張建軍 陳光景 張金萍

(西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院 西安 710065)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，公路及公路隧道的建設(shè)項(xiàng)目與日俱增，隧道安全運(yùn)營問題顯得越來越突出。高速公路隧道是高速公路網(wǎng)的咽喉地段，如果不采用先進(jìn)的監(jiān)控管理措施，在交通量大、氣候惡劣的情況下，極易發(fā)生交通事故和交通堵塞。在高速公路隧道內(nèi)設(shè)置完善的監(jiān)控設(shè)施、改善洞內(nèi)環(huán)境、減少污染和事故、增強(qiáng)隧道的通行能力、延長隧道的使用期限，對保證隧道的安全運(yùn)營具有重要意義。

由于電子技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，特別是組態(tài)軟件和可編程控制器的應(yīng)用，使得隧道交通監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)視隧道交通狀況，對交通參數(shù)進(jìn)行檢測和統(tǒng)計(jì)，并對隧道的各種交通設(shè)施進(jìn)行監(jiān)控和管理，實(shí)現(xiàn)了隧道機(jī)電設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，縮短了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，提高了系統(tǒng)的開放性和準(zhǔn)確性，監(jiān)控聯(lián)動模式進(jìn)一步豐富和科學(xué)化。

1 高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)主要監(jiān)視隧道交通狀況，對交通參數(shù)進(jìn)行檢測和統(tǒng)計(jì)，并對隧道內(nèi)的各種交通設(shè)施進(jìn)行監(jiān)控和管理，以保證高速公路的行車安全和暢通。根據(jù)隧道系統(tǒng)各個(gè)部分控制的對象不同，可以將隧道監(jiān)控系統(tǒng)分為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、交通監(jiān)控系統(tǒng)、照明控制系統(tǒng)、通風(fēng)控制系統(tǒng)、消防控制系統(tǒng)、緊急電話系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)等子系統(tǒng)。按照設(shè)備的類型可分為:檢測設(shè)備、控制設(shè)備、顯示設(shè)備和通訊設(shè)備。檢測設(shè)備如:火災(zāi)報(bào)警探頭、車輛檢測器、COVI 檢測儀、風(fēng)速風(fēng)向儀等;控制設(shè)備如:交通區(qū)域控制器、照明區(qū)域控制器、通風(fēng)區(qū)域控制器等;顯示設(shè)備如:計(jì)算機(jī)工作站、大屏幕監(jiān)視器、聲光報(bào)警器等;通訊設(shè)備如:交換機(jī)、集線器、串口信號傳輸設(shè)備、光端機(jī)等。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

本系統(tǒng)根據(jù)隧道監(jiān)控的需求分析及控制任務(wù)，為提高隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備的自動化控制水平，進(jìn)行了監(jiān)控系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。其分布式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)分布式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件組成及控制方式

本監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)PLC 選用霍尼韋爾MasterLogic－200 系列可編程控制器，CPU 型號分為2MLI－CPUU 和2MLR－CPUH 兩種，后者性能更強(qiáng)，可作為冗余系統(tǒng)使用。本系統(tǒng)被控對象如下:車檢器，檢測量有車速、車流量、占有率;照明燈，被控量有開關(guān)控制、手自動控制;風(fēng)機(jī)，被控量有啟?？刂?、手自動控制;交通信號燈和車道指示器，被控量有紅黃綠開關(guān)控制以及車道顯示標(biāo)志控制;傳感器，檢測量有洞外亮度、CO 濃度、能見度、風(fēng)速風(fēng)向。所有的被控量和檢測量都通過上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、狀態(tài)顯示以及數(shù)據(jù)采集，然后通過下位機(jī)進(jìn)行自動控制。

控制方式按三級控制模式設(shè)計(jì)，分為隧道監(jiān)控室級、區(qū)域控制端級、設(shè)備手動控制級，如圖3 所示。每一級都有自己的控制范圍與權(quán)限，因此在控制方案與模式上各不相同。

圖3 三級控制模式

2.2 PLC 選型

下位機(jī)的硬件選擇霍尼韋爾PLC 作為控制系統(tǒng)的核心，可以提供強(qiáng)大的控制、網(wǎng)絡(luò)和組態(tài)功能，以及良好的擴(kuò)展能力和通信能力，容易實(shí)現(xiàn)分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，霍尼韋爾MasterLogic－200 系列PLC 的CPU 模塊的選擇主要考慮存儲容量、運(yùn)行速度、I/O 模塊的擴(kuò)展能力、開放式網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議以及可靠性等指標(biāo)。綜合分析所要控制的對象及其要求，選用2MLR－CPUH 型CPU，因?yàn)槠淇商峁┩耆哂嘞到y(tǒng)，主CPU 和備用CPU 中間連接有專用高速1Gigabit 光纖，可以保證數(shù)據(jù)和程序的內(nèi)存區(qū)域的高效同步，而且速度快，大容量內(nèi)存(25M)，靈活的插槽分配以及最大I/O 底座數(shù)量可達(dá)31 個(gè)的超大容量，可靈活地混合和搭配不同的語言，支持LD(梯形圖)、SFC(順序功能圖)、ST(結(jié)構(gòu)化語句)、FB(功能塊)、IL(指令序列)5種編程語言。電源模塊選用2MLR－AC23，176/264VAC 輸入，5VDC/8.5A 輸出，主要為CPU 及I/O 模塊供電。I/O模塊的選擇主要根據(jù)控制對象的類型，同時(shí)還要留有10%～15% 的余量，選用16 點(diǎn)數(shù)字輸入模塊2MLI－D22A:DI16 ×24VDC，16 點(diǎn)數(shù)字輸出模塊2MLQ－RY2A:DQ16 ×24VDC，8 通道模擬輸入模塊2MLF－AD8A:電壓/電流輸入?？焖僖蕴W(wǎng)模塊選用2MLL－EFMT，帶有RJ－45 接口，支持100/10Mbps，因?yàn)樯衔粰C(jī)與PLC 的通信協(xié)議采用TCP/IP 協(xié)議，所以用雙絞線將以太網(wǎng)模塊和PC 的RJ－45 接口相連，即可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與PLC 之間的通信。PLC 硬件組態(tài)如圖4 所示，所有模塊都安裝在地板上。

圖4 硬件組態(tài)

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要包括上位機(jī)力控組態(tài)軟件和下位機(jī)PLC－SoftMaster－200 編程軟件。系統(tǒng)軟件流程圖如圖5 所示。

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)管理及監(jiān)控系統(tǒng)采用力控ForceControl6.1 組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)軟件編程，力控組態(tài)軟件是運(yùn)行在Windows98/NT/2000/XP 環(huán)境下的一種組態(tài)軟件，是對現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與過程控制的專用軟件，最大的特點(diǎn)是能以靈活多樣的“組態(tài)方式”而不是編程方式來進(jìn)行系統(tǒng)集成，它提供了良好的用戶開發(fā)界面和簡捷的工程實(shí)現(xiàn)方法，只要將其預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊進(jìn)行簡單的“組態(tài)”，便可以非常容易地實(shí)現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項(xiàng)功能，比如在分布式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，所有應(yīng)用(例如趨勢曲線、報(bào)警等)對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的引用方法與引用本地?cái)?shù)據(jù)完全相同，通過“組態(tài)”的方式可以大大縮短自動化工程師的系統(tǒng)集成的時(shí)間，提高了集成效率。

圖5 軟件流程圖

力控監(jiān)控組態(tài)軟件能同時(shí)和國內(nèi)外各種工業(yè)控制廠家的設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，它可以與高可靠的工控計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合，達(dá)到集中管理和監(jiān)控的目的，同時(shí)還可以方便的向控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，實(shí)現(xiàn)與“第三方”的軟、硬件系統(tǒng)進(jìn)行集成。

3.1.1 創(chuàng)建工程監(jiān)控界面

監(jiān)控界面主要是對隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備的一種動畫演示，主要包括照明界面、通風(fēng)界面、交通界面、車檢界面、趨勢曲線、事件、報(bào)警、報(bào)表以及用戶管理等9 個(gè)窗口界面，可是實(shí)時(shí)監(jiān)控隧道內(nèi)所有照明燈、風(fēng)機(jī)、交通燈的開關(guān)控制以及亮度、CO/VI 濃度、風(fēng)速風(fēng)向等傳感器的數(shù)據(jù)變化。新安嶺隧道監(jiān)控系統(tǒng)交通界面如圖6 所示。

圖6 新安嶺隧道交通監(jiān)控界面

3.1.2 建立數(shù)據(jù)庫組態(tài)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是力控組態(tài)軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理核心，構(gòu)建分布式應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)存儲、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)處理、報(bào)警處理、數(shù)據(jù)服務(wù)請求處理等。

創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫點(diǎn)并進(jìn)行數(shù)據(jù)庫庫點(diǎn)與PLC 設(shè)備的數(shù)據(jù)連接，數(shù)據(jù)庫點(diǎn)分為數(shù)字I/O 點(diǎn)、模擬I/O 點(diǎn)、累計(jì)點(diǎn)、控制點(diǎn)、運(yùn)算點(diǎn)和組合點(diǎn)，本系統(tǒng)中的照明燈的開關(guān)控制量與反饋量、風(fēng)機(jī)的啟?？刂屏颗c反饋量、交通信號的狀態(tài)控制量與反饋量等屬于數(shù)字I/O 點(diǎn)，洞外亮度、CO/VI 濃度、風(fēng)速等屬于模擬I/O 點(diǎn)。在創(chuàng)建新點(diǎn)時(shí)，首先要確認(rèn)點(diǎn)類型和變量名，對其進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，然后把已創(chuàng)建的點(diǎn)與I/O 設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)連接。數(shù)據(jù)庫組態(tài)如圖7 所示。

3.1.3 配置I/O 設(shè)備

I/O 驅(qū)動程序負(fù)責(zé)力控組態(tài)軟件與控制設(shè)備的通信，它將I/O 設(shè)備寄存器中的數(shù)據(jù)讀出后，傳送到力控組態(tài)軟件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，最后界面運(yùn)行系統(tǒng)會在畫面上動態(tài)顯示。本系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS(TCP)驅(qū)動程序，打開IoManager，選擇標(biāo)準(zhǔn)MODBUS，雙擊添加設(shè)備驅(qū)動，然后再設(shè)備名稱、更新周期、超時(shí)時(shí)間項(xiàng)目上添加設(shè)備名稱PLC等設(shè)置，周期和超時(shí)時(shí)間默認(rèn)設(shè)置即可，設(shè)備地址與PLC中設(shè)置的IP 地址一一對應(yīng)，即完成I/O 設(shè)備的配置，如圖8 所示。

圖7 數(shù)據(jù)庫組態(tài)

3.1.4 動畫連接

動畫連接是將監(jiān)控界面中的圖形對象與數(shù)據(jù)庫變量之間建立連接，使圖形在畫面上隨著PLC 數(shù)據(jù)的變化而發(fā)生變化。建立動畫連接之后，在界面運(yùn)行系統(tǒng)中，圖形對象將根據(jù)變量或表達(dá)式的數(shù)據(jù)變化而該百年顏色、大小、狀態(tài)燈外觀，并實(shí)時(shí)刷新，這樣便可以將現(xiàn)場設(shè)備真實(shí)的狀態(tài)實(shí)時(shí)的反映到計(jì)算機(jī)的監(jiān)控畫面中，從而達(dá)到計(jì)算機(jī)監(jiān)控的目的。

圖8 I/O 配置

3.1.5 動作腳本

在監(jiān)控界面窗口中，窗口內(nèi)圖形或者動畫的規(guī)定動作必須要有腳本程序來支撐，可以寫入窗口腳本、應(yīng)用程序腳本以及數(shù)據(jù)改變腳本，窗口腳本可以在窗口打開、關(guān)閉時(shí)執(zhí)行或者在運(yùn)行期間周期執(zhí)行，應(yīng)用程序腳本可以在整個(gè)應(yīng)用啟動時(shí)執(zhí)行、關(guān)閉時(shí)執(zhí)行或者運(yùn)行期間周期執(zhí)行，而數(shù)據(jù)改變腳本在當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)執(zhí)行。

3.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

霍尼韋爾MasterLogic－200 系列PLC 采用SoftMaster－200 作為編程軟件，兼容 Windows2000/XP。通過SoftMaster－200 用戶可以進(jìn)行系統(tǒng)配置和程序的編寫、調(diào)試、仿真、在線診斷PLC 硬件配置狀態(tài)、控制PLC 的運(yùn)行狀態(tài)和I/O 通道的狀態(tài)等。根據(jù)隧道監(jiān)控設(shè)備的要求，下位程序使用SoftMaster－200 的梯形圖方法進(jìn)行編程。首先通過CPU 的USB 接口連接PC 機(jī)，在SoftMaster－200 軟件中對PLC 進(jìn)行配置網(wǎng)絡(luò)地址并寫入，建立PC 機(jī)與PLC 之間的通信，然后新建工程，配置I/O設(shè)備信息，創(chuàng)建全局變量和本地變量，編程梯形圖程序。程序編程完成后，即可通過RJ－45 接口建立網(wǎng)絡(luò)連接并將程序?qū)懭隤LC 進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試。

4 隧道監(jiān)控系統(tǒng)的控制功能

通過上位機(jī)與下位機(jī)的結(jié)合，就建立了完整的隧道監(jiān)控系統(tǒng)，可以在監(jiān)控中心實(shí)時(shí)監(jiān)控隧道內(nèi)的交通狀況，并通過網(wǎng)絡(luò)通信遠(yuǎn)程控制機(jī)電設(shè)備。系統(tǒng)有自動控制和人工干預(yù)控制兩種方式。正常情況下，系統(tǒng)處于自動控制狀態(tài)。在異常情況下，由交通控制管理人員根據(jù)隧道內(nèi)實(shí)際情況，通過設(shè)在隧道控制室的交通控制計(jì)算機(jī)控制隧道交通、指揮調(diào)度車輛行駛。系統(tǒng)能連續(xù)檢測隧道內(nèi)的出、入口的交通數(shù)據(jù)。并按日、周、月打印統(tǒng)計(jì)報(bào)表。交通監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)隧道正常交通狀態(tài)和有交通事故、火災(zāi)以及施工等特殊情況時(shí)的交通控制，系統(tǒng)可通過車輛檢測器、火災(zāi)報(bào)警子系統(tǒng)、緊急電話子系統(tǒng)、閉路電視子系統(tǒng)等警告的信息，對信號系統(tǒng)發(fā)布指令，合理地控制交通，以達(dá)到減少事故，充分有效地使用隧道的目的。系統(tǒng)能不間斷地定時(shí)檢測系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并顯示、報(bào)警。

監(jiān)控系統(tǒng)中各執(zhí)行設(shè)備的啟動和顯示變換都要按一定的程序運(yùn)行，要以采集的信息和數(shù)據(jù)為依據(jù)，經(jīng)過設(shè)在隧道監(jiān)控監(jiān)控室的中心計(jì)算機(jī)處理后再按預(yù)先編制程序發(fā)出指令。當(dāng)收到的信息數(shù)據(jù)超過(或低于)預(yù)先設(shè)置的閥值時(shí)，就會自動發(fā)出有關(guān)執(zhí)行設(shè)備啟動或變換顯示的指令，控制各執(zhí)行設(shè)備來指揮行車和改善隧道內(nèi)的行車環(huán)境。中心計(jì)算機(jī)還可以對所有的信息、指令進(jìn)行儲存、查詢的管理。

5 結(jié) 論

本監(jiān)控系統(tǒng)為國家高速公路十堰至天水聯(lián)絡(luò)線陜西境鄂陜界至安康A(chǔ)D－D03 合同段設(shè)計(jì)，經(jīng)過一年的調(diào)試，已在安陜西康白河管理所監(jiān)控中心正常運(yùn)行。該系統(tǒng)依靠先進(jìn)的傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)全面掌握道路網(wǎng)上詳盡的、實(shí)時(shí)的甚至將要發(fā)生的道路交通信息、事件、勢態(tài)等情報(bào)，并在監(jiān)控中心進(jìn)行加工處理，不但實(shí)現(xiàn)了交通的控制、誘導(dǎo)和管理，而且能及時(shí)向各類道路使用者發(fā)送誘導(dǎo)信息，有效地管理了隧道交通，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)交通分配，減少了交通阻塞，提高了隧道道路安全和通行能力。交通隧道監(jiān)控系統(tǒng)引入組態(tài)軟件和PLC 已經(jīng)是以后交通隧道管理的必然趨勢。

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