探究PLC冗余技術(shù)在跨座式單軌交通道岔設(shè)備中的應(yīng)用

吳瑤

摘 要：跨座式單軌交通在城市軌道交通中的應(yīng)用因其具有的諸多優(yōu)勢，得到飛速發(fā)展。作為單軌列車折返、換線的重要連接設(shè)備，單軌道岔的關(guān)鍵作用及其技術(shù)發(fā)展更成為研究的方向。PLC及其冗余技術(shù)具有的顯著特點和優(yōu)勢，使其技術(shù)在未來可以飛速發(fā)展，采用PLC冗余技術(shù)可以讓道岔在運行中按照系統(tǒng)任務(wù)進行工作的調(diào)整，確保設(shè)備受故障影響小。PLC冗余技術(shù)在跨座式單軌交通道岔設(shè)備中的應(yīng)用可以起到全面監(jiān)督控制的作用，并且便于操作，同時具有更高的穩(wěn)定性和安全性。

關(guān)鍵詞：PLC冗余技術(shù);跨座式單軌交通道岔設(shè)備;應(yīng)用

1 PLC冗余技術(shù)介紹

1.1 PLC冗余技術(shù)的概念

PLC冗余系統(tǒng)的工作主要是通過對影響安全及生產(chǎn)的效率的重要設(shè)備或關(guān)鍵位置應(yīng)用雙系統(tǒng)的主從配置進行控制，如果在工作過程中，主系統(tǒng)不能正常工作時，從系統(tǒng)就可以迅速取代主系統(tǒng)承擔(dān)監(jiān)視控制的作用，從而使設(shè)備在運行過程中，不會因為主系統(tǒng)工作障礙而受到影響，提高了PLC控制系統(tǒng)的安全性。冗余技術(shù)主要可以分為硬冗余和軟冗余兩種形式。

1.2 PLC冗余技術(shù)的兩種形式

硬冗余指的是在PLC系統(tǒng)中人為的添加某些相應(yīng)功能的硬件，從而保證在生產(chǎn)過程中，如果發(fā)生某部位故障，則會通過PLC系統(tǒng)的連鎖實現(xiàn)相應(yīng)功能的硬件投入工作，達到系統(tǒng)繼續(xù)工作的效果。硬冗余相對來說有較強的執(zhí)行速度，也就是說如果系統(tǒng)中某一部位發(fā)生故障，PLC冗余系統(tǒng)就會迅速作出反應(yīng)。但是也有一定的缺點，硬冗余系統(tǒng)的設(shè)置需要投入的硬件連接相對較為復(fù)雜，增加了成本的同時也增加了系統(tǒng)的故障點。

軟冗余指的是利用軟件系統(tǒng)實現(xiàn)的程序中冗余邏輯的建立，這種建立可以確保在系統(tǒng)出現(xiàn)問題時及時進行數(shù)據(jù)切換，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的繼續(xù)工作。軟冗余的優(yōu)點就是變成系統(tǒng)相對簡單并且成本較低，可以通過邏輯解決大部分的問題。但是在實際應(yīng)用過程中因為缺乏關(guān)鍵部位，系統(tǒng)也會受到一定程度的影響。

PLC冗余技術(shù)的應(yīng)用主要是想要在系統(tǒng)發(fā)生故障時可以及時進行有效的處理，從而保證系統(tǒng)的正常運行，實現(xiàn)系統(tǒng)不會因為故障而影響生產(chǎn)。在冗余技術(shù)的應(yīng)用過程中，硬冗余和軟冗余都有其自身的優(yōu)點，因此在具體的應(yīng)用過程中，還需要在兩者中間找到一個平衡。

2 PLC在道岔設(shè)備中的應(yīng)用情況

目前，日本跨座式單軌道岔在電路中采用了日立H-200型PLC，國產(chǎn)跨座式單軌單開道岔采用了S7-200型PLC，國產(chǎn)跨座式單軌三五開道岔采用了S7-314型PLC，但都只用于道岔設(shè)備的監(jiān)視報警。PLC均未參與道岔轉(zhuǎn)轍控制，控制電路仍以安全型繼電器完成道岔運行命令。

在PLC系統(tǒng)施行監(jiān)控管理的過程中，可以有監(jiān)視模式和計測模式兩種。監(jiān)視模式是將道岔轉(zhuǎn)轍動作劃分為多個階段，然后監(jiān)視各階段的動作時間是否在預(yù)先設(shè)定的時間內(nèi)，比較后判斷有無異常。計測模式對動作時間是否超過規(guī)定時間不作判斷。記錄的項目與監(jiān)視模式相同。以國產(chǎn)船舶道岔為例，其控制系統(tǒng)采用西門子S7-314系列PLC，MP277-8''人機界面，5個DI模塊（6ES7-321-1BH02-0AA0）及1個DO模塊（6ES7-322-1BH01-0AA0）。對道岔系統(tǒng)主控信號狀態(tài)、撓曲電機及故障信號監(jiān)視、各類位置開關(guān)狀態(tài)的監(jiān)視，同時在人機界面輸出對各類信號、狀態(tài)的監(jiān)視信息及詳細的故障報警信息。完成對道岔系統(tǒng)整個運行過程的監(jiān)控。該PLC僅用于對道岔設(shè)備各部件及動作的監(jiān)視報警，未參與道岔轉(zhuǎn)轍控制，控制電路仍以安全型繼電器完成道岔運行命令。

安全型繼電器因其可靠的動作原理，較強的環(huán)境適應(yīng)性，在控制回路中作為邏輯判斷執(zhí)行的器件，組成繼電器控制回路接收、判斷、執(zhí)行及信號反饋。但繼電器控制電路仍存在諸多缺點，如體積大、功耗高、動作速度緩慢等。同時，多開道岔轉(zhuǎn)轍位置較多，動作及控制邏輯回路較為復(fù)雜，導(dǎo)致更加大量的使用繼電器及觸點，造成設(shè)備故障點增多，不易檢修。

3 PLC冗余技術(shù)在單軌道岔設(shè)備的應(yīng)用探討

軟冗余控制系統(tǒng)在上海低速磁浮道岔電控中進行了試用，各項控制指標(biāo)滿足現(xiàn)場的使用要求，從2007年至今運行狀況良好;硬件冗余系統(tǒng)應(yīng)用在上海高速磁浮系統(tǒng)中，從2002年通車運行至今，道岔現(xiàn)場和運控中心通過大量數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)了道岔運行機構(gòu)狀態(tài)的實時監(jiān)控。PLC冗余技術(shù)目前在跨座式單軌道岔系統(tǒng)設(shè)備中暫未應(yīng)用，跨座式單軌道岔設(shè)備在電路設(shè)計中使用PLC冗余技術(shù)不僅可以用于設(shè)備相應(yīng)的監(jiān)控報警裝置，同時也可以參與到道岔設(shè)備的轉(zhuǎn)轍控制中去，PLC冗余技術(shù)可以讓系統(tǒng)更加完善，使設(shè)備在運行過程中，發(fā)生故障時受到的影響也更小。目前考慮轉(zhuǎn)轍控制電路、監(jiān)視報警采用PLC冗余技術(shù)方案如下：

3.1 軟冗余方案

以西門子PLC為例，S7-300系列可以實現(xiàn)軟冗余，而S7-400可以實現(xiàn)軟冗余或者硬冗余。

軟冗余系統(tǒng)的硬件配置采用兩套西門子S7-300 PLC（A、B）、I/O模塊，2個ET200M模塊，DP口連接ET200M模塊，構(gòu)成主、備兩個系統(tǒng)分別與從站的兩條PROFIBUS-DP通訊鏈路（PROFIBUS1、PROFIBUS2），組態(tài)成兩個Profibus網(wǎng)絡(luò)。這里主系統(tǒng)與備用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步通訊鏈路考慮采用PROFIBUS總線，（數(shù)據(jù)同步所需要的時間取決于同步數(shù)據(jù)量的大小和同步所采用的網(wǎng)絡(luò)方式，MPI方式周期最長，PROFIBUS方式適中， Ethernet網(wǎng)方式最快）。

軟件系統(tǒng)包括1套STEP7編程軟件（V5.x）及軟冗余軟件包（V1.x）。S7-300軟冗余系統(tǒng)的用戶程序包括非冗余程序段、用戶程序段、系統(tǒng)診斷功能塊、站間冗余數(shù)據(jù)備份等組成，一般將非冗余程序段寫入OB1中，而冗余程序段寫入OB35中。

軟冗余系統(tǒng)進行工作時，A、B兩個控制系統(tǒng)（PLC、通訊、I/O）獨立運行，由主系統(tǒng)的PLC掌握對ET200從站的I/O控制權(quán)，A、B系統(tǒng)中的PLC程序由非冗余用戶程序段和冗余用戶程序段組成，CPU在執(zhí)行冗余程序之前會讀取系統(tǒng)的冗余狀況，首先啟動系統(tǒng)冗余數(shù)據(jù)同步功能，調(diào)用FB101功能塊，根據(jù)狀態(tài)字判斷是否為主控制器，是否需要執(zhí)行冗余程序段，若為主控制器執(zhí)行冗余程序段，否則停止系統(tǒng)冗余程序段。

3.2 硬冗余方案

仍以西門子S7-400H系統(tǒng)為例，S7-400H系統(tǒng)的重要部件都是冗余配置，包括冗余的CPU、供電模件和用于冗余CPU通訊的同步模塊。根據(jù)控制過程需要，還可以配置冗余客戶服務(wù)器、冗余通訊介質(zhì)、冗余接口模件IM153-2等。確保了系統(tǒng)的安全可靠性。

硬冗余只需對一臺PLC進行編程，程序可自動拷貝至另外一PLC，當(dāng)一套系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，自動切換到備用系統(tǒng)，同時具有自動事件同步，集成的錯誤識別和錯誤定位功能，操作期間可對系統(tǒng)進行修改等特性。CPU之間同步的途徑不一樣，這個是軟、硬冗余的根本區(qū)別，軟冗余兩個CPU通過MPI口或者PROFIBUS-DP模塊或者以太網(wǎng)模塊進行數(shù)據(jù)同步，在程序中需要需要加軟冗余包程序支持。需要在程序中設(shè)定一些冗余參數(shù)。而硬冗余通過加同步模塊和同步光纖實現(xiàn)同步功能，不需要軟件包支持。軟冗余主從切換時間比較長，一般為秒級，硬冗余主從切換時間比較短，一般100毫秒以下。但硬冗余系統(tǒng)更為臃腫、成本更高。

4 結(jié)束語

隨著計算機技術(shù)和電控技術(shù)的發(fā)展，安全型繼電器控制方式將逐漸被淘汰，PLC冗余技術(shù)在跨座式單軌交通道岔設(shè)備中的應(yīng)用具有操作更加簡潔方便，反應(yīng)更加迅速，同時對于系統(tǒng)保護性更強等特點。在當(dāng)前使用的跨座式單軌道岔設(shè)備中，并沒有完全發(fā)揮出PLC系統(tǒng)的優(yōu)勢。從長遠角度來看，PLC冗余技術(shù)的應(yīng)用可以更好地保證跨座式單軌道岔設(shè)備在運行過程中的安全，在未來有廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻：

[1]陳源，倪尉，楊銳.跨坐式單軌道岔電氣故障診斷系統(tǒng)方案設(shè)計[J].城市軌道交通研究，2019，22（10）：111-113.

[2]胡愛鋒，楊玉群.重慶單軌交通道岔電控系統(tǒng)的設(shè)計研究[J].鐵道工程學(xué)報，2009，26（11）：73-75+80.