图1  系统整体连接图

3.1  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。

3.2  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 and BAS Protocol，CBP；CGP：Color Graphic Package，彩色图形软件包，是EST3系统的软件包）。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。

4.1  EST3协议
    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的数据交换引入握手机制，可以确保数据被PLC接收。

4.2  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2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。

图2  三种应答协议

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3所示。

图3  联动控制过程流程图

5.1  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9 600bps，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。具体流程如图4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，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，当该组内相邻2个探头报警时，FAS将输出该与组的编号，作为该防火/烟分区确认的火灾报警信息，与组编号代表特定防火/烟分区的模式命令，因此BAS将在FAS传递的众多信息中分拣与组号信息，查表确定对应的防排烟模式命令编号）。另外，BAS系统通过CBP协议接收上层通信路径传递来的与组编号信息，这一层的数据过滤在运行于BAS监控工作站的接口驱动进程中实现。BAS监控工作站利用CIP协议将该信息实时写入PLC的另一共享内存中，同样PLC将根据该信息查表产生对应的防排烟模式命令编号。由于火灾事件是有先后顺序的，因此在接口数据处理任务中设计了一个长度为20的数组文件作为事件队列（First In First Out，FIFO）FAS_Evt_FIFO，用于缓存防排烟模式号，为BAS后续处理做准备。此时事件队列程序模块将比较两条路径传递来的信息，如果数据相同，则视为同一火灾事件，如果不同，则作为两个不同的事件，这些事件以模式号的方式进入事件队列。
    至此，联动控制的第一个步骤完成，这一步是BAS实现联动控制的基础。

图4  数据处理流程图

5.2  模式优先级及冲突判断
    地铁一般设有3类风系统：隧道风系统，车站公共区风系统（大系统）和设备及管理用房风系统（小系统）。根据工艺设计，这些风系统设备在不同的运营工况时动作是不一样的，不同工况下多设备不同的运行状态组合即所谓的模式，BAS将根据情况对这些设备进行群组控制即模式控制，以适应不同的工况。地铁工况一般有火灾工况、阻塞工况、正常工况等，对应有防排烟模式、阻塞模式和正常模式等，其中防排烟模式具备最高的执行优先级。另外，当同一风系统对应的不同防火（防烟）分区同时出现火灾时，根据要求要启动不同的防排烟模式，如果不同的模式对同一设备的动作要求不一样的情况，这种情况定义为模式冲突，此时BAS系统在响应并执行第一个模式的时候就不能执行第二个模式，以上工作全部由BAS可编程控制器来进行判断和处理。当出现火灾时，BAS系统首先根据事件队列里的模式号来判断工况，以决定能否优先执行该模式（火灾工况是具有最高优先级），接着BAS要根据模式号进行模式冲突判断，看是否和当前同级别的模式冲突。以上判断的结果就意味着联动控制的第二步完成。

5.3  发布模式命令，实现火灾模式控制
    经过上述2个步骤，事件队列里的某个模式经判断能够执行时，BAS系统将根据该模式号查表，取出对应的设备命令分解传输到各个就地级控制器中，由就地级控制器实现对防排烟设备的控制，至此完成联动控制。

6  联动控制的响应性及实时性

    根据《消防联动控制设备通用技术条件》（GB16806－19987）中对联动控制的有关控制方式、响应性、反馈显示等技术指标提出了具体要求。其中要求联动控制系统在接收FAS报警信息后需在3秒内发出联动控制命令（参见4.2.4条款），这里分析一下BAS系统联动控制的响应性和实时性。

在做系统设计时，对BAS联动控制的响应性和实时性采取了下列措施：
    (1)  接口驱动采用中断方式接收FAS的报警信息，并实时更新到PLC的共享内存中；
    (2)  BAS系统采用工业级控制器，其运算速度<0.1ms/k基本指令，应用程序扫描周期一般为毫秒级；
    (3)  BAS控制器之间的网络采用确定性、高速控制网络，使得联动命令的传递同样在毫秒级内完成。

图5  联动过程所需的时间