趙向南

(山西省自動化研究所，山西 太原 030012)

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基于PLC的高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

趙向南

(山西省自動化研究所，山西 太原 030012)

以高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)具體開發(fā)項目為基礎，研究了上位機軟件、現(xiàn)場采集/控制設備歐姆龍PLC、中間件OPC及其光環(huán)網(wǎng)的通信技術，設計開發(fā)了隧道監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對高速公路隧道的車道指示標志、限速標志、風機及照明等終端設備的控制。

歐姆龍PLC；OPC；光環(huán)網(wǎng)；隧道監(jiān)控系統(tǒng)

近些年，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展需要，國家及各省市均加大了對高速公路的建設投入，伴隨著高速公路里程的增加，途經(jīng)的隧道數(shù)量也越來越多。高速公路交通的暢通主要在隧道，通過安裝于隧道終端的各項采集設備，及時獲取隧道運行信息并上傳至監(jiān)控中心軟件進行數(shù)據(jù)分析、判斷及其決策，依據(jù)決策對隧道采取管控措施，杜絕安全隱患，避免違法行為，保障隧道內的交通流平穩(wěn)、安全、有序、暢通無阻，使高速公路隧道處于最佳運行狀態(tài)，使高速公路運營單位獲取最佳的運行效益，因而開發(fā)高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)[1]。

1　監(jiān)控系統(tǒng)結構

高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)主要由交通監(jiān)控、照明系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、報警信息、信息發(fā)布、預案控制、GIS地圖、PLC監(jiān)控及CCTV系統(tǒng)等部分構成，分為兩級控制監(jiān)控中心軟件控制系統(tǒng)和隧道現(xiàn)場PLC控制系統(tǒng)。如圖1所示。

圖1　監(jiān)控系統(tǒng)結構

根據(jù)隧道監(jiān)控系統(tǒng)的設計文件及實際控制需求，監(jiān)控中心將服務器與各個工作臺相連接組成局域網(wǎng)，該局域網(wǎng)通過通信系統(tǒng)與片區(qū)中心局域網(wǎng)連接組成廣域網(wǎng)，不間斷地將現(xiàn)場數(shù)據(jù)上傳至片區(qū)中心[2]。其網(wǎng)絡拓撲圖如圖2所示。

圖2　監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖

2　監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

2.1監(jiān)控系統(tǒng)的硬件組成

本文所設計開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)，終端設備選擇OMRON可編程邏輯控制器作為控制系統(tǒng)的核心，CPU分為CSID-S和CSID-H兩種，CSID-H具備更強的性能，可選做主PLC的冗余系統(tǒng)。終端控制設備包括：微波車檢，檢測道路的車流量；隧道照明，洞口處的加強照明、過渡段照明和洞內的基本照明，根據(jù)控制要求可分為手/自動控制兩種；風機，控制分為啟、停，具有故障反饋點位，并且可進行手/自動控制；交通信號燈和車道指示標志，被控量有紅綠黃開關控制和車道通行/禁止標志控制；采集設備，傳感器有洞內外光強檢測器、COVI檢測器及風速風向檢測器。所以所有被控設備和采集設備都是通過PLC直接控制，通過OPC將下位機PLC與監(jiān)控中心軟件關聯(lián)，監(jiān)控軟件能夠顯示現(xiàn)場設備狀態(tài)，對設備進行實時監(jiān)控和顯示采集的數(shù)據(jù)。

2.2控制方式

高速公路隧道監(jiān)控軟件的控制模式分為三級控制來設計，即監(jiān)控室中心控制、隧道口主PLC控制及設備的手/自動控制。不同級的控制權限和范圍不同，在控制方案和模式上也有略微差別。

2.3PLC選擇

隧道現(xiàn)場的可編程邏輯控制器(PLC)是隧道監(jiān)控系統(tǒng)的控制核心，它的主要功能是完成對現(xiàn)場終端采集設備所收集數(shù)據(jù)的存儲、運算及上傳；接收監(jiān)控中心監(jiān)控軟件所下發(fā)的控制命令，對終端執(zhí)行設備(車道指示標志、照明設備、風機、限速標志及火災報警裝置等)進行命令控制；通過交換機可以自身組成控制環(huán)網(wǎng)，通過隧道口主PLC對環(huán)網(wǎng)內的各個控制PLC進行命令傳送，完成本地預案執(zhí)行。根據(jù)實際控制需求，綜合考慮PLC的運行速度、可靠性、I/O和通信模塊擴展能力、網(wǎng)絡和協(xié)議及其冗余能力等指標，本次開發(fā)選擇OMRON CS系列PLC，能夠為監(jiān)控系統(tǒng)的構建提供強大控制、組態(tài)及其搭建網(wǎng)絡功能，具備成熟的通信及擴展功能，便于完成分布式系統(tǒng)構建。

3　監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

隧道監(jiān)控系統(tǒng)的軟件分為監(jiān)控中心上位機監(jiān)控軟件和下位機PLC程序兩部分。

3.1上位機軟件設計

監(jiān)控中心隧道監(jiān)控軟件采用B/S架構開發(fā)，各個工作臺的操作人員通過網(wǎng)址訪問監(jiān)控軟件，根據(jù)自己所分配的職責和權限監(jiān)視隧道上傳的數(shù)據(jù)和進行相應的控制、查看及維護操作，是對隧道現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和功能控制的專用軟件。上位機監(jiān)控軟件的功能實現(xiàn)離不開數(shù)據(jù)庫，監(jiān)控軟件通過中間件OPC Server接口輪詢隧道內設備的當前狀態(tài)，提供整個監(jiān)控系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫功能。一方面通過數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)能夠及時更新軟件界面顯示內容，另一方面能保存硬件和軟件的交互信息，形成歷史數(shù)據(jù)文件，供日常查詢使用[3]。

隧道監(jiān)控軟件的設計與開發(fā)過程中充分考慮了軟件的穩(wěn)定性、易操作性、模塊化、維護性和擴展性，人機界面友好，操作便捷，完全滿足隧道監(jiān)管部門的需求。隧道監(jiān)控系統(tǒng)軟件處理流程如圖3所示。

圖3　監(jiān)控軟件處理流程

監(jiān)控中心軟件控制分為單獨控制、智能控制及預案控制三種。根據(jù)需求可對某一設備進行單獨控制；根據(jù)下位機PLC所采集的實時數(shù)據(jù)，監(jiān)控軟件能夠根據(jù)預先設定的閾值，自動下發(fā)控制命令，調整隧道內設備的運行狀態(tài)；當監(jiān)控系統(tǒng)檢測到火災或者重大事故等異常報警事件時，監(jiān)控系統(tǒng)能自動將事故區(qū)域的監(jiān)控視頻切換至顯示界面，并且彈出預案窗口，供監(jiān)控人員根據(jù)事故類型選擇執(zhí)行預案，對隧道內的終端設備進行控制[4](如修改限速、車道指示標志、啟動風機水泵等)。預案控制流程如圖4所示。

圖4　預案監(jiān)控流程圖

3.2下位機軟件設計

歐姆龍CS系列PLC選用CX-Programmer作為開發(fā)環(huán)境，適應于各個操作系統(tǒng)。通過CX-Programmer開發(fā)人員可以直接進行PLC控制系統(tǒng)配置和程序的編寫、調試、在線更改PLC硬件配置、控制PLC程序的運行狀態(tài)、監(jiān)視內存變化和設置通信通道等操作。根據(jù)監(jiān)控設備的控制需求，本設計選擇使用梯形圖進行程序開發(fā)。首先通過編程電纜將PLC的CPU與PC的USB連接，在CX-Programmer中對PLC進行網(wǎng)絡地址配置，建立PC與PLC之間的網(wǎng)絡通信渠道，然后通過Ethernet連接PLC，并對其進行在線操作，配置I/O表和單元設置，編寫梯形圖程序。程序編寫完成后，通過網(wǎng)絡連接將去寫入PLC中進行調試和運行。

通過上位機和下位機兩級控制方式建立的隧道監(jiān)控系統(tǒng)，完全實現(xiàn)了在監(jiān)控中心實時監(jiān)控隧道通行狀況，并根據(jù)需要對隧道各類機電設備進行遠程控制。完成遠控的設計要求。系統(tǒng)能夠將隧道日常運行產(chǎn)生的各類參數(shù)存儲，形成歷史查詢數(shù)據(jù)，能夠對隧道出現(xiàn)的異常情況(交通事故、火災等)及時檢測，并報警，通過預先設定的預案聯(lián)動進行合理的交通管控，確保隧道通行有序。系統(tǒng)定時輪詢檢測各設備的運行狀態(tài)，能夠及時發(fā)現(xiàn)故障設備，產(chǎn)生界面提示，提醒工作人員及時修理更換。監(jiān)控系統(tǒng)中各類終端設備的自動啟/停操作，均以采集的數(shù)據(jù)為依據(jù)，經(jīng)過預先在程序中設定的閾值被判斷標準，超過(或低于)閾值時，就會彈出提示框，供操作人員選擇控制方案改變隧道內各設備的運行狀態(tài)。數(shù)據(jù)庫能夠完整地存儲記錄下操作人員所發(fā)出的所有指令。

4　結論

本隧道監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過一年的開發(fā)和調試，已經(jīng)在實際的項目中應用。該系統(tǒng)依靠先進的傳感器技術、計算機技術及其通信技術實時將隧道內的道路通行狀況、事件及其環(huán)境狀況傳輸至監(jiān)控中心，實現(xiàn)了交通的管控，并且能夠通過各類渠道向道路使用者發(fā)出通行狀況，有效地管理了隧道交通，減少隧道堵塞，提供通行能力。

[1]張萬忠.可編程控制器入門與應用[M].北京:中國電力出版社,2005:102-120.

[2]王衛(wèi)兵.PLC系統(tǒng)通信擴展與網(wǎng)絡互聯(lián)技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002:1-50,174-237.

[3]林宗良.公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計與模塊開發(fā)[J].科技信息,2008,28:57-58.

[4]孫小明.隧道監(jiān)控系統(tǒng)的PLC應用分析[J].現(xiàn)代制造，2008(6):46-49.

Design and Implementation of Highway Tunnel Monitoring System Based on PLC

Zhao Xiangnan

(ShanxiAutomationResearchInstitute,TaiyuanShanxi030012,China)

Based on the specific development projects of highway tunnel monitoring system, this paper makes a research on the upper machine software, field collection/control equipment of OMRON PLC, OPC middleware and its optical ring network communication technology; designs and develops the tunnel monitoring system, realizes the control for the lane indication signs, speed limit sign, fans, lighting equipment and other terminals on highway tunnel.

OMRON PLC; OPC; halo network; tunnel monitoring system

2016-04-22

趙向南(1986- )，男，山西長治人，碩士研究生，主要從事控制理論與控制工程方向的研究。

1674- 4578(2016)04- 0028- 03

TP 39

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