地铁BAS一种网络与PLC控制器冗余切换技术的实现

1、地铁BAS 一种经济的网络与PLC 冗余技术1. 引言地铁环境与设备监控系统（规范名称，简称BAS ：Building Automation System）因其在特殊工况下须承担一定的防灾任务，所以对地铁的正常运营和乘客人身安全具有重要作用，是一个安全系统。因其重要性，地铁设计规范对该系统的可靠性提出了要求，而采用配置上的冗余并结合软件技术是提高系统可靠性的有效手段，其中系统网络及控制器采用冗余技术、实现冗余目的尤为重要。2. 系统情况深圳地铁1、4号线BAS 车站级系统无论在数据服务、网络及控制器方面均考虑了冗余配置与技术的应用。 2.1. 网络构成BAS 系统车站级采用两级网络（如图1所示

2、）：监控层网络和控制层网络。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。由于以太网及其协议不支持自动冗余切换，因此需要在工程应用中做针对性的工作。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，用于实时控制数据及IO 数据的传输。控制网的冗余及切换技术采用的是现成的、成熟的技术，由设备自身完成，工程应用中不需做额外的工作。 图12.2. 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

3、局域网。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. 控制层配置深圳地铁1、4号线BAS 系统在车站设计了一对儿热备关系的主控制器PLC ，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，该主备控制器分别挂接在车站监控网络上。深圳地铁BAS 系统PLC 采用的是美国罗克韦尔公司Control Logix系列的产品，主备机架（型号：1756-A7）上对等配置有（数量均

4、为1块）： 电源模板： 1756-PA72 CPU 模板： 1756-L55M13 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 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 间可冗余切换，故障检测及自动切换由PLC 产品自身实现，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 ，实现IO 、报警及趋势服务及HMI 功能。通讯引

5、擎：罗克维尔公司RSLinx ，用于监控工作站访问PLC 的通讯服务软件。3. 功能要求1） 在监控层设备（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） 当冗余配置的以太网通讯链路中任一单点故障或冗余配置的主控制器任一单点故障时，对系统不应产生影响，系统应能正常工作；3） 时刻保证控制层主控制器其主备PLC 在自身无硬件故障状态时能够同步运行。4. 两种方案及其问题根据3的要求和图1的配置，自然有两种简单解决方案：4.1. 方案一：监控层直接和本网段内的的PLC 通过以太网建立连接监控工作站与主控制器CPU 间的通讯路径如图2所示。监控工作站通过不同网段与

6、主控制器两个机架中的以太网模板相连，分别与冗余配置的PLC 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，并利用RSLinx 进行数据访问；1 由于监控层没有向控制层传递 当监控层的工作路径对应的是膳食清淡、适口；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），而此时主控制器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），此时监控层能正确接收来自控制层PLC

7、的数据，但PLC 不能接收来自监控层的数据，HMI 只能通过通信驱动对系统进行监视，但不能对其进行操作调度，系统处于非正常工作状态。 4.2. 方案二：利用控制网ControlNet 通过寻址方式建立与主PLC 的通信连接 这种方式是同时利用以太网和控制网同主控制器的主PLC 建立通信链路。 监控工作站通过以太网双网中任一网段的有效路径访问到某PLC 的以太网模板，由于ControlLogix 的PLC 机架背板亦是ControlNet 总线，因此利用ControlNet 的结点访问机制，通过固定的访问路径规则，寻址到主PLC ，这种通讯访问路径如图3所示。 此种方式的特点与优点是： 通信驱动

8、层可不必关心主控制器的主PLC 位于哪个物理机、保证摄入足量富含碳水化合物的食物；由驱动软件自动完成； 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，因此破坏了主控制器主备PLC 的同步机制（产品决定的），造成主备PLC 不能实现同步，当主PLC 出现故障时，备用PLC 将不能切换成主PLC ，从而降低了主控制器的可靠性，致使主控制器的冗余配置没有发挥作用。51） 监控层向控制层传达工作信息

9、在主控制器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。2） 控制层向监控层传达工作信息采用方案一的方式，即主控制器向监控层反馈主PLC 所在机架的IP 地址，用于表明其主PL

10、C 所在的网段。 5.2. 动态匹配过程1） 主控制器主/备PLC 切换 如图4所示，正常状态下，监控层通信驱动根据主控制器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，驱信驱动将进入休眠状态（等待控制层主控制器主备PLC 间的切换及同步过程完成），此时主控制器主PLC 所接收的监控层“工作信息”数据将保持不变，主控制器认为与监控层通讯中断，此时如果主控制器的PLC 同步，PLC 将进行主/备强制切换以适应监控层，切换完成后，主控制器将向监控层反馈控制层“工作信息”。当监控层通信驱动休眠结束后，收到控制层已经改变的“工作信息”后，将尝试选用另一网段与PLC 进行通讯。初始状态由于

11、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，主控制器PLC 在主/备同步状态下不再进行切换。2） 监控层通信驱动主/备网段通讯链路切换在通讯正常的状态下，当主控制器的主PLC 发生故障时而引起主/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46. 结束语通过上述方案实践，成功地解决了在RSLinx 不支持热备机架中采用不同网段进行通讯的冗余问题，实现了基于此种配置方案的冗余功能，并在实际的工程应用中得到验证。该项技术已经在深圳地铁1，4号线BAS （又称EMCS ）系统中得到成功应用，应用的成功恰恰说明并非不是豪华的配置方案就不能达到高性能要求。深圳地铁BAS 系统主控制器PLC 没有采用每个机架双以太网模板的豪华配置，每个车站可节约两块以太网模板，19个站共38块，这一项就为用户节约硬件投资数十万元人民币，值得在以后