原创 上海外滩观光隧道SK系统PLC应用技术研究

上海外滩观光隧道SK 系统PLC 应用技术研究
摘要：上海外滩观光隧道SK 系统是从法国引进的城市交通系统。本文叙述
了SK 系统PLC 监控系统的特点及功能。
1 概述
上海外滩观光隧道SK 系统（简称SK 系统）是从法国引进的城市交通系统，
该系统是技术成熟、设备先进的产品，其自动化程度较高，采用可编程序控制器
控制。其软件程序相对较长。要求维护人员在短时间内掌握SK 系统的先进技术，
熟悉系统的软件和硬件，只有这样才能提高对系统的专业维护和加快日常维修进
程的能力。为此上海隧道工程股份有限公司施工技术研究所与上海市黄浦江行人
隧道发展有限公司合作，进行上海外滩观光隧道SK 系统PLC 应用技术的研究。
SK 系统是连接浦东车站和浦西车站的城市交通系统。由缆索牵引的车辆在
两车站之间的钢轨上运行，最多可有14 辆车辆在隧道内运行。当车辆到达车站
的时候，与主缆索脱开啮合，并由减速驱动轮机组承担减速，直至车辆到达下车
站台，乘客下车以后，车辆离开下客站台，随即通过折返平台被折返到另一条轨
距相同的轨道上，并开始反向运行至上车站台，乘客上车以后，由加速驱动轮机
组对车辆进行加速，直至达到主缆索的速度为止，然后车辆与主缆索啮合，直达
下一个车站，如此构成运行循环。SK 系统的功能与电气控制系统密切相关，电
气控制系统确保了各种设备的运行功能以及各种安全装置和检测设备的管理功
能。SK 系统的运行控制系统采用GE 公司90-70 系列可编程序控制器（PLC）控
制，PLC 主站在浦东车站，远程站分布于浦西车站和中控室，它们之间通过Genius
通讯网络进行数据传输。
2 研究SK 系统PLC 监控系统
2.1 PLC 监控系统的组成
SK 系统采用GE 公司生产的90-70 系列PLC 进行控制，是一个完全模块化结
构的系统，CPU 的型号为IC697CPU782，功能模块安装在机架上，机架上有背板
总线，通过这个背板总线，系统中的各个模块相互交换信息。SK 系统采用9 槽
机架，每个机架所采用的电源模块型号为IC697PWR710 55W。
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SK 系统采用基于Genius 网络远程扩展方式。在主机架上使用一块Genius
总线控制器IC697BEM731，提供一个Genius 网络，该网络使用的介质为双绞屏
蔽电缆，最大速率153.6Kbps，最大通讯距离为2286 米，在每个远程机架上用
一块远程扫描器模块IC697BEM733，它作为总线接口，在远程机架上的其余槽内
可放置I/O 模块及通讯模块。
以下就SK 系统所使用的PLC 插件模块作简单的介绍。SK 系统中所使用的数
字量输入模块是IC697MDL653，其模块点数是32 点；所使用的数字量输出模块
是IC697MDL750，其模块点数是32 点；所使用的模拟量输出模块是是4 通道模
块IC697ALG320。另外，SK 系统还使用了远程智能模块，输入/输出点数为32 点
的IC660BBD024 和4 通道高速计数器模块IC660BBD120。
在SK 系统中采用的软件编程方法是梯形图逻辑，运用Logicmaster 90-70
编程软件。
2.2 SK 系统PLC 系统网络配置
SK 系统PLC 分布于浦东站、浦西站和中控室。
2.2.1 中控室PLC 系统网络配置
图1 为中控室PLC 系统网络配置图。
总线1 总线2 总线3 总线4 总线5
至浦东站PLC
终端电阻
BBD024
(E.M)
BBD024
(S.F)
BBD024
(S.G)
BBD024
(S.H)
BBD024
(S.I)
安全面板操作钮:闭塞
区间分路、车门介锁、
紧停、安全故障复位、
联贯性故障复位等。
功能面板操作钮:启动
/停止、设备通电、初
始化、运行速度选定、
功能故障复位等。
行车线路图：车
辆分布情况及相
关安全设备状态
等的显示。
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图1 中控室PLC 系统网络配置图
2.2.2 浦东站PLC 系统网络配置
图2 为浦东站PLC 系统网络配置图。
图2 浦东站PLC 系统网络配置图
总线5 总线6 总线7 总线8 总线9
至中控室 （机架0） （机架1） 至浦西站PLC
PLC
CPX782
MDL653(E.A)
备用槽
MDL653(E.B)
MDL653(E.C)
MDL653(E.D)
MDL653(E.E)
备用槽
BEM731
PWR710 55W
CMM711
MDL653(E.F)
备用槽
MDL750(S.A)
MDL750(S.B)
MDL750(S.C)
ALG320(A.A)
BEM733
PWR710 55W
备用槽
BBD120
(H.B)
BBD120
(H.A)
设备位置
传感器
传动设备状
态（旋转方
向、超速等）
区域位置
传感器
设备供电
状态
闭塞区间
状态等
传动设备编
码器脉冲
传动设备调
速器控制
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2.2.3 浦西站PLC 系统网络配置
图3 为浦西站PLC 系统网络配置图
图3 浦西站PLC 系统网络配置图
2.4 SK 系统PLC 控制系统的软件功能
通过详细分析电气图纸，结合深入现场对照输入输出设备的分布情况，熟
悉了基于Genius 网络通讯的各PLC 站点的分布情况，并详细剖析了每个站点内
总线9 总线10 总线11
至浦东站 （机架2） （机架3）
PLC 终端电阻
备用槽
MDL653(E.G)
MDL653(E.H)
MDL653(E.I)
MDL653(E.J)
备用槽
BEM733
PWR710 55W
MDL750(S.D)
备用槽
MDL750(S.E)
ALG320(A.B)
BEM733
PWR710 55W BBD120
(H.C)
MDL653(E.K)
MDL653(E.L)
备用槽
备用槽
备用槽
备用槽
设备位置
传感器
传动设备状
态（旋转方
向、超速等）
区域位置
传感器
设备供电
状态
闭塞区间
状态等
传动设备编
码器脉冲
传动设备调
速器控制
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PLC 模块的控制功能。有了这些基础，随后的工作主要是分析SK 系统120 个子
程序块，对这些程序块进行归纳、逐句分析，且对PLC 软件功能进行重点剖析。
SK 系统PLC 软件具有两大功能，一部分称为“中控室软件”，其具SK 系统运行
的总控制功能，主要与中控室控制台上的总控制指令按钮和指示灯发生联系；另
一部分称为“车站软件”，其功能主要涉及对浦东车站、浦西车站进行管理。浦
东站和浦西站不直接交换信息，所有的公共信息均有中控室软件来处理。
图4 为SK 系统软件结构图
信息交换
信息交换
图4 SK 系统软件结构图
2.4.1 中控室软件功能
图5 为中控室软件功能图
SK 系统软件
浦东车站软件 浦西车站软件
中控室
软件
中控室软件
设备状态
和故障显
示
控制台
控制
线路调度
车站设备
变量初值预置
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图5 中控室软件功能图
2.4.1.1 控制台控制功能
控制台控制功能涉及中控室操作线路的功能，主要包括设备通电、受电轨
通电、线路运行、为插入车辆的线路停止、线路运行模式、安全故障复位、功能
故障复位、予置线路运行速度、予置车辆数量、系统初始化、单人驾驶安全提示、
轨道闭塞区间分路、折返平台原点检索和报警等方面的功能。
2.4.1.2 设备状态和故障显示功能
主要涉及中控室控制台面板上的显示功能，包括功能故障显示、安全故障显
示、受电轨通电显示、系统通电显示、运行模式显示、折返平台寻找原点显示和
线路运行/停止显示、反映车辆运行状态的模拟屏显示、闭塞区间显示、功能区
域显示、楔键抬起显示、各站台后部隔板移动显示、各站台车门关门受阻显示、
各站台车门锁闭控制故障显示、各站台灵敏感应板故障显示、折返平台限界显示、
车辆限界显示、紧急停车显示、站台手动运行模式显示、故障（信息）编码及注
释显示等方面。
2.4.1.3 线路调度功能
此功能包括两方面的内容。第一是车辆间隔功能，主要是根据对线路上车
辆数和车辆运行速度的予置，来调整车辆之间的间隔；第二是线路调整功能，主
要是管理车站中车辆的流量，以平衡线路及避免车辆堆积在一个车站内。
2.4.1.4 变量初值预置功能
变量初值预置功能只用于中控室程序内部变量计算的需要。
2.4.2 车站软件功能
车站软件分为浦东车站软件和浦西车站软件。其功能是对车站进行管理，包
括对各驱动设备的控制功能、区域调节功能、编码器模数转换、遥控操作、信号
显示和检验、车辆跟踪、故障报警等方面。图6 为车站软件功能图。
车站软件
驱动管理 状态显示和检验 安全功能 变量初值预置
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图6 车站软件功能图
2.4.2.1 驱动管理功能
此功能主要对车站中的驱动装置及其相关设备进行控制、管理。
2.4.2.2 状态显示和检验功能
来自一个车站附属设备的信息处理和传感器状态信息均包括在此程序块
中，其能为操作人员编辑信息，以帮助其营运。
2.4.2.3 安全功能
此功能主要把设备的位置信息、安全装置检测到的故障和PLC 对某些安全元
件上的检验信号反馈到中控室，并以此来作为相关驱动设备的运行控制。
2.5 SK 系统的故障分类总结
为达到进行专业维护保养和加快维修进程的目的，详细剖析了程序，编制
了SK 系统的故障分类表，把SK 系统的故障进行了归纳、细分（参阅图7）。
图7 SK 系统故障分类结构图
2.6 《上海SK 系统故障（信息）编号与PLC 程序变量关系表》的汇总
SK 系统每发生一个故障或有操作信息，都会在故障（信息）显示屏、打印
机上显示或打印相应的日期、时间、故障（信息）编号及注释。
在《上海SK 系统故障（信息）编号与PLC 程序变量关系表》中详细列举了
SK 系统
故障分类
功能故障综合
安全故障综合
故障综合
可逆故障综合
安全报警综合
功能报警综合
报警综合
不可逆故障综合
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每个故障（信息）与相对应的PLC 程序变量的关系，有助于维修人员在SK 出现
故障时对输入输出设备的状态进行实时监控，加快维修进程。
2.7 《上海SK 系统PLC 程序流程图》的绘制
在制造商提供的技术资料中，对SK 系统中各传动设备的运行模式及相互间
的联锁关系涉及较少，这将影响维护人员对整个系统的熟悉程度。只有重点剖析
系统的运行控制原理，结合钻研技术资料与现场实践，才能弥补这方面的不足，
为此依据PLC 程序绘制了《上海SK 系统PLC 程序流程图》，目的是协助维修人员
对SK 系统运行方式作全面的了解，以期能在发生故障时能作出快速反应。
3 研究SK 系统的运行功能
图8 SK 系统运行框图
3.1 SK 系统主要运行环节：
车辆加速
钩住主缆索
隧道中的驱动
与主缆索脱钩
车辆减速
停靠站台
车门开启
车门关闭
车辆再次启动
停靠站台
车门开启
驶下折返平台
折返
驶上折返平台
车门关闭
车辆再次启动
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3.1.1 钩住缆索
通过夹钳使车辆夹住驱动缆索。此夹钳的夹紧，通过一称重系统与车辆的重
量相联系，通过连杆，称重系统能获得与车辆负载成正比的夹紧力。在车站的出
发处，车辆被加速以后，固定安装在轨道中的搭板，能通过夹钳上的力臂，使夹
钳开启和闭合。车辆钩住缆索以后，就被缆索所驱动，车辆以缆索的速度运行至
下一车站为止。
3.1.2 与缆索脱钩
在进入站台和减速之前，固定安装在轨道上的一个搭板使夹钳的力臂抬起，
这样就使夹钳开启，车辆与缆索脱钩。
3.1.3 加速/减速
在加速和减速阶段，车辆不再与主缆索相连接，而由驱动轮机组进行驱动，
驱动轮机组由自动控制设备控制，正常运行时能使车辆在0～5.5m/s 的范围内变
化。
3.1.4 开门/关门
车门的开启和关闭由固定安装在站台下面的开门/关门机构加以确保。当车
辆到达站台的时候，安装在每辆车上的传感器对地面上的检测钢板进行检测，并
对车门解锁。
在开门的时候，固定安装在站台下面的控制机构使车门支杆松开，并在车辆
从站台前通过期间拉住后门扇。
在关门的时候，固定安装在站台下面的控制机构则在车辆从站台前通过期
间拉住前门扇。
3.1.5 车站中的驱动
在车站中，通过一套驱动机构控制车辆停靠车站或离开车站，以便让乘客下
车或上车。
3.1.6 折返
在下客站台的终端，车辆被送上折返平台，然后由折返平台上的一套动力装
置负责折返。折返平台处的位置传感器则给出车辆定位信息。
由动力装置确保折返平台的回转，而限位挡块使平台转动结束后定位。折返
后车辆被送至上客站台。
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3.1.7 安全检验
SK 系统中配备有多种安全和检测装置，以防止运行期间可能会出现的各种
故障。
根据最大制动距离，每条轨道被分成20 个闭塞区间。由感应式传感器对这
些闭塞区间加以限定，并通过自动控制系统，确保防止车辆碰撞。
若在运行期间有严重异常情况出现，例如缆索断裂或区间闭塞规则得不到遵
守，轨道中安装的楔键能使车辆与缆索脱开，并使车辆制动。
在车站中，乘客的安全由下列设备加以确保:
·站台前防止检测人员或物品跌落的灵敏感应板；
·上客或下客站台内防止车辆可能产生钩挂的站台后部隔板；
·车门未锁紧就离开站台时，使系统停机的检测装置；
·分布于现场的摄像机，由中控室负责监视；
·若干紧急停机按钮开关。
4 结束语
对SK 系统PLC 应用技术的研究是为了在短时间内掌握SK 系统的先进技术。
经过努力，在分析PLC 控制系统的组成、系统软件功能的基础上，对系统的故障
分类、系统故障（信息）编号与相关PLC 程序变量关系表、PLC 程序流程图等作
了归纳、总结，提高了对系统的专业维护和加快日常维修进程的能力。