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案例頻道關鍵詞：可編程控制器 隧道監控系統
一、引言
隨著交通道路的不斷發展，作為其一個重要環節的隧道，其數量不斷增加，建設可靠、穩定、先進、經濟的隧道監控系統已經成為工程界和公路營運管理部門共同關心的問題。現代控制技術的發展大大提高了公路交通的信息化和智能化程度，與3C技術相結合的PLC以其卓越的可靠性、抗干擾性以及靈活的控制方式成為隧道監控系統的核心控制器，他們與開放的網絡通信系統一起，共同推動著隧道監控系統的發展。
二、系統簡介
隧道監控系統按照各個子系統分可分為：照明系統、通風系統、交通誘導系統、CCTV系統、火災報警系統、消防控制系統、緊急電話系統、廣播系統等。按照設備的類型分可分為：檢測設備、控制設備、顯示設備和通訊設備。檢測設備如：火災報警探頭、車輛檢測器、COVI、能見度檢測儀、風速風向儀等；控制設備如交通區域控制器、照明區域控制器、通風區域控制器等；顯示設備如：計算機工作站、大屏幕監視器、聲光報警器等；通訊設備如：交換機、集線器、串口信號傳輸設備、光端機等。
當前隧道監控模式主要分為兩種，一種是適用于短隧道的集散式控制模式，一種是適用于長隧道的分布式現場總線控制模式。前者布線復雜，造價較高，由中控室對現場設施進行控制與管理，后者施工方便，不但造價較低，而且可靠性較高，其又可分為全分布式現場總線控制和集中式現場總線控制。全分布式現場總線控制模式，中控室對現場設施不直接進行控制，由現場各種設施的控制器進行控制。分布式現場總線控制模式從網絡構成來看，一般分3個層次：上層為中央計算機系統，即本地控制中心，中間是由各區域控制器組成的控制層，下層為各種檢測設備和控制及誘導設備組成的設備層。
本地控制中心一般由現場監控工作站（控制計算機）、監控系統軟件、主區域控制器及相應的附屬設施構成，用于實現對整個隧道監控系統的統一監控。監控系統軟件運行于現場監控工作站上，并不斷與PLC控制器交換數據，實時地把所有設備的當前狀態以圖表、顏色、閃爍、數值等方式顯示在操作界面上；而操作人員在操作界面的每個動作，也由監控系統軟件將相關的命令、參數寫入PLC，實現設備的手動控制。
隧道控制的核心思想就是將所有縱向及橫向的系統有機地結合起來，通過算法分析，最終實現智能化控制。區域控制器就是其實現的核心。各區域控制器負責采集現場檢測設備的信息，處理后傳給本地控制中心，而本地控制中心的控制命令則發給區域控制器，再由區域控制器直接控制相應設備。在本地控制中心與區域控制器通訊中斷的情況下，區域控制器仍然具備獨立控制現場設備的能力。因此區域控制器應高效且高度可靠。
除現場控制設備，整個系統的通信網絡則是保證系統能否高效運行的關鍵。長隧道、特長隧道以及隧道群的出現已經越來越多，單洞內的區域控制器就越來越多，這就意味著網絡的結點在不斷增加。通訊網絡不僅要具有較高的通訊速率以保證大量數據的有效傳輸，還必須具有容錯的能力以提高通訊的可靠性，即網絡上出現故障時能夠實現自恢復，同時，構成通訊網絡的設備必須滿足工業級要求，以適應隧道內苛刻的工作環境。系統還需要具有很好的可擴展性，使得設備更新與增加、功能改善與變化，都能最大限度地應用原有系統。隧道監控的環境相對比較特殊，隧道所處的山野防雷非常重要，隧道中的控制箱經常會遇到潮濕甚至漏水的侵擾，而一些高原隧道面臨嚴寒和低空氣密度，特別是長大隧道中的汽車煙塵很容易附著在密封不好的控制箱中設備上，這些煙塵具有一定的導電性，從而造成本地控制器等設備的早期故障或損壞。
三、系統構成
隧道監控系統，分布性強，干擾強，環境較差。網絡系統對隧道監控安全、可靠、有效的運行非常重要。在隧道監控系統的結構上，國內公路監控系統在管理體制上主要是三級管理，即管理中心、管理分中心和管理所。由于管理所不直接對隧道的設備進行控制，因此工程界按照系統結構的劃分把監控系統劃分為信息層、控制層、和設備層。針對這三層網絡，世界上主流的自動化廠家都有相應的產品，如表一所示。
第一層為信息層，主要負責大量信息及不同設備之間的信息傳輸，工業以太網Ethernet為目前較常用的一種信息網絡，世界各大PLC生產廠商均支持工業以太網，并且他們在原有TCP/IP的基礎上，相繼開發出實時性更高的工業以太網，如歐姆龍和羅克維爾支持的Ethernet/IP，施奈德支持的Modbus-TCP/IP以及西門子支持的ProfiNet等。由于Ethernet的信息量大，因此在隧道監控上以太網主要用于各個隧道管理所與監控中心的數據傳輸，包括各種交通流量信息，各傳感器數據等大量歷史數據信息。
第二層為控制層，主要采用現場總線組成隧道區域控制器網絡，其特點是由于采用了標準總線組網，既能滿足實時通信的要求，又具有開放協議的標準接口，能在總線上方便的掛接各種外場設備，有利于監控系統的擴展。目前，現場總線有40多種，主要有Controller Link、LonWorks、Inetrtbus、Profibus、Can和Modbus。他們的共同特點是高速、高可靠，適合PLC與計算機、PLC與PLC及其它設備之間的大量數據的高速通訊。為使系統的穩定可靠，控制層的網絡結構多采用環網的方式組成，包括線纜型和光纖作為傳輸介質，具體組網將在后面作出實例說明。
第三層為設備層，這一層用于PLC與現場設備、遠程I/O端子及現場儀表之間的通訊，它們有DeviceNet、Modbus以及Profibus/DP等，其中DeviceNet已經成為工業界的標準總線而得到了廣泛的應用，而Profibus/DP雖然沒有成為標準，但是它的應該也相當廣泛。
近來年以太網的廣泛應用使得人們把目光投向了現場總線上來，工業以太網是否最終將取代現場總線仍然是一個爭論的話題。然而，不論是Ethernet/IP還是Modbus-TCP/IP，當前以太網在一些重要的性能指標上仍然無法具有現場總線的特點和優勢。從本質上來講，以太網的載波幀聽沖突監測CSMA/CD的訪問方式，實時性并沒有現場總線采用的令牌總線和令牌環的訪問方式高，不論人們采用何種方式，如協議封裝、分時訪問控制等，都只能改善以太網的實時性，起不到本質的改變，隧道控制的一個核心思想是必須保證隧道的安全尤其是突發事件時候隧道的安全，如果突發事件的發生造成數據訪問發生碰撞，使得信息不能及時得到處理而導致重大事故，后果將不堪設想。在當前技術還未完全成熟之前，現場總線應用于控制層，是一個積極和穩妥的選擇。但隨著以太網技術的不斷發展，今后其取代現場總線而用于控制層也是可能的。
區域控制器：
隧道監控對PLC的性能提出了更高的要求，作為隧道監控的核心控制器，其必須具備以下幾大功能特點：首先本身必須穩定可靠，并具有預先處理數據和集中傳輸數據的能力，具有較高的故障保護能力；其次，區域控制器可以獨立承擔控制分區的基本控制任務，即使監控站或者監控中心因故障停止運行，相鄰區域的控制器也能交換交通量信息；再次，當某區域的交通量出現變化時，可按預定方案和程序采取相應的算法，對相關區域的流量做出相應的調整。因此，它必須至少有如下功能模塊，數據采集存儲處理功能（實現集中和獨立工作方式，尤其是在獨立控制時能與相鄰控制器實現數據交換）；通信功能、容錯功能、自動診斷功能和本地操作功能（即能帶觸摸屏）。
歐姆龍（Omron）、施奈德（Schneider）、西門子（Siemens）、羅克維爾（Rockwell）、通用電氣（GE）是全球五大PLC制造廠商和整體方案的提供者，他們的產品面向各自不同的領域，其中在隧道監控的應用方面，又以歐姆龍的應用最為廣泛。
必須綜合考慮整個監控系統的性能要求和自然條件以及運營周期對設備的要求進行選擇，尤其在極端氣候和惡劣環境狀況條件。
特長隧道以及隧道變電站需要選擇性能更好的雙機熱備冗余的PLC，如Omron的CS1D系列、Schneider的2Quantom系列、Rockwell的2ControlLogix、Siemens的S7-417系列；區別在于Omron的冗余系統是在一個底板上實現，而其他廠家的冗余系統是兩個底板通過光纖連接。Omron的冗余系統配置很靈活，可以任意實現雙CPU雙電源、雙CPU單電源、單CPU單電源多種冗余系統。
中長隧道多采用標準的機型作為現場控制器，如Omron的CS1系列、Schneider的Quantom140系列、Rockwell的ControlLogix、Siemens的S7-400系列等；他們都支持工業以太網和多種現場總線，控制方式采用遠程帶CPU的智能分布式結構，系統開放性和兼容性強，豐富的I/O及高功能模塊，完全滿足隧道監控系統對信號處理的要求。由于Schneider和Siemens的PLC體積較大，因此在施工過程中需要考慮預留洞的大小。
一般短隧道以及現場條件較好的工況下，為考慮成本可以選用經濟型的機型作為現場控制器，如Omron 的CJ1系列、Siemens的S7-300系列等；他們的共同特點是體積小，各模塊采用側連接的方式，功能較為齊全；不足之處在于程序容量較小，模塊出現故障裝卸不便。
四、實際案例
下面以天津津薊高速公路為例，具體說明隧道監控系統的實際應用。
天津津薊高速公路延長線工程起于薊縣縣城以西，與既有的津薊高速公路相接，經薊縣西穿過盤山山區后與北京京平高速公路相接，路線全長15.47公里，設計4車道，包含2座隧道，蓮花嶺隧道和大嶺后隧道。
根據隧道監控要求以及總體布局情況，隧道監控自動控制系統遵從“集中監視管理、分散控制”的原則，包括中央監控系統、現場控制站、通訊網絡等。系統各部分有相對獨立性；22個現場控制站根據工藝區域劃分，分別設于大嶺后隧道（12套PLC現場控制站）、蓮花嶺隧道（10套現場控制站）。根據設備分布和控制特點，在現場控制站下還掛有遠程數據采集單元，或專用智能控制裝置。實現就地工藝區域內的數據采集和過程監控，并與調度管理站和其它控制站進行通訊。
根據被控對象對連續運行可靠性的要求，現場控制站的PLC選用OMRON公司高性能的CS1D系列處理器。PLC現場控制站通過光纖冗余環網Ethernet與中央控制室計算機聯接。遠程I/O站通過DeviceNet現場總線網絡連接在相應的PLC控制站上。現地控制站既能夠獨立進行現場各開關量、模擬量的數據采集和控制，又能夠通過網絡間的數據傳送，將各儀表及泵閥等狀態信息傳送到上位機，完成中央控制室的實時監控。
下面以蓮花嶺隧道為例，介紹其監控系統的組成。大嶺后隧道的網絡結構如之雷同。
根據隧道內監控設備的分布和工藝過程的要求，分別在大嶺后隧道設置12套現場控制分站（PLC1——PLC12）。蓮花嶺隧道設置10套現場控制分站（PLC1——PLC10）。每一套PLC控制裝置作為一個現場控制站，或作為一個數據采集單元，監視和控制就地區域的生產過程，并通過通訊網絡與調度管理站及其它現場控制站進行通訊。中控室能夠觀察到一些重要的運行狀態和工藝參數，對現場設備進行操作及控制參數的設置和修改。
大嶺后隧道設置的PLC11和PLC12兩套現場控制分站將安裝于隧道的低壓配電室內負責照明和通風設備的監控和數據采集，其它10套現場控制分站均勻分布于隧道內兩側負責現場儀表及交通信號設備的控制及信號采集。各分站之間采用10/100Mbit/s自適應工業以太環網（EtherNet/IP），對等方式通訊。
蓮花嶺隧道設置的PLC9和PLC10兩套現場控制分站將安裝于隧道的低壓配電室內負責照明和通風設備的監控和數據采集。其它8套現場控制分站均勻分布于隧道內兩側負責現場儀表及交通信號設備的控制及信號采集，以上各分站之間采用10/100Mbit/s自適應工業以太環網（EtherNet/IP），對等方式通訊。區域控制器的功能：
（1）收集本區段檢測設備檢測的信息，包括CO檢測器、能見度檢測器、車輛檢測器等；
（2）對收集信息進行預處理，并儲存在本地的存儲單元內；
（3）隧道內的區域控制器的存儲單元中處理好的信息上傳給隧道管理站計算機；
（4）接收隧道管理站計算機的各種控制命令，將控制命令和設備運行狀態比較后，發出對下端執行設備的控制指令。（如發給車道控制標志、交通信號燈等的指令）。
（5）可存儲幾個常用和特殊的程序，如交通事故處理程序、火災緊急處理程序等。
（6）本地控制器設有手動控制單元。當通信中斷或其它原因和上端失去聯系時，可進行手動聯動操作，且手動優先。
（7）具有自檢功能。
五、改進與發展
當前我國隧道監控系統的設計和實施正處于一個成長的時期，同時貴州省內的高速公路正處于大規模建設的階段，如果建設更加可靠的隧道監控系統，保證建設以及營運的可靠是當然我們必須面臨的問題。為此，我們必須考慮到以下幾點：一方面要兼顧系統的穩定、可靠與可控，也要反映系統的先進、經濟與可擴展，同時也要使操作便捷與維護方便；另一方面，針對不同的交通條件和功能要求確定系統的規模和冗余度的大小，確定系統的合理集成方式、系統網絡的構成與拓撲結構形式以力求系統的可靠性、穩定性、先進性與經濟性的有機結合。
另外，除考慮系統的規模和設計方法外，也要考慮新技術的應用，使整個系統既先進又實用；從系統的結構來看，當前普遍采用三級隧道管理和分布式現場總線控制方式，事實上，主從式結構的現場總線如Profibus，由于系統的可靠性受主控制器的制約，并不適用于全分布式現場總線控制，采用對等的自愈網絡是今后的一個發展趨勢；從系統的控制來看，當前監控普遍存在著只監不控，或監強控弱的現象，交通信息、環境信息得不到很好利用，對于隧道控制，要針對不同現象，采用不同的控制方法。
[參考文獻]
[1] 胡劍波 PLC在隧道自動化中的應用 《工業儀表與自動化裝置》
[2] 韓直 公路監控系統的需求與發展 《國際交通配套與智能化》
[作者簡介]
黃緒東：天津市高速公路投資建設發展公司
地 址：天津市華苑新技術產業園區梓苑路5號
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號