于 航　馮進峰

（1.天津理工大學(xué)自動化學(xué)院，300222，天津；2.天津市地下鐵道運營公司，300222，天津∥第一作者，講師）

地鐵屏蔽門控制系統(tǒng)中PLC設(shè)備與監(jiān)控系統(tǒng)通信方式研究*

于 航1馮進峰2

（1.天津理工大學(xué)自動化學(xué)院，300222，天津；2.天津市地下鐵道運營公司，300222，天津∥第一作者，講師）

摘 要以天津地鐵3號線屏蔽門控制系統(tǒng)為分析對象，闡述了組成西門子S 7-400 H容錯系統(tǒng)的方法，提出了屏蔽門控制系統(tǒng)中采用德國赫優(yōu)訊NL-netLINK網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)西門子設(shè)備（屏蔽門主控機，S 7-400 H容錯系統(tǒng)）和監(jiān)控系統(tǒng)通信的方案。介紹了西門子的PLC（可編程邏輯控制器）與不同協(xié)議的上位機進行通信的成功案例。

關(guān)鍵詞地鐵；屏蔽門控制系統(tǒng)；中央控制器；監(jiān)控系統(tǒng)；通信方式

*天津市自然科學(xué)基金重點項目（13ZCZDGX03800）

First-author＇s address Department of Automatic Engineering，Tianjin University of Technology，300222，Tianjin，China

天津地鐵3號線為天津市快速軌道交通網(wǎng)中西南至東北方向的骨干線，共設(shè)車站23座。其中，地下站18座，安裝屏蔽門；高架站4座、地面站1座，安裝半高安全門。屏蔽門沿站臺邊緣設(shè)置，將軌道區(qū)與站臺候車區(qū)隔開，保障了乘客安全，降低了列車運行產(chǎn)生的噪聲對車站的影響，有效地減少了空氣對流造成的站臺冷熱氣的流失，為乘客提供了舒適的候車環(huán)境，是地鐵系統(tǒng)正常運行的一個重要安全裝置。

1　天津地鐵3號線屏蔽門控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

屏蔽門控制系統(tǒng)主要由中央控制盤（PSC）、就地控制盤（PSL）、門控單元（DCU）及執(zhí)行電機、輸入∕輸出模塊、聲光報警裝置和現(xiàn)場冗余總線網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成，完成對整個車站屏蔽門的實時控制與監(jiān)視。每個車站設(shè)有一個PSC，由兩套屏蔽門中央控制器（邏輯控制部件）和一套監(jiān)控系統(tǒng)及接口設(shè)備構(gòu)成。其中，屏蔽門監(jiān)控系統(tǒng)由機房監(jiān)控系統(tǒng)、遠程監(jiān)視系統(tǒng)（與綜合監(jiān)控系統(tǒng)接口）、DCU通信網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備組成。監(jiān)控主機要監(jiān)視每個子系統(tǒng)的設(shè)備，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部信息的收發(fā)、采集、匯總和分析，以及實現(xiàn)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)、遠程監(jiān)視系統(tǒng)，站臺端頭控制盤、緊急控制盤、DCU之間的信息交換，并能夠查詢站臺單元控制器中各個回路的狀態(tài)。在系統(tǒng)設(shè)計時，屏蔽門中央控制器與監(jiān)控系統(tǒng)主機單獨設(shè)計（即控制系統(tǒng)的任何故障不影響監(jiān)控系統(tǒng)的運行，監(jiān)控系統(tǒng)的故障不影響屏蔽門的正常運行），控制系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)及硬線接口通信，保證系統(tǒng)整體的有效性。屏蔽門監(jiān)控系統(tǒng)可通過冗余以太網(wǎng)接口與綜合監(jiān)控系統(tǒng)通信。屏蔽門中央控制器和監(jiān)控主機在中央控制盤中的關(guān)系如圖1所示。

圖1　中央控制盤邏輯接口框架圖

根據(jù)屏蔽門控制系統(tǒng)內(nèi)部通信的需要，以每側(cè)站臺單元控制器、PSL和DCU組成一個相對獨立的子系統(tǒng)，通信方式采用現(xiàn)場總線和硬線連接。在屏蔽門控制系統(tǒng)中，PSC、PSL和DCU通過冗余的現(xiàn)場總線構(gòu)成開放的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它們可同時傳送數(shù)據(jù)。每個DCU之間沒有通信需求，單元控制器向每個DCU進行廣播式通信，每個DCU向單元控制器反饋門機狀態(tài)信息。屏蔽門控制系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線把連接在網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備有機組合在一起，實現(xiàn)對屏蔽門的基本控制、參數(shù)修改、告警、顯示、監(jiān)視等綜合自動化功能。屏蔽門控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線采用TCP∕IP通信協(xié)議，每個DCU作為一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點掛接在網(wǎng)絡(luò)上，PSC作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，DCU作為網(wǎng)絡(luò)工作站。對于一些關(guān)鍵信號，如PSC與PSL間以及PSL與DCU之間，采用PROFIBUS現(xiàn)場總線連接，DCU與PSC之間，則采用點對點的硬線連接。PSC通過安全回路與信號系統(tǒng)聯(lián)鎖。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　屏蔽門控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2　屏蔽門中央控制器的結(jié)構(gòu)

PSC的中央控制器（邏輯控制部件）采用西門子高性能的S 7-400 H系列冗余控制器產(chǎn)品，控制裝置帶有PROFIBUS總線和RS 485串行接口。西門子PLC（可遍程邏輯控制器）按照冗余模式運行，即符合主動冗余原理，出現(xiàn)故障時，可無擾動、無沖擊地自動切換。中央控制器（邏輯控制部件）的硬件結(jié)構(gòu)包括：1個UR 2 H機架、2個電源模塊PS 407 10 A、2個S 7-400 H中央處理器（CPU）、4個同步模塊、2根光纜、2個帶有源背板總線的ET 200 M分布式I∕O（輸入∕輸出）設(shè)備，以及2個IM 153-2、1個數(shù)字量輸入模塊SM 321 DI 16 x DC 24 V、一個數(shù)字量輸出模塊SM 322 DO 16 x DC 24 V。上位機PSA（車控室操作指示盤）與PSC采用以太網(wǎng)進行通信。PSA的界面上可顯示屏蔽門系統(tǒng)的各種狀態(tài)及信息，如故障信息，各個活動門、端頭門、應(yīng)急門的狀態(tài)等，并可以實現(xiàn)屏蔽門相關(guān)狀態(tài)的查詢、故障報警，以及運營月報表生成、運營故障記錄等。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　屏蔽門控制系統(tǒng)中西門子S 7-400 H容錯系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

3　屏蔽門控制系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)通信方案

監(jiān)控系統(tǒng)與控制系統(tǒng)通信時，傳統(tǒng)的MPI（多點接口）連接方式是采用西門子PC（個人計算機）適配器或CP 5611，進行Step 7程序下載，組態(tài)軟件通過其與PLC進行數(shù)據(jù)通信。但是，西門子PC適配器采用串口或USB（通用串行總線）口的方式，通信距離受到很大局限；且監(jiān)控系統(tǒng)主機如果要通過以太網(wǎng)與西門子PLC進行通信，需要增加西門子的以太網(wǎng)PLC通信模塊（如CP 343）和NET軟件。特別是對已經(jīng)使用MPI通信的項目進行改造時，用戶不僅需購買西門子以太網(wǎng)通信模塊，還要考慮柜內(nèi)槽位和接線，同時要對PLC程序和上位機監(jiān)控軟件進行修改，工作量是比較大的，也存在修改的程序是否正確等問題。針對以上問題，在天津地鐵3號線中，提出了一個全新的解決方案。

德國赫優(yōu)訊的net LINK網(wǎng)關(guān)可將西門子的PPI（點對點）協(xié)議、MPI協(xié)議、PROFIBUS-DP協(xié)議轉(zhuǎn)成以太網(wǎng)協(xié)議，通過OPCServer服務(wù)器，可以實現(xiàn)PLC和上位機監(jiān)控軟件的通信。從PLC到NL-net LINK網(wǎng)關(guān)運行MPI協(xié)議，從NL-net LINK網(wǎng)關(guān)到上位機運行以太網(wǎng)Ethernet協(xié)議。在上位機中，組態(tài)軟件和PLC的數(shù)據(jù)交換通過OPCServer服務(wù)器來實現(xiàn)。通過OPCServer，監(jiān)控計算機可以對系統(tǒng)進行動態(tài)監(jiān)控；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)器可以對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理和歸檔。

在天津地鐵3號線中，屏蔽門主控機（中央控制器）采用西門子自動化系統(tǒng)S 7-400 H容錯系統(tǒng)；監(jiān)控系統(tǒng)采用研華工控主機，軟件監(jiān)控界面為組態(tài)王監(jiān)控畫面，通過赫優(yōu)訊以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與S 7-400 H建立通信連接，讀取S 7-400 H數(shù)據(jù)塊中的信息并上傳至車站調(diào)度中心。赫優(yōu)訊NL-net LINK網(wǎng)關(guān)與PLC及上位機的連接方法如圖4所示：NL-net LINK網(wǎng)關(guān)的MPI端口插入S 7系列CPU的MPI通信口，另一端的以太網(wǎng)RJ 45端口插入計算機以太網(wǎng)網(wǎng)卡或交換機。

圖4　系統(tǒng)配置簡圖

使用德國赫優(yōu)訊NL-net LINK轉(zhuǎn)換器，并在上位機安裝赫優(yōu)訊SyCon OPCServer軟件，上位機可輕松通過以太網(wǎng)連接西門子PLC，實現(xiàn)組態(tài)軟件與PLC之間進行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信，且不需要對原有PLC程序和上位機組態(tài)軟件進行修改，極大地提高了工作效率。

4　netLINK網(wǎng)關(guān)參數(shù)配置

首先，通過赫優(yōu)訊的SyCon軟件，分別對net LINK網(wǎng)關(guān)的參數(shù)IP Address、Ethernet、PROFIBUS進行配置；然后，通過菜單欄的工具將配置參數(shù)下載到net LINK網(wǎng)關(guān)中；最后，將最新的Fireware下載到net LINK網(wǎng)關(guān)中。如圖5所示。

圖5　net LINK參數(shù)設(shè)置圖

組態(tài)王中的相關(guān)設(shè)置：在組態(tài)界面OPC（OLE for Process Control）服務(wù)器的工具欄中新建一個OPC服務(wù)器，選擇Beichen.net LINK.OPCserver。如圖6所示。

完成OPCServer服務(wù)器的新建后，即可以在數(shù)據(jù)字典中建立系統(tǒng)監(jiān)控所需要的變量，在變量的“連接設(shè)備”選項中選擇“本機Beichen.net LINK. OPCserver”。打開組態(tài)監(jiān)控畫面開啟屏蔽門，觀察畫面所對應(yīng)的門的狀態(tài)與實際狀態(tài)是否一致。如果畫面所對應(yīng)的門的狀態(tài)沒有變化，說明參數(shù)設(shè)置或者硬件配置不對，重新檢查配置；如果畫面所對應(yīng)的門的狀態(tài)與實際狀態(tài)有出入，調(diào)整變量函數(shù)中的值直到完全對應(yīng)為止。

圖6　OPCServer服務(wù)器創(chuàng)建圖

5　結(jié)語

西門子的以太網(wǎng)模塊CP 243-1、CP 343-1、CP 443-1價格昂貴，并且需要復(fù)雜的SIMATIC NET組態(tài)，給企業(yè)聯(lián)網(wǎng)工程帶來了一定的難度。如果選用net LINK，則可把傳統(tǒng)的編程口（PPI口、MPI口、DP口）直接轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)接口，聯(lián)網(wǎng)功能強大，而且即插即用，維護方便，在地鐵建設(shè)中可更加方便快捷地實現(xiàn)系統(tǒng)的改造和升級，且在改造過程中，不需要改變原系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，也不需要修改軟件，不影響原系統(tǒng)的性能和正常運行。

參考文獻

［1］ 陳海輝，胡躍明，熊建明.地鐵屏蔽門控制系統(tǒng)方案［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2002，30（4）：44.

［2］ 北京亞控科技發(fā)展有限公司.組態(tài)王用戶手冊［G］.2007.

［3］ 德國赫優(yōu)訊自動化系統(tǒng)有限公司.net LINK手冊［G］.2011.

［4］ 德國西門子自動化控制中心.西門子S 7-400 H容錯系統(tǒng)手冊［G］.2008.

On PLC in Metro Platform Scree Door and Communication Mode of Monitoring System

Yu Hang，F(xiàn)eng Jinfeng

AbstractIn this paper，the platform screen door（PSD）control system on Tianjin metro Line 3 is analyzed，the composed fault-tolerant system in Siemens S7-400H is described.The adoption of Hilscher optimal dispatch of NL-net LINK gateway in PSD contro system to realize the communication connection between Siemens equipment and monitoring system are presented.Meanwhile，a successful case about the communication of Siemens PLC（Programmable Logic Controller）and different protocols of upper machines is introduced.

Key wordsmetro；platform screen door；central control unit；monitoring system；communcation mode

中圖分類號U 231.7

DOI：10.16037∕j.1007-869x.2016.01.012

收稿日期：（2014-04-29）