可編程邏輯控制器在上海軌道交通6號(hào)線設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

華春陽(yáng)

(中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院,100088,北京∥助理工程師)

1 概述

上海軌道交通6號(hào)線(L4線)是一條縱貫浦東新區(qū)南北的地區(qū)性輕軌線路,北起港城路站,南至濟(jì)陽(yáng)路站,線路全長(zhǎng)33 km,共設(shè)28座車站。其中高架車站9座,地下車站19座。2座主變電所分別設(shè)于巨峰路站和世紀(jì)大道站附近(世紀(jì)大道主變電所與3號(hào)線主變電所共用)。1座控制中心大樓設(shè)于民生路站附近。6號(hào)線的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)是采用可編程邏輯控制器(PLC)產(chǎn)品作為系統(tǒng)的核心部件構(gòu)建的。

設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成為兩級(jí)管理(控制中心級(jí)、車控級(jí)),三級(jí)控制(控制中心級(jí)、車控級(jí)、就地級(jí))。在控制中心調(diào)度大廳內(nèi)設(shè)置設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)控制中心級(jí),在車站控制室設(shè)車控級(jí),在車站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)就地級(jí),對(duì)其管轄范圍內(nèi)的設(shè)備實(shí)施監(jiān)控管理。

從控制中心到沿線各個(gè)車站及控制中心大樓采用同步數(shù)字系列(SDH)雙環(huán)網(wǎng)傳輸通道構(gòu)成一個(gè)雙環(huán)網(wǎng),每個(gè)站點(diǎn)作為該雙環(huán)網(wǎng)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。各個(gè)車站與控制中心之間采用兩個(gè)10/100 M自適應(yīng)TCP/IP通道連接。

地下車站級(jí)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)由車站計(jì)算機(jī)、PLC控制主機(jī)/分機(jī)、遠(yuǎn)程I/O模塊、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成。它主要監(jiān)控隧道及車站的通風(fēng)系統(tǒng)、空調(diào)大系統(tǒng)、空調(diào)小系統(tǒng)、冷水系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)等,監(jiān)測(cè)公共區(qū)、設(shè)備室等地點(diǎn)的溫濕度。系統(tǒng)配置了與防災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)(FAS)、屏蔽門、冷水機(jī)組、區(qū)間水泵等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口,同時(shí)在車控室設(shè)緊急后備控制盤(IBP),作為火災(zāi)工況下自動(dòng)控制系統(tǒng)的后備措施。IBP的操作權(quán)限高于車站和中央工作站,其信息通過(guò)打印機(jī)打印。

車站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS)控制主機(jī)/分機(jī)、車站工作站通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與通信傳輸網(wǎng)絡(luò)相接至控制中心。BAS控制分機(jī)與遠(yuǎn)程I/O模塊之間采用光纖環(huán)網(wǎng)方式連接。

2 PLC介紹

2.1 Unity Quantum自動(dòng)化控制系統(tǒng)

Unity Quantum自動(dòng)化控制系統(tǒng)包含一個(gè)或多個(gè)基架?；馨惭b了處理器、電源、數(shù)字量I/O和模擬量I/O、通信和特殊應(yīng)用等模塊,分布的遠(yuǎn)程基架可達(dá)64個(gè)。I/O模塊和特殊應(yīng)用模塊可安裝于基架的任何位置。通信模塊安裝在含有CPU模塊的基架上,電源、I/O和特殊應(yīng)用模塊可以安裝在本地基架或者分布式基架上。

在熱備系統(tǒng)中配置了兩個(gè)CPU機(jī)架。按照鏡相配置方式,兩個(gè)CPU機(jī)架采用完全相同的配置。每個(gè)CPU機(jī)架包括底板、電源、CPU模塊、以太網(wǎng)通信模塊和遠(yuǎn)程I/O通信模塊等。兩個(gè)CPU機(jī)架之間通過(guò)一根光纖連接,提供高速的數(shù)據(jù)傳輸通道,實(shí)現(xiàn)兩個(gè)CPU機(jī)架之間的數(shù)據(jù)同步(在每一個(gè)掃描周期內(nèi)完成主CPU到備用CPU之間的內(nèi)存變量同步)。當(dāng)主CPU機(jī)架上某一個(gè)部件故障不能正常完成監(jiān)控任務(wù)時(shí),在一個(gè)掃描周期內(nèi),備用CPU可切換為主CPU,接替控制任務(wù)。此時(shí)控制任務(wù)不會(huì)受到任何干擾,控制過(guò)程不會(huì)中斷。

2.2 Unity Pro系統(tǒng)軟件

Unity Pro編程軟件是基于現(xiàn)有的操作系統(tǒng)(Windows 2000和XP)并集成自動(dòng)化控制應(yīng)用所需求的各項(xiàng)功能所開發(fā)的專用軟件。Unity Pro系統(tǒng)軟件支持功能塊(用來(lái)組態(tài)模擬控制回路)、梯形圖(用來(lái)組態(tài)邏輯控制)、順序流程圖(用來(lái)組態(tài)順序控制)、指令表以及結(jié)構(gòu)文本(用于用戶自行編程和開發(fā)軟件)等5種標(biāo)準(zhǔn)的IEC 6-1131組態(tài)語(yǔ)言,它們?cè)赨nity Pro中是可以同時(shí)配合使用的。

Unity Pro軟件不僅用來(lái)組態(tài),更重要的是能夠在離線調(diào)試時(shí)完成仿真試驗(yàn)及檢查錯(cuò)誤,同時(shí)還具備在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行參數(shù)預(yù)先設(shè)定的優(yōu)勢(shì)。

Unity Pro組態(tài)具有以下特點(diǎn):

(1)可以進(jìn)行離線組態(tài)和在線組態(tài)。離線組態(tài)用于初次組態(tài),在系統(tǒng)尚未到貨時(shí)用普通的PC機(jī)即可組態(tài)調(diào)試,從而縮短工程時(shí)間。在線組態(tài)可以在不影響設(shè)備運(yùn)行的情況下,對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行修改、擴(kuò)展。

(2)圖形組態(tài)界面直觀,操作方便(見圖1)。

(3)分層結(jié)構(gòu)使控制系統(tǒng)層次分明。整個(gè)系統(tǒng)可分主程序、快速執(zhí)行程序、事件程序等。

圖1 軟件界面

3 控制系統(tǒng)方案

3.1 系統(tǒng)控制圖

由于地鐵車站內(nèi)設(shè)備分散,控制設(shè)備范圍廣,通信信息量大,因而要求控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)開放,支持遠(yuǎn)距離通信,網(wǎng)絡(luò)可靠性高,同時(shí)要求網(wǎng)絡(luò)通信帶寬高。

上海軌道交通6號(hào)線設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)采用施耐德電氣公司高性能Unity系列的Quantum和Premium共同構(gòu)建光纖環(huán)網(wǎng)的車站級(jí)控制系統(tǒng),整個(gè)網(wǎng)絡(luò)為100 M光纖工業(yè)以太網(wǎng)Modbus TCP/IP環(huán)網(wǎng);通過(guò)管理型交換機(jī)構(gòu)成自愈式光纖環(huán)網(wǎng),能夠?qū)崿F(xiàn)快速網(wǎng)絡(luò)自愈功能。整體方案采用的是目前世界最先進(jìn)的透明就緒的解決方案(見圖2)。

圖2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.2 光纖主控網(wǎng)

控制中心到沿線各個(gè)車站、控制中心大樓采用同步數(shù)字系列(SDH)雙環(huán)網(wǎng)傳輸通道構(gòu)成一個(gè)雙環(huán)網(wǎng),每個(gè)站點(diǎn)作為該雙環(huán)網(wǎng)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。各個(gè)車站與控制中心之間采用兩個(gè)10/100 M TCP/IP通道連接(各站點(diǎn)及控制中心大樓通信機(jī)械室提供兩個(gè)通道作為站內(nèi)BAS至BAS廣域網(wǎng)的接入點(diǎn))。主變電所、中間風(fēng)井設(shè)置BAS遠(yuǎn)程I/O模塊,以光纖環(huán)網(wǎng)方式接入鄰近車站BAS。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)分析

4.1 透明就緒的方案特點(diǎn)

透明就緒的定義為:使用開放的、基于Modbus TCP、因特網(wǎng)技術(shù)與Web技術(shù)的體系結(jié)構(gòu),完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、控制設(shè)備與管理系統(tǒng)的無(wú)縫集成,使用戶可以從任何地方訪問所需的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

1998年施耐德公司推出了新一代基于TCP/IP以太網(wǎng)的Modbus TCP,以滿足用戶和市場(chǎng)的進(jìn)一步要求。Modbus TCP是第一個(gè)采用TCP/IP以太網(wǎng)并用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,是至今唯一獲得國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)代理成員管理局(IANA)賦予TCP(TCP502號(hào))端口的自動(dòng)化通信協(xié)議。

Modbus TCP的應(yīng)用層仍采用Modbus協(xié)議,簡(jiǎn)單高效;傳輸層使用TCP協(xié)議,并使用TCP502號(hào)端口,用戶使用方便,連接可靠;網(wǎng)絡(luò)層采用IP協(xié)議(因?yàn)榛ヂ?lián)網(wǎng)就使用這個(gè)協(xié)議尋址)。因此Modbus TCP不但可以在局域網(wǎng)使用,還可以在廣域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)上使用。

目前的Modbus TCP以太網(wǎng)的速度為10/100 Mbit/s,大大提高了數(shù)據(jù)傳輸能力。此外,施耐德的TCP/IP以太網(wǎng)還為用戶提供更多的服務(wù),如I/O掃描、全局?jǐn)?shù)據(jù)、故障設(shè)備替換、網(wǎng)絡(luò)管理、電子郵件報(bào)警、時(shí)鐘同步等功能。

4.2 采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)構(gòu)建設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)骨干信息路徑

以太網(wǎng)以其速度、開放性和設(shè)計(jì)靈活性等特點(diǎn)日益成為受歡迎的工業(yè)應(yīng)用協(xié)議,用戶在決定其應(yīng)用的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備時(shí)將有多種選擇。上海軌道交通6號(hào)線的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)最終采用具有高可靠性以及故障恢復(fù)機(jī)制、滿足系統(tǒng)冗余度要求的工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)的方案。這個(gè)方案從技術(shù)上代表了工業(yè)系統(tǒng)的發(fā)展方向,代表了先進(jìn)的高技術(shù)含量的解決方案,同時(shí)對(duì)工程建設(shè)的參與單位提出了高技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)豐富的直接要求。

傳統(tǒng)的商用以太網(wǎng)與地鐵設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的以太網(wǎng)之間存在著巨大而關(guān)鍵的差異,而監(jiān)控系統(tǒng)以太網(wǎng)自身也有一些獨(dú)特的要求,因此監(jiān)控系統(tǒng)采用工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)的方案。

4.3 傳統(tǒng)商用以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)之間的關(guān)鍵差異

商用以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)之間最明顯的差別就是性能。其流量模式以及對(duì)交換機(jī)或介質(zhì)故障時(shí)恢復(fù)時(shí)間的敏感程度都有很大的不同。商業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用會(huì)引導(dǎo)流量從網(wǎng)絡(luò)外圍流向核心資源,而地鐵系統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用要求是端對(duì)端的,數(shù)據(jù)必須在網(wǎng)絡(luò)外圍的對(duì)等設(shè)備之間交換,以使PLC可以對(duì)上游或下游的變化做出響應(yīng),并將這些變化與操作員界面、輸入輸出設(shè)備及其他系統(tǒng)設(shè)備共用。工業(yè)以太網(wǎng)的端對(duì)端特性使其通信和冗余度要求與商用以太網(wǎng)所用的“外圍到核心”式要求大不相同。因此地鐵設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)的基本要求為:

(1)如果出現(xiàn)介質(zhì)故障,恢復(fù)時(shí)間不能影響系統(tǒng)應(yīng)用;

(2)基礎(chǔ)設(shè)施支持通信所用的數(shù)據(jù)包速率。

工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)產(chǎn)品支持冗余以太網(wǎng)環(huán),它可以在交換機(jī)或設(shè)備故障情況下實(shí)現(xiàn)亞秒級(jí)的恢復(fù)時(shí)間。這樣可以使多數(shù)情況下的應(yīng)用繼續(xù)不間斷運(yùn)行,從而允許工程和維護(hù)人員在繼續(xù)運(yùn)營(yíng)的同時(shí)處理故障問題。

以太網(wǎng)交換機(jī)及設(shè)備已發(fā)展到支持全雙工通信的水平。其中任何設(shè)備或交換機(jī)都可以同時(shí)進(jìn)行發(fā)送和接收,100 Mbit/s快速以太網(wǎng)的純可用帶寬是完全足夠的。實(shí)際上,該帶寬已超過(guò)了設(shè)備完全將其耗用的容量。服務(wù)質(zhì)量(QoS)等額外的流量管理服務(wù)更強(qiáng)化了高效而可靠的消息傳遞。此外還采用了廣播率限制,以防過(guò)多廣播擁塞設(shè)備隊(duì)列,延誤自動(dòng)化消息的處理。如果采用商用以太網(wǎng)交換機(jī),對(duì)QoS和廣播率限制等功能可能需要了解復(fù)雜的交換機(jī)操作系統(tǒng)命令。而工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)產(chǎn)品突顯這些功能,并通過(guò)使用Web瀏覽器使之更易于管理,從而使工程或維護(hù)人員可以進(jìn)行配置。

比較商業(yè)以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用之間的性能差異可以發(fā)現(xiàn),工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用在數(shù)據(jù)包速率、數(shù)據(jù)包大小以及帶寬利用方面顯示出與商業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用相反的特性(如表1所示)。

表1 工業(yè)以太網(wǎng)與商用以太網(wǎng)對(duì)比

工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用具有較高而穩(wěn)定的數(shù)據(jù)包速率,但由于數(shù)據(jù)包小得多,故總數(shù)據(jù)量較低。工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包大小通常小于500字節(jié)。較小的數(shù)據(jù)包可以更容易地進(jìn)行穿插,從而降低擁塞的可能性。

多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用采用循環(huán)、穩(wěn)態(tài)的通信,數(shù)據(jù)包猝發(fā)很少。綜合考慮數(shù)據(jù)包大小和數(shù)據(jù)包速率可以得出,其總的帶寬利用率低于2 Mbit/s。這是許多工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用的典型情況。有人可能對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)的大通信量表示擔(dān)憂,但實(shí)際情況是100 Mbit/s全雙工以太網(wǎng)對(duì)多數(shù)應(yīng)用已綽綽有余。

對(duì)于商業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用,采用更大的帶寬通?？梢垣@得更好的性能。對(duì)于工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用,額外的帶寬幾乎不起作用。工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵因素是效率和可靠性。

隨著工業(yè)以太網(wǎng)的不斷發(fā)展以及與傳統(tǒng)商用以太網(wǎng)環(huán)境的結(jié)合,我們認(rèn)識(shí)到以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備適應(yīng)任務(wù)需要的重要性,還認(rèn)識(shí)到商用以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不一定非常適合地鐵的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。

5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

5.1 可靠性

PLC控制器的配置采用了施耐德電氣首創(chuàng)、并在20多年的實(shí)踐應(yīng)用中被證實(shí)的熱備解決方案,以滿足地鐵車站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的嚴(yán)格技術(shù)要求。采用基于Modbus TCP/IP的應(yīng)用層協(xié)議的透明網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),其在傳輸層選用標(biāo)準(zhǔn)的傳輸控制協(xié)議 TCP;在收到經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的情況下,通過(guò)應(yīng)答與重傳機(jī)制保證數(shù)據(jù)可靠地傳輸,從而保證了傳輸過(guò)程中的可靠性。

北京地鐵5號(hào)線列車

5.2 靈活性

上海軌道交通6號(hào)線監(jiān)控系統(tǒng)的要求之一就是該系統(tǒng)具有增強(qiáng)的靈活性,且易于更改,可以增加新的機(jī)電設(shè)備以更換舊的設(shè)備。因此必須為操作人員更換硬件和軟件提供便利。施耐德設(shè)備支持諸如CPU熱備、模塊熱替換、Cablefast與 Telefast布線系統(tǒng)等功能,可以實(shí)現(xiàn)軌道交通運(yùn)營(yíng)維護(hù)的靈活性與簡(jiǎn)便性。

5.3 開放性

Modbus是一個(gè)開放的協(xié)議,為眾多的供應(yīng)商所支持。目前,Modbus TCP/IP已經(jīng)成為我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/Z 19582.3),為其它工控設(shè)備提供了通用的接口。其網(wǎng)絡(luò)層采用IP協(xié)議,用戶只需了解控制設(shè)備的IP地址即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的通信,而與低層網(wǎng)絡(luò)地址和硬件無(wú)關(guān)。對(duì)用戶來(lái)說(shuō),具體的某個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元(硬件和軟件)仿佛不存在一樣,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以看成一個(gè)透明網(wǎng)絡(luò)。

總之,控制網(wǎng)絡(luò)采用技術(shù)上成熟可靠并日益普及的光纖以太網(wǎng)方案,即采用“透明工廠”的概念,控制網(wǎng)絡(luò)全部采用工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)模式。工業(yè)以太網(wǎng)具用通信速度快、光纖信號(hào)不易受干擾、備配件易采購(gòu)等優(yōu)點(diǎn),以及符合開放系統(tǒng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、可以被集成到更高層的企業(yè)控制系統(tǒng)中、具有分布式結(jié)構(gòu)、降低安裝成本、使系統(tǒng)重新配置時(shí)間最短并可在軟件上操作、最小化目標(biāo)失控的風(fēng)險(xiǎn)等特點(diǎn),是現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)的一種發(fā)展趨勢(shì)。

6 結(jié)語(yǔ)

PLC對(duì)于地鐵設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)營(yíng)起到關(guān)鍵作用。正確合理地選擇PLC及其方案,對(duì)于提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性有著積極的意義。

[1]周虎,楊建國(guó),趙時(shí)旻.城市軌道交通車站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用研究[J].城市軌道交通研究,2008(7):14.

[2]李中.地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)研究[J].城市軌道交通研究,2008(10):44.