地铁环境与设备监控系统可编程逻辑控制冗余技术可靠性与可用性研究.pdf

嘲 潮 嘲 潮 f／ ／ t t t l f ／ ／ it ／ f l l t ／嘲 t Il漤l “ t 4搿t 曛 ／ t ／ t tt lt I I ／ 潲 嘲 地 铁 环 境 与 设 备 监 控 系 统 可 编 程 逻 辑 控 制 冗 余 技 术 可 靠 性 与 可 用 ， 陛 研 究 侯 晶晶 西安地铁运营分公司， 7 1 0 0 1 6 ， 西安／ ／ X 程师 摘要结合西安地铁 1号线环境 与设备监控系统 B AS 中采用的可编程逻辑控制 P L C 冗余技术， 利用可靠性框 图 模型和马尔可夫模型分析方法 ， 对 B AS的可靠性和可用性 进行分析 ， 得出了评价系统可靠性和可用性的指标及其计 算方法。结果表明， 采用 P L C冗余技术的西安地铁 1号线 B AS系统具有较高的可靠性和可用性 ， 可满足地铁运营高 可靠性的要求。 关键词地铁； 环境与设备监控系统；可编程逻辑控制；冗 余控制；可靠性；可用性 中图分类 号U2 9 ． 3 9 D0I 1 0 ． 1 6 0 3 7 ／ j ． 1 0 0 7 8 6 9 x ． 2 0 1 5 ． 1 0 ． 0 1 7 Re l i a b i l i t y a n d Av a i l a b i l i t y o f Re d u n d an t P L C C o n t r o l i n M e t r o Li n eBAS S y s t e m Ho u J i n g j i n g Ab s t r a c t Co mb i n e d wi t h P LC r e d u n d a n c y t e c h n o l o g y i n B AS s y s t e m o n Xi a n me t r o Li n e 1 ，a n d b y u s i n g r e l i a b i l i t y b l o c k d i a g r a m a n d M a r k o v m o d e l a n a l y s i s me t h o d， t h e r e l i a b i l i t y a n d a v a i l a b i l i t y o f BAS s y s t e m a r e a n a l y z e d ． On t h i s b a s i s ，t h e i n d e x e s r e l a t e d t o e v a l u a t i o n r e l i a b i l i t y a n d a v a i l a b i l i t y a n d t h e c a l c u l a t i o n me t h o d a r e o b t a i n e d ．Th e r e s u l t s h o ws t h a t B AS s y s t e m o n Xi a n me t r o Li n e 1 wh e r e t h e P LC r e d u n d a n c y t e c h n o l o g y i s a d o p t e d h a s h i g h e r r e l i a b i l i t y a n d a v a i l a b i l i t y ，a n d c o u l d me e t t h e h i g h r e l i a b i l i t y r e q u i r e - me n t s i n s u b wa y o p e r a t i o n． Ke y wo r d s me t r o；b u i l d i n g a u t o ma t i o n s y s t e m B AS ； p r o g r a mma b l e l o g i c c o n t r o l l e r P LC ；r e d u n d a n t c o nt r o l ； r e l i a b i l i t y；a v a i l a b i l i t y Au t h o r S a d d r e s s Xi a n M e t r o Op e r a t i o n Co mp a n y ， 7 1 0 0 1 6。 Xi a n， Chi n a 地铁的环境与设备监控系统 主要对车站 及 区间隧道内的空调通风、 给排水 、 照明、 电梯、 扶梯 等机电设备进行全面 的运行管理与控制 ， 以保证地 铁运营环境达到国家规定的舒适标准 ； 同时 ， 在地铁 发生火灾事故或列车阻塞情 况时， 能及 时迅速地进 入 防灾运行模式 ， 根据火灾报警系统发送 的着火点 信息或列车 自动控制系统发送 的阻塞点信息 自动调 度送风和排风 ， 进行通风排烟 ， 引导人员疏散， 提高 地铁运营的智能化和安全性。 1 B A S冗余双 总线控 制的组成 西安地铁车站 B AS可编程逻辑控制 P L C 采 用美 国罗克韦尔公 司 C o n t r o l L o g i x系列产品 ， 主、 从机架 型号 1 7 5 6一A7 上对等配置 电源模板 1 7 5 6 一 2 、 C P U 中央处理器 模板 1 7 5 6一L 6 2 、 控 制网模 板 1 7 5 6一C NB R 、 以太 网模 板 1 7 5 6一 E NB T 及同步模板 1 7 5 7一S RM 。系统硬件配置 如图 1所示 。 图 1 系统硬件冗余配置 图 本冗余双总线控制系统由 4套 P L C系统组 成。A端为主控端 ， 由 2套配置完全相同的 P L C系 统组成 ， 且 A 端与 车站交 换 机相 连， 用于 把车 站 B AS 的信息上传和将控制中心 B A S的控制命令下 传 。B端为从 控制 端 ， 也 由 2套 配置完 全 相 同的 P L C系统组成 ， 但 B端不与交换机 连接， 而是通过 冗余总线与 A端 P L C系统相连 ， 完成 与中心的信 息交换 。系统组成示意如图 2所示 。 7 l I1 ／Ilt ll IH II II Ii ／ 8 111 II i／ ；Illtli ti ／ ttl I l ii lli 图 2 B AS 冗余双总线控制系统组成示意图 当主控制器执行完相关程序后 ， 会将所有输出 指令的结果输出给从控制器 。由于 C o n t r o l L o g i x冗 余系统所有的 I ／ O设备都链接在控制网C o n t r o l N e t 上， 所 以可通 过设 置 C o mr o l N e t网络 的 p r o d u c e r ／ c o n s u me r 通信模式， 将从控制器设置为 c o n s u me r ， 这 样从控制器就可与主控制器 以同样的地位获得 I ／ o 串口的信息 ， 从而确保主从控制器内部输入、 输出映 像表的一致 。如果在执行某个任务时 ， 主控制器 出 现了故障， 从控制器会立即 自动接替主控制器 ， 重新 执行出现故障时的那段任务。此刻， 从控制器使用的 输出映像表数据来 自于主控制器上一个工作周期 的 执行结果 。但是 ， 如果在用户将编人的程序下载到控 制器之前发生切换 ， 则该次编辑无效 ， 这样就防止 了 由于错误的在线编程可能造成的主从控制器故障， 保 证了系统的安全性 。由此可见 ， 在冗余热备系统的切 换过程中， 不会出现数据的丢失和突变现象 ， 实现了 系统的无扰动切换_ 1 ] 。 2 冗余控制系统可靠性 2 ．1 可靠性评价指标 。 ] 可靠性是指元件或系统在规定的工作条件下和 7 6 规定的时间内具有正常工作性能的能力。衡量一个 控制系统可靠性 的指标通常有可靠度 R、 平均无故 障工作时间 t M Z B F 和故障率 等。 可靠度 尺指元件或系统从开始工作起 ， 在规定 条件下的工作周期内达 到所规定的性能 即元件或 系统处于无故障的正常工作状态的概率 ， 用 R t 表示 。它是规定时间 t 的函数 ， t 越长 ， R t 越小 。 f 丌 B 指可修复的元件或系统在相邻故 障之 间 的平均正常工作时间。 通常指瞬时故障率， 又称失效率， 指能工作到 某个时间的元件或系统在连续单位时间内发生故障 的比例 。 2 ．2 系统可靠性框图 根据 C o n t r o l L o g i x系统硬件冗余配置 的功能 关联情况和可靠性框 图模型分析方法 ， 可建立 图 3 所示的 P L C冗余控制系统可靠性框图[ 4 ] 。其中， 数 字 1 ～2为电源模块单元 ； 3 ～4为控制器 c P u 模 块单元 ；5 ～6为冗余模 块单元 ； 7 ～1 0为控制 网模 块单元 ； 1 1 ～1 4为以太网模块单元 。 在可靠性研究过程 中， 常常把一些相互独立 的 单元等效组合在一起 构成一个虚拟的单元 ， 即所谓 l 嘲嘲 l 的“ 虚单元 ” [ 。利用“ 虚单元 ” 概念 ， 将 图 3逐步 简化为 图 4 。 图 3 系统可靠性框图 a 系统等效可靠性框图1 b 系统等效司靠性框图2 图 4 简化的系统可靠性框图 2 ． 3 可靠性指标计算 2 ． 3 ． 1 模块单元的 t M T B F 及 值 根据文献 F 6 ] 可知 ， C o n t r o l L o g i x产 品 1 7 5 6系 列模块的 t M T U F 及其对应的 值 1 ／ t M T B 如表 1 所示 。 表 1 1 7 5 6系列模块的 f 肝及 值 2 ． 3 ． 2 系统可靠度及失效率的计算 在偶然失效期间， 各模块单元寿命分布呈指数 分布时的 为常数。根据 串并联结 构 的系统可靠 性模型分析方法 ， 可计算出各单元 、 各“ 虚单元 ” 的 可靠度 R t 和失效率 ， 以及系统的可靠度 尺 。 t 和系统的失效率 。 通过逐步分析计算 ， 根据图 4 b 可得 R t 2 e 一 , 3 , 5 , 7 , 9 , 1 1 , 1 3 一 e 一 ‘ ， 。 ， ， ， ， ， 。 ． ‘ ， 3 ， 5 ， 7 ， 9 , I 1 , 1 3 e - X 1 ’ 3 ， ， ， ， ， 0 一 0 0 ， ， ， ， 1 1 l 13 s 面 而 一 1 嘲 爨 假设连续工作周期为 1年 ， 即设定工作时 间 t 为 1 2个月 ， 按 3 6 5 d t 8 7 6 0 h 计算可靠度和失 效率时， 对于图 4 a ， 则有 1 ． 9 9 8 5 x 1 0 - 7 h ～， R t 0 ． 9 9 9 5 。 根据 同样 的方法和条件 ， 可计算出非冗余情况 下 系 统 的 3 ． 4 4 8 3 1 0 I 6 h ～， R t 0． 9 71 1 。 对 比 和 以及 R。 f 和 R t 可知， 并联 冗余系统较非冗余系统的失效率下降了一个多数量 级 ， 而可靠度则显著增大。因此 ， 利用冗余技术提高 控制系统可靠性的优势和效果是非常明显的。 3 冗余控制系统的可用性 系统可用性是指当需要时系统在该时刻处于正 常可用状态的能力 。系统可用性的主要评价指标是 可用度。设 P L C冗余控制系统每个单元 的寿命分 布、 维修时间均服从指数分布规律， 那么， 其可用性 可采用马尔可夫模型方法进行分析r 5 ] 。 设图 4 b 中等效单元 的故障率为 即 1 ， 3 ， 5 ， 7 ， 9 ， 1 1 ， 1 3 或 2 ， 4 ， 6 ， 8 ， 1 0 ， 1 2 ， 1 4 ， 维修率为 。 当其中 1 个单元发生故障时 ， 系统仍能正常工作 ， 故 障单元立即送修 ； 当2 个单元同时故障时， 系统才停 止工作 ， 并处于待修状态 。因此 ， 系统可能的状态有 0 状态， 2 个单元都正常工作， 系统正常运行； 1 状态， 2 个单元中任意 1 个单元发生故障， 系统正常运行； 2 状态， 2个单元均发生故障 ， 系统停止运行。 系统的状态概率向量为 [ 0 ， X 1 ， X 2 ] 2 其中X o 1 X 21 系统状态转移图如图 5所示。 图 5 系统状态转移图 由图 5可知 ， 系统 转 移 概率 矩 阵 _P 的表 达 式为 P 令 X P一， 0 ， 厂 1 2 ， 2 ， 1 ， 1一 _ 0 ， ， 1一 则有 3 7 7 ] _ _ _ ] 、， O 艟 { tt Iii I I II II I h , l l I h l l f 一 2 。 1 【 J 2 A 0一 X1 2 0 4 l 一 0 舍 去线 性 相关 的方程 2 A 。一 X 2 0 ， 同时补充方程 0 X 1 2 1 ， 解得 f 2 l { X 1 5 l z 则 系统 在 正 常 运 行 状 态 下 的稳 态 可 用 度 A c 3 为 A ∞ X o 1 2 a 2 ㈤ 2 2 其中 a 由此可见 ， a越大 ， 即修 复率越高或故 障率越 低 ， 则系统稳态可用度越高 ； 反之 ， 系统稳态可用度 越低。因此， 选用故障率低的元器件和提高维修效 率是提高控制系统可用性的重要保障措施。冗余设 计虽然可以有效提高系统可靠性， 但增加了成本， 因 此 ， 只有在其他可靠性设计技术都不能使系统 的可 靠性达到预定 目标值时 ， 才考虑采用冗余设计技术 。 但在大型复杂系统的设计中， 其关键部位一般都要 采用冗余设计[ 。 4结语 基于 C o n t r o l L o g i x系统的 P L C冗余控制技术 已成功应用于西安地铁 1 、 2号线 B AS系统 中， 至今 运营平稳 ， 没有较大故障发生 ， 证明此系统具有极高 的可靠性和可用性 。 参考文献 [1] L i u C h o n g ， Z h o u J i a n l i a n g ， Ya o Qi u g u o ， e t a l Di g i t a l d e s i g n a n d r e l i a b i l i t y a n a l y s i s o f r e a c t o r p o we r c o n t r o l s y s t e m [ c] f 2 0 0 9 I n t e r n a t i o n a l Wo r k s h o p o n I n t e l l i g e n t S y s t e ms a n d App l i c a t i o n s ， 2 0 0 914． [ 2 ] R o c k w e l l A u t o m a t i o n ． C o n t r o l L o g i x S y s t e m U s e r Ma n u a l [ G] ． 2 0 1 0 ． [ 3 ] 黎邵平， 李锡文 ． 双机热冗余控制系统的可靠性分析[ J ] 自 动化技术 与应用 ， 2 0 0 6 ， 2 5 1 2 1 8 ． [4] Ro c k we l l Au t o ma t i o n ．C o n t r o l Lo g i x Re d u n d a n c y S y s t e m Us e r Ma n u a l [ G] ． 2 0 0 6 ． [ 5 ] 金星， 洪延姬 ． 系统可靠性与可用性分析方法[ M] ． 北京 国 防工业出版社， 2 0 0 7 ． [ 6 ] R o c k w e l l A u t o m a t i o n ．1 7 5 6一R M0 0 1 A E NP ， U s i n g Co nt r ol Lo g i x i n S L2 a p p l i c a t i o n s a f e t y r e f e r e n c e ma n u a l [ G] ． US A， 2 0 0 5 ． [ 7 ] 孙怀义， 王瑞， 刘琴， 等 ． 冗余设计技术的有效性研究[ J ] ．自 动化与仪器仪表， 2 0 0 7 ， 2 8 6 3 ． [ 8 ] 王建文． 地铁环境与设备监控系统设计中值得注意的几个问 题 [ J ] ． 城市轨道交通研究 ， 2 0 1 3 6 8 5 ． 收稿 日期 2 0 1 4 一【 1 0 6 上接第 2 0页 [ 2 ] 中铁第一勘察设计院集团有限公司 ． 兰州市城市轨道交通线 [ 9 ] [ 3] [ 4] [5] [ 6 ] [7] [8] 网规 划 [ R] ． 西 安 中 铁 第 一 勘 察 设 计 院 集 团 有 限 公 司 ， 2 0 1 0 [ 1 O ] 中铁第一勘察设 计院集 团有 限公司 ．兰州市城市轨道交通建 设规划 2 0 1 1 --2 0 2 0 年 [ R ] ．西安 中铁第一勘察设计院集 [ 1 1 ] 团有限公司 ， 2 0 1 1 ． G B 5 0 1 5 7 2 0 0 3地铁设计规范I s ] ． [ 1 2 ] 中铁第一勘察设计院集团有 限公 司 ．兰州市城市轨道交 通 1 号线一期工程 陈 官营一东 岗段 可行 性研 究报 告 [ R] ．西 安 中铁第一勘察设计院集团有限公司 ， 2 0 1 2 ． E 1 3 ] 中国气象局气象信息中心气象资料室， 清华大学建筑技术科 学系 ．中国建筑热环境分析专用气象数据集[ M] 北京 中 [ 1 4 ] 国建筑 工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． GB 5 0 7 3 6 -- 2 0 1 2民用建筑供 暖通风与空气调节设计规范 E s ] ． 乔小博直接蒸发冷却通风降温在地铁高架车站的应用_ J ] 铁道标准设计 ， 2 0 1 1 9 1 1 6 ． 7 8 陆耀庆 ． 实用供热空调设计手册[ M] 2 版 ． 北京 中国建筑 工业出版社 ， 2 0 0 8 ． 黄翔 ， 刘鸣 ， 于向阳 ．我 国新疆地区蒸发冷却技 术应用 现状分 析 _ J ] ．制冷与空调 ， 2 0 0 1 6 3 3 ． 黄翔 ， 武俊梅两种适合西 北地 区气象 条件 的新 型空调 的设 备 的开发 l_ J ] ．西安制冷 ， 1 9 9 9 1 2 6 ． 中铁第一勘察设计 院集 团有 限公司 兰州 市城市轨道交通 1 号线 陈官营东岗段 工程 通风 、 空调 与采暖 系统专题研 究 报告[ R ] ． 西安 中铁第一勘察设计院集团有限公司， 2 0 1 2 ． 乔小博 直接蒸发冷却地铁通风降温系统设计探讨[ J ] ． 暖 通 空调 ， 2 0 1 2 2 8 6 ． 中铁第一勘察设计院集团有限公 司 ．兰州市城市轨 道交通 1 号线 陈官营一东岗段 工程节能评估报告[ R ] ． 西安 中铁第 一 勘察设计院集 团有 限公司 ， 2 0 1 3 ． 收稿 日期 2 0 1 40 3～0 3