北京地铁14号线环控系统LK系列冗余可编程控制器应用

黄力宁 邓 嫔 聂占文

(北京和利时系统工程有限公司 北京 100176)

北京地铁14号线环控系统LK系列冗余可编程控制器应用

黄力宁 邓 嫔 聂占文

(北京和利时系统工程有限公司 北京 100176)

城市轨道交通；LK系列；环境与设备监控系统；可编程控制器；模式控制；冗余

1 发展概况

北京地铁14号线南起丰台区张郭庄站，北至朝阳区善各庄站，全长47.3 km，设37座车站、2座车辆段和1个停车场[1]。BAS(环境与设备监控系统)是地铁三大监控系统之一，在地铁监控系统中发挥着至关重要的作用，而BAS的核心控制器及其组 件 一 直被AB、施耐德、西门子、GE四大厂家所垄断[2]。北京地铁14号线的BAS是国内首条采用国产大型冗余系列PLC(可编程控制器)作为核心控制器的地铁环境与设备监控系统，打破了国外PLC在这一行业的垄断地位，提高了国产PLC控制系统在地铁监控系统中的地位，在降低地铁监控项目投资成本以及提高核心竞争力等方面具有重大的积极意义。

2 和利时LK系列PLC的特点

2.1 与国外PLC的比较

和利时LK系列冗余PLC是国内首台大型冗余系列的PLC，具有高效经济的冗余功能、强大开放的通信能力、不低于国外品牌的稳定性以及经济的配置价格等优势，已在电力、化工、冶金、交通等二十几个行业成功应用了数千套。

1) 高效经济的冗余功能。不同于其他PLC的冗余模块实现冗余，LK采用两个CPU(中央处理器)单机架硬件冗余设计，冗余切换过程是无扰切换，切换时间小于50 ms；除此之外还包括交直流电源供电冗余、2 CPU 4网卡的网络冗余。

3) 具有强大的不低于国外品牌的稳定性。LK系列PLC通过了CE和UL认证，在多个重大项目中经历了各种现场恶劣环境的考验，能满足用户的各种复杂需求。

2.2 在地铁中应用的优势

在城市轨道交通BAS中，LK系列PLC在地铁工程中的应用，主要有以下优势。

1) 快速响应优势：和利时PLC能更快响应用户服务需求，显著提高服务质量，在地铁监控系统中点数多且系统响应时间要求高的情况下， PLC采用了主频533 MHz的CPU，其运算速度超过同类国外产品，单条指令执行时间仅为13 ns，解决了监控界面设备参数的快速响应问题。

2) 定制化优势：由于是本地化的研发、生产、销售和技术支持，LK系列PLC可以根据用户的特殊需求开发个性化产品。

3 BAS组成

BAS主要控制全线车站及区间的环控，确保其他机电设备安全、高效、协调地运行，保证地铁车站及区间环境的良好舒适，产生最佳的节能效果，并在突发事件(如火灾和阻塞)时指挥环控设备转向特定模式，为地铁乘车环境提供安全保证。典型地下车站BAS网络见图1。

图1 典型地下车站BAS网络

3.1 工艺子系统

14号线BAS主要有EPS(消防应急电源)、冷水系统、智能水表、VRV多联体空调、大小风机、MCC智能低压系统、暖通空调、给排水、电扶梯、照明系统等[4]。

3.2 环控系统控制方案

该系统采用带热备功能的以LK210为核心的分布式PLC控制系统，通过BAS主干网Profibus-DP总线进行高速通信，并通过接口模块LK231将分布于车站的箱柜挂到主干网上，同时，通过光纤自愈环将从端PLC控制器中的设备数据传递到主端，实现对从端PLC的数据采集和命令下发；对于区间设备，则在车站有区间的一端最后一个远程箱柜以及区间箱柜中各配置一对LK233光纤模块，将区间设备的数据通过主干网传递到PLC控制器中，保证远距离数据传输的安全性和有效性[6]。

4 BAS复杂逻辑的LK系列PLC实现

在地铁车站设备监控系统中重要且比较复杂的功能主要包括3方面： PLC冗余设计及主备切换机制、模式控制方式和时间表控制的实现。这些功能主要利用codesys开发平台设计的PLC编程软件Hollysys Power pro V4进行编程操作，实现相应的功能。

4.1 PLC冗余设计及主备切换

4.1.1 PLC冗余设计

BAS双PLC冗余设计原理是：当一套PLC控制系统中2个CPU模块同时运行时，一个处于主控制器状态，一个处于备用状态，当主PLC出现故障、处于停止状态或断电情况下，备用PLC控制系统会切换到主PLC状态，原来的主PLC会切换到备用PLC状态[7]。

4.1.2 PLC冗余切换机制

主备PLC的冗余切换机制主要包括以下几种情况。1)2个CPU不同时上电的双机抢主，即先上电的为主机，后上电的为从机。2)单机升主，即从机在运行过程中，如果检测到自己为单机，则升为主机。3)主机I/O故障时，从机的升主，即主机检测到自己I/O故障时，会将自己降为从机，从机检测到双从状态，就会升成主机。

主CPU控制器运行应用程序并操作远程I/O，如果主控制器停止，则备用控制器在一个扫描期内获得控制权；LK系列PLC主备切换时间不超过100 ms，远小于《地铁设计规范》要求的2 s时间限制。

4.2 模式控制方式

4.2.1 BAS控制方式中的模式控制

模式控制作为一种组合控制方式，按照设计院对地铁环境设备的工艺设计要求，对某子系统内所有的设备按照一定的动作序列进行组合控制，主要分为正常模式、阻塞模式、火灾模式及排废气模式。

4.2.2 模式控制的功能

正常模式包括大小系统通风模式、照明模式。通风系统包括全新风、小新风、空调或非空调季节模式。环控系统能耗超过总能耗的50%[8]，因此正常模式在解决车站节能的问题上起着至关重要的作用。灾害模式主要用于灾害工况的联动控制。

4.2.3 模式控制的程序实现

模式触发有3种方式：时间判断、事件判断、人工干预，三者执行的优先级别是后者高于前者。时间判断包含正常模式，事件判断包含阻塞模式、火灾模式以及排废气模式，人工干预则可以干预任何模式。

从上面的LED点阵显示原理上，可以看出，一个8×8点阵显示就需要占用单片机的2个并口资源，在实际使用中，可以用2片74HC595芯片，一个74HC595芯片只需连接单片机的3位输入输出口即可输出8位信息。具体连接是：74HC595芯片的Ds引脚(串行输入)、SHcp引脚(移位寄存器的移位脉冲输入)、STcp引脚(锁存器的锁存脉冲信号输入)。输出使能端OE接地。相关程序如下：

PLC首先扫描当前权限所在地位置，当前若在时间表控制下且没有比之更高权限的模式指令时，则执行之前预制好的时间表控制；当有车站阻塞信息、区间火灾及中心下发的阻塞模式或火灾模式时，待车站监控人员确认后执行阻塞模式；若发生车站火灾，监控人员可手动下发车站系统火灾模式号到PLC，PLC执行车站系统的火灾模式。图2为车站模式的程序原理。

图2 车站模式控制程序原理

不同优先级间的切换，只允许由低级切换到高级，只有高级的工况撤销后才允许回到低级。系统可以直接由任意正常模式切换到火灾模式，但不允许直接由火灾模式切换到正常模式，只有火灾模式撤销后，才能切换回正常模式。

4.3 时间表控制方式

时间表是模式控制中按照设定时间自动触发正常模式的高级控制方式，如照明系统的关闭与启动、运营前的车站系统通风工作、特殊日实现大客流模式等，由于包含的设备多，需要控制的系统繁杂，仅靠手动启动费时费力，而时间表功能能解决这一问题。地铁BAS正常运行中使用最多的就是时间表功能。

一座车站的时间表有3种类型：特殊日、工作日和周末。时间表的配置和下装：在中心ISCS(综合监控系统)配置各座车站的时间表属性，包括工艺子系统、模式号以及开始时间，控制中心环调操作员在人机界面点击手动时间表下装后，控制中心时间表通过控制中心服务器、车站FEP(前端处理机)直接下载到车站BAS的PLC相应的特殊日、工作日和周末数组中。时间表的执行：PLC完成从ISCS接收包含时间与模式号的通信字，在每天的3时和ISCS完成校时后，PLC再对当前时间进行3种类型判断，确定当天的时间属性后，等待到达ISCS设定时间，将对应的模式号放到模式的执行区执行，这样就实现了设定时间执行设定模式的时间表控制。需要注意的是，一个设备只能属于一个系统，一个系统同一时间只能属于一个时间表。

5 LK系列PLC实现的多专业联动

在交通运输部出版的《国内外城市轨道交通事故案例评析》中，伦敦地铁自运营150年来发生了99起重大事故，其中火灾事故占40.4%，占事故死亡人数的90.6%。火灾致人死亡的主要原因是吸入大量有毒和高温气体。因此灾害之后系统能快速切换到对应的灾害模式，将有害气体排出车站，对于保护乘客安全是至关重要的。

在14号线的设计中充分考虑了BAS在灾害模式下的时间响应问题，LK系列的PLC能够快速响应FAS通信字，主端PLC能够根据相应的工况准确无误地执行相应的灾害模式，且从收到灾害信号到执行的时间小于1s，有效保障地铁站内人员及设备的安全。

6 结论

北京地铁14号线BAS是14号线监控系统的重要组成部分，和利时BAS项目组在完成各项调试任务的同时，使各项指标均满足设计要求，自全功能顺利开通至今已经可以安全稳定运行，系统的可靠性得到了业主及监理

[1] 北京市轨道交通建设管理有限公司.北京地铁14号线地铁综合监控系统招标文件[G].北京，2007.

[2] 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.

[3] GB 50157—2013 地铁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2013.

[4] 北京和利时系统工程有限公司.LK大型可编程控制器硬件手册[G].北京，2010.

[9] 铁道第二勘察设计院.地铁工程设计指南[M].北京：中国铁道出版社,2002.

[10] 国家发展与改革委员会.国家计委关于城市轨道交通设备国产化实施意见的通知[S].北京，1999.

(编辑：王艳菊)

Application of LK Series Redundant PLC in BAS for Beijing Subway Line 14

Huang Lining Deng Pin Nie Zhanwen

(Beijing Hollysys System Engineering Co., Ltd., Beijing 100176)

The control system composition and control process of the BAS in Beijing Subway Line 14 is presented. The redundant control system is realized by using the series of HollySys LK PLC as the core and the master-slave system which are communicated via the optical fiber self-healing ring bus. The mode and schedule control method is designed by using the Profibus-DP dual redundant communication as a backbone network, which guaranteed that the running states of the equipment of the interval and nine systems of station are monitored and processed in real-time. To ensure the safety of subway passengers and suitable environment for subway station, fire-fighting linkage between the BAS and the FAS is implemented based on the communication mode of modbus; moreover, temperature and the concentration of carbon dioxide is detected by some special modules around the subway station. Meanwhile, the mode of “one running while the other standing by” is adopted by the BAS in each side of the subway station based on the high speed synchronous mode, which can assure flexibility, reliability and automatic running of the BAS when one of the two systems breakdown and the other can switch back and forth.

urban rail transit; LK series; BAS; PLC; mode control; redundant

黄力宁，男，工程师，从事轨道交通综合监控系统的理论与技术研究，huanglining@hollysys.com

北京地铁14号线工程综合监控系统采购项目(2011ZS0000165)

U231.6

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