吴瑶

摘 要：跨座式单轨交通在城市轨道交通中的应用因其具有的诸多优势，得到飞速发展。作为单轨列车折返、换线的重要连接设备，单轨道岔的关键作用及其技术发展更成为研究的方向。PLC及其冗余技术具有的显著特点和优势，使其技术在未来可以飞速发展，采用PLC冗余技术可以让道岔在运行中按照系统任务进行工作的调整，确保设备受故障影响小。PLC冗余技术在跨座式单轨交通道岔设备中的应用可以起到全面监督控制的作用，并且便于操作，同时具有更高的稳定性和安全性。

关键词：PLC冗余技术;跨座式单轨交通道岔设备;应用

1 PLC冗余技术介绍

1.1 PLC冗余技术的概念

PLC冗余系统的工作主要是通过对影响安全及生产的效率的重要设备或关键位置应用双系统的主从配置进行控制，如果在工作过程中，主系统不能正常工作时，从系统就可以迅速取代主系统承担监视控制的作用，从而使设备在运行过程中，不会因为主系统工作障碍而受到影响，提高了PLC控制系统的安全性。冗余技术主要可以分为硬冗余和软冗余两种形式。

1.2 PLC冗余技术的两种形式

硬冗余指的是在PLC系统中人为的添加某些相应功能的硬件，从而保证在生产过程中，如果发生某部位故障，则会通过PLC系统的连锁实现相应功能的硬件投入工作，达到系统继续工作的效果。硬冗余相对来说有较强的执行速度，也就是说如果系统中某一部位发生故障，PLC冗余系統就会迅速作出反应。但是也有一定的缺点，硬冗余系统的设置需要投入的硬件连接相对较为复杂，增加了成本的同时也增加了系统的故障点。

软冗余指的是利用软件系统实现的程序中冗余逻辑的建立，这种建立可以确保在系统出现问题时及时进行数据切换，从而实现系统的继续工作。软冗余的优点就是变成系统相对简单并且成本较低，可以通过逻辑解决大部分的问题。但是在实际应用过程中因为缺乏关键部位，系统也会受到一定程度的影响。

PLC冗余技术的应用主要是想要在系统发生故障时可以及时进行有效的处理，从而保证系统的正常运行，实现系统不会因为故障而影响生产。在冗余技术的应用过程中，硬冗余和软冗余都有其自身的优点，因此在具体的应用过程中，还需要在两者中间找到一个平衡。

2 PLC在道岔设备中的应用情况

目前，日本跨座式单轨道岔在电路中采用了日立H-200型PLC，国产跨座式单轨单开道岔采用了S7-200型PLC，国产跨座式单轨三五开道岔采用了S7-314型PLC，但都只用于道岔设备的监视报警。PLC均未参与道岔转辙控制，控制电路仍以安全型继电器完成道岔运行命令。

在PLC系统施行监控管理的过程中，可以有监视模式和计测模式两种。监视模式是将道岔转辙动作划分为多个阶段，然后监视各阶段的动作时间是否在预先设定的时间内，比较后判断有无异常。计测模式对动作时间是否超过规定时间不作判断。记录的项目与监视模式相同。以国产船舶道岔为例，其控制系统采用西门子S7-314系列PLC，MP277-8''人机界面，5个DI模块（6ES7-321-1BH02-0AA0）及1个DO模块（6ES7-322-1BH01-0AA0）。对道岔系统主控信号状态、挠曲电机及故障信号监视、各类位置开关状态的监视，同时在人机界面输出对各类信号、状态的监视信息及详细的故障报警信息。完成对道岔系统整个运行过程的监控。该PLC仅用于对道岔设备各部件及动作的监视报警，未参与道岔转辙控制，控制电路仍以安全型继电器完成道岔运行命令。

安全型继电器因其可靠的动作原理，较强的环境适应性，在控制回路中作为逻辑判断执行的器件，组成继电器控制回路接收、判断、执行及信号反馈。但继电器控制电路仍存在诸多缺点，如体积大、功耗高、动作速度缓慢等。同时，多开道岔转辙位置较多，动作及控制逻辑回路较为复杂，导致更加大量的使用继电器及触点，造成设备故障点增多，不易检修。

3 PLC冗余技术在单轨道岔设备的应用探讨

软冗余控制系统在上海低速磁浮道岔电控中进行了试用，各项控制指标满足现场的使用要求，从2007年至今运行状况良好;硬件冗余系统应用在上海高速磁浮系统中，从2002年通车运行至今，道岔现场和运控中心通过大量数据交换，实现了道岔运行机构状态的实时监控。PLC冗余技术目前在跨座式单轨道岔系统设备中暂未应用，跨座式单轨道岔设备在电路设计中使用PLC冗余技术不仅可以用于设备相应的监控报警装置，同时也可以参与到道岔设备的转辙控制中去，PLC冗余技术可以让系统更加完善，使设备在运行过程中，发生故障时受到的影响也更小。目前考虑转辙控制电路、监视报警采用PLC冗余技术方案如下：

3.1 软冗余方案

以西门子PLC为例，S7-300系列可以实现软冗余，而S7-400可以实现软冗余或者硬冗余。

软冗余系统的硬件配置采用两套西门子S7-300 PLC（A、B）、I/O模块，2个ET200M模块，DP口连接ET200M模块，构成主、备两个系统分别与从站的两条PROFIBUS-DP通讯链路（PROFIBUS1、PROFIBUS2），组态成两个Profibus网络。这里主系统与备用系统的数据同步通讯链路考虑采用PROFIBUS总线，（数据同步所需要的时间取决于同步数据量的大小和同步所采用的网络方式，MPI方式周期最长，PROFIBUS方式适中， Ethernet网方式最快）。

软件系统包括1套STEP7编程软件（V5.x）及软冗余软件包（V1.x）。S7-300软冗余系统的用户程序包括非冗余程序段、用户程序段、系统诊断功能块、站间冗余数据备份等组成，一般将非冗余程序段写入OB1中，而冗余程序段写入OB35中。

软冗余系统进行工作时，A、B两个控制系统（PLC、通讯、I/O）独立运行，由主系统的PLC掌握对ET200从站的I/O控制权，A、B系统中的PLC程序由非冗余用户程序段和冗余用户程序段组成，CPU在执行冗余程序之前会读取系统的冗余状况，首先启动系统冗余数据同步功能，调用FB101功能块，根据状态字判断是否为主控制器，是否需要执行冗余程序段，若为主控制器执行冗余程序段，否则停止系统冗余程序段。

3.2 硬冗余方案

仍以西门子S7-400H系统为例，S7-400H系统的重要部件都是冗余配置，包括冗余的CPU、供电模件和用于冗余CPU通讯的同步模块。根据控制过程需要，还可以配置冗余客户服务器、冗余通讯介质、冗余接口模件IM153-2等。确保了系统的安全可靠性。

硬冗余只需对一台PLC进行编程，程序可自动拷贝至另外一PLC，当一套系统出现问题时，自动切换到备用系统，同时具有自动事件同步，集成的错误识别和错误定位功能，操作期间可对系统进行修改等特性。CPU之间同步的途径不一样，这个是软、硬冗余的根本区别，软冗余两个CPU通过MPI口或者PROFIBUS-DP模块或者以太网模块进行数据同步，在程序中需要需要加软冗余包程序支持。需要在程序中设定一些冗余参数。而硬冗余通过加同步模块和同步光纤实现同步功能，不需要软件包支持。软冗余主从切换时间比较长，一般为秒级，硬冗余主从切换时间比较短，一般100毫秒以下。但硬冗余系统更为臃肿、成本更高。

4 结束语

随着计算机技术和电控技术的发展，安全型继电器控制方式将逐渐被淘汰，PLC冗余技术在跨座式单轨交通道岔设备中的应用具有操作更加简洁方便，反应更加迅速，同时对于系统保护性更强等特点。在当前使用的跨座式单轨道岔设备中，并没有完全发挥出PLC系统的优势。从长远角度来看，PLC冗余技术的应用可以更好地保证跨座式单轨道岔设备在运行过程中的安全，在未来有广阔的发展前景。

参考文献：

[1]陈源，倪尉，杨锐.跨坐式单轨道岔电气故障诊断系统方案设计[J].城市轨道交通研究，2019，22（10）：111-113.

[2]胡爱锋，杨玉群.重庆单轨交通道岔电控系统的设计研究[J].铁道工程学报，2009，26（11）：73-75+80.