PLC在高速公路隧道监控系统中的应用

1 引言

　　福鼎分水关至宁德城关段高速公路是国家规划的“两纵两横”国道主干线之一同江至三亚公路在福建的一段，起点接浙江省甬台温高速公路，终点接罗源至宁德高速公路。本路采用山岭重丘区高速公路标准修建，双向四车道，设计车速80Km/h，全长141公里，沿线设有互通立交十座，超过一公里的长隧道八条，一公里以下短隧道六条，全线隧道单洞长度达二十公里，隧道监控是全线监控的关键。八条长隧道设置了完整的监控系统，包括交通监控、通风、照明、变电站供配电、火灾报警、CCTV监视、隧道广播等子系统，其中交通监控、通风照明、变电站供配电等隧道信息的采集和发布采用本地控制器（PLC）完成。

2 PLC概述

　　本地控制器采用OMRON 公司的大中型机CS1系列，八条长隧道十六个单洞共用78套PLC，其中坑门里隧道11套，吉坑隧道11套，蔡家山隧道9套，洋坪隧道9套，赤岭隧道13套，杨梅岭隧道8套，湾坞隧道9套，吴楼隧道8套PLC，分别组成16个ControllerLink冗余令牌环网的控制系统。ControllerLink 是OMRON的主要的FA级别的网络，它支持在PLC之间及PLC和上位机之间的自动数据链接，也可使用信息服务进行可编程的数据传送，可得到高容量，柔性数据链接及高容量的数据传送，对低成本的通信系统，可使用双绞线电缆。78套本地控制器的PLC通过光纤通信模块CS1W-CLK52分别组成16个光纤ContollerLink冗余令牌环网进行数据通讯。

3 PLC系统组成

　　每个隧道的PLC系统分别在隧道左洞和隧道右洞组成光纤ContorllerLink冗余令牌环网，两个光纤ContorllerLink冗余令牌环网都是独立的控制系统，互不干涉和影响。安装在监控设备室内的PLC通过HostLink与主控PLC相连，并与隧道监控分中心的服务器通过以太网模块CS1W-ETN01、HUB、光纤收发器组成以太网进行数据交换。主控PLC在监控室内连接一个本地触摸屏，并通过MODEM与监控分中心的一个远程触摸屏相连。

　　隧道PLC网络构成图：

4 PLC程序主要功能

　　1、收集本区段检测设备检测的信息，包括CO检测器、能见度检测器、透过率检测仪、车辆检测器等。

　　2、对收集信息进行预处理。如：隧道内的CO正常运营时允许的浓度一般在150—250ppm,，交通阻滞（隧道内各车道均以怠速行驶，平均车速为10km/h时可为300ppm,经历时间不超过20分钟;隧道内烟雾允许浓度为7.0＊0.001 1/m;隧道内风速正常运营时推荐为10m/s），并储存在本地的存储单元内。

　　3、 隧道内的本地控制器的存储单元中处理好的信息（CO浓度、能见度、烟雾浓度、透过率、车辆检测、交通信号标志等）上传给隧道监控分中心的服务器。

　　4、 接收隧道管理站计算机的各种控制命令（如控制风机的启、停、照明开关等），将控制命令和设备运行状态比较后，发出对下端执行设备的控制指令（如发给风机、照明柜、车道控制标志、交通信号灯、横洞指示等的指令）。

　　5、 本地控制器设有手动控制，手动操作界面采用触摸屏NT31C，当通信中断或其它原因和上端失去联系时，可进行手动操作，且手动优先。

　　6、可存储几个常用和特殊的程序，如交通事故处理程序、火灾紧急处理程序等（即当遇到交通事故时的紧急处理措施,如：改变交通信号标志，发出报警信息，通知巡警等;当遇到火灾时的紧急处理措施，如：当隧道内遇到火灾时，风机的控制等）。

5 PLC编程

　　1、交通控制程序

　　交通控制程序负责读取车辆检测器、车道指示标志、情报板的状态及信息，并将数据传递给上位机。根据上位机上设定的交通模式，控制车道指示标志和交通信号灯的状态。并根据上位机设置的状态及信息。实现对车辆检测器、车道指示标志、情报板、交通信号灯的控制。在发生通信故障时，产生报警信号。定时给车辆检测器校时，以保证车辆检测器时间的一致性。

　　车道指示标志和交通信号灯的状态的控制方式有以下三级控制：

　　——监控分中心：自动控制（上位机）、人工远程控制（上位机、触摸屏）

　　——隧道监控室：人工控制（触摸屏）

　　——现场设备： 人工手动控制

　　正常情况下，车道指示标志和交通信号灯的状态由监控分中心的上位机控制，在上位机出现故障时，可通过监控分中心的触摸屏进行控制。若监控分中心至隧道设备室的通信出现故障，则改由隧道设备室的触摸屏进行控制。

　　交通控制流程图

　　2、通风控制程序

　　通风控制程序根据检测到的透过率、CO浓度数据、交通量数据，控制风机的运行台数、风向和运行时间，实现节能运行和保持风机较佳寿命的控制运行;并在发生火灾时，根据不同地点，进行相应的火灾排烟处理，以保证隧道的安全及运行环境的舒适性。

　　通风控制程序实现风机正转、反转、停机控制，并将每台风机的状态（正转、反转、停机）、自动手动状态显示、总故障信号传给上位机。自动统计风机运行时间，累计运行时间最短的风机优先启动，以便平衡各台风机的劳逸程度，延长风机的使用寿命。

　　自动根据CO浓度、透过率值、交通量状况、火灾报警等综合情况控制风机的运行。每台风机启动需短暂延时，才允许其它风机启动，以减少对变电站供电的冲击。

　　通风控制子系统控制方式可以有如下四级：

　　——监控分中心：自动控制、人工远程控制

　　——隧道监控室：自动控制、人工控制

　　——隧道变电所：人工手动控制

　　——通风机开关箱：人工手动控制

　　正常情况下将隧道变电所的风机控制转换开关置于“自动”位，由监控分中心实现通风控制子系统的监控，自动完成子系统的各项功能。系统在故障或需要时经过转换应在前三级的任一级上维持系统的正常运行。在对通风设备和通风控制子系统需要进行维修和测试时则可以采取隧道监控室人工、变电所人工、通风机就地开关箱处人工控制的方式。

　　控制方式的优先权为：人工高于自动，人工方式时是按四级顺序优先级由低到高，自动方式时是隧道监控室控制优先于监控分中心控制。

　　风机自动控制模式有两种：一种是在一些特定情况下选用某种预先编制的控制程序通过人工确认后进行风机自动控制，另一种是根据CO和透过率检测器检测到的实际数据与环境指标的标准值比较，来实时调节风机的运转。

　　通风控制流程图

　　3、照明控制程序

　　隧道照明控制程序根据检测到的洞内外光强数据、交通量变化以及白天、黑夜等情况，控制隧道的照明系统，调节出入口以及洞内的照明，保证行车的安全，以及在满足照明要求的情况下达到节能运行的目的，同时对洞内照明以及照明控制设备的状况进行监视。

　　照明系统隧道照明控制程序具有洞内灯泡亮度不足的报警功能，即能够通过洞内光强仪采集数据与设定值比较后提示维护部门更换灯具。在自动（控制方式中，发生火灾事故时，洞内所有照明自动全亮。在自动（本地）、远控（人工/自动）控制方式中，任何时候确保有一路基本照明灯亮。

　　此隧道照明有人工、自动（本地）、远控（手动/光强）三种方式，其中人工/自动（本地）方式由照明系统自行完成，远控方式由监控与照明系统配合完成。照明系统将远程控制或本地控制（人工/自动）的状态信号传给监控系统。

　　远控制方式时由监控系统提供继电器接点和连接电缆至照明系统协调完成远控制。各个照明回路的执行控制由照明系统实现。

　　照明系统将照明回路开关分合状态信号传给监控系统，照明系统提供继电器干接点。对照明灯可用触摸屏NT31C达到手动控制目的。

　　照明控制流程图

　　4、变电站监视控制程序

　　PLC对隧道变电站的电源状态、质量以及故障等状态进行监视。主要是对高压电源进线开关状态、低压总开关状态、每段低压母线的电压、变电站故障总信号，柴油发电机的起、停、总故障信号等进行监视，根据被监视设备状态的变化及故障告警信号进行告警记录，存贮相应的监视信息，并且把采集的信号传送至监控分中心。另外，根据变电站的电源状况控制风机系统的工作。对无电源的变电站不会使该站供电风机运行，并在低电压状况下调控风机的启动。

6 结束语

　　高速公路开通运行后，隧道监控系统运行相当稳定，在隧道比较恶劣的环境下，采用PLC是较为合适的。现在自动化技术日新月异，现场总线技术在控制领域已在大力推广，但PLC技术也在不断加强发展，特别在通信、组网、冗余技术方面日趋完善强大，在控制领域仍然占据不可动摇的位置。