地鐵屏蔽門控制系統中PLC設備與監控系統通信方式研究*

于 航　馮進峰

（1.天津理工大學自動化學院，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中PLC設備與監控系統通信方式研究*

于 航1馮進峰2

（1.天津理工大學自動化學院，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為分析對象，闡述了組成西門子S 7-400 H容錯系統的方法，提出了屏蔽門控制系統中采用德國赫優訊NL-netLINK網關實現西門子設備（屏蔽門主控機，S 7-400 H容錯系統）和監控系統通信的方案。介紹了西門子的PLC（可編程邏輯控制器）與不同協議的上位機進行通信的成功案例。

關鍵詞地鐵；屏蔽門控制系統；中央控制器；監控系統；通信方式

*天津市自然科學基金重點項目（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中西南至東北方向的骨干線，共設車站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置，將軌道區與站臺候車區隔開，保障了乘客安全，降低了列車運行產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境，是地鐵系統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的網絡架構

屏蔽門控制系統主要由中央控制盤（PSC）、就地控制盤（PSL）、門控單元（DCU）及執行電機、輸入∕輸出模塊、聲光報警裝置和現場冗余總線網絡等構成，完成對整個車站屏蔽門的實時控制與監視。每個車站設有一個PSC，由兩套屏蔽門中央控制器（邏輯控制部件）和一套監控系統及接口設備構成。其中，屏蔽門監控系統由機房監控系統、遠程監視系統（與綜合監控系統接口）、DCU通信網絡等設備組成。監控主機要監視每個子系統的設備，實現系統內部信息的收發、采集、匯總和分析，以及實現與綜合監控系統、遠程監視系統，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。在系統設計時，屏蔽門中央控制器與監控系統主機單獨設計（即控制系統的任何故障不影響監控系統的運行，監控系統的故障不影響屏蔽門的正常運行），控制系統與監控系統通過網絡及硬線接口通信，保證系統整體的有效性。屏蔽門監控系統可通過冗余以太網接口與綜合監控系統通信。屏蔽門中央控制器和監控主機在中央控制盤中的關系如圖1所示。

圖1　中央控制盤邏輯接口框架圖

根據屏蔽門控制系統內部通信的需要，以每側站臺單元控制器、PSL和DCU組成一個相對獨立的子系統，通信方式采用現場總線和硬線連接。在屏蔽門控制系統中，PSC、PSL和DCU通過冗余的現場總線構成開放的網絡系統，它們可同時傳送數據。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信息。屏蔽門控制系統通過現場總線把連接在網絡上的設備有機組合在一起，實現對屏蔽門的基本控制、參數修改、告警、顯示、監視等綜合自動化功能。屏蔽門控制系統的現場總線采用TCP∕IP通信協議，每個DCU作為一個網絡節點掛接在網絡上，PSC作為網絡服務器，DCU作為網絡工作站。對于一些關鍵信號，如PSC與PSL間以及PSL與DCU之間，采用PROFIBUS現場總線連接，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聯鎖。系統網絡結構如圖2所示。

圖2　屏蔽門控制系統網絡結構

2　屏蔽門中央控制器的結構

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）的硬件結構包括：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）設備，以及2個IM 153-2、1個數字量輸入模塊SM 321 DI 16 x DC 24 V、一個數字量輸出模塊SM 322 DO 16 x DC 24 V。上位機PSA（車控室操作指示盤）與PSC采用以太網進行通信。PSA的界面上可顯示屏蔽門系統的各種狀態及信息，如故障信息，各個活動門、端頭門、應急門的狀態等，并可以實現屏蔽門相關狀態的查詢、故障報警，以及運營月報表生成、運營故障記錄等。其結構如圖3所示。

圖3　屏蔽門控制系統中西門子S 7-400 H容錯系統的結構

3　屏蔽門控制系統與監控系統通信方案

監控系統與控制系統通信時，傳統的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，組態軟件通過其與PLC進行數據通信。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；且監控系統主機如果要通過以太網與西門子PLC進行通信，需要增加西門子的以太網PLC通信模塊（如CP 343）和NET軟件。特別是對已經使用MPI通信的項目進行改造時，用戶不僅需購買西門子以太網通信模塊，還要考慮柜內槽位和接線，同時要對PLC程序和上位機監控軟件進行修改，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。

德國赫優訊的net LINK網關可將西門子的PPI（點對點）協議、MPI協議、PROFIBUS-DP協議轉成以太網協議，通過OPCServer服務器，可以實現PLC和上位機監控軟件的通信。從PLC到NL-net LINK網關運行MPI協議，從NL-net LINK網關到上位機運行以太網Ethernet協議。在上位機中，組態軟件和PLC的數據交換通過OPCServer服務器來實現。通過OPCServer，監控計算機可以對系統進行動態監控；網絡數據服務器可以對系統的數據采集、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S 7-400 H容錯系統；監控系統采用研華工控主機，軟件監控界面為組態王監控畫面，通過赫優訊以太網網關與S 7-400 H建立通信連接，讀取S 7-400 H數據塊中的信息并上傳至車站調度中心。赫優訊NL-net LINK網關與PLC及上位機的連接方法如圖4所示：NL-net LINK網關的MPI端口插入S 7系列CPU的MPI通信口，另一端的以太網RJ 45端口插入計算機以太網網卡或交換機。

圖4　系統配置簡圖

使用德國赫優訊NL-net LINK轉換器，并在上位機安裝赫優訊SyCon OPCServer軟件，上位機可輕松通過以太網連接西門子PLC，實現組態軟件與PLC之間進行以太網數據通信，且不需要對原有PLC程序和上位機組態軟件進行修改，極大地提高了工作效率。

4　netLINK網關參數配置

首先，通過赫優訊的SyCon軟件，分別對net LINK網關的參數IP Address、Ethernet、PROFIBUS進行配置；然后，通過菜單欄的工具將配置參數下載到net LINK網關中；最后，將最新的Fireware下載到net LINK網關中。如圖5所示。

圖5　net LINK參數設置圖

組態王中的相關設置：在組態界面OPC（OLE for Process Control）服務器的工具欄中新建一個OPC服務器，選擇Beichen.net LINK.OPCserver。如圖6所示。

完成OPCServer服務器的新建后，即可以在數據字典中建立系統監控所需要的變量，在變量的“連接設備”選項中選擇“本機Beichen.net LINK. OPCserver”。打開組態監控畫面開啟屏蔽門，觀察畫面所對應的門的狀態與實際狀態是否一致。如果畫面所對應的門的狀態沒有變化，說明參數設置或者硬件配置不對，重新檢查配置；如果畫面所對應的門的狀態與實際狀態有出入，調整變量函數中的值直到完全對應為止。

圖6　OPCServer服務器創建圖

5　結語

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

參考文獻

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

［2］ 北京亞控科技發展有限公司.組態王用戶手冊［G］.2007.

［3］ 德國赫優訊自動化系統有限公司.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容錯系統手冊［G］.2008.

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

Yu Hang，Feng 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）