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作者簡介：馮曉青（1974-），男，大學(xué)本科，現(xiàn)任廣州地鐵建設(shè)總部車站設(shè)備部項(xiàng)目部經(jīng)理，工程師，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化控制系統(tǒng)。
摘 要：文章介紹了深圳地鐵BAS系統(tǒng)中的MCP盤PLC和主控?zé)醾銹LC構(gòu)成三重?zé)醾涞姆椒ê图夹g(shù)，從而使MCP盤PLC在功能上和主控?zé)醾銹LC完全相同，以進(jìn)一步提高BAS系統(tǒng)的可靠性。
關(guān)鍵詞：地鐵；環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)；PLC；三重后備
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 系統(tǒng)冗余的目的及要實(shí)現(xiàn)的功能
通常系統(tǒng)冗余的目的主要是讓系統(tǒng)具有高可靠性，保證工業(yè)企業(yè)不造成停業(yè)停產(chǎn)，設(shè)備損壞，甚至造成經(jīng)濟(jì)損失，人員傷亡。由于PLC本身可靠性的提高有一定的限度，僅靠提高控制系統(tǒng)硬件的可靠性來滿足上述要求是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，而使用冗余系統(tǒng)或熱備系統(tǒng)就能夠比較有效地解決這些問題。為保證地鐵正常運(yùn)營，特別是在FAS主機(jī)告知火災(zāi)時(shí)能有效地執(zhí)行火災(zāi)模式，地鐵環(huán)境監(jiān)視和控制就更應(yīng)該要求系統(tǒng)可靠性高。深圳地鐵BAS系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能是：
①車站監(jiān)控工作站與PLC采用冗余以太網(wǎng)連接（如圖1所示）；
②PLC之間采用冗余控制網(wǎng)連接（如圖1所示）；
③主控PLC采用硬冗余配置（如圖1所示）；
④MCP盤PLC不僅和主控PLC具備同樣的功能，還兼?zhèn)浔P面模擬操作控制功能，并保持與主控PLC同步工作，當(dāng)主控PLC完全失去控制功能后，自動(dòng)切換到MCP工作。
1.2 深圳地鐵BAS為何不采用成熟冗余系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)
深圳地鐵的BAS系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序是基于Rslinx重新開發(fā)的，其原因是HMI提供的冗余驅(qū)動(dòng)程序不能滿足BAS系統(tǒng)的特殊要求，即上述1.1所介紹的功能需求。除了這些問題，PLC還需要得到驅(qū)動(dòng)判斷HMI與主控PLC中的主PLC數(shù)據(jù)傳送發(fā)生異常的信息，通過這個(gè)信息實(shí)行主控PLC的主從切換。如果主控PLC冗余鏈路全部連接失敗，PLC還需要驅(qū)動(dòng)給出HMI與主控主從PLC均連接失敗的信息，以便切換到MCP鏈路工作，有效地實(shí)現(xiàn)三重冗余。考慮到這個(gè)系統(tǒng)這樣一個(gè)特殊的要求，為實(shí)現(xiàn)其功能，必須考慮到新驅(qū)動(dòng)的開發(fā)。
1.3 原有冗余技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)的初步構(gòu)想
在深圳地鐵項(xiàng)目中，BAS系統(tǒng)的PLC系統(tǒng)采用的是Rockwell公司的Logix5000系列的PLC。系統(tǒng)的連接方式如圖1所示：
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
系統(tǒng)中共有三組PLC：主控1、主控2和MCP。其中主控1和主控2是硬冗余的PLC系統(tǒng)，它們通過同步模塊自動(dòng)進(jìn)行主從切換，正常時(shí)只有為主的模塊能進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。MCP是主控的備份PLC，它在主控全部失效的情況下接管控制權(quán)限，并完成主控PLC的任務(wù)。
2 基本要求
計(jì)算機(jī)與整個(gè)PLC系統(tǒng)進(jìn)行通信，應(yīng)能正確讀取PLC中的數(shù)據(jù)，并正確下發(fā)控制指令入PLC中。
在主控正常時(shí)，要求從主控讀取數(shù)據(jù)，下行數(shù)據(jù)要同時(shí)寫入主控和MCP中。
在主控異常時(shí)，要求能從MCP中讀取數(shù)據(jù)，下行數(shù)據(jù)只寫入MCP中。
3 主控同步及切換處理
3.1 說明
由圖1可知，系統(tǒng)中比較特殊之處是，主控1和主控2的機(jī)架中以太網(wǎng)模塊（ENBT）只有一塊，分別接入不同的網(wǎng)段。當(dāng)為主的主控機(jī)架的以太網(wǎng)連接斷開之后，則計(jì)算機(jī)與主控的通信就斷開了，但是不能認(rèn)為主控異常，切換到MCP中，必需使主控切換到以太網(wǎng)連接為好的機(jī)架上。
PLC程序可以控制CPU的主從切換，但是如果發(fā)生切換時(shí)，主控的主從PLC不同步，則切換后兩機(jī)架就永遠(yuǎn)也不能同步了，所以PLC程序在發(fā)送切換指令時(shí)，必須有一個(gè)前提條件，即主從同步。
主控與計(jì)算機(jī)的以太網(wǎng)通信斷開的情況可以有多種：交換機(jī)異常、PLC與交換機(jī)之間的網(wǎng)線異常、計(jì)算機(jī)與交換機(jī)之間的網(wǎng)線異常等。
要求驅(qū)動(dòng)能實(shí)時(shí)可靠地判斷與主控的通信狀態(tài)，與MCP的通信狀態(tài)。若判斷出主控的通信斷開，通知PLC，使PLC能發(fā)生主從切換；如果一段時(shí)間內(nèi)仍為斷開，則認(rèn)為主控異常，切換到MCP中。
3.2 驅(qū)動(dòng)程序的通信機(jī)理
驅(qū)動(dòng)程序通過RSLINX SDK開發(fā)包中的API函數(shù)與RSLINX進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)與PLC的通信。
要使用API函數(shù)進(jìn)行通信，PLC中需要進(jìn)行文件映射，每個(gè)要通信的數(shù)組都映射成一個(gè)文件號(hào)。
驅(qū)動(dòng)與PLC中的哪個(gè)CPU通信是通過設(shè)定不同的通信路徑實(shí)現(xiàn)的。
驅(qū)動(dòng)通過由不同路徑的CPU通信，可判斷出本鏈路的通信狀態(tài)。
3.3 處理過程
3.3.1 四條路徑
驅(qū)動(dòng)要實(shí)時(shí)判斷四條路徑的通信狀態(tài)：
計(jì)算機(jī)－主控1的ENBT－主控1的機(jī)架－主控1的CPU；
計(jì)算機(jī)－主控2的ENBT－主控2的機(jī)架－主控2的CPU；
計(jì)算機(jī)－MCP的ENBT1－MCP的機(jī)架－MCP的CPU；
計(jì)算機(jī)－MCP的ENBT2－MCP的機(jī)架－MCP的CPU；
3.3.2 PLC中特殊文件號(hào)
在PLC中有幾個(gè)特殊的文件號(hào)，意義如下：
·文件號(hào)F999，由驅(qū)動(dòng)修改，當(dāng)驅(qū)動(dòng)查詢到主控全斷開，則發(fā)送1到本文件中；PLC程序檢測到本文件的值為1，則將控制權(quán)切換到MCP中。PLC的控制權(quán)是表示發(fā)送控制指令的權(quán)利。
·文件號(hào)F998，由PLC程序修改，表示當(dāng)前PLC中為主的主控所在的網(wǎng)段。1表示主控171為主，2表示主控172為主。
·文件號(hào)F996，由HMI觸發(fā)修改，HMI中在主控鏈路有一條通的情況下周期性修改其值，值應(yīng)從0－65535變化，變化周期2秒。
3.3.3 過程詳敘
驅(qū)動(dòng)輪巡請(qǐng)求所有數(shù)據(jù)，在請(qǐng)求的過程中，若有下發(fā)命令，則在請(qǐng)求完當(dāng)前的數(shù)據(jù)之后發(fā)送下發(fā)數(shù)據(jù)，發(fā)送完后接著請(qǐng)求數(shù)據(jù)（HMI寫F996的值就是通過下發(fā)命令實(shí)現(xiàn)的）。所有數(shù)據(jù)請(qǐng)求一遍后，查詢四條鏈路的狀態(tài)，即讀取F998的值，根據(jù)是否讀取成功判斷出網(wǎng)路的通信狀態(tài)，并判斷出當(dāng)前應(yīng)該為主的主控的鏈路，在這里如果查詢的結(jié)果與原先的結(jié)果不同，則連續(xù)讀取3次，如果結(jié)果都是新狀態(tài)，判斷為新狀態(tài)，否則維持原狀態(tài)不變。
如果原通信的主控鏈路現(xiàn)在判斷為斷開，則驅(qū)動(dòng)休眠30秒（驅(qū)動(dòng)不與PLC通信，使PLC能同步）。休眠結(jié)束后馬上進(jìn)行查詢鏈路狀態(tài)。如果原通信的主控鏈路斷開，則不能修改F996的值，PLC程序在連續(xù)20秒之后發(fā)現(xiàn)F996的值沒有變化，則進(jìn)行主控主從切換。比較讀取的MCP盤PLC中F998的值和判斷出的主控為主的鏈路，如果兩者不一致，且驅(qū)動(dòng)判斷的該網(wǎng)路為通，則按照F998的值進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切換（避免出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)能通過從機(jī)架讀取數(shù)據(jù)的情況）。
4 PLC程序處理
4.1 主控切換到MCP例程
圖2 主控切換到MCP例程
如圖2所示，H_P_Par_Ctl［11］即文件F999，當(dāng)驅(qū)動(dòng)查詢到主控全斷開，則發(fā)送1到本文件中；PLC程序檢測到本文件的值為1，則將控制權(quán)切換到MCP中。PLC的控制權(quán)MCP_KG2.MCP_Ctl是表示發(fā)送控制指令的權(quán)利。
4.2 PLC告知驅(qū)動(dòng)主從PLC的IP地址代號(hào)例程
圖3 PLC告知驅(qū)動(dòng)主從PLC的IP地址代號(hào)例程
如圖3所示，IP_Info即文件F998，表示當(dāng)前PLC中為主的主控所在的網(wǎng)段。1表示主控171為主，2表示主控172為主。PLC讀取主PLC的IP地址，把它按要求變成地址代碼送給本文件。
4.3 主控PLC主從切換例程
圖4 主控PLC主從切換例程
如圖4所示，H_P_Redundancy_Switch即文件F996，驅(qū)動(dòng)給PLC傳送一個(gè)0－65535周期變化的數(shù)，變化周期2秒，如果這個(gè)數(shù)一直處于變化狀態(tài)，表明驅(qū)動(dòng)讀取PLC數(shù)據(jù)正常，一旦這個(gè)數(shù)固定不變了，表明驅(qū)動(dòng)已經(jīng)不能從主PLC讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)PLC收到這個(gè)固定不變的數(shù)之后，判斷此時(shí)冗余仍然同步，執(zhí)行主從切換。
5 結(jié)論
通過驅(qū)動(dòng)與PLC程序之間的信息處理，成功地解決了在圖1所示的特殊配置下PLC同步和切換的問題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)BAS系統(tǒng)PLC三重冗余后備功能。
參 考 文 獻(xiàn)
［1］GB 50157-2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，2003.
［2］GB/15969.1.2.3-1995可編程序控制器［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.
［3］曲立東.城市軌道交通環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.電子工業(yè)出版社，2008.
［4］魏曉東.城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)與技術(shù)［M］.電子工業(yè)出版社，2004.
［5］ControlLogix.熱備冗余系統(tǒng)1756-UM523D-ZH.2004.
——轉(zhuǎn)自《自動(dòng)化博覽》
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)