北京地鐵14號(hào)線環(huán)控系統(tǒng)LK系列冗余可編程控制器應(yīng)用

黃力寧 鄧 嬪 聶占文

(北京和利時(shí)系統(tǒng)工程有限公司 北京 100176)

北京地鐵14號(hào)線環(huán)控系統(tǒng)LK系列冗余可編程控制器應(yīng)用

黃力寧 鄧 嬪 聶占文

(北京和利時(shí)系統(tǒng)工程有限公司 北京 100176)

城市軌道交通；LK系列；環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)；可編程控制器；模式控制；冗余

1 發(fā)展概況

北京地鐵14號(hào)線南起豐臺(tái)區(qū)張郭莊站，北至朝陽區(qū)善各莊站，全長(zhǎng)47.3 km，設(shè)37座車站、2座車輛段和1個(gè)停車場(chǎng)[1]。BAS(環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng))是地鐵三大監(jiān)控系統(tǒng)之一，在地鐵監(jiān)控系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，而BAS的核心控制器及其組 件 一 直被AB、施耐德、西門子、GE四大廠家所壟斷[2]。北京地鐵14號(hào)線的BAS是國(guó)內(nèi)首條采用國(guó)產(chǎn)大型冗余系列PLC(可編程控制器)作為核心控制器的地鐵環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，打破了國(guó)外PLC在這一行業(yè)的壟斷地位，提高了國(guó)產(chǎn)PLC控制系統(tǒng)在地鐵監(jiān)控系統(tǒng)中的地位，在降低地鐵監(jiān)控項(xiàng)目投資成本以及提高核心競(jìng)爭(zhēng)力等方面具有重大的積極意義。

2 和利時(shí)LK系列PLC的特點(diǎn)

2.1 與國(guó)外PLC的比較

和利時(shí)LK系列冗余PLC是國(guó)內(nèi)首臺(tái)大型冗余系列的PLC，具有高效經(jīng)濟(jì)的冗余功能、強(qiáng)大開放的通信能力、不低于國(guó)外品牌的穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)的配置價(jià)格等優(yōu)勢(shì)，已在電力、化工、冶金、交通等二十幾個(gè)行業(yè)成功應(yīng)用了數(shù)千套。

1) 高效經(jīng)濟(jì)的冗余功能。不同于其他PLC的冗余模塊實(shí)現(xiàn)冗余，LK采用兩個(gè)CPU(中央處理器)單機(jī)架硬件冗余設(shè)計(jì)，冗余切換過程是無擾切換，切換時(shí)間小于50 ms；除此之外還包括交直流電源供電冗余、2 CPU 4網(wǎng)卡的網(wǎng)絡(luò)冗余。

3) 具有強(qiáng)大的不低于國(guó)外品牌的穩(wěn)定性。LK系列PLC通過了CE和UL認(rèn)證，在多個(gè)重大項(xiàng)目中經(jīng)歷了各種現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，能滿足用戶的各種復(fù)雜需求。

2.2 在地鐵中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

在城市軌道交通BAS中，LK系列PLC在地鐵工程中的應(yīng)用，主要有以下優(yōu)勢(shì)。

1) 快速響應(yīng)優(yōu)勢(shì)：和利時(shí)PLC能更快響應(yīng)用戶服務(wù)需求，顯著提高服務(wù)質(zhì)量，在地鐵監(jiān)控系統(tǒng)中點(diǎn)數(shù)多且系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間要求高的情況下， PLC采用了主頻533 MHz的CPU，其運(yùn)算速度超過同類國(guó)外產(chǎn)品，單條指令執(zhí)行時(shí)間僅為13 ns，解決了監(jiān)控界面設(shè)備參數(shù)的快速響應(yīng)問題。

2) 定制化優(yōu)勢(shì)：由于是本地化的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和技術(shù)支持，LK系列PLC可以根據(jù)用戶的特殊需求開發(fā)個(gè)性化產(chǎn)品。

3 BAS組成

BAS主要控制全線車站及區(qū)間的環(huán)控，確保其他機(jī)電設(shè)備安全、高效、協(xié)調(diào)地運(yùn)行，保證地鐵車站及區(qū)間環(huán)境的良好舒適，產(chǎn)生最佳的節(jié)能效果，并在突發(fā)事件(如火災(zāi)和阻塞)時(shí)指揮環(huán)控設(shè)備轉(zhuǎn)向特定模式，為地鐵乘車環(huán)境提供安全保證。典型地下車站BAS網(wǎng)絡(luò)見圖1。

圖1 典型地下車站BAS網(wǎng)絡(luò)

3.1 工藝子系統(tǒng)

14號(hào)線BAS主要有EPS(消防應(yīng)急電源)、冷水系統(tǒng)、智能水表、VRV多聯(lián)體空調(diào)、大小風(fēng)機(jī)、MCC智能低壓系統(tǒng)、暖通空調(diào)、給排水、電扶梯、照明系統(tǒng)等[4]。

3.2 環(huán)控系統(tǒng)控制方案

該系統(tǒng)采用帶熱備功能的以LK210為核心的分布式PLC控制系統(tǒng)，通過BAS主干網(wǎng)Profibus-DP總線進(jìn)行高速通信，并通過接口模塊LK231將分布于車站的箱柜掛到主干網(wǎng)上，同時(shí)，通過光纖自愈環(huán)將從端PLC控制器中的設(shè)備數(shù)據(jù)傳遞到主端，實(shí)現(xiàn)對(duì)從端PLC的數(shù)據(jù)采集和命令下發(fā)；對(duì)于區(qū)間設(shè)備，則在車站有區(qū)間的一端最后一個(gè)遠(yuǎn)程箱柜以及區(qū)間箱柜中各配置一對(duì)LK233光纖模塊，將區(qū)間設(shè)備的數(shù)據(jù)通過主干網(wǎng)傳遞到PLC控制器中，保證遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院陀行訹6]。

4 BAS復(fù)雜邏輯的LK系列PLC實(shí)現(xiàn)

在地鐵車站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中重要且比較復(fù)雜的功能主要包括3方面： PLC冗余設(shè)計(jì)及主備切換機(jī)制、模式控制方式和時(shí)間表控制的實(shí)現(xiàn)。這些功能主要利用codesys開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)的PLC編程軟件Hollysys Power pro V4進(jìn)行編程操作，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

4.1 PLC冗余設(shè)計(jì)及主備切換

4.1.1 PLC冗余設(shè)計(jì)

BAS雙PLC冗余設(shè)計(jì)原理是：當(dāng)一套PLC控制系統(tǒng)中2個(gè)CPU模塊同時(shí)運(yùn)行時(shí)，一個(gè)處于主控制器狀態(tài)，一個(gè)處于備用狀態(tài)，當(dāng)主PLC出現(xiàn)故障、處于停止?fàn)顟B(tài)或斷電情況下，備用PLC控制系統(tǒng)會(huì)切換到主PLC狀態(tài)，原來的主PLC會(huì)切換到備用PLC狀態(tài)[7]。

4.1.2 PLC冗余切換機(jī)制

主備PLC的冗余切換機(jī)制主要包括以下幾種情況。1)2個(gè)CPU不同時(shí)上電的雙機(jī)搶主，即先上電的為主機(jī)，后上電的為從機(jī)。2)單機(jī)升主，即從機(jī)在運(yùn)行過程中，如果檢測(cè)到自己為單機(jī)，則升為主機(jī)。3)主機(jī)I/O故障時(shí)，從機(jī)的升主，即主機(jī)檢測(cè)到自己I/O故障時(shí)，會(huì)將自己降為從機(jī)，從機(jī)檢測(cè)到雙從狀態(tài)，就會(huì)升成主機(jī)。

主CPU控制器運(yùn)行應(yīng)用程序并操作遠(yuǎn)程I/O，如果主控制器停止，則備用控制器在一個(gè)掃描期內(nèi)獲得控制權(quán)；LK系列PLC主備切換時(shí)間不超過100 ms，遠(yuǎn)小于《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》要求的2 s時(shí)間限制。

4.2 模式控制方式

4.2.1 BAS控制方式中的模式控制

模式控制作為一種組合控制方式，按照設(shè)計(jì)院對(duì)地鐵環(huán)境設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)要求，對(duì)某子系統(tǒng)內(nèi)所有的設(shè)備按照一定的動(dòng)作序列進(jìn)行組合控制，主要分為正常模式、阻塞模式、火災(zāi)模式及排廢氣模式。

4.2.2 模式控制的功能

正常模式包括大小系統(tǒng)通風(fēng)模式、照明模式。通風(fēng)系統(tǒng)包括全新風(fēng)、小新風(fēng)、空調(diào)或非空調(diào)季節(jié)模式。環(huán)控系統(tǒng)能耗超過總能耗的50%[8]，因此正常模式在解決車站節(jié)能的問題上起著至關(guān)重要的作用。災(zāi)害模式主要用于災(zāi)害工況的聯(lián)動(dòng)控制。

4.2.3 模式控制的程序?qū)崿F(xiàn)

模式觸發(fā)有3種方式：時(shí)間判斷、事件判斷、人工干預(yù)，三者執(zhí)行的優(yōu)先級(jí)別是后者高于前者。時(shí)間判斷包含正常模式，事件判斷包含阻塞模式、火災(zāi)模式以及排廢氣模式，人工干預(yù)則可以干預(yù)任何模式。

從上面的LED點(diǎn)陣顯示原理上，可以看出，一個(gè)8×8點(diǎn)陣顯示就需要占用單片機(jī)的2個(gè)并口資源，在實(shí)際使用中，可以用2片74HC595芯片，一個(gè)74HC595芯片只需連接單片機(jī)的3位輸入輸出口即可輸出8位信息。具體連接是：74HC595芯片的Ds引腳(串行輸入)、SHcp引腳(移位寄存器的移位脈沖輸入)、STcp引腳(鎖存器的鎖存脈沖信號(hào)輸入)。輸出使能端OE接地。相關(guān)程序如下：

PLC首先掃描當(dāng)前權(quán)限所在地位置，當(dāng)前若在時(shí)間表控制下且沒有比之更高權(quán)限的模式指令時(shí)，則執(zhí)行之前預(yù)制好的時(shí)間表控制；當(dāng)有車站阻塞信息、區(qū)間火災(zāi)及中心下發(fā)的阻塞模式或火災(zāi)模式時(shí)，待車站監(jiān)控人員確認(rèn)后執(zhí)行阻塞模式；若發(fā)生車站火災(zāi)，監(jiān)控人員可手動(dòng)下發(fā)車站系統(tǒng)火災(zāi)模式號(hào)到PLC，PLC執(zhí)行車站系統(tǒng)的火災(zāi)模式。圖2為車站模式的程序原理。

圖2 車站模式控制程序原理

不同優(yōu)先級(jí)間的切換，只允許由低級(jí)切換到高級(jí)，只有高級(jí)的工況撤銷后才允許回到低級(jí)。系統(tǒng)可以直接由任意正常模式切換到火災(zāi)模式，但不允許直接由火災(zāi)模式切換到正常模式，只有火災(zāi)模式撤銷后，才能切換回正常模式。

4.3 時(shí)間表控制方式

時(shí)間表是模式控制中按照設(shè)定時(shí)間自動(dòng)觸發(fā)正常模式的高級(jí)控制方式，如照明系統(tǒng)的關(guān)閉與啟動(dòng)、運(yùn)營(yíng)前的車站系統(tǒng)通風(fēng)工作、特殊日實(shí)現(xiàn)大客流模式等，由于包含的設(shè)備多，需要控制的系統(tǒng)繁雜，僅靠手動(dòng)啟動(dòng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而時(shí)間表功能能解決這一問題。地鐵BAS正常運(yùn)行中使用最多的就是時(shí)間表功能。

一座車站的時(shí)間表有3種類型：特殊日、工作日和周末。時(shí)間表的配置和下裝：在中心ISCS(綜合監(jiān)控系統(tǒng))配置各座車站的時(shí)間表屬性，包括工藝子系統(tǒng)、模式號(hào)以及開始時(shí)間，控制中心環(huán)調(diào)操作員在人機(jī)界面點(diǎn)擊手動(dòng)時(shí)間表下裝后，控制中心時(shí)間表通過控制中心服務(wù)器、車站FEP(前端處理機(jī))直接下載到車站BAS的PLC相應(yīng)的特殊日、工作日和周末數(shù)組中。時(shí)間表的執(zhí)行：PLC完成從ISCS接收包含時(shí)間與模式號(hào)的通信字，在每天的3時(shí)和ISCS完成校時(shí)后，PLC再對(duì)當(dāng)前時(shí)間進(jìn)行3種類型判斷，確定當(dāng)天的時(shí)間屬性后，等待到達(dá)ISCS設(shè)定時(shí)間，將對(duì)應(yīng)的模式號(hào)放到模式的執(zhí)行區(qū)執(zhí)行，這樣就實(shí)現(xiàn)了設(shè)定時(shí)間執(zhí)行設(shè)定模式的時(shí)間表控制。需要注意的是，一個(gè)設(shè)備只能屬于一個(gè)系統(tǒng)，一個(gè)系統(tǒng)同一時(shí)間只能屬于一個(gè)時(shí)間表。

5 LK系列PLC實(shí)現(xiàn)的多專業(yè)聯(lián)動(dòng)

在交通運(yùn)輸部出版的《國(guó)內(nèi)外城市軌道交通事故案例評(píng)析》中，倫敦地鐵自運(yùn)營(yíng)150年來發(fā)生了99起重大事故，其中火災(zāi)事故占40.4%，占事故死亡人數(shù)的90.6%。火災(zāi)致人死亡的主要原因是吸入大量有毒和高溫氣體。因此災(zāi)害之后系統(tǒng)能快速切換到對(duì)應(yīng)的災(zāi)害模式，將有害氣體排出車站，對(duì)于保護(hù)乘客安全是至關(guān)重要的。

在14號(hào)線的設(shè)計(jì)中充分考慮了BAS在災(zāi)害模式下的時(shí)間響應(yīng)問題，LK系列的PLC能夠快速響應(yīng)FAS通信字，主端PLC能夠根據(jù)相應(yīng)的工況準(zhǔn)確無誤地執(zhí)行相應(yīng)的災(zāi)害模式，且從收到災(zāi)害信號(hào)到執(zhí)行的時(shí)間小于1s，有效保障地鐵站內(nèi)人員及設(shè)備的安全。

6 結(jié)論

北京地鐵14號(hào)線BAS是14號(hào)線監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，和利時(shí)BAS項(xiàng)目組在完成各項(xiàng)調(diào)試任務(wù)的同時(shí)，使各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，自全功能順利開通至今已經(jīng)可以安全穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)的可靠性得到了業(yè)主及監(jiān)理

[1] 北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司.北京地鐵14號(hào)線地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)招標(biāo)文件[G].北京，2007.

[2] 魏曉東.城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)與技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2004.

[3] GB 50157—2013 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2013.

[4] 北京和利時(shí)系統(tǒng)工程有限公司.LK大型可編程控制器硬件手冊(cè)[G].北京，2010.

[9] 鐵道第二勘察設(shè)計(jì)院.地鐵工程設(shè)計(jì)指南[M].北京：中國(guó)鐵道出版社,2002.

[10] 國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì).國(guó)家計(jì)委關(guān)于城市軌道交通設(shè)備國(guó)產(chǎn)化實(shí)施意見的通知[S].北京，1999.

(編輯：王艷菊)

Application of LK Series Redundant PLC in BAS for Beijing Subway Line 14

Huang Lining Deng Pin Nie Zhanwen

(Beijing Hollysys System Engineering Co., Ltd., Beijing 100176)

The control system composition and control process of the BAS in Beijing Subway Line 14 is presented. The redundant control system is realized by using the series of HollySys LK PLC as the core and the master-slave system which are communicated via the optical fiber self-healing ring bus. The mode and schedule control method is designed by using the Profibus-DP dual redundant communication as a backbone network, which guaranteed that the running states of the equipment of the interval and nine systems of station are monitored and processed in real-time. To ensure the safety of subway passengers and suitable environment for subway station, fire-fighting linkage between the BAS and the FAS is implemented based on the communication mode of modbus; moreover, temperature and the concentration of carbon dioxide is detected by some special modules around the subway station. Meanwhile, the mode of “one running while the other standing by” is adopted by the BAS in each side of the subway station based on the high speed synchronous mode, which can assure flexibility, reliability and automatic running of the BAS when one of the two systems breakdown and the other can switch back and forth.

urban rail transit; LK series; BAS; PLC; mode control; redundant

黃力寧，男，工程師，從事軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的理論與技術(shù)研究，huanglining@hollysys.com

北京地鐵14號(hào)線工程綜合監(jiān)控系統(tǒng)采購項(xiàng)目(2011ZS0000165)

U231.6

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