和利时LK系列大型PLC在北京地铁14号线中的应用

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