PLC在高速公路隧道監控系統中的應用

關鍵詞：隧道; 監控系統; 本地控制器

Abstract: There‘re many tunnels on FuNing freeway， which rarely happen in China。 The tunnel monitored system utilizes PLC as the local controller to collect data and issue information，the entire PLC network system can be pretty easily built up，operate reliable, and well meet the design objective and requirement。

Keywords: tunnel;monitored control system;local controller

1 引言

　　福鼎分水關至寧德城關段高速公路是國家規劃的“兩縱兩橫”國道主干線之一同江至三亞公路在福建的一段，起點接浙江省甬臺溫高速公路，終點接羅源至寧德高速公路。本路采用山嶺重丘區高速公路標準修建，雙向四車道，設計車速80Km/h，全長141公里，沿線設有互通立交十座，超過一公里的長隧道八條，一公里以下短隧道六條，全線隧道單洞長度達二十公里，隧道監控是全線監控的關鍵。八條長隧道設置了完整的監控系統，包括交通監控、通風、照明、變電站供配電、火災報警、CCTV監視、隧道廣播等子系統，其中交通監控、通風照明、變電站供配電等隧道信息的采集和發布采用本地控制器（PLC）完成。

2 PLC概述

　　本地控制器采用OMRON 公司的大中型機CS1系列，八條長隧道十六個單洞共用78套PLC，其中坑門里隧道11套，吉坑隧道11套，蔡家山隧道9套，洋坪隧道9套，赤嶺隧道13套，楊梅嶺隧道8套，灣塢隧道9套，吳樓隧道8套PLC，分別組成16個ControllerLink冗余令牌環網的控制系統。ControllerLink 是OMRON的主要的FA級別的網絡，它支持在PLC之間及PLC和上位機之間的自動數據鏈接，也可使用信息服務進行可編程的數據傳送，可得到高容量，柔性數據鏈接及高容量的數據傳送，對低成本的通信系統，可使用雙絞線電纜。78套本地控制器的PLC通過光纖通信模塊CS1W-CLK52分別組成16個光纖ContollerLink冗余令牌環網進行數據通訊。

3 PLC系統組成

　　每個隧道的PLC系統分別在隧道左洞和隧道右洞組成光纖ContorllerLink冗余令牌環網，兩個光纖ContorllerLink冗余令牌環網都是獨立的控制系統，互不干涉和影響。安裝在監控設備室內的PLC通過HostLink與主控PLC相連，并與隧道監控分中心的服務器通過以太網模塊CS1W-ETN01、HUB、光纖收發器組成以太網進行數據交換。主控PLC在監控室內連接一個本地觸摸屏，并通過MODEM與監控分中心的一個遠程觸摸屏相連。

　　隧道PLC網絡構成圖：

4 PLC程序主要功能

　　1、收集本區段檢測設備檢測的信息，包括CO檢測器、能見度檢測器、透過率檢測儀、車輛檢測器等。

　　2、對收集信息進行預處理。如：隧道內的CO正常運營時允許的濃度一般在150—250ppm,，交通阻滯（隧道內各車道均以怠速行駛，平均車速為10km/h時可為300ppm,經歷時間不超過20分鐘;隧道內煙霧允許濃度為7.0＊0.001 1/m;隧道內風速正常運營時推薦為10m/s），并儲存在本地的存儲單元內。

　　3、 隧道內的本地控制器的存儲單元中處理好的信息（CO濃度、能見度、煙霧濃度、透過率、車輛檢測、交通信號標志等）上傳給隧道監控分中心的服務器。

　　4、 接收隧道管理站計算機的各種控制命令（如控制風機的啟、停、照明開關等），將控制命令和設備運行狀態比較后，發出對下端執行設備的控制指令（如發給風機、照明柜、車道控制標志、交通信號燈、橫洞指示等的指令）。

　　5、 本地控制器設有手動控制，手動操作界面采用觸摸屏NT31C，當通信中斷或其它原因和上端失去聯系時，可進行手動操作，且手動優先。

　　6、可存儲幾個常用和特殊的程序，如交通事故處理程序、火災緊急處理程序等（即當遇到交通事故時的緊急處理措施,如：改變交通信號標志，發出報警信息，通知巡警等;當遇到火災時的緊急處理措施，如：當隧道內遇到火災時，風機的控制等）。

5 PLC編程

　　1、交通控制程序

　　交通控制程序負責讀取車輛檢測器、車道指示標志、情報板的狀態及信息，并將數據傳遞給上位機。根據上位機上設定的交通模式，控制車道指示標志和交通信號燈的狀態。并根據上位機設置的狀態及信息。實現對車輛檢測器、車道指示標志、情報板、交通信號燈的控制。在發生通信故障時，產生報警信號。定時給車輛檢測器校時，以保證車輛檢測器時間的一致性。

　　車道指示標志和交通信號燈的狀態的控制方式有以下三級控制：

　　——監控分中心：自動控制（上位機）、人工遠程控制（上位機、觸摸屏）

　　——隧道監控室：人工控制（觸摸屏）

　　——現場設備： 人工手動控制

　　正常情況下，車道指示標志和交通信號燈的狀態由監控分中心的上位機控制，在上位機出現故障時，可通過監控分中心的觸摸屏進行控制。若監控分中心至隧道設備室的通信出現故障，則改由隧道設備室的觸摸屏進行控制。

　　交通控制流程圖

　　2、通風控制程序

　　通風控制程序根據檢測到的透過率、CO濃度數據、交通量數據，控制風機的運行臺數、風向和運行時間，實現節能運行和保持風機較佳壽命的控制運行;并在發生火災時，根據不同地點，進行相應的火災排煙處理，以保證隧道的安全及運行環境的舒適性。

　　通風控制程序實現風機正轉、反轉、停機控制，并將每臺風機的狀態（正轉、反轉、停機）、自動手動狀態顯示、總故障信號傳給上位機。自動統計風機運行時間，累計運行時間最短的風機優先啟動，以便平衡各臺風機的勞逸程度，延長風機的使用壽命。

　　自動根據CO濃度、透過率值、交通量狀況、火災報警等綜合情況控制風機的運行。每臺風機啟動需短暫延時，才允許其它風機啟動，以減少對變電站供電的沖擊。

　　通風控制子系統控制方式可以有如下四級：

　　——監控分中心：自動控制、人工遠程控制

　　——隧道監控室：自動控制、人工控制

　　——隧道變電所：人工手動控制

　　——通風機開關箱：人工手動控制

　　正常情況下將隧道變電所的風機控制轉換開關置于“自動”位，由監控分中心實現通風控制子系統的監控，自動完成子系統的各項功能。系統在故障或需要時經過轉換應在前三級的任一級上維持系統的正常運行。在對通風設備和通風控制子系統需要進行維修和測試時則可以采取隧道監控室人工、變電所人工、通風機就地開關箱處人工控制的方式。

　　控制方式的優先權為：人工高于自動，人工方式時是按四級順序優先級由低到高，自動方式時是隧道監控室控制優先于監控分中心控制。

　　風機自動控制模式有兩種：一種是在一些特定情況下選用某種預先編制的控制程序通過人工確認后進行風機自動控制，另一種是根據CO和透過率檢測器檢測到的實際數據與環境指標的標準值比較，來實時調節風機的運轉。

　　通風控制流程圖

　　3、照明控制程序

　　隧道照明控制程序根據檢測到的洞內外光強數據、交通量變化以及白天、黑夜等情況，控制隧道的照明系統，調節出入口以及洞內的照明，保證行車的安全，以及在滿足照明要求的情況下達到節能運行的目的，同時對洞內照明以及照明控制設備的狀況進行監視。

　　照明系統隧道照明控制程序具有洞內燈泡亮度不足的報警功能，即能夠通過洞內光強儀采集數據與設定值比較后提示維護部門更換燈具。在自動（控制方式中，發生火災事故時，洞內所有照明自動全亮。在自動（本地）、遠控（人工/自動）控制方式中，任何時候確保有一路基本照明燈亮。

　　此隧道照明有人工、自動（本地）、遠控（手動/光強）三種方式，其中人工/自動（本地）方式由照明系統自行完成，遠控方式由監控與照明系統配合完成。照明系統將遠程控制或本地控制（人工/自動）的狀態信號傳給監控系統。

　　遠控制方式時由監控系統提供繼電器接點和連接電纜至照明系統協調完成遠控制。各個照明回路的執行控制由照明系統實現。

　　照明系統將照明回路開關分合狀態信號傳給監控系統，照明系統提供繼電器干接點。對照明燈可用觸摸屏NT31C達到手動控制目的。

　　照明控制流程圖

　　4、變電站監視控制程序

　　PLC對隧道變電站的電源狀態、質量以及故障等狀態進行監視。主要是對高壓電源進線開關狀態、低壓總開關狀態、每段低壓母線的電壓、變電站故障總信號，柴油發電機的起、停、總故障信號等進行監視，根據被監視設備狀態的變化及故障告警信號進行告警記錄，存貯相應的監視信息，并且把采集的信號傳送至監控分中心。另外，根據變電站的電源狀況控制風機系統的工作。對無電源的變電站不會使該站供電風機運行，并在低電壓狀況下調控風機的啟動。

6 結束語

　　高速公路開通運行后，隧道監控系統運行相當穩定，在隧道比較惡劣的環境下，采用PLC是較為合適的。現在自動化技術日新月異，現場總線技術在控制領域已在大力推廣，但PLC技術也在不斷加強發展，特別在通信、組網、冗余技術方面日趨完善強大，在控制領域仍然占據不可動搖的位置。

參考文獻：

　　[1]Andrew S. Tanenbaum. Computer Networks,1996

　　[2]OMRON SYSMAC CS1可編程程序控制器 用戶手冊 ,2002