可编程逻辑控制器在上海轨道交通6号线设备监控系统中的应用

华春阳

(中交水运规划设计院,100088,北京∥助理工程师)

1 概述

上海轨道交通6号线(L4线)是一条纵贯浦东新区南北的地区性轻轨线路,北起港城路站,南至济阳路站,线路全长33 km,共设28座车站。其中高架车站9座,地下车站19座。2座主变电所分别设于巨峰路站和世纪大道站附近(世纪大道主变电所与3号线主变电所共用)。1座控制中心大楼设于民生路站附近。6号线的设备监控系统是采用可编程逻辑控制器(PLC)产品作为系统的核心部件构建的。

设备监控系统的构成为两级管理(控制中心级、车控级),三级控制(控制中心级、车控级、就地级)。在控制中心调度大厅内设置设备监控系统控制中心级,在车站控制室设车控级,在车站现场设就地级,对其管辖范围内的设备实施监控管理。

从控制中心到沿线各个车站及控制中心大楼采用同步数字系列(SDH)双环网传输通道构成一个双环网,每个站点作为该双环网上的一个节点。各个车站与控制中心之间采用两个10/100 M自适应TCP/IP通道连接。

地下车站级设备监控系统由车站计算机、PLC控制主机/分机、远程I/O模块、网络设备等组成。它主要监控隧道及车站的通风系统、空调大系统、空调小系统、冷水系统、照明系统、给排水系统等,监测公共区、设备室等地点的温湿度。系统配置了与防灾报警系统(FAS)、屏蔽门、冷水机组、区间水泵等系统的数据接口,同时在车控室设紧急后备控制盘(IBP),作为火灾工况下自动控制系统的后备措施。IBP的操作权限高于车站和中央工作站,其信息通过打印机打印。

车站设备监控系统(BAS)控制主机/分机、车站工作站通过网络交换机与通信传输网络相接至控制中心。BAS控制分机与远程I/O模块之间采用光纤环网方式连接。

2 PLC介绍

2.1 Unity Quantum自动化控制系统

Unity Quantum自动化控制系统包含一个或多个基架。基架安装了处理器、电源、数字量I/O和模拟量I/O、通信和特殊应用等模块,分布的远程基架可达64个。I/O模块和特殊应用模块可安装于基架的任何位置。通信模块安装在含有CPU模块的基架上,电源、I/O和特殊应用模块可以安装在本地基架或者分布式基架上。

在热备系统中配置了两个CPU机架。按照镜相配置方式,两个CPU机架采用完全相同的配置。每个CPU机架包括底板、电源、CPU模块、以太网通信模块和远程I/O通信模块等。两个CPU机架之间通过一根光纤连接,提供高速的数据传输通道,实现两个CPU机架之间的数据同步(在每一个扫描周期内完成主CPU到备用CPU之间的内存变量同步)。当主CPU机架上某一个部件故障不能正常完成监控任务时,在一个扫描周期内,备用CPU可切换为主CPU,接替控制任务。此时控制任务不会受到任何干扰,控制过程不会中断。

2.2 Unity Pro系统软件

Unity Pro编程软件是基于现有的操作系统(Windows 2000和XP)并集成自动化控制应用所需求的各项功能所开发的专用软件。Unity Pro系统软件支持功能块(用来组态模拟控制回路)、梯形图(用来组态逻辑控制)、顺序流程图(用来组态顺序控制)、指令表以及结构文本(用于用户自行编程和开发软件)等5种标准的IEC 6-1131组态语言,它们在Unity Pro中是可以同时配合使用的。

Unity Pro软件不仅用来组态,更重要的是能够在离线调试时完成仿真试验及检查错误,同时还具备在实验室进行参数预先设定的优势。

Unity Pro组态具有以下特点:

(1)可以进行离线组态和在线组态。离线组态用于初次组态,在系统尚未到货时用普通的PC机即可组态调试,从而缩短工程时间。在线组态可以在不影响设备运行的情况下,对现有系统进行修改、扩展。

(2)图形组态界面直观,操作方便(见图1)。

(3)分层结构使控制系统层次分明。整个系统可分主程序、快速执行程序、事件程序等。

图1 软件界面

3 控制系统方案

3.1 系统控制图

由于地铁车站内设备分散,控制设备范围广,通信信息量大,因而要求控制系统网络开放,支持远距离通信,网络可靠性高,同时要求网络通信带宽高。

上海轨道交通6号线设备监控系统采用施耐德电气公司高性能Unity系列的Quantum和Premium共同构建光纤环网的车站级控制系统,整个网络为100 M光纤工业以太网Modbus TCP/IP环网;通过管理型交换机构成自愈式光纤环网,能够实现快速网络自愈功能。整体方案采用的是目前世界最先进的透明就绪的解决方案(见图2)。

图2 网络结构图

3.2 光纤主控网

控制中心到沿线各个车站、控制中心大楼采用同步数字系列(SDH)双环网传输通道构成一个双环网,每个站点作为该双环网上的一个节点。各个车站与控制中心之间采用两个10/100 M TCP/IP通道连接(各站点及控制中心大楼通信机械室提供两个通道作为站内BAS至BAS广域网的接入点)。主变电所、中间风井设置BAS远程I/O模块,以光纤环网方式接入邻近车站BAS。

4 系统特点分析

4.1 透明就绪的方案特点

透明就绪的定义为:使用开放的、基于Modbus TCP、因特网技术与Web技术的体系结构,完成现场设备、控制设备与管理系统的无缝集成,使用户可以从任何地方访问所需的实时数据。

1998年施耐德公司推出了新一代基于TCP/IP以太网的Modbus TCP,以满足用户和市场的进一步要求。Modbus TCP是第一个采用TCP/IP以太网并用于工业自动化领域的标准协议,是至今唯一获得国际互联网代理成员管理局(IANA)赋予TCP(TCP502号)端口的自动化通信协议。

Modbus TCP的应用层仍采用Modbus协议,简单高效;传输层使用TCP协议,并使用TCP502号端口,用户使用方便,连接可靠;网络层采用IP协议(因为互联网就使用这个协议寻址)。因此Modbus TCP不但可以在局域网使用,还可以在广域网和互联网上使用。

目前的Modbus TCP以太网的速度为10/100 Mbit/s,大大提高了数据传输能力。此外,施耐德的TCP/IP以太网还为用户提供更多的服务,如I/O扫描、全局数据、故障设备替换、网络管理、电子邮件报警、时钟同步等功能。

4.2 采用工业以太环网构建设备监控系统骨干信息路径

以太网以其速度、开放性和设计灵活性等特点日益成为受欢迎的工业应用协议,用户在决定其应用的基础设施设备时将有多种选择。上海轨道交通6号线的设备监控系统最终采用具有高可靠性以及故障恢复机制、满足系统冗余度要求的工业以太网环网的方案。这个方案从技术上代表了工业系统的发展方向,代表了先进的高技术含量的解决方案,同时对工程建设的参与单位提出了高技术水平和经验丰富的直接要求。

传统的商用以太网与地铁设备监控系统的以太网之间存在着巨大而关键的差异,而监控系统以太网自身也有一些独特的要求,因此监控系统采用工业级以太网交换机来实现工业以太网环网的方案。

4.3 传统商用以太网与工业以太网之间的关键差异

商用以太网与工业以太网之间最明显的差别就是性能。其流量模式以及对交换机或介质故障时恢复时间的敏感程度都有很大的不同。商业以太网应用会引导流量从网络外围流向核心资源,而地铁系统的工业以太网应用要求是端对端的,数据必须在网络外围的对等设备之间交换,以使PLC可以对上游或下游的变化做出响应,并将这些变化与操作员界面、输入输出设备及其他系统设备共用。工业以太网的端对端特性使其通信和冗余度要求与商用以太网所用的“外围到核心”式要求大不相同。因此地铁设备监控系统中对工业以太网的基本要求为:

(1)如果出现介质故障,恢复时间不能影响系统应用;

(2)基础设施支持通信所用的数据包速率。

工业以太网交换机产品支持冗余以太网环,它可以在交换机或设备故障情况下实现亚秒级的恢复时间。这样可以使多数情况下的应用继续不间断运行,从而允许工程和维护人员在继续运营的同时处理故障问题。

以太网交换机及设备已发展到支持全双工通信的水平。其中任何设备或交换机都可以同时进行发送和接收,100 Mbit/s快速以太网的纯可用带宽是完全足够的。实际上,该带宽已超过了设备完全将其耗用的容量。服务质量(QoS)等额外的流量管理服务更强化了高效而可靠的消息传递。此外还采用了广播率限制,以防过多广播拥塞设备队列,延误自动化消息的处理。如果采用商用以太网交换机,对QoS和广播率限制等功能可能需要了解复杂的交换机操作系统命令。而工业以太网交换机产品突显这些功能,并通过使用Web浏览器使之更易于管理,从而使工程或维护人员可以进行配置。

比较商业以太网与工业以太网应用之间的性能差异可以发现,工业以太网应用在数据包速率、数据包大小以及带宽利用方面显示出与商业以太网应用相反的特性(如表1所示)。

表1 工业以太网与商用以太网对比

工业以太网应用具有较高而稳定的数据包速率,但由于数据包小得多,故总数据量较低。工业以太网数据包大小通常小于500字节。较小的数据包可以更容易地进行穿插,从而降低拥塞的可能性。

多数工业以太网应用采用循环、稳态的通信,数据包猝发很少。综合考虑数据包大小和数据包速率可以得出,其总的带宽利用率低于2 Mbit/s。这是许多工业以太网应用的典型情况。有人可能对工业以太网的大通信量表示担忧,但实际情况是100 Mbit/s全双工以太网对多数应用已绰绰有余。

对于商业以太网应用,采用更大的带宽通常可以获得更好的性能。对于工业以太网应用,额外的带宽几乎不起作用。工业以太网应用的关键因素是效率和可靠性。

随着工业以太网的不断发展以及与传统商用以太网环境的结合,我们认识到以太网基础设施设备适应任务需要的重要性,还认识到商用以太网标准不一定非常适合地铁的现场环境。

5 系统结构的优点

5.1 可靠性

PLC控制器的配置采用了施耐德电气首创、并在20多年的实践应用中被证实的热备解决方案,以满足地铁车站设备监控系统的严格技术要求。采用基于Modbus TCP/IP的应用层协议的透明网络系统,其在传输层选用标准的传输控制协议 TCP;在收到经网络传来的错误数据的情况下,通过应答与重传机制保证数据可靠地传输,从而保证了传输过程中的可靠性。

北京地铁5号线列车

5.2 灵活性

上海轨道交通6号线监控系统的要求之一就是该系统具有增强的灵活性,且易于更改,可以增加新的机电设备以更换旧的设备。因此必须为操作人员更换硬件和软件提供便利。施耐德设备支持诸如CPU热备、模块热替换、Cablefast与 Telefast布线系统等功能,可以实现轨道交通运营维护的灵活性与简便性。

5.3 开放性

Modbus是一个开放的协议,为众多的供应商所支持。目前,Modbus TCP/IP已经成为我国的国家标准(GB/Z 19582.3),为其它工控设备提供了通用的接口。其网络层采用IP协议,用户只需了解控制设备的IP地址即可实现设备之间的通信,而与低层网络地址和硬件无关。对用户来说,具体的某个网络单元(硬件和软件)仿佛不存在一样,整个网络可以看成一个透明网络。

总之,控制网络采用技术上成熟可靠并日益普及的光纤以太网方案,即采用“透明工厂”的概念,控制网络全部采用工业以太网的网络模式。工业以太网具用通信速度快、光纤信号不易受干扰、备配件易采购等优点,以及符合开放系统国际标准、可以被集成到更高层的企业控制系统中、具有分布式结构、降低安装成本、使系统重新配置时间最短并可在软件上操作、最小化目标失控的风险等特点,是现场控制网络的一种发展趋势。

6 结语

PLC对于地铁设备监控系统的正常运营起到关键作用。正确合理地选择PLC及其方案,对于提高系统运行的稳定性和可靠性有着积极的意义。

[1]周虎,杨建国,赵时旻.城市轨道交通车站设备监控系统网络化应用研究[J].城市轨道交通研究,2008(7):14.

[2]李中.地铁综合监控系统应用技术研究[J].城市轨道交通研究,2008(10):44.