混合結構環網PLC控制系統在綜合管廊監控中的應用

張家鵬

(上海工業自動化儀表研究院有限公司，上海 200233)

0 引言

近年來，我國城市發展迅速，地下綜合管廊建設逐漸成為人們關注的焦點。早在19世紀，法國、日本等一些發達國家為更合理地利用城市地下空間、避免城市建設給民眾帶來的不便，建設了地下綜合管廊。本文以上海浦東新區張楊路共同溝監控系統升級項目為背景，詳細介紹了混合結構環網可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)控制系統在綜合管廊中的應用。

張楊路地處浦東新區陸家嘴金融、商業、貿易中心。共同溝分別位于道路兩側人行道下，與路面線布置一致，屬雙線地下綜合管廊(以下簡稱管廊)。其西起浦東南路，東至金橋路，總長約11.125 km，是現代化建設與市政規劃超前性的重要標志之一。

1 系統構成

管廊主體分為南溝和北溝兩部分，分別位于主路兩側。一套完備的監控系統，包括排水、通風、照明、火災報警、電力監控、溫濕度檢測、氧氣檢測等設備，由PLC控制系統完成對主要設備的控制。管廊地上部分設有兩個控制室，主控中心位于南溝側，分控中心位于北溝側。兩臺PLC分布于管廊主控中心與分控中心，通過網線以星型結構接入核心交換機，與各個操作站和遠程IO(remote IO,RIO)控制站進行通信。管廊內部離散分布有28個RIO控制站。其7個為一組，共分為4組。每組通過光纖接入核心交換機構成環網。混合結構環網PLC控制系統[1]如圖1所示。

圖1 混合結構環網PLC控制系統

把環網結構的網絡作為星型結構的一個節點串在一根傳輸介質上。中心節點負擔著各個節點之間的通信轉發和協調任務，其他節點只與中心節點相連，互相之間沒有連接[2]。由于任意節點發生故障，都不會影響整個網絡，故比較容易實現與不同網絡的通信，且有一定的可靠性。但是，中心節點若出現故障，將會造成全網的癱瘓，并且整個網絡非常復雜，不易于維護。傳統混合結構網絡，如圖2所示。

結合以往項目經驗，本次工程采用的環網結構是在傳統混合結構網絡的基礎上進行優化設計的。為保證整個系統數據傳輸的可靠性，主控中心和分控中心各設置一臺核心交換機和一個PLC。兩臺核心交換機通過光纖連接通信，形成一個冗余型中心節點[3]；兩臺PLC利用冗余光纖構成硬冗余結構，采用異地冗余方式同步。每臺PLC控制器均由網線接入各自所在控制中心的核心交換機。管廊內每個RIO控制站配有一臺工業級交換機，同組首交換機與主控中心核心交換機相連，尾端交換機與分控中心核心交換機相連，同組其余RIO控制站利用交換機首尾相接形成串聯環網結構[4]。串聯環網結構如圖3所示。

圖2 傳統混合結構網絡圖

圖3 串聯環網結構圖

這種網絡結構在數據傳輸可靠性上優于傳統混合結構網絡。由于冗余中心節點的存在，即使中心節點的一臺核心交換機在運行過程中出現故障，另一臺核心交換機仍然可以承擔整個網絡通信的轉發和協調任務，不會造成全網的癱瘓。同樣，如果一臺 PLC出現故障，另一臺PLC則會在極短的時間內投入使用，不會對系統邏輯運算和指令收發造成影響。

2 網絡配置及設備選型

根據初步設計方案，為保證冗余中心節點數據通信的實時性和可靠性，本次工程主控中心和分控中心的核心交換機采用2臺支持PROFINET協議的菲尼克斯FL SWITCH GHS 12G/8-L3千兆級模塊化交換機。該設備屬于高性能的管理型交換機，集成有12個千兆級端口的交換機，可以通過接口模塊擴展至16個百兆端口，路由功能至多可達28個不同的子網。其靈活的模塊化設計滿足管廊現場的端口要求。考慮到管廊內部各RIO控制站機柜空間有限，所以選用28臺FL SWITCH SMCS機架式網管型環網交換機。其不但性能強大、結構緊湊，而且集成的2個千兆級光纖端口和6個百兆級電端口均為等位端口，無主次之分，可以根據現場網絡結構靈活選擇接入方式。同時，應用交換機管理軟件對FL SWITCH SMCS機架式網管型環網交換機的通信接口進行編號，光纖接口編為1.1和1.2，電端口編為2.1～2.6。將該交換機的1.1千兆級光纖端口設置為環網接口，用于與管廊內各環網交換機連接；1.2千兆級光纖端口設為備用端口。將2.1百兆級電端口設置為PLC通信端口，通過RJ45雙絞屏蔽網線進行連接；將2.2設置為備用端口，作為應急使用；將2.3百兆級電端口設置為檢修端口，并為其創建移動檢修工作站MAC地址白名單，只允許擁有檢修授權的外接設備進行通信；將其余端口設置為休眠狀態，暫不參與通信。這樣可對環網交換機的每一個端口進行網格式配置管理(同時鎖定每個接入端口的上/下游設備IP地址，降低網絡風暴的風險)，確保個環網內數據傳輸的穩定性[5-6]。

目前，國際上支持冗余的PLC產品基本都是本地冗余結構(背板同步通信或者通過冗余模塊同步通信)。這種冗余方式的一對PLC受空間限制，必須放置在同一機柜的相鄰位置[7]。而管廊項目的主控中心與分控中心距離較遠，所以本次項目選擇PLC的一個必備條件就是支持異地冗余功能[8]。因此，本項目選用2臺菲尼克斯460R PLC。安裝在主控中心的控制器為主機，分控中心的控制器為備機，兩控制器互為熱備，通過熱備光纜進行實時數據備份。管廊內每個RIO控制站機柜內均選用一套性能可靠的ILC系列I/O控制器。該控制器集成有電源模塊和2個10/100 M工業以太網口，其控制容量可達4 096點。

同時，主機自帶參數化操作診斷RS-232-C接口，為現場巡檢提供了便利。

考慮到本次工程擁有較多的遠程站，為減輕PLC主控制機的負擔，在邏輯組態上進行了一些優化。傳統方式是由PLC控制器根據現場要求完成邏輯組態，RIO控制站的輸入模塊接收現場設備的狀態，通過總線傳遞給PLC。PLC根據接收到的信息完成邏輯運算，再發送給輸出模塊，由輸出模塊發出指令完成設備動作。PLC傳統控制方式如圖4所示。

圖4 PLC傳統控制方式

這種控制方式需要PLC支撐所有現場備的邏輯運算、狀態反饋、報警反饋以及指令輸出，且邏輯組態比較平面化，在常規控制系統中是可行的。但是，如果系統中的遠程站以及受控設備過多，就有可能使PLC上載和下載的負荷急劇上升，造成數據傳輸不暢，甚至導致系統癱瘓。這會嚴重影響整個系統的穩定性。為了降低這種風險，基于PCworx組態軟件，對整個組態結構進行立體化分層管理。利用管廊內各RIO控制站控制器可以獨立運算的優勢，將每個RIO控制站所控制的設備劃為一個獨立區域，以區域為單位進行邏輯組態。該區域受控設備的狀態反饋，邏輯運算以及指令輸出均由該區域RIO控制站控制器完成，并將最終運算結果傳至主控PLC。這種組態模式是將管廊內的受控設備進行分解。對于整個系統來說，每個RIO控制站控制器都為其分擔一部分邏輯運算，只將最終運算結果必要的結果傳遞至主控PLC。這會大大降低主控PLC的負荷，使得整個系統保持在一個低能耗且高效率的運轉狀態。

3 結束語

地下綜合管廊的控制現場具有比較復雜的環境，對控制要求變化較多，在設計中需要根據其獨特環境進行合理選擇安排。比如，通信形式可以采普通以太網，也可采用現場總線的形式；可以使用整體冗余環網架構，也可以構成多環網模式。邏輯組態也同樣需要考慮系統的結構、擴展性、靈活性等[9]。

自動化發展到今天，硬件設備與軟件編程已密不可分，強大的網絡功能更是支持地下綜合管廊監控的有力工具。展望未來，地下綜合管廊在人們的生活中扮演著越來越重要的角色，成為城市生活中不可分割的部分。