摘 要：本文簡要介紹了當前我國隧道監(jiān)控系統(tǒng)的構成，在此基礎上分析了控制系統(tǒng)的整體解決方案以及其區(qū)域控制器（PLC）及網絡的選型，同時以天津津薊高速公路項目為例，詳細分析了單隧道和隧道群的具體解決方案，最后分析了隧道監(jiān)控系統(tǒng)的改進與發(fā)展。 關鍵詞：可編程控制器 隧道監(jiān)控系統(tǒng) Abstract:In this paper, the structure of tunnel control system at present in China is described firstly, and on the basis of it the whole scheme and configurations about core region controller and communication network are analyzed , and at the same time, some total solutions of tunnels based on building or built project in Tianjing are provided in detail, and in the end the application and improvement anddevelopment of tunnel control system is given. Key Words：PLC ， Tunnel control system 一、引言 隨著交通道路的不斷發(fā)展，作為其一個重要環(huán)節(jié)的隧道，其數量不斷增加，建設可靠、穩(wěn)定、先進、經濟的隧道監(jiān)控系統(tǒng)已經成為工程界和公路營運管理部門共同關心的問題?，F(xiàn)代控制技術的發(fā)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(jiān)控系統(tǒng)的核心控制器，他們與開放的網絡通信系統(tǒng)一起，共同推動著隧道監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展。 二、系統(tǒng)簡介 隧道監(jiān)控系統(tǒng)按照各個子系統(tǒng)分可分為：照明系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、交通誘導系統(tǒng)、CCTV系統(tǒng)、火災報警系統(tǒng)、消防控制系統(tǒng)、緊急電話系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)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(qū)域控制器、照明區(qū)域控制器、通風區(qū)域控制器等；顯示設備如：計算機工作站、大屏幕監(jiān)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(jiān)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(xiàn)場總線控制模式。前者布線復雜，造價較高，由中控室對現(xiàn)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(xiàn)場總線控制和集中式現(xiàn)場總線控制。全分布式現(xiàn)場總線控制模式，中控室對現(xiàn)場設施不直接進行控制，由現(xiàn)場各種設施的控制器進行控制。分布式現(xiàn)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(tǒng)，即本地控制中心，中間是由各區(qū)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(xiàn)場監(jiān)控工作站（控制計算機）、監(jiān)控系統(tǒng)軟件、主區(qū)域控制器及相應的附屬設施構成，用于實現(xiàn)對整個隧道監(jiān)控系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)軟件運行于現(xiàn)場監(jiān)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(tài)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(jiān)控系統(tǒng)軟件將相關的命令、參數寫入PLC，實現(xiàn)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(tǒng)有機地結合起來，通過算法分析，最終實現(xiàn)智能化控制。區(qū)域控制器就是其實現(xiàn)的核心。各區(qū)域控制器負責采集現(xiàn)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(fā)給區(qū)域控制器，再由區(qū)域控制器直接控制相應設備。在本地控制中心與區(qū)域控制器通訊中斷的情況下，區(qū)域控制器仍然具備獨立控制現(xiàn)場設備的能力。因此區(qū)域控制器應高效且高度可靠。 除現(xiàn)場控制設備，整個系統(tǒng)的通信網絡則是保證系統(tǒng)能否高效運行的關鍵。長隧道、特長隧道以及隧道群的出現(xiàn)已經越來越多，單洞內的區(qū)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(xiàn)故障時能夠實現(xiàn)自恢復，同時，構成通訊網絡的設備必須滿足工業(yè)級要求，以適應隧道內苛刻的工作環(huán)境。系統(tǒng)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(tǒng)。隧道監(jiān)控的環(huán)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(tǒng)構成 隧道監(jiān)控系統(tǒng)，分布性強，干擾強，環(huán)境較差。網絡系統(tǒng)對隧道監(jiān)控安全、可靠、有效的運行非常重要。在隧道監(jiān)控系統(tǒng)的結構上，國內公路監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)結構的劃分把監(jiān)控系統(tǒng)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(yè)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(yè)以太網，并且他們在原有TCP/IP的基礎上，相繼開發(fā)出實時性更高的工業(yè)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(jiān)控上以太網主要用于各個隧道管理所與監(jiān)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(xiàn)場總線組成隧道區(qū)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(xié)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(jiān)控系統(tǒng)的擴展。目前，現(xiàn)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(tǒng)的穩(wěn)定可靠，控制層的網絡結構多采用環(huán)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(xiàn)場設備、遠程I/O端子及現(xiàn)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(yè)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(xiàn)場總線上來，工業(yè)以太網是否最終將取代現(xiàn)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(xiàn)場總線的特點和優(yōu)勢。從本質上來講，以太網的載波幀聽沖突監(jiān)測CSMA/CD的訪問方式，實時性并沒有現(xiàn)場總線采用的令牌總線和令牌環(huán)的訪問方式高，不論人們采用何種方式，如協(xié)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(fā)事件時候隧道的安全，如果突發(fā)事件的發(fā)生造成數據訪問發(fā)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(xiàn)場總線應用于控制層，是一個積極和穩(wěn)妥的選擇。但隨著以太網技術的不斷發(fā)展，今后其取代現(xiàn)場總線而用于控制層也是可能的。 區(qū)域控制器： 隧道監(jiān)控對PLC的性能提出了更高的要求，作為隧道監(jiān)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(wěn)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(qū)域控制器可以獨立承擔控制分區(qū)的基本控制任務，即使監(jiān)控站或者監(jiān)控中心因故障停止運行，相鄰區(qū)域的控制器也能交換交通量信息；再次，當某區(qū)域的交通量出現(xiàn)變化時，可按預定方案和程序采取相應的算法，對相關區(qū)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(xiàn)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(xiàn)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(jiān)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(jiān)控系統(tǒng)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(huán)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(qū)別在于Omron的冗余系統(tǒng)是在一個底板上實現(xiàn)，而其他廠家的冗余系統(tǒng)是兩個底板通過光纖連接。Omron的冗余系統(tǒng)配置很靈活，可以任意實現(xiàn)雙CPU雙電源、雙CPU單電源、單CPU單電源多種冗余系統(tǒng)。 中長隧道多采用標準的機型作為現(xiàn)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(yè)以太網和多種現(xiàn)場總線，控制方式采用遠程帶CPU的智能分布式結構，系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(jiān)控系統(tǒng)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(qū)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(jiān)控要求以及總體布局情況，隧道監(jiān)控自動控制系統(tǒng)遵從“集中監(jiān)視管理、分散控制”的原則，包括中央監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場控制站、通訊網絡等。系統(tǒng)各部分有相對獨立性；22個現(xiàn)場控制站根據工藝區(qū)域劃分，分別設于大嶺后隧道（12套PLC現(xiàn)場控制站）、蓮花嶺隧道（10套現(xiàn)場控制站）。根據設備分布和控制特點，在現(xiàn)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(xiàn)就地工藝區(qū)域內的數據采集和過程監(jiān)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(xù)運行可靠性的要求，現(xiàn)場控制站的PLC選用OMRON公司高性能的CS1D系列處理器。PLC現(xiàn)場控制站通過光纖冗余環(huán)網Ethernet與中央控制室計算機聯(lián)接。遠程I/O站通過DeviceNet現(xiàn)場總線網絡連接在相應的PLC控制站上?，F(xiàn)地控制站既能夠獨立進行現(xiàn)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(tài)信息傳送到上位機，完成中央控制室的實時監(jiān)控。 下面以蓮花嶺隧道為例，介紹其監(jiān)控系統(tǒng)的組成。大嶺后隧道的網絡結構如之雷同。 根據隧道內監(jiān)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(xiàn)場控制分站（PLC1——PLC12）。蓮花嶺隧道設置10套現(xiàn)場控制分站（PLC1——PLC10）。每一套PLC控制裝置作為一個現(xiàn)場控制站，或作為一個數據采集單元，監(jiān)視和控制就地區(qū)域的生產過程，并通過通訊網絡與調度管理站及其它現(xiàn)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(tài)和工藝參數，對現(xiàn)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(xiàn)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(jiān)控和數據采集，其它10套現(xiàn)場控制分站均勻分布于隧道內兩側負責現(xiàn)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(yè)以太環(huán)網（EtherNet/IP），對等方式通訊。 蓮花嶺隧道設置的PLC9和PLC10兩套現(xiàn)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(jiān)控和數據采集。其它8套現(xiàn)場控制分站均勻分布于隧道內兩側負責現(xiàn)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(yè)以太環(huán)網（EtherNet/IP），對等方式通訊。區(qū)域控制器的功能： （1）收集本區(qū)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(qū)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(tài)比較后，發(fā)出對下端執(zhí)行設備的控制指令。（如發(fā)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(lián)系時，可進行手動聯(lián)動操作，且手動優(yōu)先。 （7）具有自檢功能。 五、改進與發(fā)展 當前我國隧道監(jiān)控系統(tǒng)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(guī)模建設的階段，如果建設更加可靠的隧道監(jiān)控系統(tǒng)，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(tǒng)的穩(wěn)定、可靠與可控，也要反映系統(tǒng)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(tǒng)的規(guī)模和冗余度的大小，確定系統(tǒng)的合理集成方式、系統(tǒng)網絡的構成與拓撲結構形式以力求系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、先進性與經濟性的有機結合。 另外，除考慮系統(tǒng)的規(guī)模和設計方法外，也要考慮新技術的應用，使整個系統(tǒng)既先進又實用；從系統(tǒng)的結構來看，當前普遍采用三級隧道管理和分布式現(xiàn)場總線控制方式，事實上，主從式結構的現(xiàn)場總線如Profibus，由于系統(tǒng)的可靠性受主控制器的制約，并不適用于全分布式現(xiàn)場總線控制，采用對等的自愈網絡是今后的一個發(fā)展趨勢；從系統(tǒng)的控制來看，當前監(jiān)控普遍存在著只監(jiān)不控，或監(jiān)強控弱的現(xiàn)象，交通信息、環(huán)境信息得不到很好利用，對于隧道控制，要針對不同現(xiàn)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(yè)儀表與自動化裝置》 [2]　韓直 公路監(jiān)控系統(tǒng)的需求與發(fā)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(fā)展公司 地 址：天津市華苑新技術產業(yè)園區(qū)梓苑路5號