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案例详细
标题地铁BAS系统PLC三重后备技术的实现与应用
技术领域PLC&PAC
行业轨道交通
简介
内容


作者简介：冯晓青（1974-），男，大学本科，现任广州地铁建设总部车站设备部项目部经理，工程师，研究方向为自动化控制系统。

    摘  要：文章介绍了深圳地铁BAS系统中的MCP盘PLC和主控热备PLC构成三重热备的方法和技术，从而使MCP盘PLC在功能上和主控热备PLC完全相同，以进一步提高BAS系统的可靠性。

    关键词：地铁；环境与设备监控系统；PLC；三重后备

    Abstract：This paper introduces the triplex backup methods and techniques of MCP PLC used for Shenzhen metro BAS.The MCP PLC has the same function as the master PLC to further improve the BAS system reliability.

    Key words：Metro；BAS；PLC；Triplex backup
 
    1  概述

    1.1  系统冗余的目的及要实现的功能

    通常系统冗余的目的主要是让系统具有高可靠性，保证工业企业不造成停业停产，设备损坏，甚至造成经济损失，人员伤亡。由于PLC本身可靠性的提高有一定的限度，仅靠提高控制系统硬件的可靠性来满足上述要求是远远不够的，而使用冗余系统或热备系统就能够比较有效地解决这些问题。为保证地铁正常运营，特别是在FAS主机告知火灾时能有效地执行火灾模式，地铁环境监视和控制就更应该要求系统可靠性高。深圳地铁BAS系统需要实现的功能是：

    ①车站监控工作站与PLC采用冗余以太网连接（如图1所示）；

    ②PLC之间采用冗余控制网连接（如图1所示）；

    ③主控PLC采用硬冗余配置（如图1所示）；

    ④MCP盘PLC不仅和主控PLC具备同样的功能，还兼备盘面模拟操作控制功能，并保持与主控PLC同步工作，当主控PLC完全失去控制功能后，自动切换到MCP工作。

    1.2  深圳地铁BAS为何不采用成熟冗余系统的驱动

    深圳地铁的BAS系统的驱动程序是基于Rslinx重新开发的，其原因是HMI提供的冗余驱动程序不能满足BAS系统的特殊要求，即上述1.1所介绍的功能需求。除了这些问题，PLC还需要得到驱动判断HMI与主控PLC中的主PLC数据传送发生异常的信息，通过这个信息实行主控PLC的主从切换。如果主控PLC冗余链路全部连接失败，PLC还需要驱动给出HMI与主控主从PLC均连接失败的信息，以便切换到MCP链路工作，有效地实现三重冗余。考虑到这个系统这样一个特殊的要求，为实现其功能，必须考虑到新驱动的开发。

    1.3  原有冗余技术基础上进行二次开发的初步构想

    在深圳地铁项目中，BAS系统的PLC系统采用的是Rockwell公司的Logix5000系列的PLC。系统的连接方式如图1所示：



图1  系统结构图
 

    系统中共有三组PLC：主控1、主控2和MCP。其中主控1和主控2是硬冗余的PLC系统，它们通过同步模块自动进行主从切换，正常时只有为主的模块能进行数据通信。MCP是主控的备份PLC，它在主控全部失效的情况下接管控制权限，并完成主控PLC的任务。

    2  基本要求

    计算机与整个PLC系统进行通信，应能正确读取PLC中的数据，并正确下发控制指令入PLC中。

    在主控正常时，要求从主控读取数据，下行数据要同时写入主控和MCP中。

    在主控异常时，要求能从MCP中读取数据，下行数据只写入MCP中。

    3  主控同步及切换处理

    3.1  说明

    由图1可知，系统中比较特殊之处是，主控1和主控2的机架中以太网模块（ENBT）只有一块，分别接入不同的网段。当为主的主控机架的以太网连接断开之后，则计算机与主控的通信就断开了，但是不能认为主控异常，切换到MCP中，必需使主控切换到以太网连接为好的机架上。

    PLC程序可以控制CPU的主从切换，但是如果发生切换时，主控的主从PLC不同步，则切换后两机架就永远也不能同步了，所以PLC程序在发送切换指令时，必须有一个前提条件，即主从同步。

    主控与计算机的以太网通信断开的情况可以有多种：交换机异常、PLC与交换机之间的网线异常、计算机与交换机之间的网线异常等。

    要求驱动能实时可靠地判断与主控的通信状态，与MCP的通信状态。若判断出主控的通信断开，通知PLC，使PLC能发生主从切换；如果一段时间内仍为断开，则认为主控异常，切换到MCP中。

    3.2  驱动程序的通信机理

    驱动程序通过RSLINX SDK开发包中的API函数与RSLINX进行通信，从而实现与PLC的通信。

    要使用API函数进行通信，PLC中需要进行文件映射，每个要通信的数组都映射成一个文件号。

    驱动与PLC中的哪个CPU通信是通过设定不同的通信路径实现的。

    驱动通过由不同路径的CPU通信，可判断出本链路的通信状态。

   3.3  处理过程

    3.3.1  四条路径

    驱动要实时判断四条路径的通信状态：

    计算机－主控1的ENBT－主控1的机架－主控1的CPU；

    计算机－主控2的ENBT－主控2的机架－主控2的CPU；

    计算机－MCP的ENBT1－MCP的机架－MCP的CPU；

    计算机－MCP的ENBT2－MCP的机架－MCP的CPU；

    3.3.2  PLC中特殊文件号

    在PLC中有几个特殊的文件号，意义如下：

    ·文件号F999，由驱动修改，当驱动查询到主控全断开，则发送1到本文件中；PLC程序检测到本文件的值为1，则将控制权切换到MCP中。PLC的控制权是表示发送控制指令的权利。

    ·文件号F998，由PLC程序修改，表示当前PLC中为主的主控所在的网段。1表示主控171为主，2表示主控172为主。

    ·文件号F996，由HMI触发修改，HMI中在主控链路有一条通的情况下周期性修改其值，值应从0－65535变化，变化周期2秒。

     3.3.3  过程详叙

    驱动轮巡请求所有数据，在请求的过程中，若有下发命令，则在请求完当前的数据之后发送下发数据，发送完后接着请求数据（HMI写F996的值就是通过下发命令实现的）。所有数据请求一遍后，查询四条链路的状态，即读取F998的值，根据是否读取成功判断出网路的通信状态，并判断出当前应该为主的主控的链路，在这里如果查询的结果与原先的结果不同，则连续读取3次，如果结果都是新状态，判断为新状态，否则维持原状态不变。

    如果原通信的主控链路现在判断为断开，则驱动休眠30秒（驱动不与PLC通信，使PLC能同步）。休眠结束后马上进行查询链路状态。如果原通信的主控链路断开，则不能修改F996的值，PLC程序在连续20秒之后发现F996的值没有变化，则进行主控主从切换。比较读取的MCP盘PLC中F998的值和判断出的主控为主的链路，如果两者不一致，且驱动判断的该网路为通，则按照F998的值进行网络切换（避免出现驱动能通过从机架读取数据的情况）。

    4  PLC程序处理

    4.1  主控切换到MCP例程



图2  主控切换到MCP例程
 

    如图2所示，H_P_Par_Ctl［11］即文件F999，当驱动查询到主控全断开，则发送1到本文件中；PLC程序检测到本文件的值为1，则将控制权切换到MCP中。PLC的控制权MCP_KG2.MCP_Ctl是表示发送控制指令的权利。

    4.2  PLC告知驱动主从PLC的IP地址代号例程

              
图3  PLC告知驱动主从PLC的IP地址代号例程
 

    如图3所示，IP_Info即文件F998，表示当前PLC中为主的主控所在的网段。1表示主控171为主，2表示主控172为主。PLC读取主PLC的IP地址，把它按要求变成地址代码送给本文件。

    4.3  主控PLC主从切换例程




图4  主控PLC主从切换例程
 

    如图4所示，H_P_Redundancy_Switch即文件F996，驱动给PLC传送一个0－65535周期变化的数，变化周期2秒，如果这个数一直处于变化状态，表明驱动读取PLC数据正常，一旦这个数固定不变了，表明驱动已经不能从主PLC读取数据。当PLC收到这个固定不变的数之后，判断此时冗余仍然同步，执行主从切换。

    5  结论

    通过驱动与PLC程序之间的信息处理，成功地解决了在图1所示的特殊配置下PLC同步和切换的问题，进而实现BAS系统PLC三重冗余后备功能。

    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］曲立东.城市轨道交通环境与设备监控系统设计与应用［M］.电子工业出版社，2008.

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

    ［5］ControlLogix.热备冗余系统1756-UM523D-ZH.2004.


                                                                ——转自《自动化博览》