PLC技術在地鐵BAS系統中的應用

泰山科技學院 李敬 閆曉兵 劉運杰 陳春梅 李洪飛

1 引言

地鐵作為當前社會中較為方便快捷的交通工具交通方式之一，已然成為了城市里不可或缺的重要交通工具。在地鐵領域中，過去固有的一套地鐵控制流程，需要大量的人員同步進行工作，在實用性、時間的適用性以及操作的可控性上分析評估，傳統的控制流程在目前的地鐵應用領域中上已經完全的失去了競爭能力[1-2]。

近年來，隨著人民群眾和國家對于地鐵運行質量和實用需求等方面要求的提高，PLC 技術已然是在各個領域的企業中得到了非常普遍的應用[3-4]。本文設計了一種基于PLC控制的地鐵BAS系統，顯著地提升了地鐵原有的工作效率，實現了為企業降低投資成本，提高了產出效益[5]。

2 PLC概述

2.1 PLC組成及工作原理

近年來，PLC 的發展從未停止，并且發展勢頭迅猛，因此截止到現在，對其定義都沒能夠統一。國際電工委委員會（IEC）對可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC） 的定義是由邏輯運算實現控制的一種電子系統，設計的初衷是應用于大工業環境[2]。其采用一種可編程存儲器（Programmable Memory，PM），采用內部存儲程序、執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等指令運行，并利用數字和單元程序輸入/輸出，操縱各類機械和設備進行高效生產。PLC 也可以歸屬為一個微型的計算機，其像一臺普通計算機一樣工作，在很多方面具有計算機的特點。但其工作形式比計算機要有特殊性。

PLC 是實現自動化控制管理的主要部分，其構成主要是數據操控應用體系構成，其中的主要環節用控制器設備、儲存應用設備等進行實現，內部數據的控制軟件用以實現計時、統計數據、數據信息的處理與控制操作、邏輯思維的管理操作與實際的數據模擬管理、數字信息轉化之間的處理控制等。

鑒于PLC 的全面功能可以滿足實際現場的模擬操作管理體系的各種需求，所以該可程序編譯控制操作設備可以一定程度上滿足多種生產工藝的不同要求。實際現場數據數字信號與模擬仿真數字信號經過反映收集，自動輸出最終結果。依據客戶應用程序的運算最終結果，送往實際現場展開控制管理。主要使用情況具體如下所示。

一是現場實際操作管理的項目復雜，開關的種類與數目繁多，運用PLC自動操作系統的場合很多。

二是根據不同的實際操作要求，可以用以實現不同的現場操控求得功能板塊也非常多。

三是依據實際開發功能的復雜要求，為避免系統操作間的體系互相不兼容支持，PLC 相關設備與功能板塊進行豐富多樣的研發，在高標準的應用要求下，提高應用操作系統的適應性，可以進行應用程序的監督管理控制與刪改調整控制管理。

四是對實際現場總連接線通信的應用技術的要求，PLC 的相關操作設備可以實現與聯動基本作用單元、實際現場儀表控制設備，包括上位監督管理控制人機頁面等通信完成。

2.2 PLC選型

目前，市面上可編程控制器的品牌種類非常的多，其中能夠受到廠家和用戶大規模使用的品牌主要包括德國的Siemens、日本的Mitsubishi、法國的Schneider 等。臺達DVP16HP 作為PLC 擴展模塊，支持4 點200kHz 硬件高速計數器，在提供這些計數器的同時，也承擔了4 個200kHz 高速脈沖輸出點的任務，從外部提供中斷的輸入點也提升到16 個，內部設置1 個RS232 口、1 個RS485 口，外加1 個可擴展的COM3 口，均支持MODBUS 主/從站模式。在此基礎功能上DVP16HP 還增加了很多控制指令，例如，通過增加運動控制指令來實現高速定位控制功能。

DVP16HP 作為PLC 擴展模塊，其基本功能是在編輯過程中，程序的斷電保護以及程序自動備份功能，雙重備份功能。雙重備份功能是以實現另一份程序與數據的儲存。DVP16HP 還可以4 重PLC 密碼保護，全方位保密用戶的知識產權。將DVP16HP 選做擴展主機的模塊，作為系統PLC 預留20%的接口模塊，能夠達到PLC 擴展主機的高需求。

3 地鐵BAS系統

地鐵環境與設備監控系統（BAS） 通常情況下是將綜合監控系統進行集成處理，但是不需要重新組建全線網絡。BAS 系統設置有三級的管理控制，分別是中央管理、車站管理、就地管理。中央級（Central Level，CL） 和車站級（Station Level，SL） 監控功能是通過綜合監控系統 （Integrated Monitoring System，IMS） 的工作來完成的，BAS 作為IMS 的一個子系統，通過每一級可靠穩定的密切配合，最終實現復雜煩瑣的功能。

地鐵環境與設備監控系統（BAS）要求采用冗余設計的設計方式，設計內容主要涵蓋了：網絡冗余（Network Redundancy， NR）、 主控冗余（MR）、接口冗余（Interface Redundancy，IR）等。在系統面臨故障發生時，可以以較快的速度切換到其他節點進行替換，其余節點保持之前的模式，用來確保BAS 及其相關系統的嚴謹高效完整的運行。

地鐵環境與設備監控系統（BAS）是基于分層分布式的架構模式有中央級（Central Level，CL）、車站級（Station Level，SL）、現場級（Field Level，FL）。中央級是CL 位于運行控制中心（Operating Control Center，OCC）的調度工作站，由行車綜合自動化系統實現。車站級是SL位于車站監控室和車站控制室，包括車站級行車綜合自動化系統監控功能和車站BAS監控功能。車站級監控功能由行車綜合自動化系統完成，車站BAS監控功能的實現是由車站BAS緊急維護終端、BAS維護工作站、PLC控制器組成。FL位于各個車站的數據采集點或者自行監控點，要實現數據的現場采集需要一些基本的元件，例如不同種類的傳感器和執行器，不同的模塊，如遠程I/O模塊、接口模塊等。

4 PLC技術在地鐵bas系統中的應用

針對目前階段地鐵的BAS 控制系統中針對各個方面控制性能的要求，例如針對BAS 系統中的冗余性能、網絡性能以及設備性能等的要求，本文基于上述具體要求，提出了PLC 應用于地鐵BAS 系統中解決方案，并且深入研究，提升系統性能，只有這樣才能更好的適應地鐵BAS 系統對于多方面性能的要求。LK/PLC 的設計結構采用的是模塊化的形式，包括模塊化的CPU、模塊化的電源、模塊化的通信及I/O 接口等，通過相應的遠程通信方式實現與I/O 接口的連接，通過這種連接方式，實現了現場信號的快速采集與收集和發送，顯著的降低了通信線纜的敷設成本和運維成本。LK 冗余PLC 的系統調整控制方案需要的時間非常的短，能夠使地鐵BAS 系統的安全性得到一定程度的保障。模塊化的CPU 主頻率非常的高，工作過程中的處理速度也是非常的快，能夠一定程度地滿足地鐵BAS 系統在工作過程中的各種煩瑣程序處理的需求。LK/PLC 是采用了寬溫的設計，各個板卡上都需要涂上三防漆，目的是確保當在惡劣的地下環境中使用也能夠安全可靠。

4.1 地鐵站BAS方案

地鐵站BAS 系統在當前階段中主要應用了兩種現場級（Field Level，FL）的網絡。第一種FL網絡是現場總線（Field Bus，FB），第二種FL 網絡是以太網（Ethernet）。基于PROFIBUS DP 現場總線（Field Bus，FB）的地下車站BAS 系統網絡方案是在主端ECECR 和從端ECECR 都分別配置了一套LK 冗余PLC，在地鐵站的運行主控制室的IBP 盤里則是配置一套LK 單機PLC，與此同時，設置的遠程I/O 控制箱則主要是基于冗余DP 總線與PLC 的控制器實現了遠程通信上的連接，進而實現相關的數據采集與各項設備的精準控制。主端環控電控室和從端環控電控室以及IBP 盤的PLC 主要是通過現場級的以太網（Ethernet）來實現數據之間的交互。

PLC 同樣能夠提供基于以太網（Ethernet）BAS 系統解決方案，基于PLC 的地下車站BAS 系統如圖1所示。本方案在主端ECECR 和從端ECECR 都分別配置了一套LK 冗余PLC，在地鐵車站運行控制室的IBP 盤里則是配置一套LK 單機PLC，與此同時，設置的遠程I/O 控制箱則主要是基于現場級的以太網總線與PLC 的控制器實現了遠程通信上的連接，進而實現相關的數據采集與各項設備的精準控制。主端ECECR 和從端ECECR 以及IBP 盤的PLC 主要是通過現場級（Field Level，FL）的以太網（Ethernet）來實現數據之間的交互。主端ECECR 的PLC 作為主端控制器，通過冗余以太網（Ethernet）與綜合監控系統（Integrated Monitoring System，IMS）連接進行設備監控。

圖1 基于PLC的地下車站BAS系統

4.2 車站網絡結構

BAS 系統通過具體的分類，可以分為3 級不同的車站級網絡為車站級、子系統級（BAS 級）、現場級。

4.3 設備監控

設備監控可以實現對全部車站及區間隧道的設備實施綜合監控，對BAS系統及網絡的綜合監控如圖2所示。由圖2 可知，綜合監控對BAS 系統及網絡的監控，依據口令和操作權限的不同，對不同的分級實現各級的控制，例如對中央級、車站級施行的監控。

圖2 對BAS系統及網絡的綜合監控

5 結語

隨著對地鐵運行質量和實用需求等方面要求的提高，PLC 技術已然是在地鐵系統的各個領域中得到了非常普遍的應用。本文設計了一種基于PLC 控制的地鐵BAS系統，顯著地提升了地鐵原有的工作效率，降低了地鐵公司的投資成本，顯著增加產出效益，提升了地鐵系統智能化發展。