混合結(jié)構(gòu)環(huán)網(wǎng)PLC控制系統(tǒng)在綜合管廊監(jiān)控中的應用

張家鵬

(上海工業(yè)自動化儀表研究院有限公司，上海 200233)

0 引言

近年來，我國城市發(fā)展迅速，地下綜合管廊建設逐漸成為人們關(guān)注的焦點。早在19世紀，法國、日本等一些發(fā)達國家為更合理地利用城市地下空間、避免城市建設給民眾帶來的不便，建設了地下綜合管廊。本文以上海浦東新區(qū)張楊路共同溝監(jiān)控系統(tǒng)升級項目為背景，詳細介紹了混合結(jié)構(gòu)環(huán)網(wǎng)可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)控制系統(tǒng)在綜合管廊中的應用。

張楊路地處浦東新區(qū)陸家嘴金融、商業(yè)、貿(mào)易中心。共同溝分別位于道路兩側(cè)人行道下，與路面線布置一致，屬雙線地下綜合管廊(以下簡稱管廊)。其西起浦東南路，東至金橋路，總長約11.125 km，是現(xiàn)代化建設與市政規(guī)劃超前性的重要標志之一。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

管廊主體分為南溝和北溝兩部分，分別位于主路兩側(cè)。一套完備的監(jiān)控系統(tǒng)，包括排水、通風、照明、火災報警、電力監(jiān)控、溫濕度檢測、氧氣檢測等設備，由PLC控制系統(tǒng)完成對主要設備的控制。管廊地上部分設有兩個控制室，主控中心位于南溝側(cè)，分控中心位于北溝側(cè)。兩臺PLC分布于管廊主控中心與分控中心，通過網(wǎng)線以星型結(jié)構(gòu)接入核心交換機，與各個操作站和遠程IO(remote IO,RIO)控制站進行通信。管廊內(nèi)部離散分布有28個RIO控制站。其7個為一組，共分為4組。每組通過光纖接入核心交換機構(gòu)成環(huán)網(wǎng)?；旌辖Y(jié)構(gòu)環(huán)網(wǎng)PLC控制系統(tǒng)[1]如圖1所示。

圖1 混合結(jié)構(gòu)環(huán)網(wǎng)PLC控制系統(tǒng)

把環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡作為星型結(jié)構(gòu)的一個節(jié)點串在一根傳輸介質(zhì)上。中心節(jié)點負擔著各個節(jié)點之間的通信轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)調(diào)任務，其他節(jié)點只與中心節(jié)點相連，互相之間沒有連接[2]。由于任意節(jié)點發(fā)生故障，都不會影響整個網(wǎng)絡，故比較容易實現(xiàn)與不同網(wǎng)絡的通信，且有一定的可靠性。但是，中心節(jié)點若出現(xiàn)故障，將會造成全網(wǎng)的癱瘓，并且整個網(wǎng)絡非常復雜，不易于維護。傳統(tǒng)混合結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡，如圖2所示。

結(jié)合以往項目經(jīng)驗，本次工程采用的環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)混合結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡的基礎上進行優(yōu)化設計的。為保證整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，主控中心和分控中心各設置一臺核心交換機和一個PLC。兩臺核心交換機通過光纖連接通信，形成一個冗余型中心節(jié)點[3]；兩臺PLC利用冗余光纖構(gòu)成硬冗余結(jié)構(gòu)，采用異地冗余方式同步。每臺PLC控制器均由網(wǎng)線接入各自所在控制中心的核心交換機。管廊內(nèi)每個RIO控制站配有一臺工業(yè)級交換機，同組首交換機與主控中心核心交換機相連，尾端交換機與分控中心核心交換機相連，同組其余RIO控制站利用交換機首尾相接形成串聯(lián)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)[4]。串聯(lián)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 傳統(tǒng)混合結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡圖

圖3 串聯(lián)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

這種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)傳輸可靠性上優(yōu)于傳統(tǒng)混合結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡。由于冗余中心節(jié)點的存在，即使中心節(jié)點的一臺核心交換機在運行過程中出現(xiàn)故障，另一臺核心交換機仍然可以承擔整個網(wǎng)絡通信的轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)調(diào)任務，不會造成全網(wǎng)的癱瘓。同樣，如果一臺 PLC出現(xiàn)故障，另一臺PLC則會在極短的時間內(nèi)投入使用，不會對系統(tǒng)邏輯運算和指令收發(fā)造成影響。

2 網(wǎng)絡配置及設備選型

根據(jù)初步設計方案，為保證冗余中心節(jié)點數(shù)據(jù)通信的實時性和可靠性，本次工程主控中心和分控中心的核心交換機采用2臺支持PROFINET協(xié)議的菲尼克斯FL SWITCH GHS 12G/8-L3千兆級模塊化交換機。該設備屬于高性能的管理型交換機，集成有12個千兆級端口的交換機，可以通過接口模塊擴展至16個百兆端口，路由功能至多可達28個不同的子網(wǎng)。其靈活的模塊化設計滿足管廊現(xiàn)場的端口要求?？紤]到管廊內(nèi)部各RIO控制站機柜空間有限，所以選用28臺FL SWITCH SMCS機架式網(wǎng)管型環(huán)網(wǎng)交換機。其不但性能強大、結(jié)構(gòu)緊湊，而且集成的2個千兆級光纖端口和6個百兆級電端口均為等位端口，無主次之分，可以根據(jù)現(xiàn)場網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)靈活選擇接入方式。同時，應用交換機管理軟件對FL SWITCH SMCS機架式網(wǎng)管型環(huán)網(wǎng)交換機的通信接口進行編號，光纖接口編為1.1和1.2，電端口編為2.1～2.6。將該交換機的1.1千兆級光纖端口設置為環(huán)網(wǎng)接口，用于與管廊內(nèi)各環(huán)網(wǎng)交換機連接；1.2千兆級光纖端口設為備用端口。將2.1百兆級電端口設置為PLC通信端口，通過RJ45雙絞屏蔽網(wǎng)線進行連接；將2.2設置為備用端口，作為應急使用；將2.3百兆級電端口設置為檢修端口，并為其創(chuàng)建移動檢修工作站MAC地址白名單，只允許擁有檢修授權(quán)的外接設備進行通信；將其余端口設置為休眠狀態(tài)，暫不參與通信。這樣可對環(huán)網(wǎng)交換機的每一個端口進行網(wǎng)格式配置管理(同時鎖定每個接入端口的上/下游設備IP地址，降低網(wǎng)絡風暴的風險)，確保個環(huán)網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性[5-6]。

目前，國際上支持冗余的PLC產(chǎn)品基本都是本地冗余結(jié)構(gòu)(背板同步通信或者通過冗余模塊同步通信)。這種冗余方式的一對PLC受空間限制，必須放置在同一機柜的相鄰位置[7]。而管廊項目的主控中心與分控中心距離較遠，所以本次項目選擇PLC的一個必備條件就是支持異地冗余功能[8]。因此，本項目選用2臺菲尼克斯460R PLC。安裝在主控中心的控制器為主機，分控中心的控制器為備機，兩控制器互為熱備，通過熱備光纜進行實時數(shù)據(jù)備份。管廊內(nèi)每個RIO控制站機柜內(nèi)均選用一套性能可靠的ILC系列I/O控制器。該控制器集成有電源模塊和2個10/100 M工業(yè)以太網(wǎng)口，其控制容量可達4 096點。

同時，主機自帶參數(shù)化操作診斷RS-232-C接口，為現(xiàn)場巡檢提供了便利。

考慮到本次工程擁有較多的遠程站，為減輕PLC主控制機的負擔，在邏輯組態(tài)上進行了一些優(yōu)化。傳統(tǒng)方式是由PLC控制器根據(jù)現(xiàn)場要求完成邏輯組態(tài)，RIO控制站的輸入模塊接收現(xiàn)場設備的狀態(tài)，通過總線傳遞給PLC。PLC根據(jù)接收到的信息完成邏輯運算，再發(fā)送給輸出模塊，由輸出模塊發(fā)出指令完成設備動作。PLC傳統(tǒng)控制方式如圖4所示。

圖4 PLC傳統(tǒng)控制方式

這種控制方式需要PLC支撐所有現(xiàn)場備的邏輯運算、狀態(tài)反饋、報警反饋以及指令輸出，且邏輯組態(tài)比較平面化，在常規(guī)控制系統(tǒng)中是可行的。但是，如果系統(tǒng)中的遠程站以及受控設備過多，就有可能使PLC上載和下載的負荷急劇上升，造成數(shù)據(jù)傳輸不暢，甚至導致系統(tǒng)癱瘓。這會嚴重影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了降低這種風險，基于PCworx組態(tài)軟件，對整個組態(tài)結(jié)構(gòu)進行立體化分層管理。利用管廊內(nèi)各RIO控制站控制器可以獨立運算的優(yōu)勢，將每個RIO控制站所控制的設備劃為一個獨立區(qū)域，以區(qū)域為單位進行邏輯組態(tài)。該區(qū)域受控設備的狀態(tài)反饋，邏輯運算以及指令輸出均由該區(qū)域RIO控制站控制器完成，并將最終運算結(jié)果傳至主控PLC。這種組態(tài)模式是將管廊內(nèi)的受控設備進行分解。對于整個系統(tǒng)來說，每個RIO控制站控制器都為其分擔一部分邏輯運算，只將最終運算結(jié)果必要的結(jié)果傳遞至主控PLC。這會大大降低主控PLC的負荷，使得整個系統(tǒng)保持在一個低能耗且高效率的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

3 結(jié)束語

地下綜合管廊的控制現(xiàn)場具有比較復雜的環(huán)境，對控制要求變化較多，在設計中需要根據(jù)其獨特環(huán)境進行合理選擇安排。比如，通信形式可以采普通以太網(wǎng)，也可采用現(xiàn)場總線的形式；可以使用整體冗余環(huán)網(wǎng)架構(gòu)，也可以構(gòu)成多環(huán)網(wǎng)模式。邏輯組態(tài)也同樣需要考慮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、擴展性、靈活性等[9]。

自動化發(fā)展到今天，硬件設備與軟件編程已密不可分，強大的網(wǎng)絡功能更是支持地下綜合管廊監(jiān)控的有力工具。展望未來，地下綜合管廊在人們的生活中扮演著越來越重要的角色，成為城市生活中不可分割的部分。