可編程序控制器與綜合監控系統采用多端通信方式的研究與應用*

薛春陽

(北京和利時系統集成有限公司,100176,北京∥工程師)

BAS(環境與設備監控系統)作為地鐵ISCS(綜合監控系統)最大的專業,具有設備數量多、通信數據量大、系統結構復雜等特點。PLC(可編程邏輯控制器)是BAS的核心設備,其與ISCS的通信直接影響到整個BAS的穩定性和可靠性。PLC與ISCS間采取最優的通信方式,可以更好地貼合ISCS頂層設計GWQS-ISCS(綠色ISCS、智慧ISCS、品質ISCS及安全ISCS)的4個理念[1],為此,本文就PLC與ISCS 多端通信方式進行重點研究,以滿足GWQS設計對ISCS品質和安全的要求。

1 BAS的構成

按設備功能分,地鐵車站及區間BAS網絡一般分為監控層、控制層和就地層[2],其中:監控層由操作員站、IBP(綜合后備盤)和維護工作站構成;控制層由冗余PLC及其他通信設備構成;就地層由安裝在現場的RI/O(遠程輸入/輸出)及其他接口構成。

要實現PLC與ISCS的多端通信,須保證車站控制層各冗余PLC與ISCS交換機在同一條通信鏈路上。PLC與ISCS多端通信的典型網絡結構如圖1所示,其最優配置方式為:地鐵車站兩端分別配置2臺獨立的ISCS交換機(A交換機及B交換機),與ISCS構建互為冗余的雙環網(A網和B網)。冗余PLC每個機架內均配置2塊獨立的以太網接口卡,這2塊接口卡分別與2臺ISCS交換機連接,以滿足與ISCS數據通信的要求。

2 PLC與ISCS多端通信的優越性

PLC與ISCS的多端通信適應了地鐵車站BAS全以太網方案的發展趨勢,改善了兩者間傳統單端通信的不足。本文從PLC的硬件配置、內存容量及程序設計,以及BAS的可靠性及網絡實時性等5個方面,對PLC與ISCS間多端通信的優越性進行分析。

2.1 PLC的硬件配置

2.1.1 PLC與ISCS單端通信網絡結構

在地鐵車站中,換乘站不僅要監控本線的BAS設備,還要監控鄰線部分區域或區間風井的BAS設備。由此,與一般車站相比,換乘站內的BAS結構更為復雜,設備數量也較多。此時若采用單端通信方式,即只有靠近車控室一端的主端PLC(以下簡稱“主PLC”)與ISCS通信,顯然難以承擔如此巨大的數據通信任務。

以深圳地鐵的車公廟站為例,該站為深圳地鐵7號線、9號線及11號線的三線換乘站,目前采用單端通信方式。為了滿足數據通信的需求,須再增設1套專用的PLC與ISCS通信通道,此時車公廟站的通信網絡結構如圖2所示,新增了1套專用的通信(PLC),與ISCS進行數據通信。

圖2 車公廟站PLC與ISCS單端通信網絡結構圖

2.1.2 PLC與ISCS多端通信網絡結構

仍以車公廟站為例,如該換乘站的PLC與ISCS間采用多端通信,則與ISCS通信的專用Communication-PLC可以去掉,這不僅降低了BAS的硬件成本,還使BAS網絡結構更清晰,更符合GB 50157—2013《地鐵設計規范》21.1.3的要求(環境與設備監控系統的設置應遵循分散控制、集中管理、資源共享的基本原則)。車公廟站PLC與ISCS多端通信網絡結構如圖3所示。

圖3 車公廟站PLC與ISCS多端通信網絡結構圖

2.2 PLC的內存容量

PLC的內存用于儲存數據和邏輯,其容量一般是固定的,如美國AB公司生產的大型冗余PLC LOGIX5561和LOGIX5571的配置內存均為2 MiB(2 097 152 B)。當PLC程序過大、數據量超過警戒值(PLC內存的80%)時,將導致PLC甚至整個BAS網絡不穩定,進而可能引發設備故障。為此,PLC與ISCS采用單端通信時,換乘站常增加1套與ISCS通信的PLC,以解決PLC內存不足的問題。

對于1個標準地下車站的BAS而言,PLC與ISCS間若采用單端通信,其通信數據量大概為16 000個B;若采用多端通信,則通信數據量約為8 000 B,較單端通信下的數據量約減少一半。

2.3 PLC的程序設計

PLC與ISCS單端通信需要在PLC程序開發中處理兩端交互部分的數據,通信數據量大且處理邏輯復雜,進而導致出現PLC程序開發難度大、PLC運行負荷重等問題。PLC與ISCS采用多端通信時,僅有IBP、FAS(火災報警系統)及傳感器數據需要交互。經統計,相比單端通信,多端通信下數據的交互量可降低80%, PLC程序的開發難度大為降低,主PLC和從PLC的程序架構更趨于一致,更有利于PLC程序的標準化。

2.4 BAS的可靠性

GB 50157—2013中21.6.1要求BAS網絡結構應具有良好的可靠性、開放性和可擴展性,且在發生故障時“應具備減少故障波及面”的功能。因此,選擇最優的網絡結構和通信方式可以保證BAS設備保持安全、可靠、節能[3]的最佳運行狀態。圖4是我國某地鐵車站(該站含部分BAS區間設備)不同通信方式下PLC數據流的走向示意圖。

圖4 我國某地鐵車站不同通信方式下PLC數據流的走向示意圖

如圖4 a)所示,PLC與ISCS采用單端通信時,PLC數據分為三層:①第一層鏈路為ISCS與車站主PLC間的通信層;②第二層鏈路為車站主PLC與車站從PLC、區間風井1間的通信層;③第三層鏈路為車站從PLC與區間風井2間的通信層。當第一層鏈路出現故障時,第二層鏈路和第三層鏈路均會受到影響。當第二層鏈路出現故障時,第三層鏈路會受到影響。因此,當第一層鏈路或第二層鏈路出現故障時,均會擴大故障的影響面。

如圖4 b)所示,PLC與ISCS采用多端通信時,多端通信各端的PLC在同一條通信鏈路里,且彼此間相互獨立。當某條PLC鏈路出現故障時,只會影響當前事故鏈路,不會對其他PLC鏈路造成影響,這樣可將故障的影響面降到最小。與單端通信相比,PLC與ISCS采用多端通信后,整個BAS的可靠性至少提升50%,系統的MTBF (平均故障間隔時間)大幅度降低。

2.5 BAS的網絡實時性

ISCS要對BAS的所有設備進行實時監控,且保證在災害模式下能迅速啟動救災模式。GB 50157—2013中21.6.1要求BAS網絡結構與功能應滿足中央級和車站級監控的實時性要求,因此,BAS網絡數據信息的實時性至關重要,它反映了BAS與ISCS數據交互的能力。

相比單端通信,多端通信不僅平衡了各端PLC的通信數據,降低了主PLC的數據量,減少了通信鏈路的層數,還直接提升了PLC與ISCS進行數據通信的效率,增強了BAS的網絡實時性。

如圖4 a)所示,PLC與ISCS采用單端通信時,主PLC需要承擔主PLC及從PLC兩端的通信數據,數據量是多端通信時的2倍,從PLC需要與主PLC通信,通過主PLC將數據傳送至ISCS并接收ISCS的控制命令。設單個PLC與ISCS傳輸數據需要時間為t,則t

如圖4 b)所示,PLC與ISCS采用多端通信時,主PLC、從PLC分別與ISCS通信,僅有小部分數據需要在主PLC和從PLC間交互(該部分數據可忽略不計)。此時主PLC與ISCS間、從PLC與ISCS間傳輸通信數據所需的時間相等,即t3=t4=t。由此可知:t3=t4=t

3 PLC與ISCS多端通信在我國的應用

PLC與ISCS采用多端通信方式已在北京地鐵大興機場線、深圳地鐵6號線、深圳地鐵2號線三期、深圳地鐵8號線一期及成都地鐵5號線等工程中得以成功應用。采用PLC與ISCS多端通信的線路開通至今,各項目系統運行穩定,通信效果良好,充分驗證了多端通信的可行性、穩定性及可靠性。

本文僅以深圳地鐵6號線標準車站PLC與ISCS采用多端通信的應用效果為例進行說明。深圳地鐵6號線BAS采用全以太網結構,兩端的冗余PLC配置形式相同,即:每個機架配置3塊以太網接口卡,其中2塊分別與配置在兩端的2臺ISCS交換機連接,另外1塊與RI/O及其他接口的網關連接。兩端的冗余PLC和4臺ISCS交換機之間通過基于冗余Ethernet/IP(基于以太網的工業協議)的光纖自愈工業以太環網進行連接,以實現 BAS在ISCS中的集成。冗余PLC的硬件配置如表1所示。

表1 冗余PLC的硬件配置

深圳地鐵6號線標準車站的BAS網絡結構如圖5所示。深圳地鐵6號線標準車站中,PLC與ISCS采用了多端通信方式,兩端PLC在設備點控、模式控制、時間表控制及焓值控制等程序上保持獨立且一致,僅IBP和FAS等程序設在主PLC內,需對IBP和FAS部分數據進行單獨處理。多端通信方式平衡了車站兩端PLC的通信數據量,完美解決了該線BAS中主PLC因集成了MCC(電機控制中心)程序而導致PLC數據量過大、內存不足等問題。

圖5 深圳地鐵6號線標準車站的BAS網絡結構

4 結語

PLC與ISCS采用多端通信,有助于優化復雜BAS網絡結構下PLC的硬件配置,可節省工程投資,平衡各端PLC的通信數據量,節約PLC內存,還可降低PLC程序的開發難度,推進PLC程序標準化。采用多端通信方式后,可簡化既有的復雜BAS網絡結構,增加BAS系統的穩定性和可靠性,還可增強網絡實時性,提升數據通信效率。相信隨著科技的不斷發展,會有更多的新技術、新方案應用到地鐵的BAS中,為地鐵線路的高質量建設及安全可靠運行提供技術支撐。