PLC技术在地铁BAS系统中的应用

2023-05-17泰山科技学院李敬闫晓兵刘运杰陈春梅李洪飞

电力设备管理 2023年3期

泰山科技学院李敬闫晓兵刘运杰陈春梅李洪飞

1 引言

地铁作为当前社会中较为方便快捷的交通工具交通方式之一，已然成为了城市里不可或缺的重要交通工具。在地铁领域中，过去固有的一套地铁控制流程，需要大量的人员同步进行工作，在实用性、时间的适用性以及操作的可控性上分析评估，传统的控制流程在目前的地铁应用领域中上已经完全的失去了竞争能力[1-2]。

近年来，随着人民群众和国家对于地铁运行质量和实用需求等方面要求的提高，PLC 技术已然是在各个领域的企业中得到了非常普遍的应用[3-4]。本文设计了一种基于PLC控制的地铁BAS系统，显著地提升了地铁原有的工作效率，实现了为企业降低投资成本，提高了产出效益[5]。

2 PLC概述

2.1 PLC组成及工作原理

近年来，PLC 的发展从未停止，并且发展势头迅猛，因此截止到现在，对其定义都没能够统一。国际电工委委员会（IEC）对可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的定义是由逻辑运算实现控制的一种电子系统，设计的初衷是应用于大工业环境[2]。其采用一种可编程存储器（Programmable Memory，PM），采用内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等指令运行，并利用数字和单元程序输入/输出，操纵各类机械和设备进行高效生产。PLC 也可以归属为一个微型的计算机，其像一台普通计算机一样工作，在很多方面具有计算机的特点。但其工作形式比计算机要有特殊性。

PLC 是实现自动化控制管理的主要部分，其构成主要是数据操控应用体系构成，其中的主要环节用控制器设备、储存应用设备等进行实现，内部数据的控制软件用以实现计时、统计数据、数据信息的处理与控制操作、逻辑思维的管理操作与实际的数据模拟管理、数字信息转化之间的处理控制等。

鉴于PLC 的全面功能可以满足实际现场的模拟操作管理体系的各种需求，所以该可程序编译控制操作设备可以一定程度上满足多种生产工艺的不同要求。实际现场数据数字信号与模拟仿真数字信号经过反映收集，自动输出最终结果。依据客户应用程序的运算最终结果，送往实际现场展开控制管理。主要使用情况具体如下所示。

一是现场实际操作管理的项目复杂，开关的种类与数目繁多，运用PLC自动操作系统的场合很多。

二是根据不同的实际操作要求，可以用以实现不同的现场操控求得功能板块也非常多。

三是依据实际开发功能的复杂要求，为避免系统操作间的体系互相不兼容支持，PLC 相关设备与功能板块进行丰富多样的研发，在高标准的应用要求下，提高应用操作系统的适应性，可以进行应用程序的监督管理控制与删改调整控制管理。

四是对实际现场总连接线通信的应用技术的要求，PLC 的相关操作设备可以实现与联动基本作用单元、实际现场仪表控制设备，包括上位监督管理控制人机页面等通信完成。

2.2 PLC选型

目前，市面上可编程控制器的品牌种类非常的多，其中能够受到厂家和用户大规模使用的品牌主要包括德国的Siemens、日本的Mitsubishi、法国的Schneider 等。台达DVP16HP 作为PLC 扩展模块，支持4 点200kHz 硬件高速计数器，在提供这些计数器的同时，也承担了4 个200kHz 高速脉冲输出点的任务，从外部提供中断的输入点也提升到16 个，内部设置1 个RS232 口、1 个RS485 口，外加1 个可扩展的COM3 口，均支持MODBUS 主/从站模式。在此基础功能上DVP16HP 还增加了很多控制指令，例如，通过增加运动控制指令来实现高速定位控制功能。

DVP16HP 作为PLC 扩展模块，其基本功能是在编辑过程中，程序的断电保护以及程序自动备份功能，双重备份功能。双重备份功能是以实现另一份程序与数据的储存。DVP16HP 还可以4 重PLC 密码保护，全方位保密用户的知识产权。将DVP16HP 选做扩展主机的模块，作为系统PLC 预留20%的接口模块，能够达到PLC 扩展主机的高需求。

3 地铁BAS系统

地铁环境与设备监控系统（BAS）通常情况下是将综合监控系统进行集成处理，但是不需要重新组建全线网络。BAS 系统设置有三级的管理控制，分别是中央管理、车站管理、就地管理。中央级（Central Level，CL）和车站级（Station Level，SL）监控功能是通过综合监控系统（Integrated Monitoring System，IMS）的工作来完成的，BAS 作为IMS 的一个子系统，通过每一级可靠稳定的密切配合，最终实现复杂烦琐的功能。

地铁环境与设备监控系统（BAS）要求采用冗余设计的设计方式，设计内容主要涵盖了：网络冗余（Network Redundancy， NR）、主控冗余（MR）、接口冗余（Interface Redundancy，IR）等。在系统面临故障发生时，可以以较快的速度切换到其他节点进行替换，其余节点保持之前的模式，用来确保BAS 及其相关系统的严谨高效完整的运行。

地铁环境与设备监控系统（BAS）是基于分层分布式的架构模式有中央级（Central Level，CL）、车站级（Station Level，SL）、现场级（Field Level，FL）。中央级是CL 位于运行控制中心（Operating Control Center，OCC）的调度工作站，由行车综合自动化系统实现。车站级是SL位于车站监控室和车站控制室，包括车站级行车综合自动化系统监控功能和车站BAS监控功能。车站级监控功能由行车综合自动化系统完成，车站BAS监控功能的实现是由车站BAS紧急维护终端、BAS维护工作站、PLC控制器组成。FL位于各个车站的数据采集点或者自行监控点，要实现数据的现场采集需要一些基本的元件，例如不同种类的传感器和执行器，不同的模块，如远程I/O模块、接口模块等。

4 PLC技术在地铁bas系统中的应用

针对目前阶段地铁的BAS 控制系统中针对各个方面控制性能的要求，例如针对BAS 系统中的冗余性能、网络性能以及设备性能等的要求，本文基于上述具体要求，提出了PLC 应用于地铁BAS 系统中解决方案，并且深入研究，提升系统性能，只有这样才能更好的适应地铁BAS 系统对于多方面性能的要求。LK/PLC 的设计结构采用的是模块化的形式，包括模块化的CPU、模块化的电源、模块化的通信及I/O 接口等，通过相应的远程通信方式实现与I/O 接口的连接，通过这种连接方式，实现了现场信号的快速采集与收集和发送，显著的降低了通信线缆的敷设成本和运维成本。LK 冗余PLC 的系统调整控制方案需要的时间非常的短，能够使地铁BAS 系统的安全性得到一定程度的保障。模块化的CPU 主频率非常的高，工作过程中的处理速度也是非常的快，能够一定程度地满足地铁BAS 系统在工作过程中的各种烦琐程序处理的需求。LK/PLC 是采用了宽温的设计，各个板卡上都需要涂上三防漆，目的是确保当在恶劣的地下环境中使用也能够安全可靠。

4.1 地铁站BAS方案

地铁站BAS 系统在当前阶段中主要应用了两种现场级（Field Level，FL）的网络。第一种FL网络是现场总线（Field Bus，FB），第二种FL 网络是以太网（Ethernet）。基于PROFIBUS DP 现场总线（Field Bus，FB）的地下车站BAS 系统网络方案是在主端ECECR 和从端ECECR 都分别配置了一套LK 冗余PLC，在地铁站的运行主控制室的IBP 盘里则是配置一套LK 单机PLC，与此同时，设置的远程I/O 控制箱则主要是基于冗余DP 总线与PLC 的控制器实现了远程通信上的连接，进而实现相关的数据采集与各项设备的精准控制。主端环控电控室和从端环控电控室以及IBP 盘的PLC 主要是通过现场级的以太网（Ethernet）来实现数据之间的交互。

PLC 同样能够提供基于以太网（Ethernet）BAS 系统解决方案，基于PLC 的地下车站BAS 系统如图1所示。本方案在主端ECECR 和从端ECECR 都分别配置了一套LK 冗余PLC，在地铁车站运行控制室的IBP 盘里则是配置一套LK 单机PLC，与此同时，设置的远程I/O 控制箱则主要是基于现场级的以太网总线与PLC 的控制器实现了远程通信上的连接，进而实现相关的数据采集与各项设备的精准控制。主端ECECR 和从端ECECR 以及IBP 盘的PLC 主要是通过现场级（Field Level，FL）的以太网（Ethernet）来实现数据之间的交互。主端ECECR 的PLC 作为主端控制器，通过冗余以太网（Ethernet）与综合监控系统（Integrated Monitoring System，IMS）连接进行设备监控。