[Zusammenfassung] Dieser Artikel beschreibt die Anwendung industrieller Steuerungsnetzwerke im Gebäudeautomationssystem (BAS) von U-Bahnen, analysiert dessen Schlüsseltechnologien und fasst diese Anwendung als Standardlösung für großflächige Netzwerksteuerungssysteme mit hoher Zuverlässigkeit, Sicherheit und Leistungsfähigkeit zusammen. Das Gebäudeautomationssystem (BAS, auch EMCS genannt) ist für den sicheren, effizienten und koordinierten Betrieb der Umwelt- und anderer elektromechanischer Anlagen in allen Stationen und Abschnitten der U-Bahnlinie verantwortlich und gewährleistet so hohen Komfort und optimale Energieeinsparung. Im Notfall (z. B. bei Bränden) schaltet es die Umweltkontrollgeräte in einen bestimmten Modus und bietet so Sicherheit für die Fahrgäste. Obwohl sich die spezifischen Gegebenheiten neuer U-Bahn-Projekte in China unterscheiden, ist das Gesamtkonzept des BAS-Steuerungssystems im Wesentlichen gleich: Alle Systeme basieren auf industriellen Steuerungsnetzwerken (Industrial Ethernet plus Feldbus). Dieser Artikel untersucht und analysiert umfassend die BAS-Steuerungssysteme neu gebauter und in Betrieb befindlicher U-Bahn-Projekte der letzten Jahre. 1. Grundlegende Anforderungen: Basierend auf nationalen Standards wie dem „U-Bahn-Planungscode“ und dem „Standard für intelligentes Gebäudedesign“ sowie den Gegebenheiten von U-Bahn-Gebäudeautomationssystemen (BAS) muss das BAS-Steuerungsnetzwerksystem unter Einhaltung der Grundprinzipien „dezentrale Steuerung, zentrales Management und Ressourcenteilung“ die folgenden Anforderungen erfüllen: 1) Zuverlässigkeit: Das System arbeitet stabil und zuverlässig und verwendet fortschrittliche und ausgereifte Geräte, die einen unterbrechungsfreien 24/7-Betrieb ermöglichen. Die mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) beträgt mehr als 10.000 Stunden. Dank Redundanztechnologie befindet sich das System im Hot-Standby-Modus und verfügt über Selbstheilungsfunktionen. Es kann auch dann normal weiterarbeiten, wenn gleichzeitig ein einzelner Fehler in Netzwerkgeräten, Netzwerkverbindungen, Steuerungseinrichtungen oder Kommunikationsleitungen auftritt, wobei die Fehlerbehebungszeit unter 300 ms liegt. Es zeigt eine hohe Umweltverträglichkeit und arbeitet auch unter rauen Bedingungen wie hohen Temperaturen, Staub, starken elektromagnetischen Feldern und hoher Luftfeuchtigkeit stabil. 2) Sicherheit: Das System sollte über umfassende Funktionen zur Katastrophenprävention verfügen und potenzielle Katastrophen wie Brände, Überschwemmungen, Erdbeben, Blitzeinschläge und Systemabschaltungen berücksichtigen, wobei der Brandschutz im Vordergrund steht. Das System kann das Eindringen von außen sowie unbefugte oder fehlerhafte Bedienung durch interne Mitarbeiter verhindern. 3) Echtzeitfähigkeit: Als kommerzielles Betriebssystem sollte es eine hohe Reaktionsfähigkeit aufweisen und unter allen Umständen eine präzise und echtzeitfähige Signalübertragung und -verarbeitung gewährleisten. 4) Offenheit: Es verfügt über eine offene Plattform mit einer von Anwendungssystemen unabhängigen Netzwerkarchitektur. Es verwendet gängige Datenkommunikationsprotokolle, unterstützt verschiedene Hersteller sowie diverse Endgeräte und Datenbanksysteme und lässt sich nahtlos in andere Netzwerk- und Anwendungssysteme integrieren. 5) Verwaltbarkeit: Das Netzwerksystem sollte einfach zu verwalten, zu konfigurieren und anzupassen sein und über eine benutzerfreundliche Managementoberfläche verfügen. Im Falle eines Systemausfalls sollte es effektive Möglichkeiten zur genauen und schnellen Fehlerlokalisierung bieten und das Managementpersonal alarmieren. Die durchschnittliche Systemreparaturzeit sollte maximal 0,5 Stunden betragen. 6) Skalierbarkeit: Unter Berücksichtigung der aktuellen und zukünftigen Geschäftsanforderungen über einen langen Zeitraum sollte das System leicht erweiterbar sein. Bei der Einführung neuer Technologien sollte sichergestellt werden, dass die ursprüngliche Ausrüstung größtenteils weiterverwendet werden kann, um die Investition zu schützen. 2 Systemanalyse 2.1 Systemzusammensetzung Das U-Bahn-BAS-System verwendet ein verteiltes Computersystemmanagement mit einer zentralen Managementebene, einer Stationsüberwachungsebene, einer Feldsteuerungsebene und den zugehörigen Kommunikationsnetzen. Entsprechend verwendet das BAS-Netzwerksystem eine verteilte Netzwerkstruktur mit einem Backbone-Netzwerk (Kommunikationsübertragungsnetz), zentralen und stationsbezogenen lokalen Netzwerken (LANs) sowie einem Feldbus. Das zentrale LAN ist über das Backbone-Netzwerk mit dem stationsbezogenen LAN verbunden. Die Hauptsteuerung, die Fernsteuerungen und die Remote-I/O-Module des stationsbezogenen LANs sind über den Feldbus verbunden. 2.2 Netzwerktopologie: Sowohl das Backbone-Netzwerk als auch die LANs verwenden Industrial Ethernet, jedoch unterscheiden sich ihre Netzwerkmethoden: Das Backbone-Netzwerk verwendet Singlemode-Glasfaser als Übertragungsmedium und nutzt ein redundantes Dual-Ring-Netzwerk, um Gigabit-Industrial-Ethernet zu realisieren. Entsprechend dem Dual-Ring-Backbone-Netzwerk verfügen sowohl das zentrale als auch das Stations-LAN über zwei sternförmige industrielle Ethernet-Netzwerke. Jedes Endgerät ist redundant mit dem Backbone-Netzwerk verbunden. Auf der Feldsteuerungsebene ist die Hauptsteuerung (SPS oder industrieller Steuerungsrechner) des Stations-LANs über einen Feldbus mit den Feldgeräten verbunden. Die Wahl des Feldbusses richtet sich nach den spezifischen Gegebenheiten der jeweiligen U-Bahn-Linie. Bei längeren Linien wird ein Depot als Zwischenebene zwischen dem zentralen und dem Stations-LAN eingerichtet. Netzwerk- und Zugriffsverfahren des Depot-LANs entsprechen denen des zentralen LANs. Die Endgeräte des zentralen LANs befinden sich in der Betriebsleitzentrale (OCC) der U-Bahn und sind mit industriellen Steuerungsrechnern als Bedienerstationen ausgestattet. Eine redundante Konfiguration dieser Bedienerstationen wird empfohlen. Zusätzlich können bei Bedarf Wartungsarbeitsplätze und Datenserver eingerichtet werden. Die Endgeräte des Stations-LANs befinden sich im Stationsleitstand und sind ebenfalls mit industriellen Steuerungsrechnern als Bedienerstationen ausgestattet. Die Hauptsteuerungen der Feldgeräte, typischerweise SPSen, sind ebenfalls in diesem LAN konfiguriert und bei Bedarf redundant ausgelegt. Die Depot-LAN-Terminals befinden sich im Depot-Kontrollraum und sind ähnlich wie die Terminals der Zentrale konfiguriert. 2.3 Eigenschaften der Netzwerkausrüstung: Die Netzwerk-Switching-Ausrüstung des Systems verwendet industrielle Ethernet-Backbone-Switches. Als Backbone-Netzwerkausrüstung in Hochleistungs- und Hochzuverlässigkeitssystemen muss sie neben den Funktionen herkömmlicher Switches folgende erweiterte Merkmale aufweisen: Einsatz einer leistungsstarken Switching-Engine und einer Breitband-Backplane zur Gewährleistung von Echtzeit-Netzwerkkommunikation; Unterstützung redundanter Ringnetzwerktopologien und entsprechender Protokolle; Verwendung eines gewellten Gehäuses aus einer Legierung zur Abschirmung elektromagnetischer Störungen, zur Vibrations- und Stoßfestigkeit, zur schnellen Wärmeableitung sowie zur Beständigkeit gegen Staub und Feuchtigkeit; ein breiter Temperaturbereich für den Einsatz in kalten und warmen Umgebungen; Montagemöglichkeiten auf DIN-Schiene, Wand und beliebigen Flächen für eine einfache Installation in spezifischen Umgebungen; redundante DC-Eingänge und Fehleralarmausgänge zur effektiven Gewährleistung und Reduzierung der Fehlerbehebungszeit. 3. Technische Kernpunkte Zusammenfassend lassen sich die wichtigsten und anspruchsvollsten Technologien des Systems in drei Bereiche unterteilen: Netzwerkauswahl, Netzwerkredundanz und Netzwerkmanagement. 3.1 Netzwerkauswahl Als offenste und transparenteste Architektur für industrielle Steuerungsnetzwerke hat sich Industrial Ethernet (IEE) als unverzichtbare Wahl für System-Backbones und lokale Netzwerke etabliert: Es ist vollständig kompatibel mit dem gängigen Ethernet-Standard (IEEE 802.3) und übernimmt dessen Vorteile wie hohe Übertragungsgeschwindigkeit, gute Kompatibilität, hohe Offenheit, komfortables Management, niedrige Kosten, geringer Energieverbrauch und einfache Installation. Es ermöglicht die nahtlose Verbindung zwischen industriellen Steuerungsnetzwerken und Unternehmensinformationsnetzwerken und bildet so ein vollständig offenes Netzwerk, das Management und Steuerung auf Unternehmensebene integriert und dem unaufhaltsamen Entwicklungstrend vollständig offener und integrierter industrieller Steuerungsnetzwerke entspricht. Durch den umfassenden Einsatz von Technologien und Mitteln wie Fast Switch, Virtual Local Area Network (VLAN), Quality of Service (QoS) und erhöhter Bandbreite wird eine zuverlässige Datenübertragung in Echtzeit gewährleistet. Spezielle Maßnahmen zur Störungsunterdrückung für unterschiedliche industrielle Umgebungen gewährleisten die Anpassungsfähigkeit an raue Arbeitsbedingungen. Viele gängige Gerätehersteller bieten diverse gut abgedichtete, robuste und vibrationsfeste Geräte und Steckverbinder an und lösen damit das inhärente Sicherheitsproblem weitgehend. Feldbusnetzwerke sind vollständig digitale, verteilte, interoperable und offene Verbindungsnetzwerke, die speziell für die Vernetzung von Feldgeräten und -instrumenten der untersten Ebene in der Prozess- und Fertigungsautomatisierung eingesetzt werden. Im Vergleich zu Industrial Ethernet bieten sie Vorteile hinsichtlich Echtzeitfähigkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit. Das System nutzt Feldbus auf der Feldsteuerungsebene. 3.2 Netzwerkredundanz Um eine hohe Verfügbarkeit zu gewährleisten, verwendet das System Dual-Ring-Redundanz im Backbone-Netzwerk und richtet redundante Verbindungen zwischen gepaarten Netzwerk-Switches ein (automatische Umschaltung auf den anderen Ringkanal bei Ausfall eines Ringkanals). Im Vergleich zur Single-Ring-Redundanz bietet Dual-Ring-Redundanz Redundanz sowohl für das Übertragungsmedium als auch für die Netzwerkgeräte. Bei gleichzeitigem Ausfall eines Single Point of Failure im Übertragungsmedium, den Netzwerkgeräten oder den Netzwerksteckverbindern (NICs) kann sich das System in Echtzeit selbst reparieren und ist somit vollständig redundant. Das System nutzt das Supreme-Ring-Protokoll als Netzwerkredundanzprotokoll. Supreme-Ring ist ein Ringnetzwerkredundanzprotokoll, das in industriellen Ethernet-Netzwerken eingesetzt wird. Es definiert den Austausch von Verbindungsinformationen zwischen Switches mithilfe von HELLO-Datenpaketen (auch bekannt als WD-Pakete, Watchdog-Pakete). Anfänglich initiieren die Switches keine Weiterleitungsfunktionen; stattdessen wird manuell ein Master-Switch (lokal) bestimmt. In einem redundanten Ringnetzwerk kann es nur einen Master-Switch geben. Nach der Bestimmung des Master-Switches befinden sich alle Ports im Blockierungsmodus (Ports im Blockierungsmodus leiten keine Datenframes weiter, können aber HELLO-Pakete empfangen). Der Master-Switch wählt den Port mit dem niedrigsten COST-Wert als primäre Verbindung und den Port mit einem höheren COST-Wert als Backup-Verbindung aus. Die Backup-Verbindung leitet keine Daten weiter, sondern empfängt und verarbeitet lediglich HELLO-Pakete und befindet sich im Hot-Standby-Modus (sie leitet keine Datenframes weiter, lernt aber die MAC-Adresstabelle und wechselt innerhalb von 300 ms in den Weiterleitungsmodus, wenn die primäre Verbindung ausfällt). Slave-Switches (Remote) unterscheiden nicht zwischen primären und Backup-Verbindungen. Der Master-Switch sendet periodisch Konfigurationsinformationen, die von allen Slave-Switches weitergeleitet werden. Der Master-Switch wählt dynamisch primäre und Backup-Verbindungen aus, um Schleifen zu vermeiden. Bei einer Änderung der Netzwerkstruktur wird der Netzwerkstatus neu konfiguriert. Das Supreme-Ring-Protokoll ist ein einfaches und effizientes Redundanzprotokoll, das die Wiederherstellung der Netzwerkkommunikation innerhalb von 300 ms gewährleistet, wenn eine Verbindung in einem Ringnetzwerk ausfällt. 3.3 Netzwerkmanagement Das Netzwerkmanagement umfasst im Wesentlichen drei Aspekte: Netzwerkmanagementsystem (NMS), virtuelles lokales Netzwerk (VLAN) und Dienstgüte (QoS). Das Operations Control Center (OCC) ist mit einem NMS zur Konfiguration, Überwachung und Verwaltung der Netzwerksysteme des gesamten Metrosystems ausgestattet. Die Verwaltung des BAS-Steuerungsnetzwerks ist eine zentrale Funktion dieses Systems. Das NMS basiert auf dem SNMP-Protokoll und besteht aus Netzwerkmanagement- und Überwachungssoftware. Die Netzwerkmanagementsoftware überwacht und konfiguriert primär die Switches, während die Überwachungssoftware neben den Switches auch andere Geräte (wie Bedienerstationen, Server, Controller und USV) überwacht. Im Zusammenspiel ermöglichen Netzwerkmanagement- und Überwachungssoftware die Echtzeitüberwachung des gesamten Gebäudeautomationssystems (BAS) von der Netzwerkmanagement-Workstation des Betriebsleitzentrums (OCC) aus. Das Netzwerkmanagementsystem (NMS) kann historische Netzwerkdaten aufzeichnen und statistische Analysen durchführen, um eine Grundlage für Netzwerkoptimierung und -anpassungen zu schaffen. Systemadministratoren ordnen Endgeräte verschiedener geografischer Standorte (Betriebsleitzentrum und verschiedene Stationen) unterschiedlichen virtuellen lokalen Netzwerken (VLANs) zu, basierend auf deren Ebene, Zweck und Verwaltungsanforderungen. Die VLAN-Technologie entspricht dem IEEE-802.1Q-Standard. Benutzer innerhalb desselben VLANs können normal kommunizieren, während der Informationsaustausch zwischen verschiedenen VLANs nur unter der Kontrolle des Routing-Moduls des Core-Switches möglich ist. Zu den Vorteilen der VLAN-Segmentierung gehören: effektive Kontrolle über die Verbreitung von Netzwerk-Broadcast-Informationen, reduzierte Netzwerklast und effizientere Kommunikation zwischen Benutzern innerhalb desselben virtuellen Netzwerks. Zugriffskontrollrichtlinien können zwischen verschiedenen VLANs im Routing-Modul konfiguriert werden, um unberechtigten Zugriff zu verhindern und die Netzwerksicherheit zu verbessern. In Verbindung mit einem Netzwerkmanagementsystem (NMS) können Netzwerkadministratoren das Netzwerk effektiver verwalten, einschließlich der Überwachung des Netzwerkverkehrs, der Steuerung der Verkehrsverteilung und der Festlegung von Sicherheitsstufen. Quality of Service (QoS) adressiert primär Probleme von Echtzeitsystemen. Die Grundidee von QoS besteht darin, eine bestimmte Bandbreite für Echtzeitdienste zu reservieren und so Datenpaketverlustrate, Latenz, Durchsatz und Überlastung in akzeptablen Bereichen zu halten. Zu den wichtigsten Aspekten der QoS-Technologie gehören die Implementierung von Verbindungszugangskontrolle und Traffic Shaping sowie die Abschätzung der Auswirkungen von Daten auf das gesamte Netzwerk, bevor diese in das Netzwerk gelangen. 4. Anwendungspraxis In kürzlich fertiggestellten und eröffneten U-Bahn-Projekten wie der Guangzhou Metro Linie 3, der Guangzhou Metro Linie 4, der Shenzhen Metro Linie 1 und der Nanjing Metro Linie 1 entspricht das BAS-Netzwerksteuerungssystem im Allgemeinen dem in diesem Artikel beschriebenen. Aufgrund der spezifischen Gegebenheiten jeder Linie gibt es geringfügige Unterschiede auf der Ebene der Feldsteuerung, hauptsächlich in der Auswahl und dem Anwendungsbereich des Feldbusprotokolls. Beispielsweise verwendet die U-Bahn-Linie 3 in Guangzhou auf Feldebene noch einige analoge und digitale Steuerungselemente. Im laufenden Betrieb arbeiten die Gebäudeautomationssysteme (BAS) der einzelnen Linien einwandfrei und erfüllen die Anforderungen. Aus der obigen Analyse lässt sich schließen, dass das auf industriellen Steuerungsnetzen basierende BAS-System für U-Bahnen eine Standardlösung für hochzuverlässige, sichere und leistungsstarke großflächige Netzwerksteuerungssysteme darstellt. Diese ausgereifte Lösung genießt breite Unterstützung von zahlreichen nationalen und internationalen Herstellern (wie Siemens und Schneider Electric) und findet breite Anwendung in der Gebäudeautomation, Verkehrssteuerung, Prozesssteuerung und Fabrikautomation.