前言
隨著上海經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，以及上海城市人口的增加，城市交通擁堵越來越成為上海城市發(fā)展的阻礙。21世紀(jì)是人類開發(fā)地下空間的世紀(jì)，把一個城市變成地上地下兩個城市，帶來的不僅是交通的顯著改善，還有城市生活方式的變遷。而地鐵的建設(shè)對電力系統(tǒng)、消防報(bào)警系統(tǒng)、設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)和門禁系統(tǒng)要求都比較高?？删幊炭刂破鱌LC集數(shù)據(jù)采集、控制、通訊等功能于一體，能把多個系統(tǒng)集成到一個網(wǎng)絡(luò)上來，便于數(shù)據(jù)的共享和分析。強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理和通訊技術(shù)為PLC在軌道交通項(xiàng)目中的推廣運(yùn)用提供了廣闊的前景。
項(xiàng)目概況
上海軌道交通6號線(L4線)是一條縱貫浦東新區(qū)南北的地區(qū)性輕軌線路，它北起港城路站，沿線設(shè)海高路站、航津路站、外高橋保稅區(qū)站、洲海站、五洲大道站、東靖路站、巨峰路站、五蓮路站、博興路站、金橋路站、云山路站、德平路站、北洋涇路站、民生路站(含區(qū)間)、源深體育中心站、世紀(jì)大道站、浦電路站、藍(lán)村路站、龍陽路站、浦三路站、濱州路站、成山路站、高清路站、華夏西路站、上南路站、長清路站、濟(jì)陽路站，線路長度為 33km，共設(shè)28座車站，其中高架車站9座，地下車站19座，2座主變電所分別設(shè)于巨峰路站和世紀(jì)大道站附近(世紀(jì)大道主變電所與明珠二期主變電所共用)，1座控制中心大樓設(shè)于民生路站附近。
系統(tǒng)構(gòu)成
系統(tǒng)構(gòu)成及配置概述
BAS系統(tǒng)的運(yùn)營要求為兩級管理(控制中心級、車控級)、三級控制(控制中心級、車控級、就地級)方式。在控制中心調(diào)度大廳內(nèi)設(shè)置設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)控制中心級(中控級)，在車站、 控制中心大樓設(shè)車控級，對其管轄范圍內(nèi)的設(shè)備實(shí)施監(jiān)控管理。
從控制中心到沿線各車站利用通信專業(yè)提供的SDH雙環(huán)網(wǎng)傳輸通道，從控制中心到各個車站、控制中心大樓構(gòu)成一個雙環(huán)網(wǎng)，每個站點(diǎn)作為該雙環(huán)網(wǎng)上的一個節(jié)點(diǎn)。各個車站與控制中心之間采用兩個10/100M TCP/IP通道連接，在各站點(diǎn)及控制中心大樓通信機(jī)械室提供兩個通道作為站內(nèi)BAS至中央級系統(tǒng)的接入點(diǎn)。主變電所、中間風(fēng)井設(shè)置BAS RI/O以光纖環(huán)網(wǎng)方式接入鄰近車站BAS系統(tǒng)。
車站級設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成方式
地下車站車站級設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)由BAS車站計(jì)算機(jī)、PLC控制主機(jī)/分機(jī)、RI/O 模塊、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成，主要監(jiān)控隧道及車站的通風(fēng)系統(tǒng)、空調(diào)大系統(tǒng)、空調(diào)小系統(tǒng)、冷水系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)等，監(jiān)測公共區(qū)、設(shè)備室等地點(diǎn)的溫濕度，并配置與FAS、屏蔽門、冷水機(jī)組、區(qū)間水泵等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，同時在車控室設(shè)緊急控制盤(IBP盤)，作為BAS火災(zāi)工況自動控制的后備措施，其操作權(quán)限高于車站和中央工作站，信息通過打印機(jī)打印。
BAS控制主機(jī)/分機(jī)、車站工作站通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接，通過通信轉(zhuǎn)換接口與通信傳輸網(wǎng)絡(luò)相接至控制中心。
BAS控制分機(jī)與就地RI/O控制器之間的連接采用光纖環(huán)網(wǎng)方式連接。
可編程控制器PLC介紹
Unity產(chǎn)品特性
Quantum自動化控制系統(tǒng)包含一個或多個基架，基架安裝了以下類型的模塊：處理器、電源、數(shù)字量I/O和模擬量I/O、通信和特殊應(yīng)用模塊，分布的遠(yuǎn)程基架可達(dá)64個。所有的I/O模塊和特殊應(yīng)用模塊可以安裝于基架的任何位置。通信模塊安裝在含有CPU模塊的基架上，所有的電源、I/O和特殊應(yīng)用模塊可以安裝在本地基架或者分布式基架上。
在熱備系統(tǒng)中配置了兩個CPU機(jī)架 ，按照鏡相配置的方式，兩個CPU機(jī)架采用完全相同的配置，每個CPU機(jī)架包括底板、電源、CPU模塊、熱備通訊模塊、以太網(wǎng)通訊模塊和遠(yuǎn)程I/O通訊模塊等。兩個CPU機(jī)架之間僅通過一根光纖進(jìn)行連接，提供高速的數(shù)據(jù)傳輸通道，進(jìn)行兩個CPU機(jī)架之間的數(shù)據(jù)同步，在每一個掃描周期內(nèi)完成主CPU到備用CPU之間的內(nèi)存變量同步。當(dāng)主CPU機(jī)架上某一個部件故障，不能正常完成控制任務(wù)時，在一個掃描周期內(nèi)，備用CPU 可以切換為主CPU，接替控制任務(wù)，對于過程來將，控制任務(wù)不會受到任何干擾，控制過程不會中斷。
Unity Pro系統(tǒng)軟件
UNITY編程軟件基于現(xiàn)有的操作系統(tǒng)(Windows 2000和XP)集成自動化控制應(yīng)用所需求的各項(xiàng)功能。UNITY-PRO系統(tǒng)軟件支持五種標(biāo)準(zhǔn)IEC 6-1131組態(tài)語言——功能塊(用來組態(tài)模擬控制回路)、梯形圖(用來組態(tài)邏輯控制)、順序流程圖(用來組態(tài)順序控制)、指令表以及結(jié)構(gòu)文本(用于用戶自行編程和開發(fā)軟件)。這五種語言在UNITY-PRO中是可以同時配合使用的。
UNITY-PRO軟件不僅用來組態(tài)，更重要的是在離線調(diào)試時完成仿真試驗(yàn)以及檢查錯誤，同時在實(shí)驗(yàn)室就可以預(yù)先整定好調(diào)節(jié)參數(shù)。
UNITY-PRO組態(tài)具有以下特點(diǎn)：
● 可以進(jìn)行離線組態(tài)和在線組態(tài)。離線組態(tài)用于初次組態(tài), 在系統(tǒng)尚未到貨時用普通的PC機(jī)即可組態(tài)調(diào)試，從而縮短工程時間。在線組態(tài)可以在不影響設(shè)備運(yùn)行的情況下，對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行修改、擴(kuò)展
● 圖形組態(tài)，直觀方便
● 分層結(jié)構(gòu)，使控制系統(tǒng)層次分明。整個系統(tǒng)可分主程序、快速執(zhí)行程序、事件程序
控制系統(tǒng)方案
系統(tǒng)控制圖
由于地鐵車站內(nèi)設(shè)備分散，控制設(shè)備范圍廣，通訊信息量大，因而要求控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)開放、支持遠(yuǎn)距離通訊，網(wǎng)絡(luò)可靠性高，同時必須要求網(wǎng)絡(luò)通訊帶寬高。上海地鐵六號線設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)采用了施耐德電氣公司高性能的Quantum系列和Premium系列產(chǎn)品共同構(gòu)建了光纖環(huán)網(wǎng)的車站級控制系統(tǒng)，整個網(wǎng)絡(luò)為100兆光纖工業(yè)以太網(wǎng)modbus TCP/IP環(huán)網(wǎng)。通過管理型交換機(jī)構(gòu)成自愈式光纖環(huán)網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速網(wǎng)絡(luò)自愈功能。整體方案采用的是目前世界最先進(jìn)的透明就緒的解決方案。
光纖主控網(wǎng)
從控制中心到沿線各車站利用通信專業(yè)提供的SDH雙環(huán)網(wǎng)傳輸通道，從控制中心到各個車站、控制中心大樓構(gòu)成一個雙環(huán)網(wǎng)，每個站點(diǎn)作為該雙環(huán)網(wǎng)上的一個節(jié)點(diǎn)。各個車站與控制中心之間采用兩個10/100M TCP/IP通道連接，在各站點(diǎn)及控制中心大樓通信機(jī)械室提供兩個通道作為站內(nèi)BAS至BAS廣域網(wǎng)的接入點(diǎn)。主變電所、中間風(fēng)井設(shè)置BAS RI/O以光纖環(huán)網(wǎng)方式接入鄰近車站BAS。
系統(tǒng)特點(diǎn)分析
透明就緒的方案特點(diǎn)
透明就緒的定義：
使用開放的、基于ModbusTCP、因特網(wǎng)技術(shù)與Web技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)，完成現(xiàn)場設(shè)備、控制設(shè)備與管理系統(tǒng)的無縫集成，使用戶可以從任何地方訪問所需的實(shí)時數(shù)據(jù)。
隨著工業(yè)以太網(wǎng)的迅猛發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)已成為事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。隨著以太網(wǎng)的通信速率的不斷提高和全雙工交換式以太網(wǎng)的誕生，以太網(wǎng)的非確定性問題已經(jīng)解決。
1998年施耐德公司推出了新一代基于TCP/IP以太網(wǎng)的Modbus TCP，目的是滿足用戶和市場的進(jìn)一步要求。 ModbusTCP是第一家采用TCP/IP以太網(wǎng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，是至今唯一獲得IANA賦予TCP(TCP502 號)端口的自動化通訊協(xié)議。
Modbus TCP的應(yīng)用層還是采用Modbus協(xié)議，簡單高效;傳輸層使用TCP協(xié)議，并使用TCP502號口，用戶使用方便，連接可靠;網(wǎng)絡(luò)層采用IP協(xié)議，因?yàn)橐蛱鼐W(wǎng)就使用這個協(xié)議尋址，故ModbusTCP不但可以在局域網(wǎng)使用，還可以在廣域網(wǎng)和因特網(wǎng)上使用。
目前的ModbusTCP以太網(wǎng)的速度為10M/100M位/秒，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸能力。除此之外，施耐德的TCP/IP以太網(wǎng)還為用戶提供了更多的服務(wù)，如： I/O掃描、全局?jǐn)?shù)據(jù)、故障設(shè)備替換、網(wǎng)絡(luò)管理、電子郵件報(bào)警、時鐘同步等功能，為用戶帶來更多的附加值。
采用工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)構(gòu)建設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)骨干信息路徑
隨著以太網(wǎng)以其速度、開放性和設(shè)計(jì)靈活性的特點(diǎn)日益成為受歡迎的工業(yè)應(yīng)用協(xié)議，用戶在決定其應(yīng)用的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備時將有多種選擇。上海地鐵六號線的用戶經(jīng)過慎重比選，最終決定采用具有非常高標(biāo)準(zhǔn)的可靠性以及具有故障恢復(fù)機(jī)制，滿足系統(tǒng)冗余度要求的工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)的方案。這個方案從技術(shù)上代表了工業(yè)系統(tǒng)的發(fā)展方向，代表了先進(jìn)的高技術(shù)含量的解決方案。
由于傳統(tǒng)商用以太網(wǎng)與地鐵設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的以太網(wǎng)之間存在著巨大而又關(guān)鍵的差異，同時監(jiān)控系統(tǒng)以太網(wǎng)自身也有一些獨(dú)特的要求，因此系統(tǒng)采用工業(yè)級以太網(wǎng)交換機(jī)來實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)的方案。
傳統(tǒng)商用以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)之間的關(guān)鍵差異
對于設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用，端口密度的變化范圍很大。有些應(yīng)用僅要求每個位置有幾個以太網(wǎng)端口，而那些應(yīng)用可能分隔數(shù)百米。與辦公室不同，地鐵應(yīng)用還有差異很大的節(jié)點(diǎn)密度要求。在一個只需要4個端口的地方安裝一臺 “企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”的24端口以太網(wǎng)交換機(jī)是昂貴而浪費(fèi)的。除此之外，還包括可能需要一個跨越數(shù)公里才到下一交換機(jī)的光纖接口的情況。解決辦法是，工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)產(chǎn)品提供不同的端口密度和接口介質(zhì)要求，以適應(yīng)工業(yè)上獨(dú)特的體系結(jié)構(gòu)要求。商用以太網(wǎng)交換機(jī)產(chǎn)品是針對標(biāo)準(zhǔn)的辦公室環(huán)境密度而設(shè)計(jì)的。
商用以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用之間最明顯的差別就是性能。地鐵應(yīng)用方面，其流量模式以及對交換機(jī)或介質(zhì)故障時恢復(fù)時間的敏感程度都有很大的不同。商業(yè)應(yīng)用會引導(dǎo)流量從網(wǎng)絡(luò)外圍流向核心資源，而地鐵系統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用要求是端對端的。數(shù)據(jù)必須在網(wǎng)絡(luò)外圍的對等設(shè)備之間交換，以使被編程邏輯可以對上游或下游的變化做出響應(yīng)，并將這些變化與操作員界面、輸入輸出設(shè)備及其他系統(tǒng)設(shè)備共用。工業(yè)以太網(wǎng)的端對端特性使其通信和冗余度要求與商用以太網(wǎng)所用的“外圍到核心”式要求大不相同。
因此設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中工業(yè)以太網(wǎng)的基本要求為：
1)如果出現(xiàn)介質(zhì)故障，恢復(fù)時間不能影響系統(tǒng)應(yīng)用
2)基礎(chǔ)設(shè)施支持通信所用的數(shù)據(jù)包速率
關(guān)于第一項(xiàng)要求，在多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用中，超長的介質(zhì)恢復(fù)時間是不可接受的。通信故障如此長時間會直接影響業(yè)務(wù)。工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)產(chǎn)品支持冗余以太網(wǎng)環(huán)，它可以在交換機(jī)或設(shè)備故障情況下實(shí)現(xiàn)亞秒級的恢復(fù)時間。這樣可以使多數(shù)情況下的應(yīng)用繼續(xù)不間斷運(yùn)行，從而允許工程和維護(hù)人員在繼續(xù)運(yùn)營的同時處理故障問題。
關(guān)于第二項(xiàng)基本要求，以太網(wǎng)交換機(jī)及設(shè)備已經(jīng)發(fā)展到支持全雙工通信的水平，其中任何設(shè)備或交換機(jī)都可以同時進(jìn)行發(fā)送和接收，100 Mbps快速以太網(wǎng)的純可用帶寬是完全足夠的。實(shí)際上，該帶寬已超過了設(shè)備完全將其耗用的容量。服務(wù)質(zhì)量(QoS)等額外的流量管理服務(wù)更強(qiáng)化了高效而可靠的消息傳遞。此外還采用了廣播率限制功能，以防過多廣播擁塞設(shè)備隊(duì)列，延誤自動化消息的處理。如果采用商用以太網(wǎng)交換機(jī)，對QoS和廣播率限制等功能可能需要了解復(fù)雜的交換機(jī)操作系統(tǒng)命令。而工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)產(chǎn)品的應(yīng)對辦法是，突顯這些功能，并通過使用Web瀏覽器使之更易于管理，從而使工程或維護(hù)人員可以進(jìn)行配置。
比較商業(yè)與工業(yè)應(yīng)用之間的性能差異可以發(fā)現(xiàn)，工業(yè)應(yīng)用在數(shù)據(jù)包速率、數(shù)據(jù)包大小以及帶寬利用情況方面顯示出與商業(yè)應(yīng)用相反的特性，如下表所示。
針對工業(yè)和商業(yè)用外圍設(shè)備進(jìn)行的應(yīng)用數(shù)據(jù)包捕獲測試圖說明了二者的差異。在圖1和圖2中，商業(yè)應(yīng)用的趨勢線為黑色，而自動化應(yīng)用的趨勢線為紅色。
而工業(yè)應(yīng)用具有較高而穩(wěn)定的數(shù)據(jù)包速率，但由于數(shù)據(jù)包小得多，故總數(shù)據(jù)量較低，如圖3和圖4所示。工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包大小通常小于500字節(jié)。較小的數(shù)據(jù)包可以更容易地進(jìn)行穿插，從而可降低擁塞的可能性。
由于多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用采用循環(huán)、穩(wěn)態(tài)的通信，數(shù)據(jù)包猝發(fā)很少。綜合考慮數(shù)據(jù)包大小和數(shù)據(jù)包速率可以得出在我們的5分鐘捕獲測試中的平均帶寬利用率。從圖5可以看出，總的帶寬利用率低于2 Mbs，這是許多工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用的典型情況。有人可能對工業(yè)以太網(wǎng)的大通信量表示擔(dān)憂，但實(shí)際情況是，100 Mbs全雙工以太網(wǎng)對多數(shù)應(yīng)用已綽綽有余。
對于商業(yè)應(yīng)用，采用更大的帶寬通?？梢垣@得更好的性能。對于工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用，額外的帶寬幾乎不起作用。工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵因素是效率和可靠性。隨著工業(yè)以太網(wǎng)的不斷發(fā)展以及與傳統(tǒng)商用以太網(wǎng)環(huán)境的結(jié)合。我們認(rèn)識到以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備適應(yīng)任務(wù)需要的重要性，還認(rèn)識到商用以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不一定非常適合地鐵的現(xiàn)場環(huán)境。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)
可靠性
PLC控制器的配置采用了施耐德電氣首創(chuàng)，并在20多年的實(shí)踐應(yīng)用中被證實(shí)的熱備解決方案，以滿足地鐵車站站控系統(tǒng)EMCS的嚴(yán)格的技術(shù)要求。
基于Modbus TCP/IP的應(yīng)用層協(xié)議的透明網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。Modbus TCP/IP即基于 TCP/IP的Modbus協(xié)議，它在傳輸層選用標(biāo)準(zhǔn)的傳輸控制協(xié)議TCP，它能在收到經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳來的錯誤數(shù)據(jù)的情況下，通過應(yīng)答與重傳機(jī)制來保證可靠地傳輸，從而保證了傳輸過程中的可靠性。
靈活性
上海地鐵6號線監(jiān)控系統(tǒng)滿足的要求之一就是該系統(tǒng)具有增強(qiáng)的靈活性，且易于更改?？梢栽黾有碌臋C(jī)電設(shè)備以更換舊的設(shè)備。因此必須為操作人員更換硬件與軟件提供便利。 施耐德設(shè)備支持諸如CPU熱備、模塊熱替換、 Cablefast 與 Telefast 布線系統(tǒng)等功能，使用施耐德設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)營維護(hù)的靈活性與簡便性。
開放性
Modbus本身就是一個開放的協(xié)議，為眾多的供應(yīng)商所支持，在設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對象中絕大部分設(shè)備都可以實(shí)現(xiàn)Modbus 或Modbus +的通訊方式，因此上海6號線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常適合于上海乃至全國的軌道交通建設(shè)項(xiàng)目。
目前Modbus TCP/IP已經(jīng)成為(GB/Z19582.3)國標(biāo)，為其它工控設(shè)備提供了通用的接口。網(wǎng)絡(luò)層采用IP協(xié)議，用戶只需了解控制設(shè)備的IP地址即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間通信，而與低層網(wǎng)絡(luò)地址和硬件無關(guān)，對用戶來說具體的某個網(wǎng)絡(luò)單元(硬件和軟件)的存在仿佛不存在一樣，整個網(wǎng)絡(luò)可以看成一個透明網(wǎng)絡(luò)。
總之，控制網(wǎng)絡(luò)采用技術(shù)上成熟可靠并日益普及的光纖以太網(wǎng)方案，即采用 “透明工廠”的概念，全部采用工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)模式，工業(yè)以太網(wǎng)具用通訊速度快，光纖信號不易受干擾，備配件易采購等優(yōu)點(diǎn)。同時，也是現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)的一種發(fā)展趨勢。同時還具有下列特點(diǎn)：
● 符合開放系統(tǒng)國際標(biāo)準(zhǔn);
● 可以被集成到更高層的企業(yè)控制系統(tǒng)中;
● 具有分布式結(jié)構(gòu);
● 降低安裝成本;
● 使系統(tǒng)重新配置時間最短，并可在軟件上操作;
● 最小化目標(biāo)失控的風(fēng)險。
結(jié)束語
大城市發(fā)展軌道交通，不占土地，沒有噪音，節(jié)能，污染少,同時緩解城市交通壓力。因此上海地鐵這10年來得到高速的發(fā)展，而PLC對于地鐵設(shè)備的正常運(yùn)營起到關(guān)鍵作用。正確合理的選擇PLC及其方案，對于提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性可靠性，有著積極的意義。
（轉(zhuǎn)載）
