華春陽

(中交水運規(guī)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(qū)南北的地區(qū)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(jiān)控系統(tǒng)是采用可編程邏輯控制器(PLC)產(chǎn)品作為系統(tǒng)的核心部件構建的。

設備監(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)控制中心級,在車站控制室設車控級,在車站現(xiàn)場設就地級,對其管轄范圍內的設備實施監(jiān)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(shù)字系列(SDH)雙環(huán)網(wǎng)傳輸通道構成一個雙環(huán)網(wǎng),每個站點作為該雙環(huán)網(wǎng)上的一個節(jié)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(jiān)控系統(tǒng)由車站計算機、PLC控制主機/分機、遠程I/O模塊、網(wǎng)絡設備等組成。它主要監(jiān)控隧道及車站的通風系統(tǒng)、空調大系統(tǒng)、空調小系統(tǒng)、冷水系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)等,監(jiān)測公共區(qū)、設備室等地點的溫濕度。系統(tǒng)配置了與防災報警系統(tǒng)(FAS)、屏蔽門、冷水機組、區(qū)間水泵等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)(BAS)控制主機/分機、車站工作站通過網(wǎng)絡交換機與通信傳輸網(wǎng)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(huán)網(wǎng)方式連接。

2 PLC介紹

2.1 Unity Quantum自動化控制系統(tǒng)

Unity Quantum自動化控制系統(tǒng)包含一個或多個基架?；馨惭b了處理器、電源、數(shù)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(tǒng)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(wǎng)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(shù)據(jù)傳輸通道,實現(xiàn)兩個CPU機架之間的數(shù)據(jù)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(jiān)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(tǒng)軟件

Unity Pro編程軟件是基于現(xiàn)有的操作系統(tǒng)(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(fā)的專用軟件。Unity Pro系統(tǒng)軟件支持功能塊(用來組態(tài)模擬控制回路)、梯形圖(用來組態(tài)邏輯控制)、順序流程圖(用來組態(tài)順序控制)、指令表以及結構文本(用于用戶自行編程和開發(fā)軟件)等5種標準的IEC 6-1131組態(tài)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(tài),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(shù)預先設定的優(yōu)勢。

Unity Pro組態(tài)具有以下特點:

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

(2)圖形組態(tài)界面直觀,操作方便(見圖1)。

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

圖1 軟件界面

3 控制系統(tǒng)方案

3.1 系統(tǒng)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(tǒng)網(wǎng)絡開放,支持遠距離通信,網(wǎng)絡可靠性高,同時要求網(wǎng)絡通信帶寬高。

上海軌道交通6號線設備監(jiān)控系統(tǒng)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(huán)網(wǎng)的車站級控制系統(tǒng),整個網(wǎng)絡為100 M光纖工業(yè)以太網(wǎng)Modbus TCP/IP環(huán)網(wǎng);通過管理型交換機構成自愈式光纖環(huán)網(wǎng),能夠實現(xiàn)快速網(wǎng)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(wǎng)絡結構圖

3.2 光纖主控網(wǎng)

控制中心到沿線各個車站、控制中心大樓采用同步數(shù)字系列(SDH)雙環(huán)網(wǎng)傳輸通道構成一個雙環(huán)網(wǎng),每個站點作為該雙環(huán)網(wǎng)上的一個節(jié)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(wǎng)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(huán)網(wǎng)方式接入鄰近車站BAS。

4 系統(tǒng)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(wǎng)技術與Web技術的體系結構,完成現(xiàn)場設備、控制設備與管理系統(tǒng)的無縫集成,使用戶可以從任何地方訪問所需的實時數(shù)據(jù)。

1998年施耐德公司推出了新一代基于TCP/IP以太網(wǎng)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(wǎng)并用于工業(yè)自動化領域的標準協(xié)議,是至今唯一獲得國際互聯(lián)網(wǎng)代理成員管理局(IANA)賦予TCP(TCP502號)端口的自動化通信協(xié)議。

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

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

4.2 采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)構建設備監(jiān)控系統(tǒng)骨干信息路徑

以太網(wǎng)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(yè)應用協(xié)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(jiān)控系統(tǒng)最終采用具有高可靠性以及故障恢復機制、滿足系統(tǒng)冗余度要求的工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)的方案。這個方案從技術上代表了工業(yè)系統(tǒng)的發(fā)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(jīng)驗豐富的直接要求。

傳統(tǒng)的商用以太網(wǎng)與地鐵設備監(jiān)控系統(tǒng)的以太網(wǎng)之間存在著巨大而關鍵的差異,而監(jiān)控系統(tǒng)以太網(wǎng)自身也有一些獨特的要求,因此監(jiān)控系統(tǒng)采用工業(yè)級以太網(wǎng)交換機來實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)的方案。

4.3 傳統(tǒng)商用以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)之間的關鍵差異

商用以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)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(yè)以太網(wǎng)應用會引導流量從網(wǎng)絡外圍流向核心資源,而地鐵系統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)應用要求是端對端的,數(shù)據(jù)必須在網(wǎng)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(tǒng)設備共用。工業(yè)以太網(wǎng)的端對端特性使其通信和冗余度要求與商用以太網(wǎng)所用的“外圍到核心”式要求大不相同。因此地鐵設備監(jiān)控系統(tǒng)中對工業(yè)以太網(wǎng)的基本要求為:

(1)如果出現(xiàn)介質故障,恢復時間不能影響系統(tǒng)應用;

(2)基礎設施支持通信所用的數(shù)據(jù)包速率。

工業(yè)以太網(wǎng)交換機產(chǎn)品支持冗余以太網(wǎng)環(huán),它可以在交換機或設備故障情況下實現(xiàn)亞秒級的恢復時間。這樣可以使多數(shù)情況下的應用繼續(xù)不間斷運行,從而允許工程和維護人員在繼續(xù)運營的同時處理故障問題。

以太網(wǎng)交換機及設備已發(fā)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(fā)送和接收,100 Mbit/s快速以太網(wǎng)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(wǎng)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(tǒng)命令。而工業(yè)以太網(wǎng)交換機產(chǎn)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(yè)以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)應用之間的性能差異可以發(fā)現(xiàn),工業(yè)以太網(wǎng)應用在數(shù)據(jù)包速率、數(shù)據(jù)包大小以及帶寬利用方面顯示出與商業(yè)以太網(wǎng)應用相反的特性(如表1所示)。

表1 工業(yè)以太網(wǎng)與商用以太網(wǎng)對比

工業(yè)以太網(wǎng)應用具有較高而穩(wěn)定的數(shù)據(jù)包速率,但由于數(shù)據(jù)包小得多,故總數(shù)據(jù)量較低。工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包大小通常小于500字節(jié)。較小的數(shù)據(jù)包可以更容易地進行穿插,從而降低擁塞的可能性。

多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)應用采用循環(huán)、穩(wěn)態(tài)的通信,數(shù)據(jù)包猝發(fā)很少。綜合考慮數(shù)據(jù)包大小和數(shù)據(jù)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(yè)以太網(wǎng)應用的典型情況。有人可能對工業(yè)以太網(wǎng)的大通信量表示擔憂,但實際情況是100 Mbit/s全雙工以太網(wǎng)對多數(shù)應用已綽綽有余。

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

隨著工業(yè)以太網(wǎng)的不斷發(fā)展以及與傳統(tǒng)商用以太網(wǎng)環(huán)境的結合,我們認識到以太網(wǎng)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(wǎng)標準不一定非常適合地鐵的現(xiàn)場環(huán)境。

5 系統(tǒng)結構的優(yōu)點

5.1 可靠性

PLC控制器的配置采用了施耐德電氣首創(chuàng)、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(jiān)控系統(tǒng)的嚴格技術要求。采用基于Modbus TCP/IP的應用層協(xié)議的透明網(wǎng)絡系統(tǒng),其在傳輸層選用標準的傳輸控制協(xié)議 TCP;在收到經(jīng)網(wǎng)絡傳來的錯誤數(shù)據(jù)的情況下,通過應答與重傳機制保證數(shù)據(jù)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(jiān)控系統(tǒng)的要求之一就是該系統(tǒng)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(tǒng)等功能,可以實現(xiàn)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(xié)議,為眾多的供應商所支持。目前,Modbus TCP/IP已經(jīng)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(wǎng)絡層采用IP協(xié)議,用戶只需了解控制設備的IP地址即可實現(xiàn)設備之間的通信,而與低層網(wǎng)絡地址和硬件無關。對用戶來說,具體的某個網(wǎng)絡單元(硬件和軟件)仿佛不存在一樣,整個網(wǎng)絡可以看成一個透明網(wǎng)絡。

總之,控制網(wǎng)絡采用技術上成熟可靠并日益普及的光纖以太網(wǎng)方案,即采用“透明工廠”的概念,控制網(wǎng)絡全部采用工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡模式。工業(yè)以太網(wǎng)具用通信速度快、光纖信號不易受干擾、備配件易采購等優(yōu)點,以及符合開放系統(tǒng)國際標準、可以被集成到更高層的企業(yè)控制系統(tǒng)中、具有分布式結構、降低安裝成本、使系統(tǒng)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(xiàn)場控制網(wǎng)絡的一種發(fā)展趨勢。

6 結語

PLC對于地鐵設備監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)運行的穩(wěn)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(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)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(jiān)控系統(tǒng)應用技術研究[J].城市軌道交通研究,2008(10):44.