可編程邏輯控制器在上海軌道交通6號線設備監控系統中的應用

華春陽

(中交水運規劃設計院,100088,北京∥助理工程師)

1 概述

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

設備監控系統的構成為兩級管理(控制中心級、車控級),三級控制(控制中心級、車控級、就地級)。在控制中心調度大廳內設置設備監控系統控制中心級,在車站控制室設車控級,在車站現場設就地級,對其管轄范圍內的設備實施監控管理。

從控制中心到沿線各個車站及控制中心大樓采用同步數字系列(SDH)雙環網傳輸通道構成一個雙環網,每個站點作為該雙環網上的一個節點。各個車站與控制中心之間采用兩個10/100 M自適應TCP/IP通道連接。

地下車站級設備監控系統由車站計算機、PLC控制主機/分機、遠程I/O模塊、網絡設備等組成。它主要監控隧道及車站的通風系統、空調大系統、空調小系統、冷水系統、照明系統、給排水系統等,監測公共區、設備室等地點的溫濕度。系統配置了與防災報警系統(FAS)、屏蔽門、冷水機組、區間水泵等系統的數據接口,同時在車控室設緊急后備控制盤(IBP),作為火災工況下自動控制系統的后備措施。IBP的操作權限高于車站和中央工作站,其信息通過打印機打印。

車站設備監控系統(BAS)控制主機/分機、車站工作站通過網絡交換機與通信傳輸網絡相接至控制中心。BAS控制分機與遠程I/O模塊之間采用光纖環網方式連接。

2 PLC介紹

2.1 Unity Quantum自動化控制系統

Unity Quantum自動化控制系統包含一個或多個基架。基架安裝了處理器、電源、數字量I/O和模擬量I/O、通信和特殊應用等模塊,分布的遠程基架可達64個。I/O模塊和特殊應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。

在熱備系統中配置了兩個CPU機架。按照鏡相配置方式,兩個CPU機架采用完全相同的配置。每個CPU機架包括底板、電源、CPU模塊、以太網通信模塊和遠程I/O通信模塊等。兩個CPU機架之間通過一根光纖連接,提供高速的數據傳輸通道,實現兩個CPU機架之間的數據同步(在每一個掃描周期內完成主CPU到備用CPU之間的內存變量同步)。當主CPU機架上某一個部件故障不能正常完成監控任務時,在一個掃描周期內,備用CPU可切換為主CPU,接替控制任務。此時控制任務不會受到任何干擾,控制過程不會中斷。

2.2 Unity Pro系統軟件

Unity Pro編程軟件是基于現有的操作系統(Windows 2000和XP)并集成自動化控制應用所需求的各項功能所開發的專用軟件。Unity Pro系統軟件支持功能塊(用來組態模擬控制回路)、梯形圖(用來組態邏輯控制)、順序流程圖(用來組態順序控制)、指令表以及結構文本(用于用戶自行編程和開發軟件)等5種標準的IEC 6-1131組態語言,它們在Unity Pro中是可以同時配合使用的。

Unity Pro軟件不僅用來組態,更重要的是能夠在離線調試時完成仿真試驗及檢查錯誤,同時還具備在實驗室進行參數預先設定的優勢。

Unity Pro組態具有以下特點:

(1)可以進行離線組態和在線組態。離線組態用于初次組態,在系統尚未到貨時用普通的PC機即可組態調試,從而縮短工程時間。在線組態可以在不影響設備運行的情況下,對現有系統進行修改、擴展。

(2)圖形組態界面直觀,操作方便(見圖1)。

(3)分層結構使控制系統層次分明。整個系統可分主程序、快速執行程序、事件程序等。

圖1 軟件界面

3 控制系統方案

3.1 系統控制圖

由于地鐵車站內設備分散,控制設備范圍廣,通信信息量大,因而要求控制系統網絡開放,支持遠距離通信,網絡可靠性高,同時要求網絡通信帶寬高。

上海軌道交通6號線設備監控系統采用施耐德電氣公司高性能Unity系列的Quantum和Premium共同構建光纖環網的車站級控制系統,整個網絡為100 M光纖工業以太網Modbus TCP/IP環網;通過管理型交換機構成自愈式光纖環網,能夠實現快速網絡自愈功能。整體方案采用的是目前世界最先進的透明就緒的解決方案(見圖2)。

圖2 網絡結構圖

3.2 光纖主控網

控制中心到沿線各個車站、控制中心大樓采用同步數字系列(SDH)雙環網傳輸通道構成一個雙環網,每個站點作為該雙環網上的一個節點。各個車站與控制中心之間采用兩個10/100 M TCP/IP通道連接(各站點及控制中心大樓通信機械室提供兩個通道作為站內BAS至BAS廣域網的接入點)。主變電所、中間風井設置BAS遠程I/O模塊,以光纖環網方式接入鄰近車站BAS。

4 系統特點分析

4.1 透明就緒的方案特點

透明就緒的定義為:使用開放的、基于Modbus TCP、因特網技術與Web技術的體系結構,完成現場設備、控制設備與管理系統的無縫集成,使用戶可以從任何地方訪問所需的實時數據。

1998年施耐德公司推出了新一代基于TCP/IP以太網的Modbus TCP,以滿足用戶和市場的進一步要求。Modbus TCP是第一個采用TCP/IP以太網并用于工業自動化領域的標準協議,是至今唯一獲得國際互聯網代理成員管理局(IANA)賦予TCP(TCP502號)端口的自動化通信協議。

Modbus TCP的應用層仍采用Modbus協議,簡單高效;傳輸層使用TCP協議,并使用TCP502號端口,用戶使用方便,連接可靠;網絡層采用IP協議(因為互聯網就使用這個協議尋址)。因此Modbus TCP不但可以在局域網使用,還可以在廣域網和互聯網上使用。

目前的Modbus TCP以太網的速度為10/100 Mbit/s,大大提高了數據傳輸能力。此外,施耐德的TCP/IP以太網還為用戶提供更多的服務,如I/O掃描、全局數據、故障設備替換、網絡管理、電子郵件報警、時鐘同步等功能。

4.2 采用工業以太環網構建設備監控系統骨干信息路徑

以太網以其速度、開放性和設計靈活性等特點日益成為受歡迎的工業應用協議,用戶在決定其應用的基礎設施設備時將有多種選擇。上海軌道交通6號線的設備監控系統最終采用具有高可靠性以及故障恢復機制、滿足系統冗余度要求的工業以太網環網的方案。這個方案從技術上代表了工業系統的發展方向,代表了先進的高技術含量的解決方案,同時對工程建設的參與單位提出了高技術水平和經驗豐富的直接要求。

傳統的商用以太網與地鐵設備監控系統的以太網之間存在著巨大而關鍵的差異,而監控系統以太網自身也有一些獨特的要求,因此監控系統采用工業級以太網交換機來實現工業以太網環網的方案。

4.3 傳統商用以太網與工業以太網之間的關鍵差異

商用以太網與工業以太網之間最明顯的差別就是性能。其流量模式以及對交換機或介質故障時恢復時間的敏感程度都有很大的不同。商業以太網應用會引導流量從網絡外圍流向核心資源,而地鐵系統的工業以太網應用要求是端對端的,數據必須在網絡外圍的對等設備之間交換,以使PLC可以對上游或下游的變化做出響應,并將這些變化與操作員界面、輸入輸出設備及其他系統設備共用。工業以太網的端對端特性使其通信和冗余度要求與商用以太網所用的“外圍到核心”式要求大不相同。因此地鐵設備監控系統中對工業以太網的基本要求為:

(1)如果出現介質故障,恢復時間不能影響系統應用;

(2)基礎設施支持通信所用的數據包速率。

工業以太網交換機產品支持冗余以太網環,它可以在交換機或設備故障情況下實現亞秒級的恢復時間。這樣可以使多數情況下的應用繼續不間斷運行,從而允許工程和維護人員在繼續運營的同時處理故障問題。

以太網交換機及設備已發展到支持全雙工通信的水平。其中任何設備或交換機都可以同時進行發送和接收,100 Mbit/s快速以太網的純可用帶寬是完全足夠的。實際上,該帶寬已超過了設備完全將其耗用的容量。服務質量(QoS)等額外的流量管理服務更強化了高效而可靠的消息傳遞。此外還采用了廣播率限制,以防過多廣播擁塞設備隊列,延誤自動化消息的處理。如果采用商用以太網交換機,對QoS和廣播率限制等功能可能需要了解復雜的交換機操作系統命令。而工業以太網交換機產品突顯這些功能,并通過使用Web瀏覽器使之更易于管理,從而使工程或維護人員可以進行配置。

比較商業以太網與工業以太網應用之間的性能差異可以發現,工業以太網應用在數據包速率、數據包大小以及帶寬利用方面顯示出與商業以太網應用相反的特性(如表1所示)。

表1 工業以太網與商用以太網對比

工業以太網應用具有較高而穩定的數據包速率,但由于數據包小得多,故總數據量較低。工業以太網數據包大小通常小于500字節。較小的數據包可以更容易地進行穿插,從而降低擁塞的可能性。

多數工業以太網應用采用循環、穩態的通信,數據包猝發很少。綜合考慮數據包大小和數據包速率可以得出,其總的帶寬利用率低于2 Mbit/s。這是許多工業以太網應用的典型情況。有人可能對工業以太網的大通信量表示擔憂,但實際情況是100 Mbit/s全雙工以太網對多數應用已綽綽有余。

對于商業以太網應用,采用更大的帶寬通常可以獲得更好的性能。對于工業以太網應用,額外的帶寬幾乎不起作用。工業以太網應用的關鍵因素是效率和可靠性。

隨著工業以太網的不斷發展以及與傳統商用以太網環境的結合,我們認識到以太網基礎設施設備適應任務需要的重要性,還認識到商用以太網標準不一定非常適合地鐵的現場環境。

5 系統結構的優點

5.1 可靠性

PLC控制器的配置采用了施耐德電氣首創、并在20多年的實踐應用中被證實的熱備解決方案,以滿足地鐵車站設備監控系統的嚴格技術要求。采用基于Modbus TCP/IP的應用層協議的透明網絡系統,其在傳輸層選用標準的傳輸控制協議 TCP;在收到經網絡傳來的錯誤數據的情況下,通過應答與重傳機制保證數據可靠地傳輸,從而保證了傳輸過程中的可靠性。

北京地鐵5號線列車

5.2 靈活性

上海軌道交通6號線監控系統的要求之一就是該系統具有增強的靈活性,且易于更改,可以增加新的機電設備以更換舊的設備。因此必須為操作人員更換硬件和軟件提供便利。施耐德設備支持諸如CPU熱備、模塊熱替換、Cablefast與 Telefast布線系統等功能,可以實現軌道交通運營維護的靈活性與簡便性。

5.3 開放性

Modbus是一個開放的協議,為眾多的供應商所支持。目前,Modbus TCP/IP已經成為我國的國家標準(GB/Z 19582.3),為其它工控設備提供了通用的接口。其網絡層采用IP協議,用戶只需了解控制設備的IP地址即可實現設備之間的通信,而與低層網絡地址和硬件無關。對用戶來說,具體的某個網絡單元(硬件和軟件)仿佛不存在一樣,整個網絡可以看成一個透明網絡。

總之,控制網絡采用技術上成熟可靠并日益普及的光纖以太網方案,即采用“透明工廠”的概念,控制網絡全部采用工業以太網的網絡模式。工業以太網具用通信速度快、光纖信號不易受干擾、備配件易采購等優點,以及符合開放系統國際標準、可以被集成到更高層的企業控制系統中、具有分布式結構、降低安裝成本、使系統重新配置時間最短并可在軟件上操作、最小化目標失控的風險等特點,是現場控制網絡的一種發展趨勢。

6 結語

PLC對于地鐵設備監控系統的正常運營起到關鍵作用。正確合理地選擇PLC及其方案,對于提高系統運行的穩定性和可靠性有著積極的意義。

[1]周虎,楊建國,趙時旻.城市軌道交通車站設備監控系統網絡化應用研究[J].城市軌道交通研究,2008(7):14.

[2]李中.地鐵綜合監控系統應用技術研究[J].城市軌道交通研究,2008(10):44.