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和利时公司拥有过程自动化、轨道交通自动化、核电站数字化仪控系统、工厂自动化即控制与驱动、信息化等业务单元，在核电、电力、石油化工、轨道交通、环保、建材、冶金、造纸、制药、机械制造等十几个行业中成功实施的工程项目超过5000项，是国内最大的自动化控制系统制造商。sss

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案例详细
标题经济实用的PLC及网络冗余技术在地铁BAS中的应用
技术领域PLC&PAC
行业
简介结合地铁工程的实际应用，阐述基于罗克韦尔公司Control Logix冗余系统并简化网络配置（以太网）下，通过软件技术实现系统冗余的方法，从而降低硬设备投资并提高系统可靠性。
内容






聂占文 （1969  -）

男，河北承德人，工程师，研究方向为城市轨道交通综合自动化监控系统。

摘要：结合地铁工程的实际应用，阐述基于罗克韦尔公司Control Logix冗余系统并简化网络配置（以太网）下，通过软件技术实现系统冗余的方法，从而降低硬设备投资并提高系统可靠性。

关键词：BAS；可编程控制器；网络冗余技术；控制网；主/备切换；通信驱动

Abstract: With the practical application of the Metro project this paper describes how to realize system redundancy with software technology based on 
Rockwell Control Logix redundant system with simple network（Ethernet） configuration，so as to save hardware cost and improve system reliability.

Key words: BAS; PLC; Network Redundant Technology; ControlNet; Host/Backup Switch; 
Communication Driver

1 引言

    地铁环境与设备监控系统（规范名称，简称BAS：Building Automation System）由于在特殊工况下须承担一定的防灾任务，因此对地铁正常运营和乘客人身安全至关重要，属于安全系统，因此《地铁设计规范》对系统的可靠性提出要求。实际工程中采用硬件冗余是提高系统可靠性的通常做法，但完全冗余的硬件配置会增加工程的投资费用，因此采用适当的硬配置并辅以软件技术实现系统冗余功能是工程实施需要解决的问题。

2 系统配置情况

    在地铁BAS中，对于数据服务、通讯网络及控制器均考虑冗余技术应用。其中以太网采用了简化配置方案（如图1所示），系统具体配置情况如下：

2.1 网络配置

    BAS车站级采用两级网络：监控层网络和控制层网络。

                                   图1   简化配置方案

    （1）监控层网络基于以太网（10/100M，TCP/IP）实现，双星型拓扑结构（冗余配置），介于车站主PLC控制器、车站监控工作站和通信处理器之间，用于监控信息的传输。在PLC1和PLC2中各配置了一块以太网通讯模块。对于这种配置，工程应用需解决以下问题：

    ① 以太网通讯链路的切换（171网段和172网段）；

    ② PLC的主、备切换（PLC1和PLC2）。

    （2）控制层网络基于控制网实现，双总线型拓扑结构（冗余配置），介于车站各PLC控制器及远程IO之间，用于各控制器间及控制器与IO间实时数据的传输。控制网的冗余及切换由设备自身完成，工程应用中不需做额外的工作。

2.2 监控层配置

    车站控制室配置1台监控工作站，利用两块以太网卡分别接入冗余配置的车站监控局域网（171和172网段）。

    在车站一端环控电控室设置一台通讯控制器（用于集中处理通讯接口），同样利用两块以太网卡接入冗余配置的车站监控局域网。

    监控工作站和通讯控制器构成冗余配置，其中IO、报警与趋势服务实现冗余，其冗余切换由监控软件平台实现，工程应用只需参数配置而无须额外工作。

2.3 控制层配置

    地铁车站中，BAS在车站设置一套热备关系的PLC控制器，承担BAS车站控制层的所有任务调度、功能实现及数据服务功能，主备控制器分别连接在车站监控网络上。地铁车站BAS系统PLC采用的是美国罗克韦尔公司Control Logix系列的产品，主、从机架（型号：1756-A7）上对等配置有（数量均为1块）：

    电源模板(1756-PA72)；

    CPU模板(1756-L62)；

    控制网模板(1756-CNBR)；

    以太网模板(1756-ENBT)；

    同步模板(1757-SRM)。

    正常情况下双PLC(PLC1和PLC2)同步工作，其中一个为主PLC，并只有主PLC才能通过以太网接收监控层数据；另一个为备用PLC，PLC间的同步关系由PLC产品自身实现。

    主备PLC间可通过其内部故障自检实现自动切换，同时亦可通过PLC应用程序进行无故障强制切换。

2.4 软件环境

    监控软件平台（运行于监控工作站、通信控制器）：和利时公司MACS-SCADA，用来实现IO、报警、趋势服务及HMI功能。

    通讯引擎：基于Ethernet/IP协议，用于监控工作站和PLC之间的通讯服务软件。

3 功能需求

    （1）在监控工作站和主PLC（非备用PLC）间建立通信路径，实现数据的上传下达；

    （2）双以太网通讯链路中任一单点故障或冗余PLC任一单点故障，不对系统产生影响；

    （3）保证冗余PLC(PLC1和PLC2)在自身无硬件故障状态时维持主、从同步运行。

                              图2   监控工作站与PLC CPU间的通讯路径

4 两种方案及其问题

    根据“3功能需求”和图1的配置，有两种简单解决方案：

4.1 监控工作站直接通过以太网和本网段内的PLC建立连接——方案一

    监控工作站与PLC CPU间的通讯路径如图2所示。监控工作站通过不同网段分别与冗余配置的PLC(PLC1和PLC2)建立通讯链路。

    这种方案的特点与优点是：

    其控制层无须过多工作，只须向监控层反馈哪个机架为主PLC即可；

    监控层对应主PLC的工作路径由通信驱动软件进行检测、判断和选择，进行数据访问；

    正常情况下系统正常运行，PLC的主、从控制器可以同步。

    这种方案的最大缺点是：

    由于监控层没有向控制层传递链路工作信息，因此控制层无法判断监控层的工作路径；

    一旦出现监控层工作路径对应的是从PLC（与主PLC通讯路径中某环节出现故障，如监控工作站网卡故障、线缆损坏、交换机故障、接头接触不良等，而由监控层将工作路径转移至另一个网段），由于PLC不能做主动切换以适应监控层，致使监控层不能向控制层下发数据（PLC产品所决定，备用PLC不能接收数据），此时监控工作站只能读取PLC中的数据信息，监控工作站HMI只能对系统及设备的状态进行监视，而不能对系统及设备进行操作控制，系统处于非正常工作状态。

4.2 监控工作站利用控制网（ControlNet）间接建立与主PLC的通信连接——方案二

    这种方式是同时利用以太网和控制网同主PLC建立通信链路。

    监控工作站通过以太网任一网段的有效路径访问到其中一个PLC的以太网模板，并利用ControlNet的结点访问机制和背板路径访问规则，寻址到主PLC，这种通讯访问路径如图3所示。

                                    图3   一种通讯访问路径

    此种方式的特点与优点是：

    （1）通信驱动层不必关心主PLC位于哪个物理机架，通过逻辑寻址找到主PLC所在的控制网结点地址就一定能找到主PLC并建立通信关系，从而保证监控层能始终和该主PLC进行通信，监控层网络任一点故障均不会破坏这种通信关系；

    （2）控制层不必向监控层反馈主PLC所在物理机架的信息，监控层寻找主PLC的工作由驱动软件自动完成；

    （3）可以有效避免方案一中可能出现的监控层通信工作路径不在主PLC的情况，从而能够保证系统在主控制器不发生故障的前提下能一直正常运行。

    这种方式的最大缺点是：

    由于通过控制网寻址方式寻找主PLC，因此通信访问必定借助PLC的控制网资源并占用控制网带宽，因此破坏了主、从PLC的同步冗余机制（产品决定的），造成主、从PLC不能实现冗余同步，当主PLC出现故障时，从PLC将不能切换成主PLC，致使PLC的冗余功能不能实现。

5 最终解决方案

    通过上述两个方案的实践可知，问题的实质在于如何充分利用以太网资源，将以太网双网工作路径的建立及切换和PLC的主、从确定及切换相适应，即无论哪一方发生主、从切换，另一方须能及时探知并进行主、从调整以适应之，从而保持两层（监控层通信驱动和控制层PLC）的通信关系。由此可知，两层各自的主、从信息或称工作信息有必要在两层之间进行交互，以建立动态匹配过程。基于这种思路，最终解决方案基于上述方案展开。

5.1 工作信息交互

5.1.1 监控层向控制层传达工作信息

    在PLC的CPU内建立一通信变量标签，该标签映射为监控层通信驱动软件工作信息变量，此标签由监控层进行控制，并以固定周期（可调整）进行随机数或变化赋值，同时在主控制器内设置一“工作信息”看门狗定时器（是监控层工作信息赋值周期的数倍）。由于监控层只能向主PLC进行赋值（“写”操作），当主控制器的看门狗计时时间到（即在看门狗定时时间内由监控层向主控制器的“工作信息”赋值没有发生变化），此时主控制器可判断监控层工作路径不在主PLC上，以此间接判断监控层的工作路径情况。

5.1.2 控制层向监控层传达工作信息

    采用方案一的方式，即PLC向监控层反馈其主PLC所在机架的IP地址，用于表明其主PLC所在的网段。

5.2 动态匹配过程

5.2.1 主/备PLC切换

    如图4所示，正常状态下，监控层通信驱动根据PLC反馈的工作信息选择通讯链路，当通信驱动检测该链路通讯故障时，通信驱动先进行短暂休眠，用来等待主备PLC间的切换及同步过程完成，然后通过接收来自控制层已经改变的“工作信息”后再进行网段的切换，并和PLC建立通信关系。

    同样，在通信故障时，主PLC所接收来自监控层的“工作信息”数据将保持不变，PLC侧认为与监控层通信中断，此时如果PLC同步，PLC将进行主/备强制切换，切换完成后，PLC向监控层反馈控制层“工作信息”。

    初始状态由于监控层和控制层的投入时间不同而造成两层“工作信息”不匹配的情况，亦将出现监控层的“休眠”状态，休眠结束后两层建立通信关系。

    如果主控制器PLC主/备切换完成后，通讯仍然中断，PLC在主/备同步状态下不再进行切换，将视为双以太网均不可用。

5.2.2 主/备网段切换

    通讯正常状态下，当主PLC发生故障而引起主/备PLC自动切换后，监控层通信驱动会根据控制层反馈的“工作信息”，将当前工作网段切换到另一个网段，以适应控制层。

    当监控层检测两个网段均不能工作时，将置紧急报警并另行处理，在此不再遨述。

                                   图4   主/备PLC切换

6 结束语

    通过采用上述方案，成功地解决了冗余网段和冗余PLC之间的匹配问题，实现了基于此种配置方案的冗余功能，并在实际工程应用中得到验证。

    该项技术已经在多条地铁项目BAS（又称EMCS）中得到成功应用，并说明并非低配置方案不能达到高性能。在地铁BAS系统中，PLC没有采用每个机架双以太网模板的硬件冗余配置，每个车站可节约两块以太网模板，为工程项目节约硬件成本，在工程项目中值得推广应用。


参考文献

[1] GB 50157-2003地铁设计规范[S]. 北京: 中国计划出版社，2003.

[2] GB/15969.1.2.3-1995可编程序控制器[S]. 北京: 中国标准出版社，1995.

[3] 魏晓东. 城市轨道交通自动化系统与技术[M]. 北京: 电子工业出版社，2004.

[4] ControlLogix  热备冗余系统 1756-UM523D-ZH l，2004.