周 健

（四川曠谷信息工程有限公司，成都 610083）

SCADA技術在隧道防災救援設備監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

周 健

（四川曠谷信息工程有限公司，成都 610083）

大型鐵路隧道里程長，發(fā)生緊急情況后救援較為困難。利用現(xiàn)有隧道防災救援設備（應急照明、風機、水泵等），結合遠程自動化控制技術構建鐵路隧道防災救援設備監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對鐵路隧道防災救援設備運行狀態(tài)進行遠程實時監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)設備故障自動報警，緊急情況下可以遠程控制防災救援設備運行，實現(xiàn)緊急現(xiàn)場救援功能。文章介紹利用SCADA技術構建該系統(tǒng)的開發(fā)方法。

SCADA；隧道；防災救援；監(jiān)控；組態(tài)軟件

隨著鐵路建設事業(yè)的快速發(fā)展，鐵路線路特別是高速鐵路呈現(xiàn)出特大隧道數(shù)量多、里程長的特點。大、長隧道列車運行給行車安全和旅客生命財產安全提出了巨大挑戰(zhàn)。災害發(fā)生時保證及時有效的利用隧道防災救援設備，最大程度地減少人民生命財產損失成為必須解決的課題。由于隧道位置通常偏遠，內部環(huán)境惡劣，不方便人工值守，人們產生了利用遠程自動化控制技術建設鐵路隧道防災救援設備監(jiān)控系統(tǒng)的想法。本文介紹利用SCADA技術構建鐵路隧道防災救援設備監(jiān)控系統(tǒng)的原理和方法。

1 SCADA技術簡介

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA，SupervisoryControl and Data Acquisition），又稱組態(tài)監(jiān)控軟件系統(tǒng)。它是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設備控制、測量、參數(shù)調節(jié)以及各類信號報警等各項功能為目的。重要組成部分包括遠程終端單元（RTU）、饋線終端單元（FTU）、數(shù)據(jù)傳輸鏈路、遠程監(jiān)控站等。它們處在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級，通過專用軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能，通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件的應用領域很廣，可以應用于電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等領域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領域。

組態(tài)（Configuration）為模塊化任意組合。SCADA的主要特點：

（1）延續(xù)性和可擴充性。用通用組態(tài)軟件開發(fā)的應用程序，當現(xiàn)場（包括硬件設備或系統(tǒng)結構）或用戶需求發(fā)生改變時，不需做很多修改而方便地完成軟件的更新和升級；

（2）封裝性（易學易用）。通用組態(tài)軟件所能完成的功能都用一種方便用戶使用的方法包裝起來，對于用戶，不需掌握太多的編程語言技術，就能很好地完成一個復雜工程所要求的所有功能；

（3）通用性。每個用戶根據(jù)工程實際情況，利用通用組態(tài)軟件提供的底層設備（PLC、智能儀表、智能模塊、板卡、變頻器等）的I/O Driver、開放式的數(shù)據(jù)庫和畫面制作工具，就能完成一個具有動畫效果、實時數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)和曲線并存、具有多媒體功能和網(wǎng)絡功能的工程，不受行業(yè)限制。

SCADA技術在鐵道電氣化遠動系統(tǒng)上的應用較早，在保證電氣化鐵路的安全可靠供電，提高鐵路運輸?shù)恼{度管理水平起到了很大的作用。在鐵道電氣化SCADA系統(tǒng)的發(fā)展過程中，隨著計算機技術的發(fā)展，不同時期有不同的產品。我國結合鐵路發(fā)展需要利用SCADA技術進行產品應用實踐和技術創(chuàng)新，推動了鐵道電氣化遠動系統(tǒng)向更高的目標發(fā)展。

2 系統(tǒng)工作原理

要達到對隧道防災救援工作進行有效監(jiān)控和及時救援的目的，需要平時保證隧道防災救援設備的維護保養(yǎng)，緊急情況下保證對設備的可靠啟動。因此，系統(tǒng)需要實現(xiàn)的主要功能：

（1）可以對鐵路隧道防災救援設備運行狀態(tài)進行遠程實時監(jiān)視；（2）可以遠程對防災救援設備進行手動或自動巡檢，發(fā)現(xiàn)設備故障自動報警；（3）緊急情況下可以遠程控制防災救援設備運行，實現(xiàn)緊急現(xiàn)場救援功能。為滿足上述功能要求，我們利用組態(tài)軟件的特點，對系統(tǒng)進行如下設計。

將隧道風機系統(tǒng)、照明系統(tǒng)（含疏散照明設備）、電動防護門系統(tǒng)等機電系統(tǒng)有機聯(lián)系成一個整體，并通過SCADA系統(tǒng)對其進行統(tǒng)一監(jiān)控和管理。具體而言，設備工作狀態(tài)和遠程控制信號通過現(xiàn)場的遠程站和主控制器進行采集和處理，工控數(shù)據(jù)通過鐵路網(wǎng)絡傳遞給工區(qū)級綜合維修車間和鐵路局防災救援調度指揮中心，從而在隧道內發(fā)生火災時，安全、可靠、準確、快速地實現(xiàn)既定的遠程聯(lián)動控制，保證防災救援的順利實施。

以隧道內風機設備為例，定義風機的運行狀態(tài)、工作電壓兩個數(shù)據(jù)采集點，定義遠程控制開、關操作兩個控制信號點，相對于監(jiān)控系統(tǒng)而言，運行狀態(tài)點是輸入數(shù)字類型（input）,用于表示風機的運行狀態(tài)，風機工作電壓點為輸入模擬類型（input），用于監(jiān)測風機工作電壓，開關信號點是輸出數(shù)字類型（output），用于遠程啟動、停止風機。如表1所示。

表1 風機監(jiān)控點位信息表

系統(tǒng)通過可編程邏輯控制器（PLC）與風機設備相聯(lián)，PLC通過隧道內主控制器經鐵路通信網(wǎng)絡與遠程監(jiān)控系統(tǒng)相聯(lián)。系統(tǒng)工作時，通過PLC輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新3個階段，對上述點位進行監(jiān)測和控制。用戶通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)，可以與風機設備遠程交互，實時監(jiān)測風機的運行狀態(tài)和工作電壓，發(fā)送命令遠程啟、停風機，從而實現(xiàn)對隧道防災救援設備進行監(jiān)控的目的。

3 系統(tǒng)結構

根據(jù)工作原理，我們規(guī)劃出鐵路隧道防災救援設備監(jiān)控系統(tǒng)的結構。該系統(tǒng)由3部分組成：（1）現(xiàn)場級數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)；（2）工區(qū)級監(jiān)控系統(tǒng)；（3）鐵路局調度中心級監(jiān)控系統(tǒng)。

系統(tǒng)結構如圖1所示。

調度中心級防災救援設備監(jiān)控站通常設在鐵路局隧道防災救援調度指揮中心，實現(xiàn)鐵路局管轄范圍內救援通道防災救援設備的遠程監(jiān)控、調度及管理等功能，緊急情況下對現(xiàn)場情況有直觀的信息反饋以及向工區(qū)下達救援指令等需求。

工區(qū)級防災救援設備監(jiān)控主站通常設在工區(qū)級綜合維修車間，主要為工區(qū)級用戶提供所屬范圍內隧道現(xiàn)場設備的狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集、控制和管理功能，包括日常管理、巡檢、維護以及緊急情況遠程控制現(xiàn)場設備等。

現(xiàn)場級數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)又分為遠程站和主控制器兩部分，都安裝在隧道的輔助坑道內。其中，主控制器負責采集被控對象數(shù)據(jù)，經過處理后上傳給上級設備監(jiān)控系統(tǒng)，同時接收并分解上級設備監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的控制指令轉發(fā)到相應的被控對象。遠程站負責采集現(xiàn)場設備的狀態(tài)信息，同時將主控制器下發(fā)的指令轉發(fā)到現(xiàn)場設備控制柜執(zhí)行。

圖1 系統(tǒng)結構圖

4 系統(tǒng)開發(fā)與集成

按系統(tǒng)的軟硬件構成，鐵路隧道防災救援設備監(jiān)控系統(tǒng)包括系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件。為實現(xiàn)一套完整的監(jiān)控系統(tǒng)，需要先開發(fā)軟件，然后與各硬件設備進行集成。

4.1 軟件開發(fā)

防災救援設備監(jiān)控軟件分別部署于工區(qū)和調度中心。這是本系統(tǒng)需要重點開發(fā)的部分。

4.1.1 功能目標

（1）監(jiān)測功能

以圖形動畫的形式將所轄范圍內各隧道緊急出口、避難所、平導、救援站以及主要現(xiàn)場設備如風機、照明、EPS、水泵建模并顯示；所有設備的運行狀態(tài)通過圖片、動畫、文字等方式進行形象的展現(xiàn)；所有設備的報警狀態(tài)以醒目的顏色、彈出報警框進行提醒式展現(xiàn)；電流、電壓等通過模擬表盤如實動態(tài)顯示。

（2）控制功能

通過圖形化界面對現(xiàn)場主要受控設備進行遠程開/關控制，控制方式包括遠程控制、自動巡檢、一鍵啟動防災救援模式。

（3）報警

對系統(tǒng)關鍵數(shù)據(jù)和現(xiàn)場設備關鍵信息進行實時的判斷和處理，與用戶設定的數(shù)據(jù)閥值范圍進行對比，如數(shù)據(jù)值不在設定值范圍內，則監(jiān)控軟件實時發(fā)出報警。報警類型包括：設備故障、主回路電源故障、通信故障、操作超時等。

4.1.2 開發(fā)平臺

系統(tǒng)開發(fā)以SCADA系統(tǒng)為二次開發(fā)平臺，這樣可以節(jié)省大量開發(fā)時間，提升開發(fā)效率。成熟的SCADA系統(tǒng)大都支持各種主流工控設備和標準通信協(xié)議，并且通常應提供分布式數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡功能。對應于原有的人機接口軟件（HMI，Human Machine Interface）概念，SCADA系統(tǒng)還可以使用戶能快速建立自己的HMI的軟件工具或開發(fā)環(huán)境，它是構建鐵路隧道防災救援設備監(jiān)控系統(tǒng)的最佳選擇。

本文以Wonderware軟件為二次開發(fā)平臺舉例說明。該平臺具有3層體系結構（數(shù)據(jù)接入層，數(shù)據(jù)處理層和用戶表現(xiàn)層），采用構件化的開發(fā)方式，廣泛采用中間件技術，系統(tǒng)具有很強的可靠性、可移植性及可擴展性，具備實時數(shù)據(jù)采集與處理、報警管理、事件管理、數(shù)據(jù)存儲、報告生成、數(shù)據(jù)控制以及界面組態(tài)等功能。

4.1.3 開發(fā)方法

系統(tǒng)開發(fā)過程可以遵循面向對象的開發(fā)方法，主要開發(fā)步驟如下：

（1）建立總體系統(tǒng)層次模型，包含鐵路局、工區(qū)、線路、隧道；

（2）建立救援設備基礎類。以風機為例，在基礎類中實現(xiàn)風機的監(jiān)測和控制邏輯功能編碼，定義報警點位和報警邏輯，制作風機的界面圖形；

（3）在設備基礎類的基礎上派生出線路級的具體設備對象實例，比如XX線路XX隧道的1#射流風機；

（4）將設備對象實例掛載到隧道對象，再將隧道對象掛載到線路對象；

（5）制作用戶圖形界面，直觀顯示線路、隧道、隧道內設備分布圖，并與上述設備對象進行監(jiān)控點位數(shù)據(jù)綁定；

（6）以DDESuiteLinkClient類為基礎建立設備對象數(shù)據(jù)源，通過DA Server建立設備對象與PLC控制單元的數(shù)據(jù)連接；

（7）使用Wonderware平臺軟件自帶的inContol模擬隧道防救援設備工作環(huán)境，進行系統(tǒng)仿真測試。

4.2 硬件集成

本系統(tǒng)硬件設備較多，按照監(jiān)控數(shù)據(jù)的流向，把系統(tǒng)硬件劃分為以下3個部分。

（1）隧道現(xiàn)場內的主控制器、遠程站，由控制單元、交換機、開關電源、線纜、機箱組成；

（2）工區(qū)級防災救援設備監(jiān)控主站的數(shù)據(jù)庫服務器、監(jiān)控工作站、網(wǎng)絡交換機，其中，監(jiān)控工作站運行工區(qū)級防災救援監(jiān)控軟件；

（3）調度中心級防災救援設備監(jiān)控站的數(shù)據(jù)庫服務器、監(jiān)控工作站、網(wǎng)絡交換機，其中，監(jiān)控工作站運行調度中心級防災救援監(jiān)控軟件。

5 結束語

充分運用SCADA技術，可以很好地解決鐵路隧道防災救援設備人工操作不便的問題，既可以進行日常養(yǎng)護管理，又可以進行緊急救援。該系統(tǒng)的實現(xiàn)重點是利用通用組態(tài)軟件提供的底層設備（PLC）作為I/O Driver，結合開放式的數(shù)據(jù)庫和畫面制作工具，完成系統(tǒng)監(jiān)測和控制功能的開發(fā)。

目前，使用本技術開發(fā)的隧道防災救援設備監(jiān)控系統(tǒng)已經成功應用于成渝客運專線、貴廣鐵路（貴州段、廣西段）、滬昆鐵路貴州東段等線路上，為丘陵山區(qū)鐵路運行安全和防災救援提供了有力保障，取得了良好的經濟效益和社會效益。

[1]曹 輝，馬棟萍，王 暄，等．組態(tài)軟件技術及應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2]電氣自動化技術網(wǎng).組態(tài)軟件的功能分[DB/OL]．http:// www.dqjsw.com.cn/diangqi/PLC/31883.html,2011.

[3]美國ICONICS公司.預測性的設施管理軟件[DB/OL].http://www.iconics.com.cn/productsView.asp/ProductId=58,2012.

責任編輯 陳 蓉

SCADA technology applied to Tunnel Monitoring System of disaster prevention and rescue equipment

ZHOU Jian
( Sichuan Crungoo Information Engineering Co.Ltd.,Chengdu 610083,China )

The large railway tunnel is in long course,and the emergency rescue is diffcult.On the basis of existing tunnel rescue equipments such as emergency lighting,fans,pumps,etc.,this article combined with the remote automation control technology to build a Railway Tunnel Monitoring System of disaster prevention and rescue equipment.The System could implement the remote real-time monitoring on the running state of railway tunnel disaster prevention and rescue equipment,automatic fault alarm,remote control of disaster prevention and rescue equipment operation in emergency case,the function of emergency rescue.The article introduced the development method of constructing the system with SCADA technology.

SCADA；tunnel；disaster prevention and rescue；monitoring；confguration software

U257.5∶TP39

A

1005-8451（2016）10-0049-04

2016-03-05

周 健，工程師。