PLC技術(shù)在地鐵BAS系統(tǒng)中的應(yīng)用

泰山科技學(xué)院 李敬 閆曉兵 劉運杰 陳春梅 李洪飛

1 引言

地鐵作為當(dāng)前社會中較為方便快捷的交通工具交通方式之一，已然成為了城市里不可或缺的重要交通工具。在地鐵領(lǐng)域中，過去固有的一套地鐵控制流程，需要大量的人員同步進(jìn)行工作，在實用性、時間的適用性以及操作的可控性上分析評估，傳統(tǒng)的控制流程在目前的地鐵應(yīng)用領(lǐng)域中上已經(jīng)完全的失去了競爭能力[1-2]。

近年來，隨著人民群眾和國家對于地鐵運行質(zhì)量和實用需求等方面要求的提高，PLC 技術(shù)已然是在各個領(lǐng)域的企業(yè)中得到了非常普遍的應(yīng)用[3-4]。本文設(shè)計了一種基于PLC控制的地鐵BAS系統(tǒng)，顯著地提升了地鐵原有的工作效率，實現(xiàn)了為企業(yè)降低投資成本，提高了產(chǎn)出效益[5]。

2 PLC概述

2.1 PLC組成及工作原理

近年來，PLC 的發(fā)展從未停止，并且發(fā)展勢頭迅猛，因此截止到現(xiàn)在，對其定義都沒能夠統(tǒng)一。國際電工委委員會（IEC）對可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC） 的定義是由邏輯運算實現(xiàn)控制的一種電子系統(tǒng)，設(shè)計的初衷是應(yīng)用于大工業(yè)環(huán)境[2]。其采用一種可編程存儲器（Programmable Memory，PM），采用內(nèi)部存儲程序、執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等指令運行，并利用數(shù)字和單元程序輸入/輸出，操縱各類機(jī)械和設(shè)備進(jìn)行高效生產(chǎn)。PLC 也可以歸屬為一個微型的計算機(jī)，其像一臺普通計算機(jī)一樣工作，在很多方面具有計算機(jī)的特點。但其工作形式比計算機(jī)要有特殊性。

PLC 是實現(xiàn)自動化控制管理的主要部分，其構(gòu)成主要是數(shù)據(jù)操控應(yīng)用體系構(gòu)成，其中的主要環(huán)節(jié)用控制器設(shè)備、儲存應(yīng)用設(shè)備等進(jìn)行實現(xiàn)，內(nèi)部數(shù)據(jù)的控制軟件用以實現(xiàn)計時、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)信息的處理與控制操作、邏輯思維的管理操作與實際的數(shù)據(jù)模擬管理、數(shù)字信息轉(zhuǎn)化之間的處理控制等。

鑒于PLC 的全面功能可以滿足實際現(xiàn)場的模擬操作管理體系的各種需求，所以該可程序編譯控制操作設(shè)備可以一定程度上滿足多種生產(chǎn)工藝的不同要求。實際現(xiàn)場數(shù)據(jù)數(shù)字信號與模擬仿真數(shù)字信號經(jīng)過反映收集，自動輸出最終結(jié)果。依據(jù)客戶應(yīng)用程序的運算最終結(jié)果，送往實際現(xiàn)場展開控制管理。主要使用情況具體如下所示。

一是現(xiàn)場實際操作管理的項目復(fù)雜，開關(guān)的種類與數(shù)目繁多，運用PLC自動操作系統(tǒng)的場合很多。

二是根據(jù)不同的實際操作要求，可以用以實現(xiàn)不同的現(xiàn)場操控求得功能板塊也非常多。

三是依據(jù)實際開發(fā)功能的復(fù)雜要求，為避免系統(tǒng)操作間的體系互相不兼容支持，PLC 相關(guān)設(shè)備與功能板塊進(jìn)行豐富多樣的研發(fā)，在高標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用要求下，提高應(yīng)用操作系統(tǒng)的適應(yīng)性，可以進(jìn)行應(yīng)用程序的監(jiān)督管理控制與刪改調(diào)整控制管理。

四是對實際現(xiàn)場總連接線通信的應(yīng)用技術(shù)的要求，PLC 的相關(guān)操作設(shè)備可以實現(xiàn)與聯(lián)動基本作用單元、實際現(xiàn)場儀表控制設(shè)備，包括上位監(jiān)督管理控制人機(jī)頁面等通信完成。

2.2 PLC選型

目前，市面上可編程控制器的品牌種類非常的多，其中能夠受到廠家和用戶大規(guī)模使用的品牌主要包括德國的Siemens、日本的Mitsubishi、法國的Schneider 等。臺達(dá)DVP16HP 作為PLC 擴(kuò)展模塊，支持4 點200kHz 硬件高速計數(shù)器，在提供這些計數(shù)器的同時，也承擔(dān)了4 個200kHz 高速脈沖輸出點的任務(wù)，從外部提供中斷的輸入點也提升到16 個，內(nèi)部設(shè)置1 個RS232 口、1 個RS485 口，外加1 個可擴(kuò)展的COM3 口，均支持MODBUS 主/從站模式。在此基礎(chǔ)功能上DVP16HP 還增加了很多控制指令，例如，通過增加運動控制指令來實現(xiàn)高速定位控制功能。

DVP16HP 作為PLC 擴(kuò)展模塊，其基本功能是在編輯過程中，程序的斷電保護(hù)以及程序自動備份功能，雙重備份功能。雙重備份功能是以實現(xiàn)另一份程序與數(shù)據(jù)的儲存。DVP16HP 還可以4 重PLC 密碼保護(hù)，全方位保密用戶的知識產(chǎn)權(quán)。將DVP16HP 選做擴(kuò)展主機(jī)的模塊，作為系統(tǒng)PLC 預(yù)留20%的接口模塊，能夠達(dá)到PLC 擴(kuò)展主機(jī)的高需求。

3 地鐵BAS系統(tǒng)

地鐵環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS） 通常情況下是將綜合監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行集成處理，但是不需要重新組建全線網(wǎng)絡(luò)。BAS 系統(tǒng)設(shè)置有三級的管理控制，分別是中央管理、車站管理、就地管理。中央級（Central Level，CL） 和車站級（Station Level，SL） 監(jiān)控功能是通過綜合監(jiān)控系統(tǒng) （Integrated Monitoring System，IMS） 的工作來完成的，BAS 作為IMS 的一個子系統(tǒng)，通過每一級可靠穩(wěn)定的密切配合，最終實現(xiàn)復(fù)雜煩瑣的功能。

地鐵環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）要求采用冗余設(shè)計的設(shè)計方式，設(shè)計內(nèi)容主要涵蓋了：網(wǎng)絡(luò)冗余（Network Redundancy， NR）、 主控冗余（MR）、接口冗余（Interface Redundancy，IR）等。在系統(tǒng)面臨故障發(fā)生時，可以以較快的速度切換到其他節(jié)點進(jìn)行替換，其余節(jié)點保持之前的模式，用來確保BAS 及其相關(guān)系統(tǒng)的嚴(yán)謹(jǐn)高效完整的運行。

地鐵環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）是基于分層分布式的架構(gòu)模式有中央級（Central Level，CL）、車站級（Station Level，SL）、現(xiàn)場級（Field Level，F(xiàn)L）。中央級是CL 位于運行控制中心（Operating Control Center，OCC）的調(diào)度工作站，由行車綜合自動化系統(tǒng)實現(xiàn)。車站級是SL位于車站監(jiān)控室和車站控制室，包括車站級行車綜合自動化系統(tǒng)監(jiān)控功能和車站BAS監(jiān)控功能。車站級監(jiān)控功能由行車綜合自動化系統(tǒng)完成，車站BAS監(jiān)控功能的實現(xiàn)是由車站BAS緊急維護(hù)終端、BAS維護(hù)工作站、PLC控制器組成。FL位于各個車站的數(shù)據(jù)采集點或者自行監(jiān)控點，要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場采集需要一些基本的元件，例如不同種類的傳感器和執(zhí)行器，不同的模塊，如遠(yuǎn)程I/O模塊、接口模塊等。

4 PLC技術(shù)在地鐵bas系統(tǒng)中的應(yīng)用

針對目前階段地鐵的BAS 控制系統(tǒng)中針對各個方面控制性能的要求，例如針對BAS 系統(tǒng)中的冗余性能、網(wǎng)絡(luò)性能以及設(shè)備性能等的要求，本文基于上述具體要求，提出了PLC 應(yīng)用于地鐵BAS 系統(tǒng)中解決方案，并且深入研究，提升系統(tǒng)性能，只有這樣才能更好的適應(yīng)地鐵BAS 系統(tǒng)對于多方面性能的要求。LK/PLC 的設(shè)計結(jié)構(gòu)采用的是模塊化的形式，包括模塊化的CPU、模塊化的電源、模塊化的通信及I/O 接口等，通過相應(yīng)的遠(yuǎn)程通信方式實現(xiàn)與I/O 接口的連接，通過這種連接方式，實現(xiàn)了現(xiàn)場信號的快速采集與收集和發(fā)送，顯著的降低了通信線纜的敷設(shè)成本和運維成本。LK 冗余PLC 的系統(tǒng)調(diào)整控制方案需要的時間非常的短，能夠使地鐵BAS 系統(tǒng)的安全性得到一定程度的保障。模塊化的CPU 主頻率非常的高，工作過程中的處理速度也是非常的快，能夠一定程度地滿足地鐵BAS 系統(tǒng)在工作過程中的各種煩瑣程序處理的需求。LK/PLC 是采用了寬溫的設(shè)計，各個板卡上都需要涂上三防漆，目的是確保當(dāng)在惡劣的地下環(huán)境中使用也能夠安全可靠。

4.1 地鐵站BAS方案

地鐵站BAS 系統(tǒng)在當(dāng)前階段中主要應(yīng)用了兩種現(xiàn)場級（Field Level，F(xiàn)L）的網(wǎng)絡(luò)。第一種FL網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)場總線（Field Bus，F(xiàn)B），第二種FL 網(wǎng)絡(luò)是以太網(wǎng)（Ethernet）?；赑ROFIBUS DP 現(xiàn)場總線（Field Bus，F(xiàn)B）的地下車站BAS 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方案是在主端ECECR 和從端ECECR 都分別配置了一套LK 冗余PLC，在地鐵站的運行主控制室的IBP 盤里則是配置一套LK 單機(jī)PLC，與此同時，設(shè)置的遠(yuǎn)程I/O 控制箱則主要是基于冗余DP 總線與PLC 的控制器實現(xiàn)了遠(yuǎn)程通信上的連接，進(jìn)而實現(xiàn)相關(guān)的數(shù)據(jù)采集與各項設(shè)備的精準(zhǔn)控制。主端環(huán)控電控室和從端環(huán)控電控室以及IBP 盤的PLC 主要是通過現(xiàn)場級的以太網(wǎng)（Ethernet）來實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的交互。

PLC 同樣能夠提供基于以太網(wǎng)（Ethernet）BAS 系統(tǒng)解決方案，基于PLC 的地下車站BAS 系統(tǒng)如圖1所示。本方案在主端ECECR 和從端ECECR 都分別配置了一套LK 冗余PLC，在地鐵車站運行控制室的IBP 盤里則是配置一套LK 單機(jī)PLC，與此同時，設(shè)置的遠(yuǎn)程I/O 控制箱則主要是基于現(xiàn)場級的以太網(wǎng)總線與PLC 的控制器實現(xiàn)了遠(yuǎn)程通信上的連接，進(jìn)而實現(xiàn)相關(guān)的數(shù)據(jù)采集與各項設(shè)備的精準(zhǔn)控制。主端ECECR 和從端ECECR 以及IBP 盤的PLC 主要是通過現(xiàn)場級（Field Level，F(xiàn)L）的以太網(wǎng)（Ethernet）來實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的交互。主端ECECR 的PLC 作為主端控制器，通過冗余以太網(wǎng)（Ethernet）與綜合監(jiān)控系統(tǒng)（Integrated Monitoring System，IMS）連接進(jìn)行設(shè)備監(jiān)控。

圖1 基于PLC的地下車站BAS系統(tǒng)

4.2 車站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

BAS 系統(tǒng)通過具體的分類，可以分為3 級不同的車站級網(wǎng)絡(luò)為車站級、子系統(tǒng)級（BAS 級）、現(xiàn)場級。

4.3 設(shè)備監(jiān)控

設(shè)備監(jiān)控可以實現(xiàn)對全部車站及區(qū)間隧道的設(shè)備實施綜合監(jiān)控，對BAS系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)的綜合監(jiān)控如圖2所示。由圖2 可知，綜合監(jiān)控對BAS 系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控，依據(jù)口令和操作權(quán)限的不同，對不同的分級實現(xiàn)各級的控制，例如對中央級、車站級施行的監(jiān)控。

圖2 對BAS系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)的綜合監(jiān)控

5 結(jié)語

隨著對地鐵運行質(zhì)量和實用需求等方面要求的提高，PLC 技術(shù)已然是在地鐵系統(tǒng)的各個領(lǐng)域中得到了非常普遍的應(yīng)用。本文設(shè)計了一種基于PLC 控制的地鐵BAS系統(tǒng)，顯著地提升了地鐵原有的工作效率，降低了地鐵公司的投資成本，顯著增加產(chǎn)出效益，提升了地鐵系統(tǒng)智能化發(fā)展。