EMCS系统设计V21版.docx

EMCS系统设计V21版.docx

《EMCS系统设计V21版.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《EMCS系统设计V21版.docx（41页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

EMCS系统设计V21版

深圳地铁一期工程EMCS系统

系统设计

【版本】2.0

【作者】曲立东

【日期】11-20/2003

【编号】A00SIDACT21002CJSW

版本记录

版本

时间

设计

修改

内容

1.0

8-10/2003

QLD

初始版本

1.1

9-14/2003

QLD

4.2.4时间表更新

改为立即更新，不做定时更新

2.0

11-20/2003

QLD

3.1.1系统结构更改，撤掉站内就地PLC，保留隧道内有控制输出的PLC

冷水机组接口在MCP盘的MVI；

事故电源接口在通讯控制器；

3.4去掉MCP备份主控PLC的功能

去掉双CPU的说法

2.1

3-31/2004

QLD

改4.4节为“MCP和主控PLC的切换机制”，其他节顺序后延

目录

第一章引言5

1.1编写目的5

1.2编写依据5

第二章缩略语及术语6

2.1缩略语6

2.2术语6

第三章系统设计7

3.1系统结构7

3.1.1物理结构7

3.1.2逻辑结构7

3.2监控范围8

3.3系统实时性设计9

3.4系统可靠性设计9

3.5系统可维护性设计10

第四章功能设计11

4.1总体原则11

4.1.1监控操作优先级11

4.1.2设备正常工况控制优先级12

4.2时间表机制12

4.2.1概述12

4.2.2时间表形式13

4.2.3时间表类型13

4.2.4时间表更新14

4.2.5时间表和其他控制方式的关系14

4.3系统运行工况14

4.3.1工况说明14

4.3.2工况转换机制15

4.4MCP和主控PLC的切换机制16

4.5.1概述16

4.5.2原则及前提16

4.5.3任务分配17

4.5.3实现过程18

4.5功能总貌19

4.5.1中央级监控系统19

4.5.2车站级监控系统19

4.5.3车站控制级20

4.6功能分解21

4.6.1隧道风系统21

4.6.2车站大系统22

4.6.3车站小系统23

4.6.4空调水系统24

4.6.5给排水系统24

4.6.6照明系统25

4.6.7电扶梯系统26

4.6.8屏蔽门系统26

4.6.9事故电源26

4.6.10人防门27

第五章HMI和PLC设计28

5.1HMI体系设计28

5.2PLC系统设计28

第六章MCP盘设计28

第一章引言

1.1编写目的

此文件旨在为下一步工程实施提供依据，其读者为EMCS系统软件开发人员，测试人员和工程实施人员。

1.2编写依据

《深圳地铁一期工程EMCS+FAS+SCADA系统招标文件》0658-SZDT042

《深圳地铁一期工程EMCS+FAS+SCADA系统设备采购合同》DT10-SB45/2002

《深圳地铁一期工程施工图设计第9篇环境控制》上海市隧道工程轨道交通设计研究院

深圳地铁各车站EMCS设备监控系统施工图（B版），铁道第三勘查设计院

《深圳地铁一期工程EMCS系统总体需求分析》A00SIDACT21001CJSW

历次会议纪要

《关于系统结构更改的会议纪要》11月7日，深圳

阶段性审核意见

第二章缩略语及术语

2.1缩略语

AIAnalogInput模拟量输入

AOAnalogOutput模拟量输出

ATSAutomaticTrainSupervisor自动行车监控

CPUCenterProcessorUnit中央处理单元

DIDigitalInput数字量输入

DODigitalOutput数字量输出

DFDDefensiveDoor人防门

FASFairAlarmSystem火灾报警系统

HMIHumanMachineryInterface人机界面

I/OInput/Output输入/输出

LCPLocalControlPanel就地控制盘

L/ELift/Escalator电/扶梯

MCPMonitor&ControlPanel监控盘

OCCOperationControlCenter操作控制中心

OSOperationStation操作工作站

P/CProducer/Consumer生产者/消费者

PLCProgrammableLogicController可编程序控制器

PSDPlatformScreenDoor站台屏蔽门

PVSPublicVentilationSystem公共区通风系统（大系统）

RVSRoomVentilationSystem房间通风系统（小系统）

SCRStationControlRoom车站控制室

TVSTunnelVentilationSystem隧道通风系统

2.2术语

Chiller空调冷水系统

Drainage排水

WaterSupply给水

Lighting照明

第三章系统设计

3.1系统结构

3.1.1物理结构

深圳地铁EMCS系统结构分监控操作和控制两部分，完成对大多数设备或EMCS子系统的监控任务。

如图3-1所示，监控操作分为两层：

OCC和SCR。

ØOCC：

由监控工作站、大屏幕、服务器及其他计算机外围设备构成（具体设备型号数量见合同清单所示），其监控操作范围是全线所有的区间及车站EMCS子系统或设备；

ØSCR：

由监控工作站、MCP及其他计算机外围设备构成（具体设备型号数量见合同清单所示），其监控操作范围是某车站及相关区间所有EMCS子系统或设备。

图3-1

3.1.2逻辑结构

主要是说明系统软件通讯结构，具体见文件《深圳地铁一期工程软件体系设计》（文件编号：

）

针对EMCS系统，其软件逻辑结构如图3-2所示。

其中HMI各客户端的逻辑地位是相同的，且是互为备用的关系。

同理在车站，SCR/OS和车站EMCS通讯控制器形成IO、Alarm和Trend功能的冗余关系，从而保证同车站控制系统实

时数据传输的可靠性。

图3－2

3.2监控范围

根据设计院图纸和有关工艺要求，OCC和SCR分别完成如表3－1所示监控操作。

表3－1

地点

内容

OCC

SCR

备注

监视

操作

监控工作站

MCP

监视

操作

监视

操作

系统

或设备

隧道风系统设备

×

×

×

×

车站大系统设备

×

×

×

水系统

×

×

×

机组、差压阀和二通阀

车站小系统设备

×

×

×

空气参数

×

×

给排水系统

×

×

×

照明系统

×

×

×

×

电扶梯系统

×

×

×

×

MCP部分该系统自行完成

屏蔽门系统

×

×

×

×

MCP部分该系统自行完成

人防门

×

×

事故（应急）电源

×

×

FAS报警

×

×

×

MCP通过指示灯和蜂鸣

AFC

×

×

MCP部分该系统自行完成

功能

隧道风系统灾害模式

×

×

×

×

×

×

车站风系统灾害模式

×

×

×

×

×

时间表

×

×

×

×

操作源

×

×

×

×

×

OCC与SCR操作切换由SCR完成，MCP与HMI的切换由MCP完成

系统其他参数

×

×

×

×

注：

表格中阴影所示由相关专业完成，本系统根据相关系统要求只提供盘面元件的布置设计。

3.3系统实时性设计

系统实时性指标包括下列因素：

HMI页面动态点刷新周期；

网络延迟；

PLC系统处理时间（CPU扫描周期，控制网延迟）；

子系统数据更新周期（与数据量、协议和速率有关）；

本系统设计相关参数是上述

、

项，具体见文件：

《深圳地铁一期工程EMCS系统HMI体系设计》（编号：

A00SIDACT21003CJSW）和《深圳地铁一期工程EMCS系统PLC系统设计》（编号：

A00SIDACT21004CJSW）中所述。

3.4系统可靠性设计

系统可靠性设计有以下几个方面：

◆系统整体结构为分层分布式集散型结构；

◆监控层热备双局域网；

◆中央服务器冗余配置；

◆HMI互为冗余；

◆MCP的后备操作功能；

◆UPS电源系统；

◆IO、报警、趋势服务器冗余配置；

◆冗余主控PLC；

◆FAS系统双路径集成；

◆程序设计中的防错和纠错措施等。

3.5系统可维护性设计

系统可维护性设计有以下几个方面：

◆标准的数据接口和物理接口；

◆标准的设备及线缆；

◆通用的计算机及其外围设备；

◆通用的计算机操作系统；

◆较完善的故障诊断和决策支持；

◆用户友好的人机界面体系；

◆PLC无源背板总线，使得所有模块均可带电插拔；

◆PLC的CPU故障处理程序；

◆PLC系统故障诊断至模块级；

◆较完善的备品备件计划。

第四章功能设计

4.1总体原则

4.1.1监控操作优先级

监控操作源有4个：

OCC监控工作站（简称OCC/OS）、SCR监控工作站（简称SCR/OS）、SCR的MCP盘（简称MCP）、设备就地控制箱（简称LCP）。

从系统结构设计角度出发，逻辑上优先级原则是：

根据系统整体结构，越靠近底层的（换言之距离设备越近的）操作源其优先级越高，和人为定义的优先级。

（从运营管理角度而言，其顺序正好相反）

根据这个原则，则上述4个监控操作源优先级顺序关系如表4－1所示。

表4－1

编号

优先级（↑）

名称

操作地点

实现方式

备注

A1

1

LCP

就地控制箱

手自动转换开关，电气方式

A2

2

MCP

车控室

使能钥匙开关，逻辑判断

人为定义

A3

3

SCR/OS

车控室

HMI画面切换按钮，逻辑判断

A4

4

OCC/OS

控制中心

根据工艺设计，系统运行工况有3种：

◆B1：

火灾工况；

◆B2：

阻塞工况；

◆B3：

正常工况。

由工艺要求而知，火灾工况优先级最高，正常工况优先级最低。

结合操作控制源和工况，系统的判断原则是：

先判断操作源，后判断工况，由此将出现下列优先级组合情况如表4－2所示。

表4－2

编号

优先级（↑）

说明

操作地点

备注

A1

1

单台设备就地控制

就地控制箱

A2B1

2

MCP盘火灾模式控制

车控室MCP盘

A2B2

3

MCP盘阻塞模式控制

车控室MCP盘

A3B1

4

SCR火灾模式控制

车控室监控工作站

A3B2

5

SCR阻塞模式控制

车控室监控工作站

A3B3

6

SCR正常监控

车控室监控工作站

A4B1

7

OCC火灾模式控制

OCC监控工作站

A4B2

8

OCC阻塞模式控制

OCC监控工作站

A4B3

9

OCC正常监控

OCC监控工作站

4.1.2设备正常工况控制优先级

正常工况下对设备一级的控制有三种方式：

手动、时间表和自动。

系统默认手动遥控优先级最高。

手动操作在任何时候均有效，即均可以打断时间表或自动控制方式。

当某系统某一设备处于手动状态时，则该系统自动进入手动控制状态，不受时间表和自动控制的限制，并且该系统其余设备均保持控制方式转换前的运行状态。

由于各工艺系统需求不同，其三者关系具体见各工艺系统功能设计。

并非所有系统具有上述三种控制方式，具体陈列如表4－3所示。

表4－3

系统名称

控制方式

备注

手动（遥控）

时间表

自动

隧道风系统

×

×

大系统

×

×

×

焓值计算空调工况

空调水系统

×

×

运营时间决定是否允许空调水系统投入运行

空调工况决定水系统是否运行

冷负荷计算决定机组运行台数

空调小系统

×

×

×

焓值计算空调工况

通风小系统

×

×

给水系统

×

排水系统

×

×

水位决定泵的运行和数量

照明系统

×

×

以上原则是本系统功能设计的逻辑基础！

4.2时间表机制

4.2.1概述

时间表是EMCS系统控制某些工艺系统或设备的一种方式，具体可以由时间表控制的系统如表4－3中所示。

系统允许用户对时间表进行预定义、在线编辑及在线下装操作，时间表最终将存储于各个车站的主控PLC中。

通常情况下，时间表的定义由环调在OCC统一编辑定义完成，下载至各个车站主控PLC，系统允许各车站对本站的时间表做在线局部调整（需要车站级最高权限）。

4.2.2时间表形式

时间表定义以系统为单位，具体如表4－3中所示。

时间表具体形式如图4－1示：

图4－1

系统默认将一个自然日分为6个连续时段（P1～P6），即7个时刻（T1～T7），允许用户对7个时刻任意定义，即时段的长度可以由用户通过改变时间刻度值而改变。

在每个时段内，用户可任意定义该系统内设备的启停，从而完成对该系统的时间表控制。

系统自动判断每个时刻值的合法性，当发现某一刻度值大于下一个刻度值（24小时制时间），系统认为是第二天的时刻值。

当T1＝T7时，系统认为是24小时工作制。

4.2.3时间表类型

系统运营具有一定的特点，和时间有着紧密的关系，即不同时间客流具有明显的时间特性，根据上述，系统设计了3类时间表：

工作日时间表（周一至周五）、周末（周六、周日）时间表和特殊（节假日或特殊日）时间表。

为简化环调对时间表的定义，系统允许用户预定义时间表。

即系统有当前时间表和预置时间表两种。

当前时间表是系统目前正在运行时间表，而预置时间表是用户预先定义，系统将根据用户定义的生效日来将预置时间表转为当前时间表。

工作日和周末时间表具有周期特点，而特殊日不具备周期性，因此特殊时间表需要及时更新。

根据上述系统设计共5个时间表，即：

◆当前工作日时间表；

◆当前周末时间表；

◆预置工作日时间表；

◆预置周末时间表；

◆特殊时间表；

4.2.4时间表更新

系统允许用户对已定义的时间表进行局部调整，包括当前和预置时间表。

当用户修改完毕当前时间表时，系统允许用户立即下载操作，下载的前提是各个系统均处于远程手动控制方式，即此时各系统脱离时间表控制。

预置时间表则不存在此问题，因为预置时间表的生效日一定不是当前日期。

4.2.5时间表和其他控制方式的关系

由“4.1.2”知，正常工况下，系统首先根据某系统的参数设置（选择控制方式：

手动/时间表/自动）并校验某系统是否存在时间表，如果不存在，在非手动控制情况下，有自动控制功能的系统将自动根据系统参数设置情况和状态参数的检测情况运行，而对于无自动控制功能的系统，此时将停止运行。

对于风系统而言，EMCS系统设计有控制方式选项，即强制将某系统切换至某种控制状态，而对于照明系统，则没有此选项，根据优先级原则，手动控制可以改变某照明回路的状态，但该操作只是在当时的时段内有效，过了该时段，系统自动转为时间表控制。

4.3系统运行工况

4.3.1工况说明

根据需求分析，系统支持工况转换，系统运行工况主要有正常工况、阻塞工况和火灾工况，根据控制方式和特殊事件发生位置，三种工况进一步细分包括：

1）正常工况，简称：

正常

正常工况手动（遥控），简称：

正常手；

正常工况时间表，简称：

正常时；

正常工况自动，简称：

正常自；

2）阻塞工况，简称：

阻塞

阻塞工况，简称：

阻塞；

3）火灾工况，简称：

火灾

区间隧道火灾工况，简称：

区遂火；

车站隧道火灾工况，简称：

车遂火；

车站火灾工况，简称：

车站火；

4.3.2工况转换机制

系统将根据各种命令、参数设置或传感器检测值，自动完成上述各工况之间的转换，具体转换机制、原则及条件如表4－4所示：

表4-4

序号

工况转换

转换方法/条件/途径

转换方式

相关系统

描述

备注

1

<－>

系统参数设置

设备直接控制

手动

见表4－3

照明系统例外：

－>

为系统自动

2

<－>

系统参数设置

手动

见表4－3

3

<－>

系统参数设置

手动

见表4－3

主要是空调系统（大系统和部分小系统）

4

1）－>2）

操作员触发模式

手动

TVS

不影响其他系统

ATS触发模式

自动

5

2）－>1）

操作员撤销模式

手动

TVS

此时系统自动按照目前工况参数设置运行

不影响其他系统

6

1）－>

操作员触发模式

手动

TVS

不影响其他系统

7

1）－>

操作员触发模式

手动

TVS/PVS

不影响其他系统

8

1）－>

操作员触发模式

手动

RVS

不影响其他系统

FAS触发模式

自动

9

3）－>1）

操作员撤销模式

手动

RVS

此时相关系统自动进入手动控制模式。

不影响其他系统

10

－>

操作员模式触发

手动

TVS

不影响其他系统

11

－>

操作员模式触发

手动

TVS

不影响其他系统

12

－>

操作员模式触发

手动

TVS

模式发生冲突时，必须先撤销火灾模式，后启动阻塞模式

不影响其他系统

13

－>

操作员模式触发

手动

TVS

同上

不影响其他系统

4.4MCP和主控PLC的切换机制

4.5.1概述

根据合同要求，MCP盘PLC要作为主控站PLC（主控站PLC本身是冗余配置的）的第三重冗余，因此存在MCP盘PLC和主控站PLC对系统控制权的切换问题。

由下图所示系统结构可知，MCP盘PLC和主控站PLC均接入了车站监控局域网，根据冗余要求，监控工作站均可以对他们进行读写操作，对于底层设备而言，要求两者之间的切换应是无扰切换。

综合考虑局域网的实际物理连接和PLC设备自身可能发生的情况，造成它们之间切换的原因主要有两个方面：

1）HMI与主控站各PLC的通讯链路故障；2）主控站PLC（2套PLC）故障。

其中表征为通讯链路故障有下列诸多情况：

◆计算机侧网卡故障；

◆线缆断线或连接出现问题；

◆交换机故障；

◆光纤收发器故障；

◆PLC自身出现问题（掉电、模板故障造成通讯中断等）。

当发生上述情况时，主控站PLC和MCP盘PLC须实时判断并作相应切换处理，以维持系统的正常工作。

4.5.2原则及前提

由于MCP盘PLC只作为主控站PLC的第三重后备，且该事件为小概率事件，因此设计原则与前提是：

◆第三重后备的需求已经从逻辑上定义了MCP盘PLC可靠性高于主控站PLC，因此认为MCP盘PLC不会出现通讯链路和自身故障等问题；

◆当切换为MCP盘PLC作为车站EMCS的主控PLC时，MCP盘PLC提供切换后基本的和主要的控制功能，如设备运行状态检测、手动控制、模式控制等，取消时间表控制、焓值自动控制、PID调节等功能；

4.5.3任务分配

如上图所示，定义如下：

◆正向切换：

主控站PLC→MCP盘PLC

◆反向切换：

MCP盘PLC→主控站PLC

◆通讯链路

：

171网段，IO驱动<-主控站PLC_A（只读）；

◆通讯链路

：

172网段，IO驱动<-主控站PLC_B（只读）；

◆通讯链路

：

171网段，IO驱动<-MCP盘PLC（只读）；

◆通讯链路

：

172网段，IO驱动<-MCP盘PLC（只读）；

◆工作链路：

IO驱动<->底层某PLC设备（可读写）；

◆活动的工作PLC：

可以和IO驱动进程交互数据并具有系统控制权。

切换任务由系统的三个层面协调完成，它们是：

HMI，IO驱动进程和主控站和MCP盘PLC。

由这三个层面分别完成相关的任务如下所述：

1）主控站和MCP盘PLC

负责完成两项任务：

◆主控站PLC完成其A和B的故障自动切换，及接收MCP盘PLC指令的程控切换；

◆MCP盘PLC实现对主控站PLC的工作状态检测，判断并确定当前活动的工作PLC，向IO驱动进程和HMI实时反馈该信息；

◆结合链路情况做切换控制，包括向冗余主控站PLC发出A与B的切换指令，正向切换和反向切换；

2）IO驱动进程（在车站监控工作站上执行）

完成三项任务：

◆应用层与现场层之间的数据传递；

◆实时检测通讯链路的状态，并分别向HMI和MCP盘PLC（只需①②信息）反馈；

◆根据MCP盘PLC反馈的活动的工作PLC信息，选择适应其的工作链路。

3）HMI

完成两项任务：

◆反向切换判断及反向切换触发命令下发（操作员通过HMI完成），及切换后数据初始化处理（自动完成）。

◆负责链路状态显示及故障报警。

4.5.3过程描述

下面就各种切换过程详述如下：

1）正常情况

链路①②③④均正常，主控站PLC的A为活动的工作PLC，B为备用PLC，系统工作链路为①③。

IO驱动进程负责通过①读取主控站PLC的数据，通过①③分别向主控站和MCP盘PLC写数据，并实时检测链路①②③④的状态，以事件形式向HMI和MCP盘PLC反馈。

MCP盘PLC实时检测主控站各PLC的状态，向IO驱动进程反馈哪个PLC为活动的工作PLC信息，如当主控站PLC的A为当前活动的工作PLC时，反馈信息为“1”，当主控站PLC的B为当前活动的工作PLC时反馈“2”，当MCP盘PLC为当前活动的工作PLC时反馈“0”。

2）主控站的PLC均正常，其中A为活动的工作PLC，此时链路①故障（非PLC因素导致）

IO驱动进程检测链路①故障，将该事件发送给HMI，用于HMI触发报警及屏幕状态显示，此时不需HMI做任何操作。

同时将该事件发送给MCP盘PLC，MCP盘PLC通过控制网向主控站发出A和B之间的切换命令，使B成为活动的工作PLC，并向IO驱动进程反馈检测信息（如“2”），此时IO驱动进程根据此信息选择链路

为工作链路。

该过程属于底层PLC适应链路状态。

当链路①恢复正常，则系统恢复正常状态，只是工作链路是

。

3）链路①

均正常，此时主控站PLC的A正常（活动的工作PLC），B出现故障

IO驱动进程检测链路

故障，反馈过程同“2）”。

此时MCP盘PLC和IO驱动进程不作任何处理，维持当前状态。

当B恢复正常，则系统恢复正常状态，工作链路还是①。

4）主控站PLC的B正常，A出现故障，主控站自动由A切换到B，B成为活动的工作PLC

IO驱动进