施耐德电气自动化iMCC解决方案在上海地铁的应用

　　轨道交通低压开关柜、环控电控柜系统, 由环控电控室及中间风井配电房内的400V环控Ⅰ、 Ⅱ级负荷进线双电源切换柜及馈出柜、Ⅲ级负荷单电源进线柜及馈出柜、软起动柜、继电器柜(J屏)等组成.施耐德电气自动化iMCC解决方案在上海地铁M7环控电控 iMCC和上海地铁 M10 环控电控iMCC中成功应用,本文主要将施耐德电气自动化iMCC解决方案在上海地铁的应用作一总结。

　　网络结构

　　综合单元任务是将环控室内职能装置通过现场总线或工业以太网连接在一起。综合单元将相关的信号上传至上一级系统(EMCS),并将上一级系统(EMCS)的控制命令转发给环控室内的智能装置，以完成整个环控室的控制和集成，它主要的硬件设备平台-环控柜综合管理系统监控主机(PLC-B)和软件应用平台组成。

　　监控主机是各职能设备与车站综合监控(EMCS)之间的通讯枢纽，是实现综合自动化必不可少的设备，它具有多串口，支持多网络、多规约的要求，具有很好的可扩充性和可维护性。与各个串口上所连接的智能设备及各开关量进行通讯，同时与上一级综合监控系统进行数据交换，实现遥测、遥信和遥控功能。

　　继电器(J)屏风门、风阀类设备控制中使用可编程控制器模块PLC-A, 主要负责对事故风机组合风阀等集中控制，提供柜与综合监控等系统接口端子。PLC-A作为PLC-B同系列的远程IO模块，通过冗余的双总线方式与PLC-B连接。即采用远程I/O通讯方式，现场执行机构、仪器仪表、配电系统等，通过远程I/ O模块，实现远程控制。

　　解决方案描述

　　监控主机(PLC-B)

　　综合管理系统单元采用冗余配置,双机热备系统与Unity Pro 软件相兼容，并通过Quantum CPU提供关键过程应用所需要的高度可用性。

　　冗余CPU采用 140CPU67160，它采用Pentium II型芯片，主频266MHz。 Modbus、Modbus Plus、TCP/IP、USB等多种通讯端口和内存卡插槽，内存卡最多可扩展至16M。集成液晶显示屏幕，用于显示系统的运行、故障、通讯等状态信息。支持钥匙开关和多种口令保护，保证系统可靠、稳定运行;

　　监控主机选用了双机热备系统,即两个CPU位于两个机架上, 实现CPU、电源、通讯模块、扩展电缆全部冗余，它们共享一套I/O。基于 100 Mbps 高速光纤链路，用光纤连接两个热备控制器工作时一台CPU为主机，另一台为热备机，主备CPU直接通过光纤连接,如主机发生故障或自检失败时可和热备机进行无扰切。该切换为硬件切换，非软件切换，不需编写额外的切换用户程序。

　　系统结构的中心部分是两个Quantum PLC 机架，即通常意义下的“主机” 和“备机”。它们的硬件配置相同( 每个本地机架上安装的模块必须一致)。每个机架配置的核心部件是140 CPU 67160 处理器，专门设计用于Unity Pro 软件下的双机热备架构。该处理器是一个双槽模块，同时包含中央处理单元和一个冗余协处理器。

　　“主” PLC 执行应用程序并且控制输入输出(I/O)。“备” PLC驻留在后台，必要的时候取代“主”PLC。“备机”和“主机”之间通过一个集成在 CPU 当中的高速光纤链路(100Mbps)相连接,以确保主备CPU之间数据备份的实时性。

　　此光纤链路(62.5/125 多模光纤) 可以扩展2公里远，中间无需任何附件设备。“备用” PLC 当中的用户应用程序数据正是通过此光纤链路被周期性地更新。

　　在“主” PLC 意外发生故障时，备用系统自动切换，由“备用” PLC使用最新的数据内容执行应用程序并更新I/O。一旦系统发生切换，“备用”PLC 就将变为 “主” PLC。在发生故障的PLC 修复并重新连接到系统当中时，它将承担“备用” PLC 的角色。

　　使用Unity Pro软件的双机热备系统能够实现主备机之间平稳、无缝的切换。切换对于过程而言是透明的，系统对过程的监控不会中断，并且不会因为发生硬件故障而受到不利影响。使用Unity Pro 的双机热备系统因此能够减少停机时间，从而提高生产效率。

　　自动化数据从运行 CPU 转送到热备CPU每次扫描周期的开始进行数据交换。强迫置位数据传送和 CPU 的逻辑执行同步。传送的时间大大减少 (协处理器到 协处理器)，无需任何特殊配置。一个扫描周期能够完成所有数据全部交换，无需用户配置。控制系统采用双机热备系统，热备套件固化热备切换程序，实现无扰切换。用户无需编写切换程序，热备系统为硬件切换型。同时通过监控软件和PLC系统的硬件按钮进行手动切换。不管何种方式都能保证系统的无扰动切换。在冗余主备CPU不会因为一般故障发生切换，在条件下主备CPU会发生切换：主CPU故障、主CPU电源故障或关断、主CPU背板故障、RIO远程通讯模块出现故障。在其它单点故障(如主CPU测以太网模块有故障)主备机不会切换，同时不会影响冗余PLC实现上一级系统EMCS的全部功能。

　　综合管理系统单元采用冗余的开放的双总线与PLC-A连接。即采用远程I/O 通讯方式，通讯速率≥1.544Mbps，双缆冗余结构。现场执行机构、仪器仪表、配电系统等，通过远程I/O模块，实现远程控制。RIO连接支持最大远程 I/O站的总数为31个。

　　冗余PLC的主CPU、备用CPU分别安装在两个继电器柜内，两个冗余CPU之间的数据同步电缆采用光纤连接。“备机”和“主机”之间通过一个集成在 CPU 当中的高速光纤链路(100Mbps)相连接，即同步光纤电缆,以确保主备 CPU之间数据备份的实时性。

　　PLC-B外部通讯接口

　　综合单元包括和诸多设备的通讯连接。综合单元通过网关设备BM85来扩展 RS485接口，每个综合单元带有2个BM85设备提供共8个带隔离的RS485串口，同时每个CPU上自带1个RS485通讯口，每个RS485通讯口一般连接15 个设备子站，可扩展到32个子站，总子站数不少于60个，BM85网关支持 Modbus及其他RS485的自定义规约。每个通讯口具有现场编程调试、报警管理和数据记录能力。在需要的条件下，可扩展采用图形操作界面。

　　其中4个通讯接口用于连接电动机保护、智能仪表的数据采集和转发。其中3个通讯接口作为变频器柜通讯接口，其中2个通讯接口作为备用综合单元与EMCS系统进行数据交换。由于数据量大，采用以太网,通讯协议用 ModbusTCPIP，不采用RS485方式。

　　现场监控装置、智能仪表、风阀控制PLC等与综合单元之间通过RS485方式通讯连接，通讯连接为总线式，呈链状，这样确保单点断开时所有设备仍能和综合单元通讯。

　　如果综合单元和上一级系统EMCS通讯中断，综合单元在无设定的情况下能正常工作。综合单元和上一级系统EMCS通过双绞线或光缆连接通讯，在 100M之内通过双绞线连接，距离超过100M通过光缆连接。

　　BM85网关设备和触摸屏通过MODBUS PLUS和PLC-B连接。网关和监控主机的通讯采用冗余Modbus Plus总线，双通道的Modbus Plus通讯介质，保证了通讯的安全可靠。

　　PLC-A和触摸屏

　　继电器(J)屏风门、风阀类设备控制中使用可编程控制器模块PLC-A.

　　PLC-A作为PLC-B同系列的Quantum系列远程IO模块，通过冗余的双总线方式与PLC-B连接。PLC-A和PLC-B是同系列产品，特性相同。PLC-A 远程I/ O与PLC-B之间冗余双总线速率为1.544Mbit/s，距离可长达4572Km，支持多达31个远程分站，共32个站点。

　　冗余电缆连接，当一条电缆断开时不会使通讯中断。如果一条电缆出现断裂，系统将会设置一个健康状态位，只是出故障节点和故障电缆。为了达到预防性维护的目的，系统还为到所有节点的所有通讯事务提供了重试计数器。某个节点的重试计数高，可能只是那里存在连接故障，从而可以在出现不希望的停机之前对其进行调度和纠正。

　　每个PLC配备一个5.7" 彩色液晶屏, 320×240以上显示精度的触摸屏。触摸屏具备以下功能：显示风阀开机、停机、故障状态;显示手动/电动等位置信号;报警显示;整定必要的参数。同时增设权限密码，以达到防止误操作和维持管理的目的。5.7"彩色XBTGT触摸屏使用Vijeo Designer软件进行组态配置，Vijeo Designer软件符合人体工程学原理设计，它围绕多个参数化窗口进行设计，可以帮助用户快速方便的进行项目开发。XBTGT触摸屏都采用了新型的信息通信技术：高层次通信(集成以太网，多线路通信);外部数据支持(CF卡)功能，用来存储生产信息和应用程序;多媒体数据功能，可以统一管理视频、图像和声音(数字视频和模拟相机);外围设备管理：连接打印机、扬声器和条形码扫描仪。

　　PLC完成的具体控制逻辑

　　当按下启动按钮(现场手操箱及环控室电控柜上)后，PLC启动相应风阀，同时闭锁关闭接点。当风阀全开到位后，PLC相应输出风阀开启到位信号接点(需输出阀位中继的风门，PLC同时输出此信号)，同时断开风阀关闭到位信号接点与开启接点。

　　当按下关闭按钮(现场手操箱及环控室电控柜上)后，PLC关闭相应风阀，同时闭锁开启接点。当风阀全关到位后，PLC相应输出风阀关闭到位信号接点(需输出阀位中继的风门，PLC同时断开此信号)，同时断开风阀开启到位信号接点与关闭接点。

　　当按下停止按钮(现场手操箱及环控室电控柜上)后，PLC同时断开各输出接点(除过载报警信号输出接点)，以停止风阀。当风阀发生过载现象， PLC相应输出过载报警信号接点。