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和利时LK系列大型PLC在北京地铁14号线中的应用

供稿:和利时集团 2013/7/12 11:54:42

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  • 关键词: 北京地铁14号线;BAS;LK系列PLC;冗余;模式控制
  • 摘要:本文主要介绍了北京地铁14号线BAS系统的总体设计、系统结构、网络层次、功能实现,结合控制要求,分析了和利时LK系列PLC在地铁BAS系统中的应用。实践证明,该系统设计合理,LK在大型控制系统中运行稳定、可靠。

1 引言
北京地铁14号线全长47.7公里,起于丰台区永定河以西的张郭庄站,向东经过丰台北路、南二环和南三环之间,至西大望路一线向北,迄于朝阳区来广营以北的善各庄站,呈L状。全线经过丰台、东城、朝阳3区,共设车站37座,除张郭庄站及园博园站是高架站外,其余均为地下车站。全线监控点数大约在15万点左右。
为了配合第九届中国(北京)国际园林博览会的举办,项目于2013年05月05日开通张郭庄站至西局站段(全长12.4千米,共有7座车站),有利地保障了园博会在北京的顺利举办。
2 项目概况
北京地铁十四号线的环境和设备监控系统(以下简称BAS系统)对全线所有地下车站、高架车站、车辆段、区间隧道内设置的各种正常运营保障设施(包括通风空调设备、给排水设备、动力照明设备、自动电/扶梯、电保温设备、EPS等)和事故紧急防救灾设施(防排烟系统、应急照明系统等)进行全面、有效地自动化监控及管理,确保设备处于安全、可靠、高效、节能的最佳运行状态,从而提供一个舒适的乘车环境,特别是在地下车站发生火灾事故的情况下,使有关救灾设施按照设计工况及时有效地运行,充分发挥各种设备应有的作用,保证乘客的安全和设备的正常运行。
37座车站的BAS均采用的是和利时LK系列大型PLC产品。通过冗余以太网通信接口与综合监控系统连接,将信息集中上传至综合监控系统,实现BAS在综合监控系统中的深度集成。
3 系统结构
BAS系统是基于分层分布式系统结构:
 中央级:BAS的中央级主要是调度控制中心(OCC)的调度工作站,由综合监控系统实现;
 车站级:包括车站级综合监控功能和车站BAS监控功能,正常情况下,车站级监控功能由综合监控系统完成。车站BAS监控功能以车站BAS应急操作终端、BAS维护工作站、32位LK控制器为平台实现;
 现场级:通过LK 系列远程I/O模块实现车站各就地信号的采集与控制,具体包括各类传感器、执行器、或装置等。
3.1 中央级系统
综合监控系统软件由和利时开发,通过冗余光纤环网与各个车站BAS系统通讯,进行数据采集与控制,整个监控点数大约在150000点左右。
3.2 车站级BAS系统
车站级包括地下车站和高架站两类,每个车站监控点数大约在4000点左右, 由PLC控制器、现场传感器、维护终端等组成。
3.2.1 地下车站BAS系统
由车站维护工作站、应急操作终端、PLC、RI/O、现场总线、IBP(综合后备盘)PLC等组成。
车站控制室设IBP,IBP处设置PLC和应急操作终端,IBP盘处PLC选用和利时的LK210 冗余CPU,应急操作终端选用工业级产品触摸屏式一体化工控机,实现IBP盘面监视和控制。
车站两端各设置一套冗余控制器PLC_A和PLC_B,选用冗余CPU模块 LK210, LK210最大可扩展数字量57344点,模拟量3584点,集成了4路以太网接口,支持以太网冗余环,支持CPU之间数据共享,通过冗余光纤环网(TCP/IP协议)进行连接实现大数据信息上传和PLC_A与PLC_B之间关键数据交互,对本车站所辖区间隧道及车站的通风空调大系统、小系统及其水系统、照明系统、自动扶梯、电梯、给排水系统相关设备进行监控及管理,同时对相关设备用房和公共区的环境温湿度等参数进行监测。
FAS接口通信是自定义的特殊协议,采用LK239串口通讯模块接收FAS主机传送的火灾报警模式号,实现车站BAS在火灾工况下对设备的联动控制。
区间设备房设备距离控制室非常远,通过LK233光纤通信模块进行远程I/O扩展,最远可以扩展20KM。
地下车站系统网络图如图 3 1所示:

 图3 1典型地下车站BAS系统图

3.2.2高架车站BAS系统
高架车站与地下站A端设计一致,车站系统网络图如图 3 2所示:

 图 3 2典型高架站BAS系统图

4 网络层次
BAS 系统在车站内的网络可分为三级,分别为:车站级、子系统级(即BAS级)、现场级。
 车站级:车站 A、B 端的冗余LK 集成冗余以太网接口接入车站级环网,无须额外配以太网通信模块。为保证系统安全,不同专业数据有效传输,PLC网络均分配特定的IP段,在进入综合监控系统时需要做地址映射,LK自身集成的以太网接口支持跨VLAN功能,可灵活应用于复杂网络配置中,通过三层交换机与综合监控通信;
 子系统:A端与B端通过冗余光纤环网通信,同时LK支持多机互联,方便实现A、B端数据共享,进行有效的联锁控制;
 现场级:由BAS 系统负责配置。距离小于1000m采用LK232 PRIFIBUS-DP总线扩展模块扩展远程 I/O;距离超过1km,使用LK233 光纤通信模块,最远可以扩展4级,每级5km,总计20km。
网络层次如图 4 1所示:

 图 4 1 BAS网络层次图

5 BAS 系统实现的功能

1. 工艺参数及画面显示

BAS 系统对现场各类传感器数据以及机电设备的运行状态、故障报警信息等进行实时采集、处理,以便及时准确的处理各类突发事故,信息采集量单个车站可达数千点。

2. 冗余功能

LK冗余系统可实现CPU冗余、以太网冗余、总线冗余、电源冗余。每个CPU带有冗余以太网口,冗余PLC控制器通过以太网与车站综合监控进行连接,实现综合监控系统对车站机电设备的监视与控制。3. 模式控制
即设备组控制,是根据工艺设计要求而形成,其触发有人工触发(HMI,IBP)和自动触发(FAS 系统、时间表)两种。BAS系统可以实现对本站所有模式及相关设备的监控与操作功能。 正常模式的状态分为:未启动、执行中、执行成功和执行失败。模式执行时间结束后, 根据该模式中设备状态是否符合模式要求, 判断模式的执行结果为成功或失败。所监视的模式分为早晚换气模式控制、异常模式控制、火灾模式控制、阻塞模式控制等。
4. 调节功能
车站LK能够根据所检测的车站环境参数自动判断车站所处空调季工况,根据检测参数采用科学的算法和实用的控制策略,对空调冷水系统的二通调节阀、公共区风机转速根据时间的信息进行调节。对车站大系统空调设备根据热焓计算,进行运行模式的最优化控制,从而达到节能目的。
5. 参数存储
所有系统设置参数、所有模式控制、预制时间表控制等相关参数由操作站进行设置,经确认后下载到LK中,因此车站PLC能够脱离综合监控系统独立运行。
6. 与FAS 的联动控制
BAS 系统与FAS 系统的联动在所有的控制权限里优先级别是最高的。BAS 系统同FAS 系统的通信是通过LK239串口通信模块进行的,当收到FAS 报警数据后,根据收到的数据(二者事先定义对应的模式),BAS 系统开始执行相应的火灾模式。此后,BAS 系统不再接收任何操作指令,直到FAS 报警信号复位。
7. 多控制点功能
BAS 系统控制权分为五级控制,就地控制箱、IBP、ISCS、BAS 维护工作站、现场触摸屏。每个控制点的控制级别由高到低排列,每个可控制设备都有这五个控制级。
6 系统特点
 基于LK系列PLC应用于BAS系统具有的特点:
 1. 高性能
 LK CPU配置工业级(533MHz)处理器,拥有纳秒级(13ns)的处理速度;
 数字量I/O可达57344点,模拟量I/O可达3584点;
 远程I/O最远可扩展20KM;
 程序容量可达16MB,数据容量可达64MB,掉电保持区可达1MB。
 2. 高可靠性
 LK采用单机架硬件冗余设计,支持电源冗余、CPU冗余、以太网冗余、PROFIBUS-DP总线冗余。两个CPU之间通过高速背板总线进行数据同步,无需专门的同步模块。每个运算周期,主机检测自己发生变化都要向从机进行数据同步,保障主从数据一致。冗余切换过程是无扰切换,切换时间<50ms,切换过程无报警或中断的丢失;
 LK具有通信故障时输出预置功能,当输出模块与CPU通信出故障时,输出模块会按上一个预算周期的有效值或者预先设置的安全值输出,保障系统安全运行;
 提供三防(防潮、防盐雾、防霉 )模块 ,适用于地铁恶劣的环境。
 3. 强大的网络通信能力
 LK本体集成冗余以太网接口,具有可配置不同IP段地址、网关、子网掩码、静态路由功能;
 支持跨VLAN功能,LK同网段支持IP地址数量为89个,如果PLC使用数量超过这个数量时,系统可以通过划分不同VLAN,把不同IP地址映射到同一IP段,有效解决IP节点的限制,系统容量无限扩展。
        4. 多机互联,实现数据共享
 通过自身集成的以太网接口,实现最多32个站数据共享;
 可配置共享数据大小,每次最多可共享700个字;
 适合分布式控制系统间联锁控制。
        5. 易用、易维护性
 模块小型化、智能化设计,具有超限报警、超量程报警、断线检测、掉电检测等自诊断功能;
 支持带电插拔,可在不停机的状态下更换故障模块;
 背板上设计有防混销,避免插错模块。
7 结束语
目前北京地铁14号线西局至园博园站已顺利开通,系统运行稳定,有效地保障了北京国际园博会的交通。
参考文献
[ 1 ]  曲立东,《城市轨道交通环境与设备监控系统设计与应用》,电子工业出版社
[ 2 ]  聂占文,宋小莉,曲立东.经济实用的 PLC 及网络冗余技术在地铁 BAS中的应用[J].自动化博览,2009,(7)
[ 3 ]  王锦标,《和利时PLC技术—综合篇》,机械工业出版社
[ 4 ]  和利时公司,LK大型可编程控制器硬件手册,2008
[ 5 ]  和利时公司,LK大型可编程控制器编程手册,2008

更多内容请访问 和利时集团(http://c.gongkong.com/?cid=45649)

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