可編程序控制器與綜合監(jiān)控系統(tǒng)采用多端通信方式的研究與應(yīng)用*

薛春陽

(北京和利時系統(tǒng)集成有限公司,100176,北京∥工程師)

BAS(環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng))作為地鐵ISCS(綜合監(jiān)控系統(tǒng))最大的專業(yè),具有設(shè)備數(shù)量多、通信數(shù)據(jù)量大、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)。PLC(可編程邏輯控制器)是BAS的核心設(shè)備,其與ISCS的通信直接影響到整個BAS的穩(wěn)定性和可靠性。PLC與ISCS間采取最優(yōu)的通信方式,可以更好地貼合ISCS頂層設(shè)計(jì)GWQS-ISCS(綠色I(xiàn)SCS、智慧ISCS、品質(zhì)ISCS及安全I(xiàn)SCS)的4個理念[1],為此,本文就PLC與ISCS 多端通信方式進(jìn)行重點(diǎn)研究,以滿足GWQS設(shè)計(jì)對ISCS品質(zhì)和安全的要求。

1 BAS的構(gòu)成

按設(shè)備功能分,地鐵車站及區(qū)間BAS網(wǎng)絡(luò)一般分為監(jiān)控層、控制層和就地層[2],其中:監(jiān)控層由操作員站、IBP(綜合后備盤)和維護(hù)工作站構(gòu)成;控制層由冗余PLC及其他通信設(shè)備構(gòu)成;就地層由安裝在現(xiàn)場的RI/O(遠(yuǎn)程輸入/輸出)及其他接口構(gòu)成。

要實(shí)現(xiàn)PLC與ISCS的多端通信,須保證車站控制層各冗余PLC與ISCS交換機(jī)在同一條通信鏈路上。PLC與ISCS多端通信的典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示,其最優(yōu)配置方式為:地鐵車站兩端分別配置2臺獨(dú)立的ISCS交換機(jī)(A交換機(jī)及B交換機(jī)),與ISCS構(gòu)建互為冗余的雙環(huán)網(wǎng)(A網(wǎng)和B網(wǎng))。冗余PLC每個機(jī)架內(nèi)均配置2塊獨(dú)立的以太網(wǎng)接口卡,這2塊接口卡分別與2臺ISCS交換機(jī)連接,以滿足與ISCS數(shù)據(jù)通信的要求。

2 PLC與ISCS多端通信的優(yōu)越性

PLC與ISCS的多端通信適應(yīng)了地鐵車站BAS全以太網(wǎng)方案的發(fā)展趨勢,改善了兩者間傳統(tǒng)單端通信的不足。本文從PLC的硬件配置、內(nèi)存容量及程序設(shè)計(jì),以及BAS的可靠性及網(wǎng)絡(luò)實(shí)時性等5個方面,對PLC與ISCS間多端通信的優(yōu)越性進(jìn)行分析。

2.1 PLC的硬件配置

2.1.1 PLC與ISCS單端通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在地鐵車站中,換乘站不僅要監(jiān)控本線的BAS設(shè)備,還要監(jiān)控鄰線部分區(qū)域或區(qū)間風(fēng)井的BAS設(shè)備。由此,與一般車站相比,換乘站內(nèi)的BAS結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,設(shè)備數(shù)量也較多。此時若采用單端通信方式,即只有靠近車控室一端的主端PLC(以下簡稱“主PLC”)與ISCS通信,顯然難以承擔(dān)如此巨大的數(shù)據(jù)通信任務(wù)。

以深圳地鐵的車公廟站為例,該站為深圳地鐵7號線、9號線及11號線的三線換乘站,目前采用單端通信方式。為了滿足數(shù)據(jù)通信的需求,須再增設(shè)1套專用的PLC與ISCS通信通道,此時車公廟站的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示,新增了1套專用的通信(PLC),與ISCS進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖2 車公廟站PLC與ISCS單端通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 PLC與ISCS多端通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

仍以車公廟站為例,如該換乘站的PLC與ISCS間采用多端通信,則與ISCS通信的專用Communication-PLC可以去掉,這不僅降低了BAS的硬件成本,還使BAS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更清晰,更符合GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》21.1.3的要求(環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)置應(yīng)遵循分散控制、集中管理、資源共享的基本原則)。車公廟站PLC與ISCS多端通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 車公廟站PLC與ISCS多端通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.2 PLC的內(nèi)存容量

PLC的內(nèi)存用于儲存數(shù)據(jù)和邏輯,其容量一般是固定的,如美國AB公司生產(chǎn)的大型冗余PLC LOGIX5561和LOGIX5571的配置內(nèi)存均為2 MiB(2 097 152 B)。當(dāng)PLC程序過大、數(shù)據(jù)量超過警戒值(PLC內(nèi)存的80%)時,將導(dǎo)致PLC甚至整個BAS網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定,進(jìn)而可能引發(fā)設(shè)備故障。為此,PLC與ISCS采用單端通信時,換乘站常增加1套與ISCS通信的PLC,以解決PLC內(nèi)存不足的問題。

對于1個標(biāo)準(zhǔn)地下車站的BAS而言,PLC與ISCS間若采用單端通信,其通信數(shù)據(jù)量大概為16 000個B;若采用多端通信,則通信數(shù)據(jù)量約為8 000 B,較單端通信下的數(shù)據(jù)量約減少一半。

2.3 PLC的程序設(shè)計(jì)

PLC與ISCS單端通信需要在PLC程序開發(fā)中處理兩端交互部分的數(shù)據(jù),通信數(shù)據(jù)量大且處理邏輯復(fù)雜,進(jìn)而導(dǎo)致出現(xiàn)PLC程序開發(fā)難度大、PLC運(yùn)行負(fù)荷重等問題。PLC與ISCS采用多端通信時,僅有IBP、FAS(火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng))及傳感器數(shù)據(jù)需要交互。經(jīng)統(tǒng)計(jì),相比單端通信,多端通信下數(shù)據(jù)的交互量可降低80%, PLC程序的開發(fā)難度大為降低,主PLC和從PLC的程序架構(gòu)更趨于一致,更有利于PLC程序的標(biāo)準(zhǔn)化。

2.4 BAS的可靠性

GB 50157—2013中21.6.1要求BAS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的可靠性、開放性和可擴(kuò)展性,且在發(fā)生故障時“應(yīng)具備減少故障波及面”的功能。因此,選擇最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信方式可以保證BAS設(shè)備保持安全、可靠、節(jié)能[3]的最佳運(yùn)行狀態(tài)。圖4是我國某地鐵車站(該站含部分BAS區(qū)間設(shè)備)不同通信方式下PLC數(shù)據(jù)流的走向示意圖。

圖4 我國某地鐵車站不同通信方式下PLC數(shù)據(jù)流的走向示意圖

如圖4 a)所示,PLC與ISCS采用單端通信時,PLC數(shù)據(jù)分為三層:①第一層鏈路為ISCS與車站主PLC間的通信層;②第二層鏈路為車站主PLC與車站從PLC、區(qū)間風(fēng)井1間的通信層;③第三層鏈路為車站從PLC與區(qū)間風(fēng)井2間的通信層。當(dāng)?shù)谝粚渔溌烦霈F(xiàn)故障時,第二層鏈路和第三層鏈路均會受到影響。當(dāng)?shù)诙渔溌烦霈F(xiàn)故障時,第三層鏈路會受到影響。因此,當(dāng)?shù)谝粚渔溌坊虻诙渔溌烦霈F(xiàn)故障時,均會擴(kuò)大故障的影響面。

如圖4 b)所示,PLC與ISCS采用多端通信時,多端通信各端的PLC在同一條通信鏈路里,且彼此間相互獨(dú)立。當(dāng)某條PLC鏈路出現(xiàn)故障時,只會影響當(dāng)前事故鏈路,不會對其他PLC鏈路造成影響,這樣可將故障的影響面降到最小。與單端通信相比,PLC與ISCS采用多端通信后,整個BAS的可靠性至少提升50%,系統(tǒng)的MTBF (平均故障間隔時間)大幅度降低。

2.5 BAS的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時性

ISCS要對BAS的所有設(shè)備進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控,且保證在災(zāi)害模式下能迅速啟動救災(zāi)模式。GB 50157—2013中21.6.1要求BAS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與功能應(yīng)滿足中央級和車站級監(jiān)控的實(shí)時性要求,因此,BAS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息的實(shí)時性至關(guān)重要,它反映了BAS與ISCS數(shù)據(jù)交互的能力。

相比單端通信,多端通信不僅平衡了各端PLC的通信數(shù)據(jù),降低了主PLC的數(shù)據(jù)量,減少了通信鏈路的層數(shù),還直接提升了PLC與ISCS進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的效率,增強(qiáng)了BAS的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時性。

如圖4 a)所示,PLC與ISCS采用單端通信時,主PLC需要承擔(dān)主PLC及從PLC兩端的通信數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)量是多端通信時的2倍,從PLC需要與主PLC通信,通過主PLC將數(shù)據(jù)傳送至ISCS并接收ISCS的控制命令。設(shè)單個PLC與ISCS傳輸數(shù)據(jù)需要時間為t,則t

如圖4 b)所示,PLC與ISCS采用多端通信時,主PLC、從PLC分別與ISCS通信,僅有小部分?jǐn)?shù)據(jù)需要在主PLC和從PLC間交互(該部分?jǐn)?shù)據(jù)可忽略不計(jì))。此時主PLC與ISCS間、從PLC與ISCS間傳輸通信數(shù)據(jù)所需的時間相等,即t3=t4=t。由此可知:t3=t4=t

3 PLC與ISCS多端通信在我國的應(yīng)用

PLC與ISCS采用多端通信方式已在北京地鐵大興機(jī)場線、深圳地鐵6號線、深圳地鐵2號線三期、深圳地鐵8號線一期及成都地鐵5號線等工程中得以成功應(yīng)用。采用PLC與ISCS多端通信的線路開通至今,各項(xiàng)目系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,通信效果良好,充分驗(yàn)證了多端通信的可行性、穩(wěn)定性及可靠性。

本文僅以深圳地鐵6號線標(biāo)準(zhǔn)車站PLC與ISCS采用多端通信的應(yīng)用效果為例進(jìn)行說明。深圳地鐵6號線BAS采用全以太網(wǎng)結(jié)構(gòu),兩端的冗余PLC配置形式相同,即:每個機(jī)架配置3塊以太網(wǎng)接口卡,其中2塊分別與配置在兩端的2臺ISCS交換機(jī)連接,另外1塊與RI/O及其他接口的網(wǎng)關(guān)連接。兩端的冗余PLC和4臺ISCS交換機(jī)之間通過基于冗余Ethernet/IP(基于以太網(wǎng)的工業(yè)協(xié)議)的光纖自愈工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)進(jìn)行連接,以實(shí)現(xiàn) BAS在ISCS中的集成。冗余PLC的硬件配置如表1所示。

表1 冗余PLC的硬件配置

深圳地鐵6號線標(biāo)準(zhǔn)車站的BAS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。深圳地鐵6號線標(biāo)準(zhǔn)車站中,PLC與ISCS采用了多端通信方式,兩端PLC在設(shè)備點(diǎn)控、模式控制、時間表控制及焓值控制等程序上保持獨(dú)立且一致,僅IBP和FAS等程序設(shè)在主PLC內(nèi),需對IBP和FAS部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)處理。多端通信方式平衡了車站兩端PLC的通信數(shù)據(jù)量,完美解決了該線BAS中主PLC因集成了MCC(電機(jī)控制中心)程序而導(dǎo)致PLC數(shù)據(jù)量過大、內(nèi)存不足等問題。

圖5 深圳地鐵6號線標(biāo)準(zhǔn)車站的BAS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語

PLC與ISCS采用多端通信,有助于優(yōu)化復(fù)雜BAS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下PLC的硬件配置,可節(jié)省工程投資,平衡各端PLC的通信數(shù)據(jù)量,節(jié)約PLC內(nèi)存,還可降低PLC程序的開發(fā)難度,推進(jìn)PLC程序標(biāo)準(zhǔn)化。采用多端通信方式后,可簡化既有的復(fù)雜BAS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),增加BAS系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,還可增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時性,提升數(shù)據(jù)通信效率。相信隨著科技的不斷發(fā)展,會有更多的新技術(shù)、新方案應(yīng)用到地鐵的BAS中,為地鐵線路的高質(zhì)量建設(shè)及安全可靠運(yùn)行提供技術(shù)支撐。