地铁屏蔽门控制系统中PLC设备与监控系统通信方式研究*

于 航　冯进峰

（1.天津理工大学自动化学院，300222，天津；2.天津市地下铁道运营公司，300222，天津∥第一作者，讲师）

地铁屏蔽门控制系统中PLC设备与监控系统通信方式研究*

于 航1冯进峰2

（1.天津理工大学自动化学院，300222，天津；2.天津市地下铁道运营公司，300222，天津∥第一作者，讲师）

摘 要以天津地铁3号线屏蔽门控制系统为分析对象，阐述了组成西门子S 7-400 H容错系统的方法，提出了屏蔽门控制系统中采用德国赫优讯NL-netLINK网关实现西门子设备（屏蔽门主控机，S 7-400 H容错系统）和监控系统通信的方案。介绍了西门子的PLC（可编程逻辑控制器）与不同协议的上位机进行通信的成功案例。

关键词地铁；屏蔽门控制系统；中央控制器；监控系统；通信方式

*天津市自然科学基金重点项目（13ZCZDGX03800）

First-author＇s address Department of Automatic Engineering，Tianjin University of Technology，300222，Tianjin，China

天津地铁3号线为天津市快速轨道交通网中西南至东北方向的骨干线，共设车站23座。其中，地下站18座，安装屏蔽门；高架站4座、地面站1座，安装半高安全门。屏蔽门沿站台边缘设置，将轨道区与站台候车区隔开，保障了乘客安全，降低了列车运行产生的噪声对车站的影响，有效地减少了空气对流造成的站台冷热气的流失，为乘客提供了舒适的候车环境，是地铁系统正常运行的一个重要安全装置。

1　天津地铁3号线屏蔽门控制系统的网络架构

屏蔽门控制系统主要由中央控制盘（PSC）、就地控制盘（PSL）、门控单元（DCU）及执行电机、输入∕输出模块、声光报警装置和现场冗余总线网络等构成，完成对整个车站屏蔽门的实时控制与监视。每个车站设有一个PSC，由两套屏蔽门中央控制器（逻辑控制部件）和一套监控系统及接口设备构成。其中，屏蔽门监控系统由机房监控系统、远程监视系统（与综合监控系统接口）、DCU通信网络等设备组成。监控主机要监视每个子系统的设备，实现系统内部信息的收发、采集、汇总和分析，以及实现与综合监控系统、远程监视系统，站台端头控制盘、紧急控制盘、DCU之间的信息交换，并能够查询站台单元控制器中各个回路的状态。在系统设计时，屏蔽门中央控制器与监控系统主机单独设计（即控制系统的任何故障不影响监控系统的运行，监控系统的故障不影响屏蔽门的正常运行），控制系统与监控系统通过网络及硬线接口通信，保证系统整体的有效性。屏蔽门监控系统可通过冗余以太网接口与综合监控系统通信。屏蔽门中央控制器和监控主机在中央控制盘中的关系如图1所示。

图1　中央控制盘逻辑接口框架图

根据屏蔽门控制系统内部通信的需要，以每侧站台单元控制器、PSL和DCU组成一个相对独立的子系统，通信方式采用现场总线和硬线连接。在屏蔽门控制系统中，PSC、PSL和DCU通过冗余的现场总线构成开放的网络系统，它们可同时传送数据。每个DCU之间没有通信需求，单元控制器向每个DCU进行广播式通信，每个DCU向单元控制器反馈门机状态信息。屏蔽门控制系统通过现场总线把连接在网络上的设备有机组合在一起，实现对屏蔽门的基本控制、参数修改、告警、显示、监视等综合自动化功能。屏蔽门控制系统的现场总线采用TCP∕IP通信协议，每个DCU作为一个网络节点挂接在网络上，PSC作为网络服务器，DCU作为网络工作站。对于一些关键信号，如PSC与PSL间以及PSL与DCU之间，采用PROFIBUS现场总线连接，DCU与PSC之间，则采用点对点的硬线连接。PSC通过安全回路与信号系统联锁。系统网络结构如图2所示。

图2　屏蔽门控制系统网络结构

2　屏蔽门中央控制器的结构

PSC的中央控制器（逻辑控制部件）采用西门子高性能的S 7-400 H系列冗余控制器产品，控制装置带有PROFIBUS总线和RS 485串行接口。西门子PLC（可遍程逻辑控制器）按照冗余模式运行，即符合主动冗余原理，出现故障时，可无扰动、无冲击地自动切换。中央控制器（逻辑控制部件）的硬件结构包括：1个UR 2 H机架、2个电源模块PS 407 10 A、2个S 7-400 H中央处理器（CPU）、4个同步模块、2根光缆、2个带有源背板总线的ET 200 M分布式I∕O（输入∕输出）设备，以及2个IM 153-2、1个数字量输入模块SM 321 DI 16 x DC 24 V、一个数字量输出模块SM 322 DO 16 x DC 24 V。上位机PSA（车控室操作指示盘）与PSC采用以太网进行通信。PSA的界面上可显示屏蔽门系统的各种状态及信息，如故障信息，各个活动门、端头门、应急门的状态等，并可以实现屏蔽门相关状态的查询、故障报警，以及运营月报表生成、运营故障记录等。其结构如图3所示。

图3　屏蔽门控制系统中西门子S 7-400 H容错系统的结构

3　屏蔽门控制系统与监控系统通信方案

监控系统与控制系统通信时，传统的MPI（多点接口）连接方式是采用西门子PC（个人计算机）适配器或CP 5611，进行Step 7程序下载，组态软件通过其与PLC进行数据通信。但是，西门子PC适配器采用串口或USB（通用串行总线）口的方式，通信距离受到很大局限；且监控系统主机如果要通过以太网与西门子PLC进行通信，需要增加西门子的以太网PLC通信模块（如CP 343）和NET软件。特别是对已经使用MPI通信的项目进行改造时，用户不仅需购买西门子以太网通信模块，还要考虑柜内槽位和接线，同时要对PLC程序和上位机监控软件进行修改，工作量是比较大的，也存在修改的程序是否正确等问题。针对以上问题，在天津地铁3号线中，提出了一个全新的解决方案。

德国赫优讯的net LINK网关可将西门子的PPI（点对点）协议、MPI协议、PROFIBUS-DP协议转成以太网协议，通过OPCServer服务器，可以实现PLC和上位机监控软件的通信。从PLC到NL-net LINK网关运行MPI协议，从NL-net LINK网关到上位机运行以太网Ethernet协议。在上位机中，组态软件和PLC的数据交换通过OPCServer服务器来实现。通过OPCServer，监控计算机可以对系统进行动态监控；网络数据服务器可以对系统的数据采集、处理和归档。

在天津地铁3号线中，屏蔽门主控机（中央控制器）采用西门子自动化系统S 7-400 H容错系统；监控系统采用研华工控主机，软件监控界面为组态王监控画面，通过赫优讯以太网网关与S 7-400 H建立通信连接，读取S 7-400 H数据块中的信息并上传至车站调度中心。赫优讯NL-net LINK网关与PLC及上位机的连接方法如图4所示：NL-net LINK网关的MPI端口插入S 7系列CPU的MPI通信口，另一端的以太网RJ 45端口插入计算机以太网网卡或交换机。

图4　系统配置简图

使用德国赫优讯NL-net LINK转换器，并在上位机安装赫优讯SyCon OPCServer软件，上位机可轻松通过以太网连接西门子PLC，实现组态软件与PLC之间进行以太网数据通信，且不需要对原有PLC程序和上位机组态软件进行修改，极大地提高了工作效率。

4　netLINK网关参数配置

首先，通过赫优讯的SyCon软件，分别对net LINK网关的参数IP Address、Ethernet、PROFIBUS进行配置；然后，通过菜单栏的工具将配置参数下载到net LINK网关中；最后，将最新的Fireware下载到net LINK网关中。如图5所示。

图5　net LINK参数设置图

组态王中的相关设置：在组态界面OPC（OLE for Process Control）服务器的工具栏中新建一个OPC服务器，选择Beichen.net LINK.OPCserver。如图6所示。

完成OPCServer服务器的新建后，即可以在数据字典中建立系统监控所需要的变量，在变量的“连接设备”选项中选择“本机Beichen.net LINK. OPCserver”。打开组态监控画面开启屏蔽门，观察画面所对应的门的状态与实际状态是否一致。如果画面所对应的门的状态没有变化，说明参数设置或者硬件配置不对，重新检查配置；如果画面所对应的门的状态与实际状态有出入，调整变量函数中的值直到完全对应为止。

图6　OPCServer服务器创建图

5　结语

西门子的以太网模块CP 243-1、CP 343-1、CP 443-1价格昂贵，并且需要复杂的SIMATIC NET组态，给企业联网工程带来了一定的难度。如果选用net LINK，则可把传统的编程口（PPI口、MPI口、DP口）直接转换成以太网接口，联网功能强大，而且即插即用，维护方便，在地铁建设中可更加方便快捷地实现系统的改造和升级，且在改造过程中，不需要改变原系统的结构，也不需要修改软件，不影响原系统的性能和正常运行。

参考文献

［1］ 陈海辉，胡跃明，熊建明.地铁屏蔽门控制系统方案［J］.华南理工大学学报（自然科学版），2002，30（4）：44.

［2］ 北京亚控科技发展有限公司.组态王用户手册［G］.2007.

［3］ 德国赫优讯自动化系统有限公司.net LINK手册［G］.2011.

［4］ 德国西门子自动化控制中心.西门子S 7-400 H容错系统手册［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

中图分类号U 231.7

DOI：10.16037∕j.1007-869x.2016.01.012

收稿日期：（2014-04-29）