北京地鐵14號線環控系統LK系列冗余可編程控制器應用

黃力寧 鄧 嬪 聶占文

(北京和利時系統工程有限公司 北京 100176)

北京地鐵14號線環控系統LK系列冗余可編程控制器應用

黃力寧 鄧 嬪 聶占文

(北京和利時系統工程有限公司 北京 100176)

城市軌道交通；LK系列；環境與設備監控系統；可編程控制器；模式控制；冗余

1 發展概況

北京地鐵14號線南起豐臺區張郭莊站，北至朝陽區善各莊站，全長47.3 km，設37座車站、2座車輛段和1個停車場[1]。BAS(環境與設備監控系統)是地鐵三大監控系統之一，在地鐵監控系統中發揮著至關重要的作用，而BAS的核心控制器及其組 件 一 直被AB、施耐德、西門子、GE四大廠家所壟斷[2]。北京地鐵14號線的BAS是國內首條采用國產大型冗余系列PLC(可編程控制器)作為核心控制器的地鐵環境與設備監控系統，打破了國外PLC在這一行業的壟斷地位，提高了國產PLC控制系統在地鐵監控系統中的地位，在降低地鐵監控項目投資成本以及提高核心競爭力等方面具有重大的積極意義。

2 和利時LK系列PLC的特點

2.1 與國外PLC的比較

和利時LK系列冗余PLC是國內首臺大型冗余系列的PLC，具有高效經濟的冗余功能、強大開放的通信能力、不低于國外品牌的穩定性以及經濟的配置價格等優勢，已在電力、化工、冶金、交通等二十幾個行業成功應用了數千套。

1) 高效經濟的冗余功能。不同于其他PLC的冗余模塊實現冗余，LK采用兩個CPU(中央處理器)單機架硬件冗余設計，冗余切換過程是無擾切換，切換時間小于50 ms；除此之外還包括交直流電源供電冗余、2 CPU 4網卡的網絡冗余。

3) 具有強大的不低于國外品牌的穩定性。LK系列PLC通過了CE和UL認證，在多個重大項目中經歷了各種現場惡劣環境的考驗，能滿足用戶的各種復雜需求。

2.2 在地鐵中應用的優勢

在城市軌道交通BAS中，LK系列PLC在地鐵工程中的應用，主要有以下優勢。

1) 快速響應優勢：和利時PLC能更快響應用戶服務需求，顯著提高服務質量，在地鐵監控系統中點數多且系統響應時間要求高的情況下， PLC采用了主頻533 MHz的CPU，其運算速度超過同類國外產品，單條指令執行時間僅為13 ns，解決了監控界面設備參數的快速響應問題。

2) 定制化優勢：由于是本地化的研發、生產、銷售和技術支持，LK系列PLC可以根據用戶的特殊需求開發個性化產品。

3 BAS組成

BAS主要控制全線車站及區間的環控，確保其他機電設備安全、高效、協調地運行，保證地鐵車站及區間環境的良好舒適，產生最佳的節能效果，并在突發事件(如火災和阻塞)時指揮環控設備轉向特定模式，為地鐵乘車環境提供安全保證。典型地下車站BAS網絡見圖1。

圖1 典型地下車站BAS網絡

3.1 工藝子系統

14號線BAS主要有EPS(消防應急電源)、冷水系統、智能水表、VRV多聯體空調、大小風機、MCC智能低壓系統、暖通空調、給排水、電扶梯、照明系統等[4]。

3.2 環控系統控制方案

該系統采用帶熱備功能的以LK210為核心的分布式PLC控制系統，通過BAS主干網Profibus-DP總線進行高速通信，并通過接口模塊LK231將分布于車站的箱柜掛到主干網上，同時，通過光纖自愈環將從端PLC控制器中的設備數據傳遞到主端，實現對從端PLC的數據采集和命令下發；對于區間設備，則在車站有區間的一端最后一個遠程箱柜以及區間箱柜中各配置一對LK233光纖模塊，將區間設備的數據通過主干網傳遞到PLC控制器中，保證遠距離數據傳輸的安全性和有效性[6]。

4 BAS復雜邏輯的LK系列PLC實現

在地鐵車站設備監控系統中重要且比較復雜的功能主要包括3方面： PLC冗余設計及主備切換機制、模式控制方式和時間表控制的實現。這些功能主要利用codesys開發平臺設計的PLC編程軟件Hollysys Power pro V4進行編程操作，實現相應的功能。

4.1 PLC冗余設計及主備切換

4.1.1 PLC冗余設計

BAS雙PLC冗余設計原理是：當一套PLC控制系統中2個CPU模塊同時運行時，一個處于主控制器狀態，一個處于備用狀態，當主PLC出現故障、處于停止狀態或斷電情況下，備用PLC控制系統會切換到主PLC狀態，原來的主PLC會切換到備用PLC狀態[7]。

4.1.2 PLC冗余切換機制

主備PLC的冗余切換機制主要包括以下幾種情況。1)2個CPU不同時上電的雙機搶主，即先上電的為主機，后上電的為從機。2)單機升主，即從機在運行過程中，如果檢測到自己為單機，則升為主機。3)主機I/O故障時，從機的升主，即主機檢測到自己I/O故障時，會將自己降為從機，從機檢測到雙從狀態，就會升成主機。

主CPU控制器運行應用程序并操作遠程I/O，如果主控制器停止，則備用控制器在一個掃描期內獲得控制權；LK系列PLC主備切換時間不超過100 ms，遠小于《地鐵設計規范》要求的2 s時間限制。

4.2 模式控制方式

4.2.1 BAS控制方式中的模式控制

模式控制作為一種組合控制方式，按照設計院對地鐵環境設備的工藝設計要求，對某子系統內所有的設備按照一定的動作序列進行組合控制，主要分為正常模式、阻塞模式、火災模式及排廢氣模式。

4.2.2 模式控制的功能

正常模式包括大小系統通風模式、照明模式。通風系統包括全新風、小新風、空調或非空調季節模式。環控系統能耗超過總能耗的50%[8]，因此正常模式在解決車站節能的問題上起著至關重要的作用。災害模式主要用于災害工況的聯動控制。

4.2.3 模式控制的程序實現

模式觸發有3種方式：時間判斷、事件判斷、人工干預，三者執行的優先級別是后者高于前者。時間判斷包含正常模式，事件判斷包含阻塞模式、火災模式以及排廢氣模式，人工干預則可以干預任何模式。

從上面的LED點陣顯示原理上，可以看出，一個8×8點陣顯示就需要占用單片機的2個并口資源，在實際使用中，可以用2片74HC595芯片，一個74HC595芯片只需連接單片機的3位輸入輸出口即可輸出8位信息。具體連接是：74HC595芯片的Ds引腳(串行輸入)、SHcp引腳(移位寄存器的移位脈沖輸入)、STcp引腳(鎖存器的鎖存脈沖信號輸入)。輸出使能端OE接地。相關程序如下：

PLC首先掃描當前權限所在地位置，當前若在時間表控制下且沒有比之更高權限的模式指令時，則執行之前預制好的時間表控制；當有車站阻塞信息、區間火災及中心下發的阻塞模式或火災模式時，待車站監控人員確認后執行阻塞模式；若發生車站火災，監控人員可手動下發車站系統火災模式號到PLC，PLC執行車站系統的火災模式。圖2為車站模式的程序原理。

圖2 車站模式控制程序原理

不同優先級間的切換，只允許由低級切換到高級，只有高級的工況撤銷后才允許回到低級。系統可以直接由任意正常模式切換到火災模式，但不允許直接由火災模式切換到正常模式，只有火災模式撤銷后，才能切換回正常模式。

4.3 時間表控制方式

時間表是模式控制中按照設定時間自動觸發正常模式的高級控制方式，如照明系統的關閉與啟動、運營前的車站系統通風工作、特殊日實現大客流模式等，由于包含的設備多，需要控制的系統繁雜，僅靠手動啟動費時費力，而時間表功能能解決這一問題。地鐵BAS正常運行中使用最多的就是時間表功能。

一座車站的時間表有3種類型：特殊日、工作日和周末。時間表的配置和下裝：在中心ISCS(綜合監控系統)配置各座車站的時間表屬性，包括工藝子系統、模式號以及開始時間，控制中心環調操作員在人機界面點擊手動時間表下裝后，控制中心時間表通過控制中心服務器、車站FEP(前端處理機)直接下載到車站BAS的PLC相應的特殊日、工作日和周末數組中。時間表的執行：PLC完成從ISCS接收包含時間與模式號的通信字，在每天的3時和ISCS完成校時后，PLC再對當前時間進行3種類型判斷，確定當天的時間屬性后，等待到達ISCS設定時間，將對應的模式號放到模式的執行區執行，這樣就實現了設定時間執行設定模式的時間表控制。需要注意的是，一個設備只能屬于一個系統，一個系統同一時間只能屬于一個時間表。

5 LK系列PLC實現的多專業聯動

在交通運輸部出版的《國內外城市軌道交通事故案例評析》中，倫敦地鐵自運營150年來發生了99起重大事故，其中火災事故占40.4%，占事故死亡人數的90.6%?；馂闹氯怂劳龅闹饕蚴俏氪罅坑卸竞透邷貧怏w。因此災害之后系統能快速切換到對應的災害模式，將有害氣體排出車站，對于保護乘客安全是至關重要的。

在14號線的設計中充分考慮了BAS在災害模式下的時間響應問題，LK系列的PLC能夠快速響應FAS通信字，主端PLC能夠根據相應的工況準確無誤地執行相應的災害模式，且從收到災害信號到執行的時間小于1s，有效保障地鐵站內人員及設備的安全。

6 結論

北京地鐵14號線BAS是14號線監控系統的重要組成部分，和利時BAS項目組在完成各項調試任務的同時，使各項指標均滿足設計要求，自全功能順利開通至今已經可以安全穩定運行，系統的可靠性得到了業主及監理

[1] 北京市軌道交通建設管理有限公司.北京地鐵14號線地鐵綜合監控系統招標文件[G].北京，2007.

[2] 魏曉東.城市軌道交通自動化系統與技術[M].北京：電子工業出版社,2004.

[3] GB 50157—2013 地鐵設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社,2013.

[4] 北京和利時系統工程有限公司.LK大型可編程控制器硬件手冊[G].北京，2010.

[9] 鐵道第二勘察設計院.地鐵工程設計指南[M].北京：中國鐵道出版社,2002.

[10] 國家發展與改革委員會.國家計委關于城市軌道交通設備國產化實施意見的通知[S].北京，1999.

(編輯：王艷菊)

Application of LK Series Redundant PLC in BAS for Beijing Subway Line 14

Huang Lining Deng Pin Nie Zhanwen

(Beijing Hollysys System Engineering Co., Ltd., Beijing 100176)

The control system composition and control process of the BAS in Beijing Subway Line 14 is presented. The redundant control system is realized by using the series of HollySys LK PLC as the core and the master-slave system which are communicated via the optical fiber self-healing ring bus. The mode and schedule control method is designed by using the Profibus-DP dual redundant communication as a backbone network, which guaranteed that the running states of the equipment of the interval and nine systems of station are monitored and processed in real-time. To ensure the safety of subway passengers and suitable environment for subway station, fire-fighting linkage between the BAS and the FAS is implemented based on the communication mode of modbus; moreover, temperature and the concentration of carbon dioxide is detected by some special modules around the subway station. Meanwhile, the mode of “one running while the other standing by” is adopted by the BAS in each side of the subway station based on the high speed synchronous mode, which can assure flexibility, reliability and automatic running of the BAS when one of the two systems breakdown and the other can switch back and forth.

urban rail transit; LK series; BAS; PLC; mode control; redundant

黃力寧，男，工程師，從事軌道交通綜合監控系統的理論與技術研究，huanglining@hollysys.com

北京地鐵14號線工程綜合監控系統采購項目(2011ZS0000165)

U231.6

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