基于工業(yè)以太網(wǎng)的地鐵典型機電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)

華 平 孟慶波 張志軍 崔 剛

基于工業(yè)以太網(wǎng)的地鐵典型機電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)

華 平 孟慶波 張志軍 崔 剛

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，450052，鄭州//第一作者，副教授）

基于Modbus TCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)通信，利用GE Proficy HMI/SCADA-iFIX平臺及GE VersaMax控制器，來開發(fā)和設(shè)計地鐵典型機電設(shè)備的小型監(jiān)控系統(tǒng)。進行了系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計和系統(tǒng)功能設(shè)計，并詳細闡述了系統(tǒng)監(jiān)控實現(xiàn)方法。著重介紹了環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)及站臺屏蔽門系統(tǒng)等。分別描述了該監(jiān)控系統(tǒng)的分層分布式集散控制系統(tǒng)框架設(shè)計、用戶安全策略、Modbus TCP/IP通信協(xié)議實施、子系統(tǒng)集成及聯(lián)動機制。

地鐵；工業(yè)以太網(wǎng)；機電設(shè)備監(jiān)控

AbstractBased on Modbus TCP/IPindustrial Ethernet communication，by using GE Proficy HMI/SCADA-iFIX platform and GE VersaMax PLC （programmable logic controller），the subway electromechanical equipment prototype monitoring and control system is developed，the architecture and system function of which are designed，the implementation of the monitoring and control function is illustrated.Then，the BAS（building automation system）and PSD （platform screen door system）are specially introduced.The framework design for large hierarchical distributed collecting and distributing control system,the security strategy，the Modbus TCP/IP communication protocol implementation，the subsystem integration and linkage mechanism are also described respectively.

Key wordssubway； industrial Ethernet； electromechanical equipment monitoring and control

Author′s addressZhengzhou Railway Vocational and Technical College，450052，Zhengzhou，China

作為地鐵自動化技術(shù)的重要組成部分，地鐵機電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的子系統(tǒng)及機電設(shè)備的種類繁多、分布分散、系統(tǒng)龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。實現(xiàn)地鐵機電設(shè)備的有效監(jiān)控和高效管理，已成為設(shè)計規(guī)劃單位和地鐵運營部門關(guān)注的重點課題。

地鐵機電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)集成的三大要素是開放系統(tǒng)、應(yīng)用需求和接口。工業(yè)PC（個人計算機）+HMI（人際界面）+PLC（可編輯邏輯控制器）構(gòu)成開放系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)。應(yīng)用需求則需按工程實際確定具體的結(jié)構(gòu)、選型和指標。而系統(tǒng)集成的接口主要分布在兩層的通信網(wǎng)絡(luò)上：上層通信網(wǎng)絡(luò)以工業(yè)以太網(wǎng)（Ethernet）為主，實現(xiàn)高的數(shù)據(jù)吞吐率；下層通信網(wǎng)絡(luò)以現(xiàn)場總線（Fieldbus）為主，控制分散的I/O（輸入/輸出）設(shè)備，包括傳感器及執(zhí)行機構(gòu)等［1］。

本文基于Modbus TCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)通信，利用GE Proficy HMI/SCADA-iFIX平臺及GE VersaMax控制器，來開發(fā)設(shè)計地鐵典型機電設(shè)備的小型監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡為“典型監(jiān)控系統(tǒng)”）。本文主要研究地鐵綜合監(jiān)控各子系統(tǒng)及機電設(shè)備的集散式控制，實現(xiàn)其互聯(lián)互通、多點測控、單體/系統(tǒng)控制、本地/遠程控制等集成目標。研究目的在于利用GE（美國通用電氣公司）產(chǎn)品及技術(shù)的高集成度和大開放性，探索多技術(shù)融合和大系統(tǒng)集成在軌道交通領(lǐng)域的工程應(yīng)用。

1 典型監(jiān)控系統(tǒng)的組成及功能

1.1 通信協(xié)議

GE Fanuc PLC工業(yè)以太網(wǎng)通信采用3類協(xié)議：EGD（Ethernet Global Data）、SRTP TCP/IP（Service Request Transport Protocol，GE 專有） 及 Modbus TCP/IP（非專有協(xié)議，與設(shè)備廠商無關(guān)）。本文研究的典型監(jiān)控系統(tǒng)集成采用Modbus TCP/IP。這是一種底層的基于TCP/IP應(yīng)用層的報文傳輸協(xié)議。通過此開放協(xié)議，控制器之間或控制器與其他設(shè)備之間可通過網(wǎng)絡(luò)以服務(wù)器或客戶端的形式實現(xiàn)通信（見圖 1）。

通過簡化OSI（開放系統(tǒng)互連）參考模型的7層結(jié)構(gòu)，可得到Modbus TCP/IP的以太網(wǎng)通信模型（見圖2）。簡化過程只使用到 OSI參考模型的5層結(jié)構(gòu)。只需在應(yīng)用層應(yīng)用Modbus TCP/IP，即能在所有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中都實現(xiàn)簡單便捷的通信。由于Modbus TCP/IP為公開協(xié)議，確定集成系統(tǒng)各IP后，要寫入COMM REQ程序，而CPU（中央處理器）中有Modbus和GE PLC的地址映射。

圖1 Modbus TCP/IP在設(shè)備之間的通信過程

圖2 Modbus TCP/IP的以太網(wǎng)通信模型

1.2 GE相關(guān)產(chǎn)品及技術(shù)

GE不僅為我國鐵路基礎(chǔ)設(shè)施提供了大功率、高原型的機車和信號設(shè)備，而且在上海軌道交通9號線1期FAS（火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)）設(shè)備聯(lián)動系統(tǒng)和2期BAS（環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)），上海軌道交通3號線PSCADA（電力監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集）系統(tǒng)、北京地鐵2號線車輛設(shè)備消隱改造工程計劃BAS、廣州地鐵2號線 EMCS（設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)）工程、南京地鐵1號和2號線的AFC（自動售檢票）系統(tǒng)，以及香港九廣鐵路東線、西線，印度新德里地鐵1號線、2號線、3號線的HMI等均有應(yīng)用。GE產(chǎn)品及技術(shù)的采用對于改善機電設(shè)備系統(tǒng)的自動化水平、提高地鐵安全性能起到了重要作用，并為與其他運行控制系統(tǒng)集成提供了可能。

GE Proficy HMI/SCADA-iFIX產(chǎn)品具有強大的SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控）引擎、豐富的通信連接能力和開放的系統(tǒng)架構(gòu)，其技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在快速的系統(tǒng)開發(fā)配置和應(yīng)用集成兩個方面［2］。VersaMax是GE推出的新一代中端可編程控制器，既可作為單獨的PLC控制機，又可作為I/O子站通過現(xiàn)場總線受控于其他主控設(shè)備，還可構(gòu)成由多臺PLC組成的分布式大型控制系統(tǒng)。

為實現(xiàn)典型監(jiān)控系統(tǒng)的集成和控制要求，GE產(chǎn)品及技術(shù)涉及GE VersaMax組件（包括IC200CPUE05、IC200PWR002、IC200MDL650、IC200-MDL750、IC200ALG264、IC200ALG326、IC200CHS-022、IC200ACC313 等）、GE Proficy Machine Edition、GE Proficy HMI/SCADA-iFIX 等。

1.3 系統(tǒng)架構(gòu)

本文利用GE Proficy HMI/SCADA-iFIX產(chǎn)品來開發(fā)和設(shè)計典型監(jiān)控系統(tǒng)的HMI，使用GE Versamax及分散I/O來實現(xiàn)系統(tǒng)的分布式監(jiān)控。典型監(jiān)控系統(tǒng)選擇2類5個地鐵子系統(tǒng)及其機電設(shè)備進行原型構(gòu)建。整體架構(gòu)如圖3所示。

1.4 系統(tǒng)功能

上位機HMI能夠?qū)崿F(xiàn)操作安全、穩(wěn)定友好的人機交互，建立實時數(shù)據(jù)庫，保存數(shù)據(jù)采集；查詢歷史數(shù)據(jù)；查詢報警一覽及歷史報警，進行實時監(jiān)控和實現(xiàn)日報表的生成、保存、打印等功能［3］。中央級監(jiān)控（上位機1）能與車站級監(jiān)控（上位機2）實現(xiàn)通信及聯(lián)動；車站級監(jiān)控（上位機2）可控制下屬的5個子系統(tǒng)（機電設(shè)備）；單體機電設(shè)備可以獨立操作，多臺機電設(shè)備通過GE VersaMax能夠?qū)崿F(xiàn)集成或互聯(lián)。限于篇幅，本文僅對典型監(jiān)控系統(tǒng)的BAS和事務(wù)管理系統(tǒng)的PSD系統(tǒng)進行闡述。

圖3 典型監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

BAS實行中心級、車站級兩級管理，采用中心級、車站級、就地級三級控制方式。中心級主要負責(zé)全線BAS的日常調(diào)度、控制模式、運行統(tǒng)計等工作；車站級主要負責(zé)本站機電設(shè)備的單點控制、執(zhí)行中心級模式控制、編輯臨時時間表控制、顯示各種工作狀態(tài)與報警等。

PSD系統(tǒng)的開關(guān)動作需滿足地鐵時間參數(shù)要求。PSD系統(tǒng)應(yīng)具有關(guān)門延時和防夾功能，并有能實現(xiàn)站臺屏蔽門與車門間開門先后次序的模式。PSD系統(tǒng)能通過上位機通信接口，實現(xiàn)PSD系統(tǒng)的設(shè)備組網(wǎng)和互聯(lián)互通，能進行設(shè)備離線和在線編程。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 用戶安全策略

典型監(jiān)控系統(tǒng)上位機的HMI均采用用戶安全策略。只有相應(yīng)權(quán)限的工作人員才能登錄指定的子系統(tǒng)。用戶成功登入后系統(tǒng)會顯示相關(guān)專業(yè)信息，以便使用者進行相關(guān)操作。如用戶進行關(guān)鍵操作還需進行授權(quán)，并給出相關(guān)提示。用戶安全策略（分配）表如表1所示。實現(xiàn)界面登錄的功能可由GE Proficy HMI/SCADA-iFIX的VBA腳本來實現(xiàn)［3-4］。

2.2 系統(tǒng)IP地址分配

各集成子系統(tǒng)IP地址分配見表2。

2.3 BAS

BAS包含通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、冷熱源系統(tǒng)、照明和導(dǎo)向系統(tǒng)及自動扶梯等。

2.3.1 通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)

圖4、圖5為通風(fēng)與空調(diào)大系統(tǒng)和小系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖?？赏ㄟ^比較送風(fēng)溫度和室溫來確定風(fēng)機SINAMICSV20型變頻器的輸出量和風(fēng)閥開度。傳感器監(jiān)測二氧化碳的變化聯(lián)動排風(fēng)機，監(jiān)測消防信號并聯(lián)動排煙機。表3為通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)信號或狀態(tài)的I/O地址分配。

表1 用戶安全策略（分配）表

表2 系統(tǒng)IP地址分配表

圖4 大系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

圖5 小系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

表3 通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)I/O信號表

2.3.2 給排水系統(tǒng)

給排水系統(tǒng)包含VersaMax控制器、電源與按鈕組、上水箱、下水箱、水管、檢測系統(tǒng)及執(zhí)行器等。

給排水系統(tǒng)的工作模式包括給水模式和排水模式。給排水系統(tǒng)根據(jù)VersaMax控制器的指令，執(zhí)行如調(diào)整加熱管的功率、調(diào)節(jié)電動球閥的開度、開關(guān)電磁閥及調(diào)節(jié)三相磁力泵頻率等任務(wù)。表4為給排水系統(tǒng)I/O信號表。

表4 給排水系統(tǒng)I/O信號表

2.3.3 冷熱源系統(tǒng)

冷熱源系統(tǒng)由冷水機組、冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)、水流開關(guān)、壓差傳感器、壓差旁通閥等組成。冷熱源系統(tǒng)的輸入輸出描述及類型見表5。

2.3.4 照明及導(dǎo)向系統(tǒng)

照明及導(dǎo)向系統(tǒng)具有控制、檢測、手動或自動狀態(tài)檢測及時間累積等功能，可自動控制照明回路的啟停，監(jiān)測照明回路運行狀態(tài)，監(jiān)測照明回路的手動或自動狀態(tài)，累積照明運行時間等。

2.3.5 自動扶梯

自動扶梯有2臺，可分別實現(xiàn)上、下行運轉(zhuǎn)。自動扶梯的額定運行速度為0.65 m/s，非客流高峰時段以0.5 m/s速度運行。自動扶梯的上下行方向可調(diào)，速度轉(zhuǎn)換時的加速度不大于0.1 m/s2，總加速時間不超過6 s，且轉(zhuǎn)換過程平穩(wěn)。當(dāng)無乘客狀態(tài)持續(xù)10 s后，自動扶梯即自動由正常速度轉(zhuǎn)入節(jié)能速度（0.10～0.15 m/s）。扶梯采用光電開關(guān)來判斷有無乘客，其動作靈敏，作用范圍在1.5 m左右，且該范圍可調(diào)整。

自動扶梯可實現(xiàn)自動模式和檢修模式。檢修模式下，可手動啟動或停止任一臺自動扶梯，并實現(xiàn)其上行或下行運轉(zhuǎn)。運行之前，需先設(shè)定運行頻率，一般為工作頻率的15%～40%。自動扶梯使用1組Versamax控制器，其集成系統(tǒng)IP為192.168.1.25。自動扶梯通過上位機的通信，能實現(xiàn)與BAS的互聯(lián)，并實現(xiàn)運行監(jiān)視和狀態(tài)信息上傳。自動扶梯變頻器采用SINAMICS V20型變頻器，其參數(shù)設(shè)置見表6。

表5 冷熱源系統(tǒng)各部輸入輸出類型

表6 變頻器參數(shù)設(shè)置表

2.4 PSD系統(tǒng)

PSD系統(tǒng)的控制方式可劃分為系統(tǒng)級控制、車站級控制、站臺級控制和就地級控制。其中，系統(tǒng)級控制為正常運行模式，車站級控制為緊急運行模式，站臺級控制和就地級控制為非正常運行模式［5］。典型監(jiān)控系統(tǒng)的PSD系統(tǒng)只考慮正常運行模式，并可實現(xiàn)單機和聯(lián)網(wǎng)兩種控制模式。單機模式下，PSD系統(tǒng)可單獨控制單個門的動作，用來檢驗系統(tǒng)的電氣接線，以供調(diào)試使用。聯(lián)網(wǎng)模式下，PSD系統(tǒng)則要和列車自動控制（ATC）系統(tǒng)配合，以實現(xiàn)PSD系統(tǒng)和列車進出站及開關(guān)車廂門的動作協(xié)調(diào)。

PSD系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖6所示。PSD系統(tǒng)包含2套門單元，每套門單元安裝1套門機。通過直流電機帶動滑動門，來實現(xiàn)開啟及關(guān)閉動作。直流電機采用DC 24 V永磁直流減速電機，其減速比為1/180，轉(zhuǎn)速為7 r/min。PSD系統(tǒng)的開關(guān)動作應(yīng)滿足以下時間參數(shù)：①滑動門開啟時間在2.5～3.5 s范圍內(nèi)可調(diào)，可調(diào)間隔為 0.1 s，開門過程控制精度為 ±0.1 s。② 滑動門關(guān)閉時間在3.0～4.0 s范圍內(nèi)可調(diào)，可調(diào)間隔為0.1 s，關(guān)門過程控制精度為±0.1 s。為了保證乘客乘車安全，PSD系統(tǒng)在接到關(guān)門命令后，會延時0～5 s，以便于調(diào)整站臺屏蔽門與車門的先后開門次序。站臺屏蔽門發(fā)現(xiàn)障礙物后，會觸發(fā)防夾功能。

PSD系統(tǒng)使用1組Versamax控制器，其集成系統(tǒng)IP為192.168.1.15。PSD系統(tǒng)通過上位機的通信接口，能實現(xiàn)PSD系統(tǒng)的設(shè)備組網(wǎng)和互聯(lián)互通。

圖6 PSD系統(tǒng)基本構(gòu)成

3 結(jié)語

本文基于Modbus TCP/IP協(xié)議，利用GE Proficy HMI/SCADA-iFIX產(chǎn)品平臺，開發(fā)和設(shè)計了地鐵典型機電設(shè)備的小型監(jiān)控系統(tǒng)；利用GE VersaMax控制器的高集成度和大開放性，實現(xiàn)了地鐵多種機電設(shè)備的互聯(lián)互通和多點測控。本文對典型監(jiān)控系統(tǒng)（包含 BAS、FAS、ACS、PSD、CCTV 等子系統(tǒng)）進行了架構(gòu)設(shè)計和功能設(shè)計，詳細闡述了系統(tǒng)監(jiān)控實現(xiàn)方法。著重闡述了用戶安全策略、Modbus TCP/IP通信協(xié)議、系統(tǒng)IP地址分配、子系統(tǒng)集成等。

Modbus TCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用，給典型監(jiān)控系統(tǒng)集成帶來很多便利。其能提供完整的系統(tǒng)解決方案，免費獲得協(xié)議及樣板程序，易于與各種系統(tǒng)互連，易于集成不同的設(shè)備，具備高速的網(wǎng)絡(luò)傳輸能力等。本文的典型監(jiān)控系統(tǒng)實施成本低廉，網(wǎng)絡(luò)傳輸速度高，具備良好的開放性，易于集成和系統(tǒng)互聯(lián)，便于系統(tǒng)擴展和后期補充，并能實現(xiàn)遠程控制。該系統(tǒng)已經(jīng)過試驗驗證和實際應(yīng)用，其各項技術(shù)指標均滿足地鐵現(xiàn)場要求。

該系統(tǒng)是Modbus TCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)通信在地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域的一種探索和嘗試，而產(chǎn)品化的解決方案還需要完成超大規(guī)模試驗系統(tǒng)的壓力測試，才能完全滿足地鐵SCADA系統(tǒng)的高可靠性要求［6-8］。

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Subway Electromechanical Equipment Prototype Monitoring and Control System Based on Industrial Ethernet

HUA Ping，MENGQingbo，ZHANGZhijun，CUIGang

U29-39

10.16037/j.1007-869x.2017.09.027

2016-03-28）