隧道监控系统PLC的应用分析

摘 要： 本文简要介绍了当前我国隧道监控系统的构成，在此基础上分析了控制系统的整体解决方案以及其区域控制器（PLC）及网络的选型，同时以天津津蓟高速公路项目为例，详细分析了单隧道和隧道群的具体解决方案，最后分析了隧道监控系统的改进与发展。

关键词：可编程控制器     隧道监控系统

Abstract：In this paper, the structure of tunnel control system at present in China is described firstly, and on the basis of it the whole scheme and configurations about core region controller and communication network are analyzed , and at the same time, some total solutions of tunnels based on building or built project in Tianjing are provided in detail, and in the end  the application and improvement and development of tunnel control system is given.

Key Words：PLC ， Tunnel control system

一、引言

　　随着交通道路的不断发展，作为其一个重要环节的隧道，其数量不断增加，建设可靠、稳定、先进、经济的隧道监控系统已经成为工程界和公路营运管理部门共同关心的问题。现代控制技术的发展大大提高了公路交通的信息化和智能化程度，与3C技术相结合的PLC以其卓越的可靠性、抗干扰性以及灵活的控制方式成为隧道监控系统的核心控制器，他们与开放的网络通信系统一起，共同推动着隧道监控系统的发展。

二、系统简介

　　隧道监控系统按照各个子系统分可分为：照明系统、通风系统、交通诱导系统、CCTV系统、火灾报警系统、消防控制系统、紧急电话系统、广播系统等。按照设备的类型分可分为：检测设备、控制设备、显示设备和通讯设备。检测设备如：火灾报警探头、车辆检测器、COVI、能见度检测仪、风速风向仪等；控制设备如交通区域控制器、照明区域控制器、通风区域控制器等；显示设备如：计算机工作站、大屏幕监视器、声光报警器等；通讯设备如：交换机、集线器、串口信号传输设备、光端机等。

　　当前隧道监控模式主要分为两种，一种是适用于短隧道的集散式控制模式，一种是适用于长隧道的分布式现场总线控制模式。前者布线复杂，造价较高，由中控室对现场设施进行控制与管理，后者施工方便，不但造价较低，而且可靠性较高，其又可分为全分布式现场总线控制和集中式现场总线控制。全分布式现场总线控制模式，中控室对现场设施不直接进行控制，由现场各种设施的控制器进行控制。分布式现场总线控制模式从网络构成来看，一般分3个层次：上层为中央计算机系统，即本地控制中心，中间是由各区域控制器组成的控制层，下层为各种检测设备和控制及诱导设备组成的设备层。

　　本地控制中心一般由现场监控工作站(控制计算机)、监控系统软件、主区域控制器及相应的附属设施构成，用于实现对整个隧道监控系统的统一监控。监控系统软件运行于现场监控工作站上，并不断与PLC控制器交换数据，实时地把所有设备的当前状态以图表、颜色、闪烁、数值等方式显示在操作界面上；而操作人员在操作界面的每个动作，也由监控系统软件将相关的命令、参数写入PLC，实现设备的手动控制。

　　隧道控制的核心思想就是将所有纵向及横向的系统有机地结合起来，通过算法分析，最终实现智能化控制。区域控制器就是其实现的核心。各区域控制器负责采集现场检测设备的信息，处理后传给本地控制中心，而本地控制中心的控制命令则发给区域控制器，再由区域控制器直接控制相应设备。在本地控制中心与区域控制器通讯中断的情况下，区域控制器仍然具备独立控制现场设备的能力。因此区域控制器应高效且高度可靠。

　　除现场控制设备，整个系统的通信网络则是保证系统能否高效运行的关键。长隧道、特长隧道以及隧道群的出现已经越来越多，单洞内的区域控制器就越来越多，这就意味着网络的结点在不断增加。通讯网络不仅要具有较高的通讯速率以保证大量数据的有效传输，还必须具有容错的能力以提高通讯的可靠性，即网络上出现故障时能够实现自恢复，同时，构成通讯网络的设备必须满足工业级要求，以适应隧道内苛刻的工作环境。系统还需要具有很好的可扩展性，使得设备更新与增加、功能改善与变化，都能最大限度地应用原有系统。隧道监控的环境相对比较特殊，隧道所处的山野防雷非常重要，隧道中的控制箱经常会遇到潮湿甚至漏水的侵扰，而一些高原隧道面临严寒和低空气密度，特别是长大隧道中的汽车烟尘很容易附着在密封不好的控制箱中设备上，这些烟尘具有一定的导电性，从而造成本地控制器等设备的早期故障或损坏。

三、系统构成

　　隧道监控系统，分布性强，干扰强，环境较差。网络系统对隧道监控安全、可靠、有效的运行非常重要。在隧道监控系统的结构上，国内公路监控系统在管理体制上主要是三级管理，即管理中心、管理分中心和管理所。由于管理所不直接对隧道的设备进行控制，因此工程界按照系统结构的划分把监控系统划分为信息层、控制层、和设备层。针对这三层网络，世界上主流的自动化厂家都有相应的产品，如表一所示。

表（一） 三层网络构成一览表

　　第一层为信息层，主要负责大量信息及不同设备之间的信息传输，工业以太网Ethernet为目前较常用的一种信息网络，世界各大PLC生产厂商均支持工业以太网，并且他们在原有TCP/IP的基础上，相继开发出实时性更高的工业以太网，如欧姆龙和罗克维尔支持的Ethernet/IP，施奈德支持的Modbus-TCP/IP以及西门子支持的ProfiNet等。由于Ethernet的信息量大，因此在隧道监控上以太网主要用于各个隧道管理所与监控中心的数据传输，包括各种交通流量信息，各传感器数据等大量历史数据信息。

　　第二层为控制层，主要采用现场总线组成隧道区域控制器网络，其特点是由于采用了标准总线组网，既能满足实时通信的要求，又具有开放协议的标准接口，能在总线上方便的挂接各种外场设备，有利于监控系统的扩展。目前，现场总线有40多种，主要有Controller Link、LonWorks、Inetrtbus、Profibus、Can和Modbus。他们的共同特点是高速、高可靠，适合PLC与计算机、PLC与PLC及其它设备之间的大量数据的高速通讯。为使系统的稳定可靠，控制层的网络结构多采用环网的方式组成，包括线缆型和光纤作为传输介质，具体组网将在后面作出实例说明。

　　第三层为设备层，这一层用于PLC与现场设备、远程I/O端子及现场仪表之间的通讯，它们有DeviceNet、Modbus以及Profibus/DP等，其中DeviceNet已经成为工业界的标准总线而得到了广泛的应用，而Profibus/DP虽然没有成为标准，但是它的应该也相当广泛。

　　近来年以太网的广泛应用使得人们把目光投向了现场总线上来，工业以太网是否最终将取代现场总线仍然是一个争论的话题。然而，不论是Ethernet/IP还是Modbus-TCP/IP，当前以太网在一些重要的性能指标上仍然无法具有现场总线的特点和优势。从本质上来讲，以太网的载波帧听冲突监测CSMA/CD的访问方式，实时性并没有现场总线采用的令牌总线和令牌环的访问方式高，不论人们采用何种方式，如协议封装、分时访问控制等，都只能改善以太网的实时性，起不到本质的改变，隧道控制的一个核心思想是必须保证隧道的安全尤其是突发事件时候隧道的安全，如果突发事件的发生造成数据访问发生碰撞，使得信息不能及时得到处理而导致重大事故，后果将不堪设想。在当前技术还未完全成熟之前，现场总线应用于控制层，是一个积极和稳妥的选择。但随着以太网技术的不断发展，今后其取代现场总线而用于控制层也是可能的。

区域控制器：

　　隧道监控对PLC的性能提出了更高的要求，作为隧道监控的核心控制器，其必须具备以下几大功能特点：首先本身必须稳定可靠，并具有预先处理数据和集中传输数据的能力，具有较高的故障保护能力；其次，区域控制器可以独立承担控制分区的基本控制任务，即使监控站或者监控中心因故障停止运行，相邻区域的控制器也能交换交通量信息；再次，当某区域的交通量出现变化时，可按预定方案和程序采取相应的算法，对相关区域的流量做出相应的调整。因此，它必须至少有如下功能模块，数据采集存储处理功能（实现集中和独立工作方式，尤其是在独立控制时能与相邻控制器实现数据交换）；通信功能、容错功能、自动诊断功能和本地操作功能（即能带触摸屏）。

　　欧姆龙（Omron）、施奈德（Schneider）、西门子（Siemens）、罗克维尔（Rockwell）、通用电气（GE）是全球五大PLC制造厂商和整体方案的提供者，他们的产品面向各自不同的领域，其中在隧道监控的应用方面，又以欧姆龙的应用最为广泛。

　　必须综合考虑整个监控系统的性能要求和自然条件以及运营周期对设备的要求进行选择，尤其在极端气候和恶劣环境状况条件。

　　特长隧道以及隧道变电站需要选择性能更好的双机热备冗余的PLC，如Omron的CS1D系列、Schneider的2Quantom系列、Rockwell的2ControlLogix、Siemens的S7-417系列；区别在于Omron的冗余系统是在一个底板上实现，而其他厂家的冗余系统是两个底板通过光纤连接。Omron的冗余系统配置很灵活，可以任意实现双CPU双电源、双CPU单电源、单CPU单电源多种冗余系统。

　　中长隧道多采用标准的机型作为现场控制器，如Omron的CS1系列、Schneider的Quantom140系列、Rockwell的ControlLogix、Siemens的S7-400系列等；他们都支持工业以太网和多种现场总线，控制方式采用远程带CPU的智能分布式结构，系统开放性和兼容性强，丰富的I/O及高功能模块，完全满足隧道监控系统对信号处理的要求。由于Schneider和Siemens的PLC体积较大，因此在施工过程中需要考虑预留洞的大小。

　　一般短隧道以及现场条件较好的工况下，为考虑成本可以选用经济型的机型作为现场控制器，如Omron 的CJ1系列、Siemens的S7-300系列等；他们的共同特点是体积小，各模块采用侧连接的方式，功能较为齐全；不足之处在于程序容量较小，模块出现故障装卸不便。

四、实际案例

　　下面以天津津蓟高速公路为例，具体说明隧道监控系统的实际应用。

　　天津津蓟高速公路延长线工程起于蓟县县城以西，与既有的津蓟高速公路相接，经蓟县西穿过盘山山区后与北京京平高速公路相接，路线全长15.47公里，设计4车道，包含2座隧道，莲花岭隧道和大岭后隧道。

　　根据隧道监控要求以及总体布局情况，隧道监控自动控制系统遵从“集中监视管理、分散控制”的原则，包括中央监控系统、现场控制站、通讯网络等。系统各部分有相对独立性；22个现场控制站根据工艺区域划分，分别设于大岭后隧道（12套PLC现场控制站）、莲花岭隧道（10套现场控制站）。根据设备分布和控制特点，在现场控制站下还挂有远程数据采集单元，或专用智能控制装置。实现就地工艺区域内的数据采集和过程监控，并与调度管理站和其它控制站进行通讯。

　　根据被控对象对连续运行可靠性的要求，现场控制站的PLC选用OMRON公司高性能的CS1D系列处理器。PLC现场控制站通过光纤冗余环网Ethernet与中央控制室计算机联接。远程I/O站通过DeviceNet现场总线网络连接在相应的PLC控制站上。现地控制站既能够独立进行现场各开关量、模拟量的数据采集和控制，又能够通过网络间的数据传送，将各仪表及泵阀等状态信息传送到上位机，完成中央控制室的实时监控。

　　下面以莲花岭隧道为例，介绍其监控系统的组成。大岭后隧道的网络结构如之雷同。

图（一） 莲花岭隧道网络拓扑图

　　根据隧道内监控设备的分布和工艺过程的要求，分别在大岭后隧道设置12套现场控制分站（PLC1——PLC12）。莲花岭隧道设置10套现场控制分站（PLC1——PLC10）。

　　每一套PLC控制装置作为一个现场控制站，或作为一个数据采集单元，监视和控制就地区域的生产过程，并通过通讯网络与调度管理站及其它现场控制站进行通讯。中控室能够观察到一些重要的运行状态和工艺参数，对现场设备进行操作及控制参数的设置和修改。

　　大岭后隧道设置的PLC11和PLC12两套现场控制分站将安装于隧道的低压配电室内负责照明和通风设备的监控和数据采集，其它10套现场控制分站均匀分布于隧道内两侧负责现场仪表及交通信号设备的控制及信号采集。各分站之间采用10/100 Mbit/s自适应工业以太环网(EtherNet/IP)，对等方式通讯。

　　莲花岭隧道设置的PLC9和PLC10两套现场控制分站将安装于隧道的低压配电室内负责照明和通风设备的监控和数据采集。其它8套现场控制分站均匀分布于隧道内两侧负责现场仪表及交通信号设备的控制及信号采集，以上各分站之间采用10/100 Mbit/s自适应工业以太环网(EtherNet/IP)，对等方式通讯。

区域控制器的功能：

（1）收集本区段检测设备检测的信息，包括CO检测器、能见度检测器、车辆检测器等；

（2）对收集信息进行预处理，并储存在本地的存储单元内；

（3）隧道内的区域控制器的存储单元中处理好的信息上传给隧道管理站计算机；

（4）接收隧道管理站计算机的各种控制命令，将控制命令和设备运行状态比较后，发出对下端执行设备的控制指令。（如发给车道控制标志、交通信号灯等的指令）。

（5）可存储几个常用和特殊的程序，如交通事故处理程序、火灾紧急处理程序等。

（6）本地控制器设有手动控制单元。当通信中断或其它原因和上端失去联系时，可进行手动联动操作，且手动优先。

（7）具有自检功能。

五、改进与发展

　　当前我国隧道监控系统的设计和实施正处于一个成长的时期，同时贵州省内的高速公路正处于大规模建设的阶段，如果建设更加可靠的隧道监控系统，保证建设以及营运的可靠是当然我们必须面临的问题。为此，我们必须考虑到以下几点：

　　一方面要兼顾系统的稳定、可靠与可控，也要反映系统的先进、经济与可扩展，同时也要使操作便捷与维护方便；另一方面，针对不同的交通条件和功能要求确定系统的规模和冗余度的大小，确定系统的合理集成方式、系统网络的构成与拓扑结构形式以力求系统的可靠性、稳定性、先进性与经济性的有机结合。

　　另外，除考虑系统的规模和设计方法外，也要考虑新技术的应用，使整个系统既先进又实用；从系统的结构来看，当前普遍采用三级隧道管理和分布式现场总线控制方式，事实上，主从式结构的现场总线如Profibus，由于系统的可靠性受主控制器的制约，并不适用于全分布式现场总线控制，采用对等的自愈网络是今后的一个发展趋势；从系统的控制来看，当前监控普遍存在着只监不控，或监强控弱的现象，交通信息、环境信息得不到很好利用，对于隧道控制，要针对不同现象，采用不同的控制方法。

　[参考文献]

[1]　胡剑波  PLC在隧道自动化中的应用       《工业仪表与自动化装置》
　　[2]　韩直    公路监控系统的需求与发展       《国际交通配套与智能化》

[作者简介]

黄绪东：天津市高速公路投资建设发展公司

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