基于工業以太網的地鐵典型機電設備監控系統

華 平 孟慶波 張志軍 崔 剛

基于工業以太網的地鐵典型機電設備監控系統

華 平 孟慶波 張志軍 崔 剛

（鄭州鐵路職業技術學院電氣工程系，450052，鄭州//第一作者，副教授）

基于Modbus TCP/IP工業以太網通信，利用GE Proficy HMI/SCADA-iFIX平臺及GE VersaMax控制器，來開發和設計地鐵典型機電設備的小型監控系統。進行了系統架構設計和系統功能設計，并詳細闡述了系統監控實現方法。著重介紹了環境與設備監控系統及站臺屏蔽門系統等。分別描述了該監控系統的分層分布式集散控制系統框架設計、用戶安全策略、Modbus TCP/IP通信協議實施、子系統集成及聯動機制。

地鐵；工業以太網；機電設備監控

AbstractBased on Modbus TCP/IPindustrial Ethernet communication，by using GE Proficy HMI/SCADA-iFIX platform and GE VersaMax PLC （programmable logic controller），the subway electromechanical equipment prototype monitoring and control system is developed，the architecture and system function of which are designed，the implementation of the monitoring and control function is illustrated.Then，the BAS（building automation system）and PSD （platform screen door system）are specially introduced.The framework design for large hierarchical distributed collecting and distributing control system,the security strategy，the Modbus TCP/IP communication protocol implementation，the subsystem integration and linkage mechanism are also described respectively.

Key wordssubway； industrial Ethernet； electromechanical equipment monitoring and control

Author′s addressZhengzhou Railway Vocational and Technical College，450052，Zhengzhou，China

作為地鐵自動化技術的重要組成部分，地鐵機電設備監控系統的子系統及機電設備的種類繁多、分布分散、系統龐大、結構復雜。實現地鐵機電設備的有效監控和高效管理，已成為設計規劃單位和地鐵運營部門關注的重點課題。

地鐵機電設備監控系統集成的三大要素是開放系統、應用需求和接口。工業PC（個人計算機）+HMI（人際界面）+PLC（可編輯邏輯控制器）構成開放系統的主要結構。應用需求則需按工程實際確定具體的結構、選型和指標。而系統集成的接口主要分布在兩層的通信網絡上：上層通信網絡以工業以太網（Ethernet）為主，實現高的數據吞吐率；下層通信網絡以現場總線（Fieldbus）為主，控制分散的I/O（輸入/輸出）設備，包括傳感器及執行機構等［1］。

本文基于Modbus TCP/IP工業以太網通信，利用GE Proficy HMI/SCADA-iFIX平臺及GE VersaMax控制器，來開發設計地鐵典型機電設備的小型監控系統（以下簡為“典型監控系統”）。本文主要研究地鐵綜合監控各子系統及機電設備的集散式控制，實現其互聯互通、多點測控、單體/系統控制、本地/遠程控制等集成目標。研究目的在于利用GE（美國通用電氣公司）產品及技術的高集成度和大開放性，探索多技術融合和大系統集成在軌道交通領域的工程應用。

1 典型監控系統的組成及功能

1.1 通信協議

GE Fanuc PLC工業以太網通信采用3類協議：EGD（Ethernet Global Data）、SRTP TCP/IP（Service Request Transport Protocol，GE 專有） 及 Modbus TCP/IP（非專有協議，與設備廠商無關）。本文研究的典型監控系統集成采用Modbus TCP/IP。這是一種底層的基于TCP/IP應用層的報文傳輸協議。通過此開放協議，控制器之間或控制器與其他設備之間可通過網絡以服務器或客戶端的形式實現通信（見圖 1）。

通過簡化OSI（開放系統互連）參考模型的7層結構，可得到Modbus TCP/IP的以太網通信模型（見圖2）。簡化過程只使用到 OSI參考模型的5層結構。只需在應用層應用Modbus TCP/IP，即能在所有網絡架構中都實現簡單便捷的通信。由于Modbus TCP/IP為公開協議，確定集成系統各IP后，要寫入COMM REQ程序，而CPU（中央處理器）中有Modbus和GE PLC的地址映射。

圖1 Modbus TCP/IP在設備之間的通信過程

圖2 Modbus TCP/IP的以太網通信模型

1.2 GE相關產品及技術

GE不僅為我國鐵路基礎設施提供了大功率、高原型的機車和信號設備，而且在上海軌道交通9號線1期FAS（火災監控系統）設備聯動系統和2期BAS（環境與設備監控系統），上海軌道交通3號線PSCADA（電力監控與數據采集）系統、北京地鐵2號線車輛設備消隱改造工程計劃BAS、廣州地鐵2號線 EMCS（設備監控系統）工程、南京地鐵1號和2號線的AFC（自動售檢票）系統，以及香港九廣鐵路東線、西線，印度新德里地鐵1號線、2號線、3號線的HMI等均有應用。GE產品及技術的采用對于改善機電設備系統的自動化水平、提高地鐵安全性能起到了重要作用，并為與其他運行控制系統集成提供了可能。

GE Proficy HMI/SCADA-iFIX產品具有強大的SCADA（數據采集與監控）引擎、豐富的通信連接能力和開放的系統架構，其技術優勢主要體現在快速的系統開發配置和應用集成兩個方面［2］。VersaMax是GE推出的新一代中端可編程控制器，既可作為單獨的PLC控制機，又可作為I/O子站通過現場總線受控于其他主控設備，還可構成由多臺PLC組成的分布式大型控制系統。

為實現典型監控系統的集成和控制要求，GE產品及技術涉及GE VersaMax組件（包括IC200CPUE05、IC200PWR002、IC200MDL650、IC200-MDL750、IC200ALG264、IC200ALG326、IC200CHS-022、IC200ACC313 等）、GE Proficy Machine Edition、GE Proficy HMI/SCADA-iFIX 等。

1.3 系統架構

本文利用GE Proficy HMI/SCADA-iFIX產品來開發和設計典型監控系統的HMI，使用GE Versamax及分散I/O來實現系統的分布式監控。典型監控系統選擇2類5個地鐵子系統及其機電設備進行原型構建。整體架構如圖3所示。

1.4 系統功能

上位機HMI能夠實現操作安全、穩定友好的人機交互，建立實時數據庫，保存數據采集；查詢歷史數據；查詢報警一覽及歷史報警，進行實時監控和實現日報表的生成、保存、打印等功能［3］。中央級監控（上位機1）能與車站級監控（上位機2）實現通信及聯動；車站級監控（上位機2）可控制下屬的5個子系統（機電設備）；單體機電設備可以獨立操作，多臺機電設備通過GE VersaMax能夠實現集成或互聯。限于篇幅，本文僅對典型監控系統的BAS和事務管理系統的PSD系統進行闡述。

圖3 典型監控系統架構

BAS實行中心級、車站級兩級管理，采用中心級、車站級、就地級三級控制方式。中心級主要負責全線BAS的日常調度、控制模式、運行統計等工作；車站級主要負責本站機電設備的單點控制、執行中心級模式控制、編輯臨時時間表控制、顯示各種工作狀態與報警等。

PSD系統的開關動作需滿足地鐵時間參數要求。PSD系統應具有關門延時和防夾功能，并有能實現站臺屏蔽門與車門間開門先后次序的模式。PSD系統能通過上位機通信接口，實現PSD系統的設備組網和互聯互通，能進行設備離線和在線編程。

2 系統實現

2.1 用戶安全策略

典型監控系統上位機的HMI均采用用戶安全策略。只有相應權限的工作人員才能登錄指定的子系統。用戶成功登入后系統會顯示相關專業信息，以便使用者進行相關操作。如用戶進行關鍵操作還需進行授權，并給出相關提示。用戶安全策略（分配）表如表1所示。實現界面登錄的功能可由GE Proficy HMI/SCADA-iFIX的VBA腳本來實現［3-4］。

2.2 系統IP地址分配

各集成子系統IP地址分配見表2。

2.3 BAS

BAS包含通風與空調系統、給排水系統、冷熱源系統、照明和導向系統及自動扶梯等。

2.3.1 通風與空調系統

圖4、圖5為通風與空調大系統和小系統的構成示意圖。可通過比較送風溫度和室溫來確定風機SINAMICSV20型變頻器的輸出量和風閥開度。傳感器監測二氧化碳的變化聯動排風機，監測消防信號并聯動排煙機。表3為通風與空調系統信號或狀態的I/O地址分配。

表1 用戶安全策略（分配）表

表2 系統IP地址分配表

圖4 大系統構成示意圖

圖5 小系統構成示意圖

表3 通風與空調系統I/O信號表

2.3.2 給排水系統

給排水系統包含VersaMax控制器、電源與按鈕組、上水箱、下水箱、水管、檢測系統及執行器等。

給排水系統的工作模式包括給水模式和排水模式。給排水系統根據VersaMax控制器的指令，執行如調整加熱管的功率、調節電動球閥的開度、開關電磁閥及調節三相磁力泵頻率等任務。表4為給排水系統I/O信號表。

表4 給排水系統I/O信號表

2.3.3 冷熱源系統

冷熱源系統由冷水機組、冷卻水系統、冷凍水系統、水流開關、壓差傳感器、壓差旁通閥等組成。冷熱源系統的輸入輸出描述及類型見表5。

2.3.4 照明及導向系統

照明及導向系統具有控制、檢測、手動或自動狀態檢測及時間累積等功能，可自動控制照明回路的啟停，監測照明回路運行狀態，監測照明回路的手動或自動狀態，累積照明運行時間等。

2.3.5 自動扶梯

自動扶梯有2臺，可分別實現上、下行運轉。自動扶梯的額定運行速度為0.65 m/s，非客流高峰時段以0.5 m/s速度運行。自動扶梯的上下行方向可調，速度轉換時的加速度不大于0.1 m/s2，總加速時間不超過6 s，且轉換過程平穩。當無乘客狀態持續10 s后，自動扶梯即自動由正常速度轉入節能速度（0.10～0.15 m/s）。扶梯采用光電開關來判斷有無乘客，其動作靈敏，作用范圍在1.5 m左右，且該范圍可調整。

自動扶梯可實現自動模式和檢修模式。檢修模式下，可手動啟動或停止任一臺自動扶梯，并實現其上行或下行運轉。運行之前，需先設定運行頻率，一般為工作頻率的15%～40%。自動扶梯使用1組Versamax控制器，其集成系統IP為192.168.1.25。自動扶梯通過上位機的通信，能實現與BAS的互聯，并實現運行監視和狀態信息上傳。自動扶梯變頻器采用SINAMICS V20型變頻器，其參數設置見表6。

表5 冷熱源系統各部輸入輸出類型

表6 變頻器參數設置表

2.4 PSD系統

PSD系統的控制方式可劃分為系統級控制、車站級控制、站臺級控制和就地級控制。其中，系統級控制為正常運行模式，車站級控制為緊急運行模式，站臺級控制和就地級控制為非正常運行模式［5］。典型監控系統的PSD系統只考慮正常運行模式，并可實現單機和聯網兩種控制模式。單機模式下，PSD系統可單獨控制單個門的動作，用來檢驗系統的電氣接線，以供調試使用。聯網模式下，PSD系統則要和列車自動控制（ATC）系統配合，以實現PSD系統和列車進出站及開關車廂門的動作協調。

PSD系統的基本構成如圖6所示。PSD系統包含2套門單元，每套門單元安裝1套門機。通過直流電機帶動滑動門，來實現開啟及關閉動作。直流電機采用DC 24 V永磁直流減速電機，其減速比為1/180，轉速為7 r/min。PSD系統的開關動作應滿足以下時間參數：①滑動門開啟時間在2.5～3.5 s范圍內可調，可調間隔為 0.1 s，開門過程控制精度為 ±0.1 s。② 滑動門關閉時間在3.0～4.0 s范圍內可調，可調間隔為0.1 s，關門過程控制精度為±0.1 s。為了保證乘客乘車安全，PSD系統在接到關門命令后，會延時0～5 s，以便于調整站臺屏蔽門與車門的先后開門次序。站臺屏蔽門發現障礙物后，會觸發防夾功能。

PSD系統使用1組Versamax控制器，其集成系統IP為192.168.1.15。PSD系統通過上位機的通信接口，能實現PSD系統的設備組網和互聯互通。

圖6 PSD系統基本構成

3 結語

本文基于Modbus TCP/IP協議，利用GE Proficy HMI/SCADA-iFIX產品平臺，開發和設計了地鐵典型機電設備的小型監控系統；利用GE VersaMax控制器的高集成度和大開放性，實現了地鐵多種機電設備的互聯互通和多點測控。本文對典型監控系統（包含 BAS、FAS、ACS、PSD、CCTV 等子系統）進行了架構設計和功能設計，詳細闡述了系統監控實現方法。著重闡述了用戶安全策略、Modbus TCP/IP通信協議、系統IP地址分配、子系統集成等。

Modbus TCP/IP工業以太網的應用，給典型監控系統集成帶來很多便利。其能提供完整的系統解決方案，免費獲得協議及樣板程序，易于與各種系統互連，易于集成不同的設備，具備高速的網絡傳輸能力等。本文的典型監控系統實施成本低廉，網絡傳輸速度高，具備良好的開放性，易于集成和系統互聯，便于系統擴展和后期補充，并能實現遠程控制。該系統已經過試驗驗證和實際應用，其各項技術指標均滿足地鐵現場要求。

該系統是Modbus TCP/IP工業以太網通信在地鐵綜合監控系統領域的一種探索和嘗試，而產品化的解決方案還需要完成超大規模試驗系統的壓力測試，才能完全滿足地鐵SCADA系統的高可靠性要求［6-8］。

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2016-03-28）