丁 勇

(山西省自動(dòng)化研究所，山西 太原 030012)

基于GE PLC的高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

丁 勇

(山西省自動(dòng)化研究所，山西 太原 030012)

介紹了以GE PLC的高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)完成了對(duì)設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)的采集。并對(duì)系統(tǒng)所用到的OPC技術(shù)以及隧道監(jiān)控系統(tǒng)的整體控制結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行說(shuō)明?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試運(yùn)行表明，GE PLC工作穩(wěn)定，隧道監(jiān)控系統(tǒng)安全可靠，取得了令人滿意的效果。

GE PLC；OPC；隧道監(jiān)控系統(tǒng)

隨著交通運(yùn)輸?shù)呐畈l(fā)展，高速公路建設(shè)也是在如火如荼的展開(kāi)，其中隧道是其中最為重要的環(huán)節(jié)，它的重要性也在不斷增加，而隧道監(jiān)控系統(tǒng)在隧道管理中更是扮演著核心的角色。因此，建立可靠穩(wěn)定的隧道監(jiān)控系統(tǒng)成為當(dāng)前高速管理部門著重關(guān)注的問(wèn)題。

1 隧道監(jiān)控整體方案設(shè)計(jì)

岢臨高速，即岢嵐-臨縣高速公路。山西省高速公路網(wǎng)規(guī)劃“三縱十二橫十二環(huán)”中西縱高速公路的一段，也是國(guó)家G59呼北高速的重要組成部分。連接山西省高速公路網(wǎng)規(guī)劃的第四橫(五臺(tái)長(zhǎng)城嶺-保德)、第五橫(平定楊樹(shù)莊-臨縣克虎寨)及靜樂(lè)豐潤(rùn)-興縣黑峪口連接線。全線PLC控制的隧道有南山、壩灣、園子溝等。

隧道監(jiān)控系統(tǒng)主要是由下位機(jī)PLC控制系統(tǒng)和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)將控制信號(hào)下發(fā)到下位機(jī)PLC控制系統(tǒng)，下位機(jī)直接控制隧道內(nèi)控制設(shè)備，然后將控制設(shè)備的反饋信號(hào)再反饋到上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中。如圖1所示。

圖1 高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

該項(xiàng)目主要闡述的是岢臨高速某段隧道監(jiān)控系統(tǒng)，以壩灣隧道為例，該隧道內(nèi)有10臺(tái)底層PLC，上下行線各5臺(tái)，進(jìn)口段變電所還有一臺(tái)主PLC以及觸摸屏。隧管站監(jiān)控管理系統(tǒng)通過(guò)光纖冗余環(huán)網(wǎng)連接主PLC。進(jìn)口段變電所主PLC通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)與隧道內(nèi)底層PLC互聯(lián)形成環(huán)網(wǎng)，主PLC將底層PLC傳輸上來(lái)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和反饋信號(hào)上傳至隧管站監(jiān)控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)隧道運(yùn)行狀況的信息上傳。而監(jiān)控系統(tǒng)則將指令下發(fā)到主PLC，再通過(guò)主PLC進(jìn)行邏輯處理讓底層PLC進(jìn)行動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)隧道運(yùn)行狀況的信息下載。如圖2所示。

圖2 隧道監(jiān)控系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)圖

2 下位機(jī)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 下位機(jī)PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目采用GE公司的可編程控制器PAC Systems RX3i作為控制系統(tǒng)的核心，PAC Systems RX3i的編程及調(diào)試是在GE公司的Logic Developer-PLC軟件上實(shí)現(xiàn)的，該軟件集成了組態(tài)、編程和PLC診斷三大功能[1]。在隧道內(nèi)，由PLC和各種傳感器構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和控制。PLC輸入生產(chǎn)過(guò)程中檢測(cè)信號(hào)分為兩大類，一類是電壓或電流的模擬信號(hào)另一類則是開(kāi)關(guān)量或數(shù)字量脈沖。那么PLC控制系統(tǒng)根據(jù)這兩類信號(hào)也可以分為兩大類，一類開(kāi)關(guān)量信號(hào)主要包括交通燈控制系統(tǒng)、隧道照明系統(tǒng)、隧道通風(fēng)系統(tǒng)。另一類模擬量信號(hào)則主要包括co/vi檢測(cè)、風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)以及洞內(nèi)外光強(qiáng)檢測(cè)[2]。同時(shí)PLC還要通過(guò)串口RS-232對(duì)情報(bào)板、微波檢測(cè)以及消防報(bào)警進(jìn)行連接控制，并將反饋信息傳遞并顯示到上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上。如圖3所示。

圖3 下位機(jī)PLC控制系統(tǒng)

2.2 下位機(jī)PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)PLC控制系統(tǒng)由主PLC和底層隧道內(nèi)PLC組成。主PLC是下位機(jī)PLC控制系統(tǒng)的核心部分，隧道內(nèi)PLC沒(méi)有主動(dòng)邏輯程序，他只是單純地進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)的發(fā)送和采集，所有的邏輯運(yùn)算都是在主PLC內(nèi)完成，數(shù)據(jù)不需要經(jīng)過(guò)二次換算，將采集到的原始數(shù)據(jù)直接傳回主PLC，這也保證了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。主PLC負(fù)責(zé)連接上位機(jī)軟件和底層PLC之間的通訊。

該項(xiàng)目選用Logic Developer-PLC軟件作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，該軟件適用于各個(gè)操作系統(tǒng)，通過(guò)該軟件可以進(jìn)行硬件配置以及程序的編寫(xiě)調(diào)試。根據(jù)隧道的實(shí)際控制需求，本項(xiàng)目采用梯形圖進(jìn)行PLC的編程開(kāi)發(fā)。PC通過(guò)串口與隧道內(nèi)PLC直接連接，從而進(jìn)行PLC硬件配置的下載和上傳，并修改該P(yáng)LC的IP地址，從而為以后隧道內(nèi)環(huán)網(wǎng)做準(zhǔn)備。

2.3 觸摸屏程序設(shè)計(jì)

PLC控制系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)模式。平常為自動(dòng)模式，當(dāng)工作站與上位機(jī)軟件通訊不正常時(shí)，工作人員可以手動(dòng)切換成手動(dòng)模式，手動(dòng)控制觸摸屏進(jìn)行設(shè)備操作，待等到通訊正常以后，再切回自動(dòng)模式。

3 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控軟件主要是由視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、下位機(jī)PLC控制子系統(tǒng)、預(yù)案功能子系統(tǒng)三大功能組成。如圖4所示。上位機(jī)軟件主要采用B/S架構(gòu)開(kāi)發(fā)，管理人員可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)直接訪問(wèn)上位機(jī)監(jiān)控軟件，根據(jù)自身權(quán)限對(duì)隧道進(jìn)行管理操作并進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)。

圖4 上位機(jī)軟件監(jiān)控系統(tǒng)

3.2 OPC技術(shù)

由于各種PLC的通訊協(xié)議各有不同，那么要編寫(xiě)一個(gè)監(jiān)控軟件進(jìn)行管理的話則需要在協(xié)議處理上花費(fèi)大量的時(shí)間和精力。況且高速公路上設(shè)有多個(gè)管理中心和省級(jí)的區(qū)域監(jiān)控中心，這會(huì)導(dǎo)致軟件開(kāi)發(fā)人員僅在數(shù)據(jù)共享方面的工作量就會(huì)大大增加。OPC作為硬件和軟件之間的中間件就可以很好地解決問(wèn)題。它可以提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)接口，使軟件可以高效穩(wěn)定的對(duì)下位機(jī)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)交換，系統(tǒng)的應(yīng)用軟件之間也可以進(jìn)行消息交互。

由于高速隧道中包含了通風(fēng)、照明、交通控制、火災(zāi)報(bào)警等控制設(shè)備，由于廠家機(jī)電設(shè)備的系統(tǒng)集成，就要求系統(tǒng)必須具備開(kāi)放性和互操作性[3]。采用OPC技術(shù)從而實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)軟件和下位機(jī)PLC控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息交互。上位機(jī)軟件將控制信號(hào)通過(guò)OPC下發(fā)到PLC中，PLC進(jìn)行控制，再通過(guò)OPC將采集回來(lái)的數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)軟件。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器

數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器主要負(fù)責(zé)對(duì)所有采集上來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和備份，同時(shí)還要負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)用戶進(jìn)行管理，還可以對(duì)視頻錄像信息、事故信息、CO/VI信息、微波信息等信息進(jìn)行查詢和打印。

3.4 預(yù)案設(shè)計(jì)

高速公路管理中遇到的最重要的問(wèn)題就是防災(zāi)救援。高速隧道的火災(zāi)，盡管發(fā)生頻率很小，但是一旦發(fā)生，由于隧道內(nèi)火災(zāi)溫度高、煙霧大、疏散困難，因此，造成的影響和損害程度是很大的。為了在事故發(fā)生之前可以預(yù)防，在發(fā)生事故之后能夠盡快的疏散車輛，疏通道路，那么預(yù)案設(shè)計(jì)就顯得尤為重要了。

針對(duì)不同的突發(fā)事故，預(yù)先先在系統(tǒng)中儲(chǔ)存99條預(yù)案，每條預(yù)案進(jìn)行編碼排序，同時(shí)管理人員也可以根據(jù)自身需求進(jìn)行自主添加。預(yù)案機(jī)制可以通過(guò)手動(dòng)和自動(dòng)觸發(fā)兩種方式。手動(dòng)觸發(fā)是指管理人員根據(jù)上層片區(qū)管理人員指示啟動(dòng)相應(yīng)預(yù)案。自動(dòng)觸發(fā)是指上位機(jī)監(jiān)控軟件可以根據(jù)下位機(jī)PLC所采集回來(lái)的火災(zāi)報(bào)警指令代碼、一氧化碳濃度、洞內(nèi)外光強(qiáng)度來(lái)啟動(dòng)預(yù)案機(jī)制自動(dòng)下發(fā)相應(yīng)的控制指令，開(kāi)始調(diào)整隧道內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)(修改限速標(biāo)志、啟動(dòng)風(fēng)機(jī)水泵以及啟動(dòng)卷簾門等措施)。如圖5所示。當(dāng)事故處理完成以后，管理人員將預(yù)案機(jī)制關(guān)閉，系統(tǒng)自動(dòng)默認(rèn)返回到事故發(fā)生之前的狀態(tài)。

圖5 預(yù)案機(jī)制

4 結(jié)論

本高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)在岢臨高速隧道管理中得到應(yīng)用。經(jīng)實(shí)踐表明，該系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)良好，有效穩(wěn)定地對(duì)隧道交通進(jìn)行了管理。

[1] GE-PLC編程軟件快速入門手冊(cè)[Z].2003:5-28.

[2] 孫小明.隧道監(jiān)控系統(tǒng)的PLC應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造,2008(6):46-49.

[3] 曾瀚鵬.基于OPC技術(shù)的高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)[J].中國(guó)交通信息化,2011(6):105-106.

Design and Research of Expressway Tunnel Monitoring System Based on GE PLC

Ding Yong

(ShanxiAutomationResearchInstitute,TaiyuanShanxi030012,China)

This paper introduces the design and implementation of high-speed tunnel monitoring system with GE PLC, which completes the control of equipment and data collection. The key technologies such as industrial Ethernet technology, OPC and the control structure of tunnel monitoring system are described. On-site commissioning shows that, GE PLC work is stable, monitoring system is safe and reliable, and the satisfactory result is achieved.

GE PLC; OPC; tunnel monitoring system

2016-10-31

丁 勇(1987- )，男，山西洪洞人，碩士研究生，主要從事電氣、自動(dòng)化控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。

1674- 4578(2017)01- 0009- 03

TP39

A