服务器功能，可以实现采集网络控制器数据和对网络控制器发出控制指令，从而实现对远程设备的实时监控。
2.2 PLC控制与组态编程的实现
以下以空调送回风监控子系统为例，阐述系统的实现流程。
2.2.1 PLC逻辑控制实现
（1）建立空调送回风系统I/O分配表，如表1所示。
（2）根据控制需求，进行PLC逻辑控制编程。
制冷模式冷水阀、加湿阀、新风阀控制要求：
通过PID调节，设定制冷模式的站内目标温度、目标湿度、
表1 空调送回风系统I/O分配表
目标CO2浓度值，系统能根据实时温度、湿度、CO2浓度值，对冷水阀、加湿阀、新风阀进行PID控制，实现实时温度高于目标温度、实时湿度低于目标湿度、实时CO2浓度比设定的目标CO2浓度大时，增加冷水阀、新风阀开度；实时温度低于目标温度、实时湿度高于目标湿度、CO2浓度比设定的目标CO2浓度小时，减少冷水阀、加湿阀、新风阀开度。
从以上的控制要求中可知，此控制逻辑需要用到设定目标值、采集实时值、阀门控制（开度调节）、PID算法这4个核心部分，PID控制算法的表达式如下：
式中，KP为比例增益；T1为积分时间常数；TD为微分时间常数；U（t）为控制量（控制器输出）；e（t）为被控量和设定值的偏差。
冷水阀控制逻辑简述如下：手动建“设定温度”软件点与PLC温度采集输入，利用已集成PID的核心算法组件，将PID算法组件的“kp/ki/kd/max”属性分别设置为“0.5/50/100/100”，其他按缺省设置即可。当送风机运行状态“SFSta”为“ON/true”时，选择输出结果到冷水阀控制点“CVMod”；否则，不输出。
使用与建立冷水阀控制逻辑相同的方法，实现湿度自动调节的加湿阀PID调节控制逻辑和CO2浓度自动调节的新风阀PID调节控制逻辑。
此外要求送风机在系统上可以根据时间表和系统手动分别进行控制，其控制逻辑如图2所示，不再一一赘述。
图2 送风机启停控制逻辑图
2.2.2 Niagara组态编程
实现控制层PLC对现场层各设备的数据采集后，需要建立控制层与管理层的通信，Niagara上位机监控系统的建立实现流程如图3所示。
图3 Niagara组态编程实现流程图
3 结语
本文建立了由现场层、控制层、管理层构成的3层分布式地铁BAS实训系统，控制层的功能主要由S7-400HPLC实现，完成现场数据的第一次处理和收集，将底层设备的数据集中和处理后供管理层使用。管理层的网络控制器通过BACnet MS/TP协议或ModbusRTU协议添加驱动连接PLC，完成数据的第二次采集和处理，并将数据上传给上位机工作站（服务站点），上位机工作站提供用于人机交互的图形接口，系统通过该接口向操作者显示设备状态信息、运行信息等。同时对远程设备进行监视、设置、控制等。
通过联动测试证明，所设计的BAS实训系统能够可靠、稳定运行，其投资小、结构简单，可面向学员开展地铁BAS系统检修岗位技能培训。
