混合结构环网PLC控制系统在综合管廊监控中的应用

时间：2024-07-28

张家鹏

(上海工业自动化仪表研究院有限公司，上海 200233)

0 引言

近年来，我国城市发展迅速，地下综合管廊建设逐渐成为人们关注的焦点。早在19世纪，法国、日本等一些发达国家为更合理地利用城市地下空间、避免城市建设给民众带来的不便，建设了地下综合管廊。本文以上海浦东新区张杨路共同沟监控系统升级项目为背景，详细介绍了混合结构环网可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)控制系统在综合管廊中的应用。

张杨路地处浦东新区陆家嘴金融、商业、贸易中心。共同沟分别位于道路两侧人行道下，与路面线布置一致，属双线地下综合管廊(以下简称管廊)。其西起浦东南路，东至金桥路，总长约11.125 km，是现代化建设与市政规划超前性的重要标志之一。

1 系统构成

管廊主体分为南沟和北沟两部分，分别位于主路两侧。一套完备的监控系统，包括排水、通风、照明、火灾报警、电力监控、温湿度检测、氧气检测等设备，由PLC控制系统完成对主要设备的控制。管廊地上部分设有两个控制室，主控中心位于南沟侧，分控中心位于北沟侧。两台PLC分布于管廊主控中心与分控中心，通过网线以星型结构接入核心交换机，与各个操作站和远程IO(remote IO,RIO)控制站进行通信。管廊内部离散分布有28个RIO控制站。其7个为一组，共分为4组。每组通过光纤接入核心交换机构成环网。混合结构环网PLC控制系统[1]如图1所示。

图1 混合结构环网PLC控制系统

把环网结构的网络作为星型结构的一个节点串在一根传输介质上。中心节点负担着各个节点之间的通信转发和协调任务，其他节点只与中心节点相连，互相之间没有连接[2]。由于任意节点发生故障，都不会影响整个网络，故比较容易实现与不同网络的通信，且有一定的可靠性。但是，中心节点若出现故障，将会造成全网的瘫痪，并且整个网络非常复杂，不易于维护。传统混合结构网络，如图2所示。

结合以往项目经验，本次工程采用的环网结构是在传统混合结构网络的基础上进行优化设计的。为保证整个系统数据传输的可靠性，主控中心和分控中心各设置一台核心交换机和一个PLC。两台核心交换机通过光纤连接通信，形成一个冗余型中心节点[3]；两台PLC利用冗余光纤构成硬冗余结构，采用异地冗余方式同步。每台PLC控制器均由网线接入各自所在控制中心的核心交换机。管廊内每个RIO控制站配有一台工业级交换机，同组首交换机与主控中心核心交换机相连，尾端交换机与分控中心核心交换机相连，同组其余RIO控制站利用交换机首尾相接形成串联环网结构[4]。串联环网结构如图3所示。

图2 传统混合结构网络图

图3 串联环网结构图

这种网络结构在数据传输可靠性上优于传统混合结构网络。由于冗余中心节点的存在，即使中心节点的一台核心交换机在运行过程中出现故障，另一台核心交换机仍然可以承担整个网络通信的转发和协调任务，不会造成全网的瘫痪。同样，如果一台 PLC出现故障，另一台PLC则会在极短的时间内投入使用，不会对系统逻辑运算和指令收发造成影响。

2 网络配置及设备选型

根据初步设计方案，为保证冗余中心节点数据通信的实时性和可靠性，本次工程主控中心和分控中心的核心交换机采用2台支持PROFINET协议的菲尼克斯FL SWITCH GHS 12G/8-L3千兆级模块化交换机。该设备属于高性能的管理型交换机，集成有12个千兆级端口的交换机，可以通过接口模块扩展至16个百兆端口，路由功能至多可达28个不同的子网。其灵活的模块化设计满足管廊现场的端口要求。考虑到管廊内部各RIO控制站机柜空间有限，所以选用28台FL SWITCH SMCS机架式网管型环网交换机。其不但性能强大、结构紧凑，而且集成的2个千兆级光纤端口和6个百兆级电端口均为等位端口，无主次之分，可以根据现场网络结构灵活选择接入方式。同时，应用交换机管理软件对FL SWITCH SMCS机架式网管型环网交换机的通信接口进行编号，光纤接口编为1.1和1.2，电端口编为2.1～2.6。将该交换机的1.1千兆级光纤端口设置为环网接口，用于与管廊内各环网交换机连接；1.2千兆级光纤端口设为备用端口。将2.1百兆级电端口设置为PLC通信端口，通过RJ45双绞屏蔽网线进行连接；将2.2设置为备用端口，作为应急使用；将2.3百兆级电端口设置为检修端口，并为其创建移动检修工作站MAC地址白名单，只允许拥有检修授权的外接设备进行通信；将其余端口设置为休眠状态，暂不参与通信。这样可对环网交换机的每一个端口进行网格式配置管理(同时锁定每个接入端口的上/下游设备IP地址，降低网络风暴的风险)，确保个环网内数据传输的稳定性[5-6]。

目前，国际上支持冗余的PLC产品基本都是本地冗余结构(背板同步通信或者通过冗余模块同步通信)。这种冗余方式的一对PLC受空间限制，必须放置在同一机柜的相邻位置[7]。而管廊项目的主控中心与分控中心距离较远，所以本次项目选择PLC的一个必备条件就是支持异地冗余功能[8]。因此，本项目选用2台菲尼克斯460R PLC。安装在主控中心的控制器为主机，分控中心的控制器为备机，两控制器互为热备，通过热备光缆进行实时数据备份。管廊内每个RIO控制站机柜内均选用一套性能可靠的ILC系列I/O控制器。该控制器集成有电源模块和2个10/100 M工业以太网口，其控制容量可达4 096点。

同时，主机自带参数化操作诊断RS-232-C接口，为现场巡检提供了便利。

考虑到本次工程拥有较多的远程站，为减轻PLC主控制机的负担，在逻辑组态上进行了一些优化。传统方式是由PLC控制器根据现场要求完成逻辑组态，RIO控制站的输入模块接收现场设备的状态，通过总线传递给PLC。PLC根据接收到的信息完成逻辑运算，再发送给输出模块，由输出模块发出指令完成设备动作。PLC传统控制方式如图4所示。

图4 PLC传统控制方式

这种控制方式需要PLC支撑所有现场备的逻辑运算、状态反馈、报警反馈以及指令输出，且逻辑组态比较平面化，在常规控制系统中是可行的。但是，如果系统中的远程站以及受控设备过多，就有可能使PLC上载和下载的负荷急剧上升，造成数据传输不畅，甚至导致系统瘫痪。这会严重影响整个系统的稳定性。为了降低这种风险，基于PCworx组态软件，对整个组态结构进行立体化分层管理。利用管廊内各RIO控制站控制器可以独立运算的优势，将每个RIO控制站所控制的设备划为一个独立区域，以区域为单位进行逻辑组态。该区域受控设备的状态反馈，逻辑运算以及指令输出均由该区域RIO控制站控制器完成，并将最终运算结果传至主控PLC。这种组态模式是将管廊内的受控设备进行分解。对于整个系统来说，每个RIO控制站控制器都为其分担一部分逻辑运算，只将最终运算结果必要的结果传递至主控PLC。这会大大降低主控PLC的负荷，使得整个系统保持在一个低能耗且高效率的运转状态。