探究PLC冗余技術在跨座式單軌交通道岔設備中的應用

吳瑤

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

關鍵詞：PLC冗余技術;跨座式單軌交通道岔設備;應用

1 PLC冗余技術介紹

1.1 PLC冗余技術的概念

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

1.2 PLC冗余技術的兩種形式

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

軟冗余指的是利用軟件系統實現的程序中冗余邏輯的建立，這種建立可以確保在系統出現問題時及時進行數據切換，從而實現系統的繼續工作。軟冗余的優點就是變成系統相對簡單并且成本較低，可以通過邏輯解決大部分的問題。但是在實際應用過程中因為缺乏關鍵部位，系統也會受到一定程度的影響。

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

2 PLC在道岔設備中的應用情況

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

在PLC系統施行監控管理的過程中，可以有監視模式和計測模式兩種。監視模式是將道岔轉轍動作劃分為多個階段，然后監視各階段的動作時間是否在預先設定的時間內，比較后判斷有無異常。計測模式對動作時間是否超過規定時間不作判斷。記錄的項目與監視模式相同。以國產船舶道岔為例，其控制系統采用西門子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）。對道岔系統主控信號狀態、撓曲電機及故障信號監視、各類位置開關狀態的監視，同時在人機界面輸出對各類信號、狀態的監視信息及詳細的故障報警信息。完成對道岔系統整個運行過程的監控。該PLC僅用于對道岔設備各部件及動作的監視報警，未參與道岔轉轍控制，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，較強的環境適應性，在控制回路中作為邏輯判斷執行的器件，組成繼電器控制回路接收、判斷、執行及信號反饋。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，多開道岔轉轍位置較多，動作及控制邏輯回路較為復雜，導致更加大量的使用繼電器及觸點，造成設備故障點增多，不易檢修。

3 PLC冗余技術在單軌道岔設備的應用探討

軟冗余控制系統在上海低速磁浮道岔電控中進行了試用，各項控制指標滿足現場的使用要求，從2007年至今運行狀況良好;硬件冗余系統應用在上海高速磁浮系統中，從2002年通車運行至今，道岔現場和運控中心通過大量數據交換，實現了道岔運行機構狀態的實時監控。PLC冗余技術目前在跨座式單軌道岔系統設備中暫未應用，跨座式單軌道岔設備在電路設計中使用PLC冗余技術不僅可以用于設備相應的監控報警裝置，同時也可以參與到道岔設備的轉轍控制中去，PLC冗余技術可以讓系統更加完善，使設備在運行過程中，發生故障時受到的影響也更小。目前考慮轉轍控制電路、監視報警采用PLC冗余技術方案如下：

3.1 軟冗余方案

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

軟冗余系統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，構成主、備兩個系統分別與從站的兩條PROFIBUS-DP通訊鏈路（PROFIBUS1、PROFIBUS2），組態成兩個Profibus網絡。這里主系統與備用系統的數據同步通訊鏈路考慮采用PROFIBUS總線，（數據同步所需要的時間取決于同步數據量的大小和同步所采用的網絡方式，MPI方式周期最長，PROFIBUS方式適中， Ethernet網方式最快）。

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

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

3.2 硬冗余方案

仍以西門子S7-400H系統為例，S7-400H系統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。根據控制過程需要，還可以配置冗余客戶服務器、冗余通訊介質、冗余接口模件IM153-2等。確保了系統的安全可靠性。

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，當一套系統出現問題時，自動切換到備用系統，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、硬冗余的根本區別，軟冗余兩個CPU通過MPI口或者PROFIBUS-DP模塊或者以太網模塊進行數據同步，在程序中需要需要加軟冗余包程序支持。需要在程序中設定一些冗余參數。而硬冗余通過加同步模塊和同步光纖實現同步功能，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。但硬冗余系統更為臃腫、成本更高。

4 結束語

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

參考文獻：

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