可编程序控制器与综合监控系统采用多端通信方式的研究与应用*

薛春阳

(北京和利时系统集成有限公司,100176,北京∥工程师)

BAS(环境与设备监控系统)作为地铁ISCS(综合监控系统)最大的专业,具有设备数量多、通信数据量大、系统结构复杂等特点。PLC(可编程逻辑控制器)是BAS的核心设备,其与ISCS的通信直接影响到整个BAS的稳定性和可靠性。PLC与ISCS间采取最优的通信方式,可以更好地贴合ISCS顶层设计GWQS-ISCS(绿色ISCS、智慧ISCS、品质ISCS及安全ISCS)的4个理念[1],为此,本文就PLC与ISCS 多端通信方式进行重点研究,以满足GWQS设计对ISCS品质和安全的要求。

1 BAS的构成

按设备功能分,地铁车站及区间BAS网络一般分为监控层、控制层和就地层[2],其中:监控层由操作员站、IBP(综合后备盘)和维护工作站构成;控制层由冗余PLC及其他通信设备构成;就地层由安装在现场的RI/O(远程输入/输出)及其他接口构成。

要实现PLC与ISCS的多端通信,须保证车站控制层各冗余PLC与ISCS交换机在同一条通信链路上。PLC与ISCS多端通信的典型网络结构如图1所示,其最优配置方式为:地铁车站两端分别配置2台独立的ISCS交换机(A交换机及B交换机),与ISCS构建互为冗余的双环网(A网和B网)。冗余PLC每个机架内均配置2块独立的以太网接口卡,这2块接口卡分别与2台ISCS交换机连接,以满足与ISCS数据通信的要求。

2 PLC与ISCS多端通信的优越性

PLC与ISCS的多端通信适应了地铁车站BAS全以太网方案的发展趋势,改善了两者间传统单端通信的不足。本文从PLC的硬件配置、内存容量及程序设计,以及BAS的可靠性及网络实时性等5个方面,对PLC与ISCS间多端通信的优越性进行分析。

2.1 PLC的硬件配置

2.1.1 PLC与ISCS单端通信网络结构

在地铁车站中,换乘站不仅要监控本线的BAS设备,还要监控邻线部分区域或区间风井的BAS设备。由此,与一般车站相比,换乘站内的BAS结构更为复杂,设备数量也较多。此时若采用单端通信方式,即只有靠近车控室一端的主端PLC(以下简称“主PLC”)与ISCS通信,显然难以承担如此巨大的数据通信任务。

以深圳地铁的车公庙站为例,该站为深圳地铁7号线、9号线及11号线的三线换乘站,目前采用单端通信方式。为了满足数据通信的需求,须再增设1套专用的PLC与ISCS通信通道,此时车公庙站的通信网络结构如图2所示,新增了1套专用的通信(PLC),与ISCS进行数据通信。

图2 车公庙站PLC与ISCS单端通信网络结构图

2.1.2 PLC与ISCS多端通信网络结构

仍以车公庙站为例,如该换乘站的PLC与ISCS间采用多端通信,则与ISCS通信的专用Communication-PLC可以去掉,这不仅降低了BAS的硬件成本,还使BAS网络结构更清晰,更符合GB 50157—2013《地铁设计规范》21.1.3的要求(环境与设备监控系统的设置应遵循分散控制、集中管理、资源共享的基本原则)。车公庙站PLC与ISCS多端通信网络结构如图3所示。

图3 车公庙站PLC与ISCS多端通信网络结构图

2.2 PLC的内存容量

PLC的内存用于储存数据和逻辑,其容量一般是固定的,如美国AB公司生产的大型冗余PLC LOGIX5561和LOGIX5571的配置内存均为2 MiB(2 097 152 B)。当PLC程序过大、数据量超过警戒值(PLC内存的80%)时,将导致PLC甚至整个BAS网络不稳定,进而可能引发设备故障。为此,PLC与ISCS采用单端通信时,换乘站常增加1套与ISCS通信的PLC,以解决PLC内存不足的问题。

对于1个标准地下车站的BAS而言,PLC与ISCS间若采用单端通信,其通信数据量大概为16 000个B;若采用多端通信,则通信数据量约为8 000 B,较单端通信下的数据量约减少一半。

2.3 PLC的程序设计

PLC与ISCS单端通信需要在PLC程序开发中处理两端交互部分的数据,通信数据量大且处理逻辑复杂,进而导致出现PLC程序开发难度大、PLC运行负荷重等问题。PLC与ISCS采用多端通信时,仅有IBP、FAS(火灾报警系统)及传感器数据需要交互。经统计,相比单端通信,多端通信下数据的交互量可降低80%, PLC程序的开发难度大为降低,主PLC和从PLC的程序架构更趋于一致,更有利于PLC程序的标准化。

2.4 BAS的可靠性

GB 50157—2013中21.6.1要求BAS网络结构应具有良好的可靠性、开放性和可扩展性,且在发生故障时“应具备减少故障波及面”的功能。因此,选择最优的网络结构和通信方式可以保证BAS设备保持安全、可靠、节能[3]的最佳运行状态。图4是我国某地铁车站(该站含部分BAS区间设备)不同通信方式下PLC数据流的走向示意图。

图4 我国某地铁车站不同通信方式下PLC数据流的走向示意图

如图4 a)所示,PLC与ISCS采用单端通信时,PLC数据分为三层:①第一层链路为ISCS与车站主PLC间的通信层;②第二层链路为车站主PLC与车站从PLC、区间风井1间的通信层;③第三层链路为车站从PLC与区间风井2间的通信层。当第一层链路出现故障时,第二层链路和第三层链路均会受到影响。当第二层链路出现故障时,第三层链路会受到影响。因此,当第一层链路或第二层链路出现故障时,均会扩大故障的影响面。

如图4 b)所示,PLC与ISCS采用多端通信时,多端通信各端的PLC在同一条通信链路里,且彼此间相互独立。当某条PLC链路出现故障时,只会影响当前事故链路,不会对其他PLC链路造成影响,这样可将故障的影响面降到最小。与单端通信相比,PLC与ISCS采用多端通信后,整个BAS的可靠性至少提升50%,系统的MTBF (平均故障间隔时间)大幅度降低。

2.5 BAS的网络实时性

ISCS要对BAS的所有设备进行实时监控,且保证在灾害模式下能迅速启动救灾模式。GB 50157—2013中21.6.1要求BAS网络结构与功能应满足中央级和车站级监控的实时性要求,因此,BAS网络数据信息的实时性至关重要,它反映了BAS与ISCS数据交互的能力。

相比单端通信,多端通信不仅平衡了各端PLC的通信数据,降低了主PLC的数据量,减少了通信链路的层数,还直接提升了PLC与ISCS进行数据通信的效率,增强了BAS的网络实时性。

如图4 a)所示,PLC与ISCS采用单端通信时,主PLC需要承担主PLC及从PLC两端的通信数据,数据量是多端通信时的2倍,从PLC需要与主PLC通信,通过主PLC将数据传送至ISCS并接收ISCS的控制命令。设单个PLC与ISCS传输数据需要时间为t,则t

如图4 b)所示,PLC与ISCS采用多端通信时,主PLC、从PLC分别与ISCS通信,仅有小部分数据需要在主PLC和从PLC间交互(该部分数据可忽略不计)。此时主PLC与ISCS间、从PLC与ISCS间传输通信数据所需的时间相等,即t3=t4=t。由此可知:t3=t4=t

3 PLC与ISCS多端通信在我国的应用

PLC与ISCS采用多端通信方式已在北京地铁大兴机场线、深圳地铁6号线、深圳地铁2号线三期、深圳地铁8号线一期及成都地铁5号线等工程中得以成功应用。采用PLC与ISCS多端通信的线路开通至今,各项目系统运行稳定,通信效果良好,充分验证了多端通信的可行性、稳定性及可靠性。

本文仅以深圳地铁6号线标准车站PLC与ISCS采用多端通信的应用效果为例进行说明。深圳地铁6号线BAS采用全以太网结构,两端的冗余PLC配置形式相同,即:每个机架配置3块以太网接口卡,其中2块分别与配置在两端的2台ISCS交换机连接,另外1块与RI/O及其他接口的网关连接。两端的冗余PLC和4台ISCS交换机之间通过基于冗余Ethernet/IP(基于以太网的工业协议)的光纤自愈工业以太环网进行连接,以实现 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

深圳地铁6号线标准车站的BAS网络结构如图5所示。深圳地铁6号线标准车站中,PLC与ISCS采用了多端通信方式,两端PLC在设备点控、模式控制、时间表控制及焓值控制等程序上保持独立且一致,仅IBP和FAS等程序设在主PLC内,需对IBP和FAS部分数据进行单独处理。多端通信方式平衡了车站两端PLC的通信数据量,完美解决了该线BAS中主PLC因集成了MCC(电机控制中心)程序而导致PLC数据量过大、内存不足等问题。

图5 深圳地铁6号线标准车站的BAS网络结构

4 结语

PLC与ISCS采用多端通信,有助于优化复杂BAS网络结构下PLC的硬件配置,可节省工程投资,平衡各端PLC的通信数据量,节约PLC内存,还可降低PLC程序的开发难度,推进PLC程序标准化。采用多端通信方式后,可简化既有的复杂BAS网络结构,增加BAS系统的稳定性和可靠性,还可增强网络实时性,提升数据通信效率。相信随着科技的不断发展,会有更多的新技术、新方案应用到地铁的BAS中,为地铁线路的高质量建设及安全可靠运行提供技术支撑。