前言
随着上海经济的高速发展，以及上海城市人口的增加，城市交通拥堵越来越成为上海城市发展的阻碍。21世纪是人类开发地下空间的世纪，把一个城市变成地上地下两个城市，带来的不仅是交通的显著改善，还有城市生活方式的变迁。而地铁的建设对电力系统、消防报警系统、设备监控系统和门禁系统要求都比较高。可编程控制器PLC集数据采集、控制、通讯等功能于一体，能把多个系统集成到一个网络上来，便于数据的共享和分析。强大的数据管理和通讯技术为PLC在轨道交通项目中的推广运用提供了广阔的前景。
项目概况
上海轨道交通6号线(L4线)是一条纵贯浦东新区南北的地区性轻轨线路，它北起港城路站，沿线设海高路站、航津路站、外高桥保税区站、洲海站、五洲大道站、东靖路站、巨峰路站、五莲路站、博兴路站、金桥路站、云山路站、德平路站、北洋泾路站、民生路站(含区间)、源深体育中心站、世纪大道站、浦电路站、蓝村路站、龙阳路站、浦三路站、滨州路站、成山路站、高清路站、华夏西路站、上南路站、长清路站、济阳路站，线路长度为 33km，共设28座车站，其中高架车站9座，地下车站19座，2座主变电所分别设于巨峰路站和世纪大道站附近(世纪大道主变电所与明珠二期主变电所共用)，1座控制中心大楼设于民生路站附近。
系统构成
系统构成及配置概述
BAS系统的运营要求为两级管理(控制中心级、车控级)、三级控制(控制中心级、车控级、就地级)方式。在控制中心调度大厅内设置设备监控系统控制中心级(中控级)，在车站、 控制中心大楼设车控级，对其管辖范围内的设备实施监控管理。
从控制中心到沿线各车站利用通信专业提供的SDH双环网传输通道，从控制中心到各个车站、控制中心大楼构成一个双环网，每个站点作为该双环网上的一个节点。各个车站与控制中心之间采用两个10/100M TCP/IP通道连接，在各站点及控制中心大楼通信机械室提供两个通道作为站内BAS至中央级系统的接入点。主变电所、中间风井设置BAS RI/O以光纤环网方式接入邻近车站BAS系统。
车站级设备监控系统构成方式
地下车站车站级设备监控系统由BAS车站计算机、PLC控制主机/分机、RI/O 模块、网络设备等组成，主要监控隧道及车站的通风系统、空调大系统、空调小系统、冷水系统、照明系统、给排水系统等，监测公共区、设备室等地点的温湿度，并配置与FAS、屏蔽门、冷水机组、区间水泵等系统的数据接口，同时在车控室设紧急控制盘(IBP盘)，作为BAS火灾工况自动控制的后备措施，其操作权限高于车站和中央工作站，信息通过打印机打印。
BAS控制主机/分机、车站工作站通过网络交换机连接，通过通信转换接口与通信传输网络相接至控制中心。
BAS控制分机与就地RI/O控制器之间的连接采用光纤环网方式连接。
可编程控制器PLC介绍
Unity产品特性
Quantum自动化控制系统包含一个或多个基架，基架安装了以下类型的模块：处理器、电源、数字量I/O和模拟量I/O、通信和特殊应用模块，分布的远程基架可达64个。所有的I/O模块和特殊应用模块可以安装于基架的任何位置。通信模块安装在含有CPU模块的基架上，所有的电源、I/O和特殊应用模块可以安装在本地基架或者分布式基架上。
在热备系统中配置了两个CPU机架 ，按照镜相配置的方式，两个CPU机架采用完全相同的配置，每个CPU机架包括底板、电源、CPU模块、热备通讯模块、以太网通讯模块和远程I/O通讯模块等。两个CPU机架之间仅通过一根光纤进行连接，提供高速的数据传输通道，进行两个CPU机架之间的数据同步，在每一个扫描周期内完成主CPU到备用CPU之间的内存变量同步。当主CPU机架上某一个部件故障，不能正常完成控制任务时，在一个扫描周期内，备用CPU 可以切换为主CPU，接替控制任务，对于过程来将，控制任务不会受到任何干扰，控制过程不会中断。
Unity Pro系统软件
UNITY编程软件基于现有的操作系统(Windows 2000和XP)集成自动化控制应用所需求的各项功能。UNITY-PRO系统软件支持五种标准IEC 6-1131组态语言——功能块(用来组态模拟控制回路)、梯形图(用来组态逻辑控制)、顺序流程图(用来组态顺序控制)、指令表以及结构文本(用于用户自行编程和开发软件)。这五种语言在UNITY-PRO中是可以同时配合使用的。
UNITY-PRO软件不仅用来组态，更重要的是在离线调试时完成仿真试验以及检查错误，同时在实验室就可以预先整定好调节参数。
UNITY-PRO组态具有以下特点：
● 可以进行离线组态和在线组态。离线组态用于初次组态, 在系统尚未到货时用普通的PC机即可组态调试，从而缩短工程时间。在线组态可以在不影响设备运行的情况下，对现有系统进行修改、扩展
● 图形组态，直观方便
● 分层结构，使控制系统层次分明。整个系统可分主程序、快速执行程序、事件程序
控制系统方案
系统控制图
由于地铁车站内设备分散，控制设备范围广，通讯信息量大，因而要求控制系统网络开放、支持远距离通讯，网络可靠性高，同时必须要求网络通讯带宽高。上海地铁六号线设备监控系统采用了施耐德电气公司高性能的Quantum系列和Premium系列产品共同构建了光纤环网的车站级控制系统，整个网络为100兆光纤工业以太网modbus TCP/IP环网。通过管理型交换机构成自愈式光纤环网，能够实现快速网络自愈功能。整体方案采用的是目前世界最先进的透明就绪的解决方案。
光纤主控网
从控制中心到沿线各车站利用通信专业提供的SDH双环网传输通道，从控制中心到各个车站、控制中心大楼构成一个双环网，每个站点作为该双环网上的一个节点。各个车站与控制中心之间采用两个10/100M TCP/IP通道连接，在各站点及控制中心大楼通信机械室提供两个通道作为站内BAS至BAS广域网的接入点。主变电所、中间风井设置BAS RI/O以光纤环网方式接入邻近车站BAS。
系统特点分析
透明就绪的方案特点
透明就绪的定义：
使用开放的、基于ModbusTCP、因特网技术与Web技术的体系结构，完成现场设备、控制设备与管理系统的无缝集成，使用户可以从任何地方访问所需的实时数据。
随着工业以太网的迅猛发展，工业以太网已成为事实上的工业标准。随着以太网的通信速率的不断提高和全双工交换式以太网的诞生，以太网的非确定性问题已经解决。
1998年施耐德公司推出了新一代基于TCP/IP以太网的Modbus TCP，目的是满足用户和市场的进一步要求。 ModbusTCP是第一家采用TCP/IP以太网用于工业自动化领域的标准协议，是至今唯一获得IANA赋予TCP(TCP502 号)端口的自动化通讯协议。
Modbus TCP的应用层还是采用Modbus协议，简单高效;传输层使用TCP协议，并使用TCP502号口，用户使用方便，连接可靠;网络层采用IP协议，因为因特网就使用这个协议寻址，故ModbusTCP不但可以在局域网使用，还可以在广域网和因特网上使用。
目前的ModbusTCP以太网的速度为10M/100M位/秒，大大提高了数据传输能力。除此之外，施耐德的TCP/IP以太网还为用户提供了更多的服务，如： I/O扫描、全局数据、故障设备替换、网络管理、电子邮件报警、时钟同步等功能，为用户带来更多的附加值。
采用工业以太网环构建设备监控系统骨干信息路径
随着以太网以其速度、开放性和设计灵活性的特点日益成为受欢迎的工业应用协议，用户在决定其应用的基础设施设备时将有多种选择。上海地铁六号线的用户经过慎重比选，最终决定采用具有非常高标准的可靠性以及具有故障恢复机制，满足系统冗余度要求的工业以太网环网的方案。这个方案从技术上代表了工业系统的发展方向，代表了先进的高技术含量的解决方案。
由于传统商用以太网与地铁设备监控系统的以太网之间存在着巨大而又关键的差异，同时监控系统以太网自身也有一些独特的要求，因此系统采用工业级以太网交换机来实现工业以太网环网的方案。
传统商用以太网与工业以太网之间的关键差异
对于设备监控系统应用，端口密度的变化范围很大。有些应用仅要求每个位置有几个以太网端口，而那些应用可能分隔数百米。与办公室不同，地铁应用还有差异很大的节点密度要求。在一个只需要4个端口的地方安装一台 “企业标准”的24端口以太网交换机是昂贵而浪费的。除此之外，还包括可能需要一个跨越数公里才到下一交换机的光纤接口的情况。解决办法是，工业以太网交换机产品提供不同的端口密度和接口介质要求，以适应工业上独特的体系结构要求。商用以太网交换机产品是针对标准的办公室环境密度而设计的。
商用以太网与工业以太网应用之间最明显的差别就是性能。地铁应用方面，其流量模式以及对交换机或介质故障时恢复时间的敏感程度都有很大的不同。商业应用会引导流量从网络外围流向核心资源，而地铁系统的工业以太网应用要求是端对端的。数据必须在网络外围的对等设备之间交换，以使被编程逻辑可以对上游或下游的变化做出响应，并将这些变化与操作员界面、输入输出设备及其他系统设备共用。工业以太网的端对端特性使其通信和冗余度要求与商用以太网所用的“外围到核心”式要求大不相同。
因此设备监控系统中工业以太网的基本要求为：
1)如果出现介质故障，恢复时间不能影响系统应用
2)基础设施支持通信所用的数据包速率
关于第一项要求，在多数工业以太网应用中，超长的介质恢复时间是不可接受的。通信故障如此长时间会直接影响业务。工业以太网交换机产品支持冗余以太网环，它可以在交换机或设备故障情况下实现亚秒级的恢复时间。这样可以使多数情况下的应用继续不间断运行，从而允许工程和维护人员在继续运营的同时处理故障问题。
关于第二项基本要求，以太网交换机及设备已经发展到支持全双工通信的水平，其中任何设备或交换机都可以同时进行发送和接收，100 Mbps快速以太网的纯可用带宽是完全足够的。实际上，该带宽已超过了设备完全将其耗用的容量。服务质量(QoS)等额外的流量管理服务更强化了高效而可靠的消息传递。此外还采用了广播率限制功能，以防过多广播拥塞设备队列，延误自动化消息的处理。如果采用商用以太网交换机，对QoS和广播率限制等功能可能需要了解复杂的交换机操作系统命令。而工业以太网交换机产品的应对办法是，突显这些功能，并通过使用Web浏览器使之更易于管理，从而使工程或维护人员可以进行配置。
比较商业与工业应用之间的性能差异可以发现，工业应用在数据包速率、数据包大小以及带宽利用情况方面显示出与商业应用相反的特性，如下表所示。
针对工业和商业用外围设备进行的应用数据包捕获测试图说明了二者的差异。在图1和图2中，商业应用的趋势线为黑色，而自动化应用的趋势线为红色。
而工业应用具有较高而稳定的数据包速率，但由于数据包小得多，故总数据量较低，如图3和图4所示。工业以太网数据包大小通常小于500字节。较小的数据包可以更容易地进行穿插，从而可降低拥塞的可能性。
由于多数工业以太网应用采用循环、稳态的通信，数据包猝发很少。综合考虑数据包大小和数据包速率可以得出在我们的5分钟捕获测试中的平均带宽利用率。从图5可以看出，总的带宽利用率低于2 Mbs，这是许多工业以太网应用的典型情况。有人可能对工业以太网的大通信量表示担忧，但实际情况是，100 Mbs全双工以太网对多数应用已绰绰有余。
对于商业应用，采用更大的带宽通常可以获得更好的性能。对于工业以太网应用，额外的带宽几乎不起作用。工业应用的关键因素是效率和可靠性。随着工业以太网的不断发展以及与传统商用以太网环境的结合。我们认识到以太网基础设施设备适应任务需要的重要性，还认识到商用以太网标准不一定非常适合地铁的现场环境。
系统结构的优点
可靠性
PLC控制器的配置采用了施耐德电气首创，并在20多年的实践应用中被证实的热备解决方案，以满足地铁车站站控系统EMCS的严格的技术要求。
基于Modbus TCP/IP的应用层协议的透明网络系统。Modbus TCP/IP即基于 TCP/IP的Modbus协议，它在传输层选用标准的传输控制协议TCP，它能在收到经网络传来的错误数据的情况下，通过应答与重传机制来保证可靠地传输，从而保证了传输过程中的可靠性。
灵活性
上海地铁6号线监控系统满足的要求之一就是该系统具有增强的灵活性，且易于更改。可以增加新的机电设备以更换旧的设备。因此必须为操作人员更换硬件与软件提供便利。 施耐德设备支持诸如CPU热备、模块热替换、 Cablefast 与 Telefast 布线系统等功能，使用施耐德设备可以实现这种运营维护的灵活性与简便性。
开放性
Modbus本身就是一个开放的协议，为众多的供应商所支持，在设备监控系统的监控对象中绝大部分设备都可以实现Modbus 或Modbus +的通讯方式，因此上海6号线的系统结构非常适合于上海乃至全国的轨道交通建设项目。
目前Modbus TCP/IP已经成为(GB/Z19582.3)国标，为其它工控设备提供了通用的接口。网络层采用IP协议，用户只需了解控制设备的IP地址即可实现设备之间通信，而与低层网络地址和硬件无关，对用户来说具体的某个网络单元(硬件和软件)的存在仿佛不存在一样，整个网络可以看成一个透明网络。
总之，控制网络采用技术上成熟可靠并日益普及的光纤以太网方案，即采用 “透明工厂”的概念，全部采用工业以太网的网络模式，工业以太网具用通讯速度快，光纤信号不易受干扰，备配件易采购等优点。同时，也是现场控制网络的一种发展趋势。同时还具有下列特点：
● 符合开放系统国际标准;
● 可以被集成到更高层的企业控制系统中;
● 具有分布式结构;
● 降低安装成本;
● 使系统重新配置时间最短，并可在软件上操作;
● 最小化目标失控的风险。
结束语
大城市发展轨道交通，不占土地，没有噪音，节能，污染少,同时缓解城市交通压力。因此上海地铁这10年来得到高速的发展，而PLC对于地铁设备的正常运营起到关键作用。正确合理的选择PLC及其方案，对于提高系统运行的稳定性可靠性，有着积极的意义。
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