門禁系統在行李處理系統中的應用

高燕 蔡詠德

摘 要：門禁系統屬于樓宇控制科技，PLC控制系統屬于工業控制科技。兩個獨立的系統不同的科技溶于同一系統內在國內是首例。上海浦東機場1號航站樓行李處理系統把門禁系統與PLC控制系統溶為一體，也是行李處理系統的首創。該文就詳細介紹了航站樓行李處理系統中的西門子SiPass門禁系統；門禁系統與PLC控制系統接口工作方式；門禁系統中難點、不足之處、運行中發現的問題以及解決方法。

關鍵詞：Siemens SiPass 門禁系統 BHS行李處理系統 S7-400 機場行李托運值機系統

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）01（b）-00-06

Abstract：Siemens SiPass system belongs to the building control technology， PLC control system belongs to the industrial control technology. Its the first time in China to use those two independent systems in the same control project. And its the first time in the baggage handling industry to use this solution. This paper introduces how does PuDong airport baggage handling system use Siemens SiPass， how does the interface work with SiPass system and PLC control system. What is the difficulty and deficiency in the entrance guard system， and what is found in the operation and solutions.

Key Words：Siemens； SiPass； Entrance guard system； BHS baggage handling system； S7-400； Airport Baggage check-in system

1 項目簡介

1.1 背景介紹

上海浦東國際機場三大國際機場之一，與北京首都國際機場、香港國際機場并稱為中國三大國際航空港。上海浦東國際機場位于上海浦東長江入海口南岸的濱海地帶。

浦東機場一期工程1997年10月全面開工，1999年9月建成通航。為滿足上海地區航空業務量持續快速增長和建設上海航空樞紐的需要，上海國際機場股份有限公司（簡稱“上海機場”）決定投資12.23億元建設上海浦東國際機場一號航站樓（T1）改造項目。根據浦東機場總體規劃，T1航站樓將與S1衛星廳形成一體，年旅客處理量將達到3600萬人次以上，因此必須對T1航站樓進行改造擴建。此次改造按浦東機場T1航站樓遠期年旅客吞吐量3680萬人次的運行能力設計，在不停航的情況下組織實施，涉及建筑流程改造工程和行李處理系統改造工程兩大部分。

1.2 行李處理系統BHS簡介

上海浦東機場T1行李系統主要包括16條行李出發線、2條再值機出發線、220個值機柜臺、13條行李到達線、2套托盤式行李分揀機、6條中轉線（見圖1、圖2）。

行李處理系統機械設備由不同類型和功能的輸送機組成，從值機到轉載的每條輸送線按以下設備組成，即值機輸送機（存放輸送機、電子秤輸送機、等待輸送機）→收集輸送機→下降輸送機（包含轉彎輸送機）→分流輸送機→下降輸送機→轉盤（見圖3）。

行李處理系統的控制系統由信息處理系統、設備監控系統及PLC控制系統組成（見圖4）。

1.2.1 PLC控制系統

上海浦東國際機場T1航站樓行李系統改造工程是在充分考慮運營和維護需求的基礎上，集成SCADA和安全系統。

系統被劃分成更多的PLC區域分組，每一個分組都是獨立于其他的分組控制，它有獨立的控制指令[1]。當其中一個分組需要維護或者關閉，不會影響到其他分組的運行。每一個分組的控制都可以通過SCADA或者操作面板發送指令來控制。

PLC控制系統總共被分為24個分組。分為值機線（1～16）、中轉線及人工編碼（17～22）和到港（25，26）。

詳細的分組見圖5。

1.2.2 PLC控制系統架構

每個分組PLC控制系統采用西門子PLC S7-400系列，因為設備離控制柜較遠，現場的IO都通過總線的方式與控制柜內CPU連接（見圖6）。

以下方面為PLC控制系統中SIMATIC產品類型及作用特點[2]。

（1）CPU416-2DP：為S7-400系列中比較高檔的CPU。此CPU的性能、可靠性，確保BHS系統的穩定運行。

（2）CP443-1：機架上采用雙網卡[3]。BHS網絡十分重要，一般采用雙冗余系統（見圖4）。從上位監控系統到PLC網卡，有2條獨立的路徑，當其中一張網卡發生故障的情況下，上位監控系統可以自動切換至另一張網卡繼續工作。

（3）Profibus網絡：采用了1.5Mbps通訊速率。單個DP網絡最長距離不超過100m，并且不小于1m，以確保系統設備的穩定連接。

（4）DP-DP coupler：實現兩個PLC控制分組之間的數據交換。用于一個值機到兩條值機輸送線之間設備運行信息的傳遞。實現兩條值機輸送線之間互鎖、聯動啟動/停止運行。

（5）DP-ASI網關及相關的遠程IO和控制設備[4]：AS-I網絡采用總線的方式連接控制回路和主回路，整個系統線纜鋪設簡單，系統易于維護和保養。AS-I網絡十分適用于BHS系統。BHS系統設備占地空間比較龐大，整個候機樓的長度、寬度、從地下-2m到候機樓3樓都屬于BHS設備。整個BHS系統輸送線長度累計起來，有三十幾公里。雖然空間大，但每個單體設備控制點數很少。例如，每節輸送機一個站點只有3點輸入信號（模式、故障、光眼信號）1點輸出信號（起停）。這種分布廣泛每個節點控制點系統適用AS-I網絡結構，并且性價比極高（比Profibus網絡便于許多）。

系統網絡示意圖見圖7。

2 控制系統構成

2016年年初，上海浦東機場一號航站樓行李處理系統改造完成。1號航站樓的行李值機柜臺/輸送設備管理進入一個嶄新的模式。于以往模式不同，新模式增添了對每個行李柜臺及設備授權控制。只有給予授權的航空公司操作人員才能使用值機柜臺，系統對操作人員記錄，并能追溯管理。

為了達到以上功能，行李處理系統引進一套門禁控制系統。門禁控制系統通過IC卡對每個控制點授權控制。控制點安裝在每個值機柜臺，從而實現對每個柜臺授權控制。

門禁系統采用西門子樓宇科技（SIEMENS）的SiPass集成版門禁系統，SiPass系統是一套全面的集成的安全解決方案，其在一個單獨的友好的界面中包括了門禁控制、人像管理、制卡打印、卡編碼、巡更、通訊、CCTV、數碼影像、記錄管理和其他系統應用的接口等。

SiPass是運行于微軟公司Windows操作系統下，32位的、多任務的門禁系統通道控制和安防管理系統。它可以簡單地運行在局域網上。

該系統具備以下主要功能。

（1）系統可分時段設置某張卡在該時段的合法性。

（2）具有事件檢測功能。例如非法卡讀卡記錄、通信故障檢測、防撬檢測等。

（3）系統軟件具備豐富完善的記錄查詢功能與報表功能。系統軟件支持網絡在線升級。

系統能詳細記錄每次使用的時間、日期、進出人員的卡號、姓名、隸屬部門、職務等資料，可按不同的查詢條件查詢。

2.1 采用PLC與SiPass實現權限管理的原因

一般運用場合，人機接口會采用西門子的HMI觸摸屏實現權限管理。用戶管理可以在運行期間控制HMI設備上的數據和功能訪問，目的是為了避免HMI設備的數據和功能受到未經許可的操作。在工程系統中組態用戶管理功能，并將其傳遞到HMI設備。

HMI觸摸屏上，用戶管理分為：（1）用戶、用戶組和訪問權限的管理；（2）為組態的各個對象分配相應的訪問權限。

操作權限指對某個對象的訪問權限或者執行特定操作的權限（例如修改輸入值、過程配方）。可為每個可組態對象（I/O框、按鈕等）分配操作權限。

用戶組是特定操作權限的組合，即一個組內的所有用戶具有相同的操作權限。可以將不同的操作員視圖映射到用戶組。用戶是對操作人員的統稱，將每個操作員分配到相應的用戶組中，從而獲取各自的操作權限。因此操作員只能訪問有訪問權限的對象。通過用戶名和相關密碼登錄到操作面板。

用戶訪問一個對象（例如點擊一個按鈕）。Winccflexible在運行系統中檢查受訪問對象是否受到保護。如果訪問不受保護，則執行對象中組態的功能。如果訪問受到保護，則Wincc flexible判斷登錄用戶從屬的用戶組。從而建立用戶的操作權限。

而機場是一個特殊的運用場合，權限管理具有以下特點。

（1）人機接口眾多，只T1航站樓就有220個行李托運值機柜臺，每個值機柜臺就是一個人機接口。如果全部使用觸摸屏將會一個很大的建設成本。

（2）用戶眾多，僅是T1航站樓將近700個用戶。并且一個辦票值機島會在不同時段交給不同航空公司使用。

（3）用戶組眾多，即航空公司眾多。

（4）不存在監控與操作的權限區別，只有操作權限與沒操作權限的區別。

（5）監控室的服務器上記錄詳細信息，如操作人員的每個操作、操作時間、操作人員的詳細信息（屬于哪個航空公司、姓名、身份證號、性別等信息）。

傳統的HMI與PLC實現權限管理在機場特殊場合行不通，所以經過研究和比較使用西門子SIPASS與PLC實現權限管理。SIPASS是西門子門禁系統的產品，與PLC的結合，既可以解決權限數量之多問題，也可以解決實時后臺服務器記錄查詢問題，還解決了機場建設費用問題，提高了性價比。

2.2 行李處理系統中SiPass門禁系統結構簡單介紹

整個門禁系統自上而下由3層網絡：控制器和服務器之間是以太網協議；控制器到接口模塊之間是RS485協議；接口模塊到讀卡器之間是標準韋根協議。

門禁系統和PLC之間，由接口模塊以及插卡器和PLC之間以硬接線的方式進行連接。

（1）系統結構圖見圖8。

（2）設備配置。

①服務器/應用軟件。

富士通的機架式服務器，配置為：CPU Interl至強5600，內存8GB，硬盤2TB，雙電源設計，轉換率91%以上，取得80PLUS白金認證，19寸寬屏，操作系統Windows server 2008 R2標準版。富士通臺式操作員站，配置為：CPU Internet酷睿i3第三代，內存4GB，硬盤500GB，19寸寬屏，操作系統windows7專業版。

②控制器。

西門子ACC高級中央控制器AC5102作為門禁系統的控制器。并且配置了西門子ACC門禁控制器箱體，箱內含電源，將230VAC轉換成門禁的12VDC。

③接口模塊。

由于機場的柜臺相對比較集中，采用西門子的八讀卡器接口模塊ADE5300。

④讀卡器。

讀卡器采用西門子的6100CKN000，標準讀卡器產品。

2.3 行李處理系統中SiPass門禁系統特點

與一般門禁系統的不同，此SiPass門禁系統控制對象是機場航站樓的值機柜臺而不是樓宇中出入門。讀卡器安裝在每個值機柜臺的控制面板上（見圖9、圖10、圖11）。讀卡器通過接口模塊與門禁控制器聯通，并接受控制器的控制。行李控制室配有服務器對門禁控制進行配置及實時數據采集記錄。

2.4 SiPass門禁系統行李處理系統BHS接口

值機柜臺控制只是行李處理系統中的一小部分，因此門禁控制系統也只能作為行李處理系統的一個子系統。但兩個系統又是獨立的控制系統，所以要集成為一體必須兩個系統之間建立有效的接口。值機柜臺及設備控制由行李處理系統中PLC控制子系統處理[5]。兩個系統之間的接口即為PLC控制系統與SiPass門禁系統的接口。

（1）接口信號。

①卡插入信號：IC卡插入插卡器后，一個觸點信號送給PLC。

②有效卡信號：讀卡器讀到有效卡后，送一個信號給PLC。

③柜臺開啟：PLC接受到插卡信號和有效卡信號，結合設備狀態反饋給門禁系統柜臺已開啟信號。

④授權檢測信號：BHS系統需檢測授權時通過PLC發出此信號給門禁系統[6]。

（2）信號時序圖見圖12。

3 系統存在的問題及彌補措施

3.1 調試時發現的問題

現象：讀卡器死機。

標準門禁系統是IC卡接近讀卡器瞬間得電，讀完數據，卡片離開。而IC卡長期插在插卡器中，會使讀卡器死機，不能在讀IC卡不再會給PLC“有效卡”信號，造成值機柜臺無法使用。

分析：

IC卡及讀卡器工作的基本原理是：射頻讀寫器向IC卡發一組固定頻率的電磁波，卡片內有一個IC串聯協振電路，其頻率與讀寫器發射的頻率相同，這樣在電磁波激勵下，LC協振電路產生共振，從而使電容內有了電荷；在這個電荷的另一端，接有一個單向導通的電子泵，將電容內的電荷送到另一個電容內存儲，當所積累的電荷達到2V時，此電容可作為電源為其他電路提供工作電壓，將卡內數據發射出去或接受讀寫器的數據。

解決措施：

將插卡信號串入讀卡器的供電回路。

IC卡插入時，讀卡器得電后自動讀出卡信息。當IC卡拔出時，讀卡器電源被切斷。IC卡再次插入時，讀卡器重新得電并讀出卡信息。每次讀IC卡前，讀卡器被斷電再上電過程，解決了死機問題。

調試前后接線原理圖見圖14、圖15。

3.2 試運行時遇到的問題

現象：

航空公司操作人員把名片和IC卡同時插入。在讀卡器讀出信息并發信號給BHS系統后，操作人員取出IC卡把名片留在插卡器中。門禁系統和BHS系統沒有檢測到此現象，仍認為有效卡沒有關閉值機柜臺。

分析：

門禁系統只在IC卡插入時讀卡器讀卡信息，之后不會再次自動讀卡信息。PLC系統對門禁系統的“有效卡”信號（信號為脈沖）有記憶功能，直至插卡器內卡拔出后撤銷信號。因此無法判斷IC卡是否被拔。

解決方法：

讀卡器或接口模塊上電時讀卡器會自動讀出卡信息。通過短時切斷電源重新恢復上電，使讀卡器重新讀卡，來判斷IC卡是否被拔出。

PLC系統通過授權檢測信號控制讀卡器讀寫卡信息。平時“授權檢測”信號讓接口模塊得電，當需要檢測IC卡時，“授權檢測”信號斷開再恢復接口模塊的電源[7]。

詳見圖12中的接口信號時序圖中授權檢測信號中第二脈沖。

在值機柜臺開放時，BHS系統需不斷檢測IC卡。然而頻繁地切電對設備有損害，但是檢測間斷太長又起不到效果。所以檢測時間是關鍵。經過觀察發現運行初期多次讀卡，操作人員插入的名片不起作用后，操作人員換回了IC卡。因此只需初期檢測時間短點，后期檢測時間越長越好（見圖6）。

IC卡檢測時間T公式：

T=（n/5+1）·t （1）

其中：T為檢測時間，PLC計時到檢測時間轉變“授權檢測”信號切斷模塊電源2s后恢復電源；

n是最小檢測時間，此參數可在配置面板設置；

n是斷電次數，n=n+1；n>1000時n=1；

4 項目運行

目前上海浦東T1航站樓改造完畢，值機島220個值機柜臺已全部啟用。門禁系統也隨著同時啟用，運行狀況良好，用戶十分滿意。系統已制作了700多張IC卡，分發給各家航空公司值機人員，包括國內、國際航空公司。

門禁系統實時監控畫面見圖17。

5 應用體會

這是第一次在行李處理系統中采用門禁系統控制行李托運值機柜臺。查閱許多資料，也沒找到借鑒的經驗。只有在項目實施過程中不斷摸索，發現問題及時研究解決。好在浦東機場T1行李處理系統改造項目時間跨度比較長，又在候機樓不停航的情況下組織實施，所以值機島是一個一個改造施工，做完一個值機島馬上投入運行后，再施工下一個值機島。在調試和試運行中發現的問題，在下個值機島改造中直接給予糾正，并且能夠快速得到驗證。

參考文獻

[1] Brian Edwards.The Modern Airport Terminal[M].Brian Edwards Taylor & Francis e-Library Publishing，2005.

[2] Yu Huiqun，Xu Chunmei.Design and Implementaion of the Key Technologies for Baggage Handling Control System[A].2010 International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation[C].2010：958-961.

[3] SiPass使用手冊（SiPass 2.11）[Z].

[4] S7-400產品目錄ST70_3C[Z].

[5] SIEMENS工業通訊產品目錄IKPI2011[Z].

[6] S7-400指令列表 CPU 412、414、416、417[Z].

[7] 崔堅.西門子工業網絡通信指南[M].北京：機械工業出版社，2005.