门禁系统在行李处理系统中的应用

高燕 蔡咏德

摘 要：门禁系统属于楼宇控制科技，PLC控制系统属于工业控制科技。两个独立的系统不同的科技溶于同一系统内在国内是首例。上海浦东机场1号航站楼行李处理系统把门禁系统与PLC控制系统溶为一体，也是行李处理系统的首创。该文就详细介绍了航站楼行李处理系统中的西门子SiPass门禁系统；门禁系统与PLC控制系统接口工作方式；门禁系统中难点、不足之处、运行中发现的问题以及解决方法。

关键词：Siemens SiPass 门禁系统 BHS行李处理系統 S7-400 机场行李托运值机系统

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）01（b）-00-06

Abstract：Siemens SiPass system belongs to the building control technology， PLC control system belongs to the industrial control technology. Its the first time in China to use those two independent systems in the same control project. And its the first time in the baggage handling industry to use this solution. This paper introduces how does PuDong airport baggage handling system use Siemens SiPass， how does the interface work with SiPass system and PLC control system. What is the difficulty and deficiency in the entrance guard system， and what is found in the operation and solutions.

Key Words：Siemens； SiPass； Entrance guard system； BHS baggage handling system； S7-400； Airport Baggage check-in system

1 项目简介

1.1 背景介绍

上海浦东国际机场三大国际机场之一，与北京首都国际机场、香港国际机场并称为中国三大国际航空港。上海浦东国际机场位于上海浦东长江入海口南岸的滨海地带。

浦东机场一期工程1997年10月全面开工，1999年9月建成通航。为满足上海地区航空业务量持续快速增长和建设上海航空枢纽的需要，上海国际机场股份有限公司（简称“上海机场”）决定投资12.23亿元建设上海浦东国际机场一号航站楼（T1）改造项目。根据浦东机场总体规划，T1航站楼将与S1卫星厅形成一体，年旅客处理量将达到3600万人次以上，因此必须对T1航站楼进行改造扩建。此次改造按浦东机场T1航站楼远期年旅客吞吐量3680万人次的运行能力设计，在不停航的情况下组织实施，涉及建筑流程改造工程和行李处理系统改造工程两大部分。

1.2 行李处理系统BHS简介

上海浦东机场T1行李系统主要包括16条行李出发线、2条再值机出发线、220个值机柜台、13条行李到达线、2套托盘式行李分拣机、6条中转线（见图1、图2）。

行李处理系统机械设备由不同类型和功能的输送机组成，从值机到转载的每条输送线按以下设备组成，即值机输送机（存放输送机、电子秤输送机、等待输送机）→收集输送机→下降输送机（包含转弯输送机）→分流输送机→下降输送机→转盘（见图3）。

行李处理系统的控制系统由信息处理系统、设备监控系统及PLC控制系统组成（见图4）。

1.2.1 PLC控制系统

上海浦东国际机场T1航站楼行李系统改造工程是在充分考虑运营和维护需求的基础上，集成SCADA和安全系统。

系统被划分成更多的PLC区域分组，每一个分组都是独立于其他的分组控制，它有独立的控制指令[1]。当其中一个分组需要维护或者关闭，不会影响到其他分组的运行。每一个分组的控制都可以通过SCADA或者操作面板发送指令来控制。

PLC控制系统总共被分为24个分组。分为值机线（1～16）、中转线及人工编码（17～22）和到港（25，26）。

详细的分组见图5。

1.2.2 PLC控制系统架构

每个分组PLC控制系统采用西门子PLC S7-400系列，因为设备离控制柜较远，现场的IO都通过总线的方式与控制柜内CPU连接（见图6）。

以下方面为PLC控制系统中SIMATIC产品类型及作用特点[2]。

（1）CPU416-2DP：为S7-400系列中比较高档的CPU。此CPU的性能、可靠性，确保BHS系统的稳定运行。

（2）CP443-1：机架上采用双网卡[3]。BHS网络十分重要，一般采用双冗余系统（见图4）。从上位监控系统到PLC网卡，有2条独立的路径，当其中一张网卡发生故障的情况下，上位监控系统可以自动切换至另一张网卡继续工作。

（3）Profibus网络：采用了1.5Mbps通讯速率。单个DP网络最长距离不超过100m，并且不小于1m，以确保系统设备的稳定连接。

（4）DP-DP coupler：实现两个PLC控制分组之间的数据交换。用于一个值机到两条值机输送线之间设备运行信息的传递。实现两条值机输送线之间互锁、联动启动/停止运行。

（5）DP-ASI网关及相关的远程IO和控制设备[4]：AS-I网络采用总线的方式连接控制回路和主回路，整个系统线缆铺设简单，系统易于维护和保养。AS-I网络十分适用于BHS系统。BHS系统设备占地空间比较庞大，整个候机楼的长度、宽度、从地下-2m到候机楼3楼都属于BHS设备。整个BHS系统输送线长度累计起来，有三十几公里。虽然空间大，但每个单体设备控制点数很少。例如，每节输送机一个站点只有3点输入信号（模式、故障、光眼信号）1点输出信号（起停）。这种分布广泛每个节点控制点系统适用AS-I网络结构，并且性价比极高（比Profibus网络便于许多）。

系统网络示意图见图7。

2 控制系统构成

2016年年初，上海浦东机场一号航站楼行李处理系统改造完成。1号航站楼的行李值机柜台/输送设备管理进入一个崭新的模式。于以往模式不同，新模式增添了对每个行李柜台及设备授权控制。只有给予授权的航空公司操作人员才能使用值机柜台，系统对操作人员记录，并能追溯管理。

为了达到以上功能，行李处理系统引进一套门禁控制系统。门禁控制系统通过IC卡对每个控制点授权控制。控制点安装在每个值机柜台，从而实现对每个柜台授权控制。

门禁系统采用西门子楼宇科技（SIEMENS）的SiPass集成版门禁系统，SiPass系统是一套全面的集成的安全解决方案，其在一个单独的友好的界面中包括了门禁控制、人像管理、制卡打印、卡编码、巡更、通讯、CCTV、数码影像、记录管理和其他系统应用的接口等。

SiPass是运行于微软公司Windows操作系统下，32位的、多任务的门禁系统通道控制和安防管理系统。它可以简单地运行在局域网上。

该系统具备以下主要功能。

（1）系统可分时段设置某张卡在该时段的合法性。

（2）具有事件检测功能。例如非法卡读卡记录、通信故障检测、防撬检测等。

（3）系统软件具备丰富完善的记录查询功能与报表功能。系统软件支持网络在线升级。

系统能详细记录每次使用的时间、日期、进出人员的卡号、姓名、隶属部门、职务等资料，可按不同的查询条件查询。

2.1 采用PLC与SiPass实现权限管理的原因

一般运用场合，人机接口会采用西门子的HMI触摸屏实现权限管理。用户管理可以在运行期间控制HMI设备上的数据和功能访问，目的是为了避免HMI设备的数据和功能受到未经许可的操作。在工程系统中组态用户管理功能，并将其传递到HMI设备。

HMI触摸屏上，用户管理分为：（1）用户、用户组和访问权限的管理；（2）为组态的各个对象分配相应的访问权限。

操作权限指对某个对象的访问权限或者执行特定操作的权限（例如修改输入值、过程配方）。可为每个可组态对象（I/O框、按钮等）分配操作权限。

用户组是特定操作权限的组合，即一个组内的所有用户具有相同的操作权限。可以将不同的操作员视图映射到用户组。用户是对操作人员的统称，将每个操作员分配到相应的用户组中，从而获取各自的操作权限。因此操作员只能访问有访问权限的对象。通过用户名和相关密码登录到操作面板。

用戶访问一个对象（例如点击一个按钮）。Winccflexible在运行系统中检查受访问对象是否受到保护。如果访问不受保护，则执行对象中组态的功能。如果访问受到保护，则Wincc flexible判断登录用户从属的用户组。从而建立用户的操作权限。

而机场是一个特殊的运用场合，权限管理具有以下特点。

（1）人机接口众多，只T1航站楼就有220个行李托运值机柜台，每个值机柜台就是一个人机接口。如果全部使用触摸屏将会一个很大的建设成本。

（2）用户众多，仅是T1航站楼将近700个用户。并且一个办票值机岛会在不同时段交给不同航空公司使用。

（3）用户组众多，即航空公司众多。

（4）不存在监控与操作的权限区别，只有操作权限与没操作权限的区别。

（5）监控室的服务器上记录详细信息，如操作人员的每个操作、操作时间、操作人员的详细信息（属于哪个航空公司、姓名、身份证号、性别等信息）。

传统的HMI与PLC实现权限管理在机场特殊场合行不通，所以经过研究和比较使用西门子SIPASS与PLC实现权限管理。SIPASS是西门子门禁系统的产品，与PLC的结合，既可以解决权限数量之多问题，也可以解决实时后台服务器记录查询问题，还解决了机场建设费用问题，提高了性价比。

2.2 行李处理系统中SiPass门禁系统结构简单介绍

整个门禁系统自上而下由3层网络：控制器和服务器之间是以太网协议；控制器到接口模块之间是RS485协议；接口模块到读卡器之间是标准韦根协议。

门禁系统和PLC之间，由接口模块以及插卡器和PLC之间以硬接线的方式进行连接。

（1）系统结构图见图8。

（2）设备配置。

①服务器/应用软件。

富士通的机架式服务器，配置为：CPU Interl至强5600，内存8GB，硬盘2TB，双电源设计，转换率91%以上，取得80PLUS白金认证，19寸宽屏，操作系统Windows server 2008 R2标准版。富士通台式操作员站，配置为：CPU Internet酷睿i3第三代，内存4GB，硬盘500GB，19寸宽屏，操作系统windows7专业版。

②控制器。

西门子ACC高级中央控制器AC5102作为门禁系统的控制器。并且配置了西门子ACC门禁控制器箱体，箱内含电源，将230VAC转换成门禁的12VDC。

③接口模块。

由于机场的柜台相对比较集中，采用西门子的八读卡器接口模块ADE5300。

④读卡器。

读卡器采用西门子的6100CKN000，标准读卡器产品。

2.3 行李处理系统中SiPass门禁系统特点

与一般门禁系统的不同，此SiPass门禁系统控制对象是机场航站楼的值机柜台而不是楼宇中出入门。读卡器安装在每个值机柜台的控制面板上（见图9、图10、图11）。读卡器通过接口模块与门禁控制器联通，并接受控制器的控制。行李控制室配有服务器对门禁控制进行配置及实时数据采集记录。

2.4 SiPass门禁系统行李处理系统BHS接口

值机柜台控制只是行李处理系统中的一小部分，因此门禁控制系统也只能作为行李处理系统的一个子系统。但两个系统又是独立的控制系统，所以要集成为一体必须两个系统之间建立有效的接口。值机柜台及设备控制由行李处理系统中PLC控制子系统处理[5]。两个系统之间的接口即为PLC控制系统与SiPass门禁系统的接口。

（1）接口信号。

①卡插入信号：IC卡插入插卡器后，一个触点信号送给PLC。

②有效卡信号：读卡器读到有效卡后，送一个信号给PLC。

③柜台开启：PLC接受到插卡信号和有效卡信号，结合设备状态反馈给门禁系统柜台已开启信号。

④授权检测信号：BHS系统需检测授权时通过PLC发出此信号给门禁系统[6]。

（2）信号时序图见图12。

3 系统存在的问题及弥补措施

3.1 调试时发现的问题

现象：读卡器死机。

标准门禁系统是IC卡接近读卡器瞬间得电，读完数据，卡片离开。而IC卡长期插在插卡器中，会使读卡器死机，不能在读IC卡不再会给PLC“有效卡”信号，造成值机柜台无法使用。

分析：

IC卡及读卡器工作的基本原理是：射频读写器向IC卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个IC串联协振电路，其频率与读写器发射的频率相同，这样在电磁波激励下，LC协振电路产生共振，从而使电容内有了电荷；在这个电荷的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储，当所积累的电荷达到2V时，此电容可作为电源为其他电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接受读写器的数据。

解决措施：

将插卡信号串入读卡器的供电回路。

IC卡插入时，读卡器得电后自动读出卡信息。当IC卡拔出时，读卡器电源被切断。IC卡再次插入时，读卡器重新得电并读出卡信息。每次读IC卡前，读卡器被断电再上电过程，解决了死机问题。

调试前后接线原理图见图14、图15。

3.2 试运行时遇到的问题

现象：

航空公司操作人员把名片和IC卡同时插入。在读卡器读出信息并发信号给BHS系统后，操作人员取出IC卡把名片留在插卡器中。门禁系统和BHS系统没有检测到此现象，仍认为有效卡没有关闭值机柜台。

分析：

门禁系统只在IC卡插入时读卡器读卡信息，之后不会再次自动读卡信息。PLC系统对门禁系统的“有效卡”信号（信号为脉冲）有记忆功能，直至插卡器内卡拔出后撤销信号。因此无法判斷IC卡是否被拔。

解决方法：

读卡器或接口模块上电时读卡器会自动读出卡信息。通过短时切断电源重新恢复上电，使读卡器重新读卡，来判断IC卡是否被拔出。

PLC系统通过授权检测信号控制读卡器读写卡信息。平时“授权检测”信号让接口模块得电，当需要检测IC卡时，“授权检测”信号断开再恢复接口模块的电源[7]。

详见图12中的接口信号时序图中授权检测信号中第二脉冲。

在值机柜台开放时，BHS系统需不断检测IC卡。然而频繁地切电对设备有损害，但是检测间断太长又起不到效果。所以检测时间是关键。经过观察发现运行初期多次读卡，操作人员插入的名片不起作用后，操作人员换回了IC卡。因此只需初期检测时间短点，后期检测时间越长越好（见图6）。

IC卡检测时间T公式：

T=（n/5+1）·t （1）

其中：T为检测时间，PLC计时到检测时间转变“授权检测”信号切断模块电源2s后恢复电源；

n是最小检测时间，此参数可在配置面板设置；

n是断电次数，n=n+1；n>1000时n=1；

4 项目运行

目前上海浦东T1航站楼改造完毕，值机岛220个值机柜台已全部启用。门禁系统也随着同时启用，运行状况良好，用户十分满意。系统已制作了700多张IC卡，分发给各家航空公司值机人员，包括国内、国际航空公司。

门禁系统实时监控画面见图17。

5 应用体会

这是第一次在行李处理系统中采用门禁系统控制行李托运值机柜台。查阅许多资料，也没找到借鉴的经验。只有在项目实施过程中不断摸索，发现问题及时研究解决。好在浦东机场T1行李处理系统改造项目时间跨度比较长，又在候机楼不停航的情况下组织实施，所以值机岛是一个一个改造施工，做完一个值机岛马上投入运行后，再施工下一个值机岛。在调试和试运行中发现的问题，在下个值机岛改造中直接给予纠正，并且能够快速得到验证。

参考文献

[1] Brian Edwards.The Modern Airport Terminal[M].Brian Edwards Taylor & Francis e-Library Publishing，2005.

[2] Yu Huiqun，Xu Chunmei.Design and Implementaion of the Key Technologies for Baggage Handling Control System[A].2010 International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation[C].2010：958-961.

[3] SiPass使用手册（SiPass 2.11）[Z].

[4] S7-400产品目录ST70_3C[Z].

[5] SIEMENS工业通讯产品目录IKPI2011[Z].

[6] S7-400指令列表 CPU 412、414、416、417[Z].

[7] 崔坚.西门子工业网络通信指南[M].北京：机械工业出版社，2005.

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2020-10-29