摘要:本文通過分析交通行業(yè)對監(jiān)控軟件實時性和可擴(kuò)展性要求，介紹了KingSCADA3.0軟件在吉林省赤柏隧道中的應(yīng)用，并詳細(xì)分析了交通、通風(fēng)、照明以及WEB發(fā)布幾個子系統(tǒng)的功能與特性。

1.     背景 

      赤柏隧道位于通化至沈陽高速公路中吉林省境內(nèi)。通化至沈陽高速公路（簡稱“通沈高速公路”）是國家交通部《振興東北老工業(yè)基地公路水路交通發(fā)展規(guī)劃綱要》中規(guī)劃的“五縱、八橫、兩環(huán)、十聯(lián)”中第七橫的一部分，是我國東北東部地區(qū)運輸?shù)拇笸ǖ乐?，也是吉林省東南部山區(qū)的第一條高速公路。通沈高速公路（吉林段）全長45.544公里，工程總預(yù)算16.72億元，建設(shè)期3年，是吉林省目前地形最復(fù)雜、施工難度最大的高速公路項目之一。作為通沈高速重要的組成部分，赤柏隧道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為雙洞四車道，左洞全長1812米，右洞全長1878米，機(jī)電主要采用歐姆龍CS1D系列PLC，通過光纖環(huán)網(wǎng)連接PLC監(jiān)控交通信號燈、車道指示燈等設(shè)備。根據(jù)吉林省高速公路監(jiān)控系統(tǒng)軟件統(tǒng)一規(guī)劃要求，吉林省高速公路管理局通信中心于2010年初選用亞控公司的KingSCADA3.0對赤柏隧道的監(jiān)控軟件進(jìn)行升級改造。

2.   需求分析

      隧道監(jiān)控系統(tǒng)集通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)于一體，需要為隧道管理人員提供完整和清晰的隧道運行狀況，是保障隧道安全運行的支撐平臺。針對隧道監(jiān)控系統(tǒng)的重要性提出以下需求：
      1.實時掌握隧道內(nèi)部設(shè)備狀態(tài)
      赤柏隧道中機(jī)電設(shè)備比較多，在設(shè)備出現(xiàn)故障時，監(jiān)控中心需要派工程師到現(xiàn)場解決問題。同樣，監(jiān)控中心為了了解現(xiàn)場運營狀況，也需要定期派運營管理工程師去了解情況。如果監(jiān)控中心能夠建立一套監(jiān)控系統(tǒng)，實時顯示現(xiàn)場設(shè)備狀況，則可節(jié)省工程師的巡視時間和成本。
      2.及時下發(fā)控制指令
      實時監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)，可在第一時間獲取設(shè)備的反饋，工程師可針對采集上來的信息對設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行更改。當(dāng)緊急事故發(fā)生時，監(jiān)控系統(tǒng)可通過工程師或上級領(lǐng)導(dǎo)的確認(rèn)，下發(fā)緊急預(yù)案，實現(xiàn)重大事故時的緊急決策。 
      3.記錄與查詢
      監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具備對報警信息、各設(shè)備采集信息、歷史操作等數(shù)據(jù)的進(jìn)行記錄、查詢、統(tǒng)計、報警、報表、預(yù)覽、打印等功能，為緊急預(yù)案的制定提供足夠的數(shù)據(jù)依據(jù)。
      4.豐富接口
      隧道監(jiān)控系統(tǒng)中，機(jī)電設(shè)備種類較多，數(shù)據(jù)采集接口種類繁多，給信息采集帶來了困難。根據(jù)不同項目和不同接口編制軟件，會造成路網(wǎng)內(nèi)路段之間無法共享交通信息，無法實現(xiàn)跨路段交通信息采集、處理、發(fā)布和交通指揮、調(diào)度。監(jiān)控軟件應(yīng)具有通用的接口解決此類問題。
      目前高速公路監(jiān)控系統(tǒng)中存在兩種軟件形式，一種是針對不同項目編制的軟件，一種是組態(tài)軟件。組態(tài)軟件，譯自英文SCADA,即 Supervisory Control and Data Acquisition(數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制)，是指數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件。組態(tài)軟件使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。亞控公司提供的KingSCADA3.0軟件，擁有開放性接口，支持各種國際標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議和在線組態(tài)的功能，具備完美的圖形展示、報表、趨勢曲線系統(tǒng)和對底層設(shè)備的直接控制能力，因此在赤柏隧道中，選擇使用KingSCADA3.0軟件進(jìn)行機(jī)電升級改造

3.項目方案

3.1系統(tǒng)配置

      針對赤柏隧道監(jiān)控系統(tǒng)實際需求，系統(tǒng)監(jiān)控軟件配置如下：服務(wù)器上安裝KingSCADA3.0具備開發(fā)功能和運行功能的完全版軟件，監(jiān)控計算機(jī)上安裝KingSCADA3.0運行版軟件，與服務(wù)器配置成采集與展示雙冗余，確保數(shù)據(jù)的無損采集與展示。軟件授權(quán)全部為不限點，下圖為監(jiān)控系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)圖和監(jiān)控軟件總結(jié)構(gòu)圖。
      監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

      監(jiān)控系統(tǒng)功能圖

3.2軟件系統(tǒng)設(shè)計

      在監(jiān)控系統(tǒng)中，KingSCADA3.0軟件將為使用人員呈現(xiàn)立體的現(xiàn)場效果，讓使用人員通過監(jiān)控畫面直觀的了解隧道內(nèi)部設(shè)備的情況。監(jiān)控系統(tǒng)中針對不同設(shè)備，不同功能，分別開發(fā)了子系統(tǒng)，下面分別介紹幾個子系統(tǒng)的功能。

      照明控制系統(tǒng)
      照明控制系統(tǒng)由隧道內(nèi)外的亮度檢測儀，隧道內(nèi)的照明回路和區(qū)域控制器等設(shè)備組成。系統(tǒng)通過IOServer采集亮度檢測儀檢測到的隧道洞口內(nèi)外的亮度數(shù)據(jù)，將這些信息傳送到連接照明控制回路的區(qū)域控制器和監(jiān)控計算機(jī)上的KingSCADA3.0軟件中，KingSCADA3.0軟件對收到的信息進(jìn)行實時處理判斷、轉(zhuǎn)換和存儲，生成相應(yīng)的控制命令控制照明回路，實現(xiàn)洞內(nèi)的照明控制。同時通過監(jiān)控計算機(jī)將IOServer檢測到的亮度數(shù)據(jù)顯示、統(tǒng)計、計算和打印。監(jiān)控中心控制服務(wù)器上的KingSCADA3.0軟件也能通過區(qū)域控制器，手動控制隧道內(nèi)的照明回路。在隧道至監(jiān)控中心的通信出現(xiàn)故障時，區(qū)域控制器自動接管并轉(zhuǎn)入?yún)^(qū)域控制器自動控制方式，以保證隧道正常運營。
      照明控制系統(tǒng)是根據(jù)隧道照明設(shè)計中所確定的照明區(qū)段、不同時段氣候條件下的照明要求，控制各個照明回路的開關(guān)，從而達(dá)到滿足隧道的照明亮度要求、保證行車安全、節(jié)省能源的目的。照明控制系統(tǒng)可以按照IOServer采集到的隧道外光照強(qiáng)度自動調(diào)節(jié)隧道內(nèi)的照明，也可以按照時序進(jìn)行控制。用戶可以通過KingSCADA3.0軟件界面實現(xiàn)不同控制方式的切換。綜合以往設(shè)計經(jīng)驗以及實際應(yīng)用的控制方案，照明控制系統(tǒng)中對于過渡段照明的控制采用隧道光強(qiáng)檢測器控制為主，時間控制為輔的控制策略；基本照明控制應(yīng)遵循省電原則，應(yīng)采用時間控制為主，隧道光強(qiáng)檢測器控制為輔的控制策略；但火災(zāi)情況下，無論照明現(xiàn)狀如何，照明控制系統(tǒng)都應(yīng)將隧道照明開到最大程度。

     通風(fēng)控制系統(tǒng)
     通風(fēng)控制系統(tǒng)主要構(gòu)成包括隧道內(nèi)的CO/VI檢測儀，風(fēng)向、風(fēng)速檢測儀，風(fēng)機(jī)控制柜、風(fēng)機(jī)以及相關(guān)的區(qū)域控制器。通風(fēng)控制系統(tǒng)主要通過KingSCADA3.0軟件控制隧道內(nèi)的射流風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)隧道中的空氣質(zhì)量達(dá)到用戶能接受的程度（規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)）；同時在隧道發(fā)生火災(zāi)時，也能迅速將煙霧排出隧道。
      通風(fēng)系統(tǒng)通過IOServer周期性地檢測隧道內(nèi)的CO、VI和風(fēng)速、風(fēng)向的環(huán)境數(shù)據(jù)（巡檢周期≤10s）,并將檢測結(jié)果通過區(qū)域控制器送入KingSCADA3.0監(jiān)控系統(tǒng)中,根據(jù)檢測數(shù)據(jù)計算其變化率和平均值。
      在控制系統(tǒng)與現(xiàn)場控制系統(tǒng)通信正常時，監(jiān)控中心監(jiān)控計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)CO、VI和風(fēng)速、風(fēng)向值、交通流量等信息通過KingSCADA3.0軟件的混合型綜合計算，實現(xiàn)風(fēng)機(jī)運行的全自動控制。監(jiān)控中心操作員也可以根據(jù)IOServer采集的信息做出綜合性的判斷之后，通過控制臺操作鍵盤控制風(fēng)機(jī)控制柜，對風(fēng)機(jī)的運行進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控；緊急情況下也能通過現(xiàn)場的風(fēng)機(jī)電氣控制柜手動直接控制風(fēng)機(jī)的運轉(zhuǎn)和停止。被檢測到的CO、VI等環(huán)境周期實時值和風(fēng)機(jī)運行狀態(tài)，實時地動態(tài)顯示在KingSCADA3.0監(jiān)控畫面中；當(dāng)隧道內(nèi)的環(huán)境變化達(dá)到了報警條件以及主要設(shè)備發(fā)生故障，報警信息會立即彈出報警對話框。KingSCADA3.0管理服務(wù)器能夠記錄隧道內(nèi)CO、VI變化曲線，每天、每周、每月非正常情況下通風(fēng)控制統(tǒng)計報表，以及手動操作控制風(fēng)機(jī)的時間及控制內(nèi)容，并可以輸出打印。
      在控制系統(tǒng)與現(xiàn)場控制系統(tǒng)通信中斷時，區(qū)域控制器會檢測到的CO、VI等環(huán)境周期實時值和風(fēng)機(jī)運行狀態(tài)，按閥值回差法進(jìn)行計算，實現(xiàn)風(fēng)機(jī)運行的全自動控制。
      另外當(dāng)隧道發(fā)生火災(zāi)時，系統(tǒng)接收到火災(zāi)報警系統(tǒng)的信息，KingSCADA3.0軟件系統(tǒng)將根據(jù)事先確定的風(fēng)機(jī)控制預(yù)案啟動風(fēng)機(jī)。
      隧道通風(fēng)除了要考慮一氧化碳濃度、火災(zāi)外，還要考慮風(fēng)機(jī)運轉(zhuǎn)平衡，延長設(shè)備壽命，所以在風(fēng)機(jī)自動啟動時，運行時間最短的風(fēng)機(jī)將被優(yōu)先啟動。同時考慮到風(fēng)機(jī)啟動時，有較大的啟動電流，所以在多臺風(fēng)機(jī)均要啟動時，采用間隔啟動法，保障風(fēng)機(jī)在啟動時，不會對電網(wǎng)造成巨大沖擊。

      交通控制系統(tǒng)   
      交通控制系統(tǒng)由隧道內(nèi)車道指示燈、洞口交通信號燈、橫通道指示標(biāo)志、車輛檢測器、可變情報板、可變限速標(biāo)志、區(qū)域控制器等組成。為了保證控制的完整性和有效性，隧道區(qū)域控制器內(nèi)置了交通控制方案，通過指定控制方案完成對隧道交通系統(tǒng)的控制。所有信號標(biāo)志是都是連鎖動作，不允許用戶對單獨某個交通信號設(shè)備進(jìn)行控制，因此不會出現(xiàn)矛盾的信號燈色顯示，實現(xiàn)安全控制功能。
      交通控制系統(tǒng)具有自動控制、遠(yuǎn)程遙控兩種控制方式。自動控制即根據(jù)IOServer采集到的有關(guān)信息和信息處理結(jié)果，自動產(chǎn)生相應(yīng)的控制方案，完成對相應(yīng)外場設(shè)備的控制；遠(yuǎn)程遙控即根據(jù)IOServer采集到的有關(guān)信息和信息處理結(jié)果，系統(tǒng)調(diào)取相應(yīng)的控制預(yù)案，經(jīng)操作員認(rèn)可或者修改后，完成對相應(yīng)外場設(shè)備的控制。
      同樣當(dāng)隧道發(fā)生火災(zāi)，系統(tǒng)接收到火災(zāi)報警系統(tǒng)的報警信息，根據(jù)事先確定的交通控制預(yù)案，經(jīng)過操作員確認(rèn)后下發(fā)執(zhí)行。

      報警系統(tǒng)
      報警系統(tǒng)主要是對控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)閥值的監(jiān)控報警。IOServer采集到的數(shù)據(jù)值超出閥值或低于閥值，都會在報警系統(tǒng)產(chǎn)生報警信息，并在用戶界面上，以醒目閃動方式顯示設(shè)備故障、報警信息，并配有故障（或報警）聲音提示。用戶可以通過點擊故障（報警）圖形或菜單打開故障（或報警）顯示窗口。在模擬量報警中還可根據(jù)閾值設(shè)置報警級別，例如高報警，高高報警，低報警，低低報警等。還可以對數(shù)據(jù)報警設(shè)置約束條件，避免某些誤報警，客戶可以通過過濾功能，找出符合條件的報警并打印出來。

      報表系統(tǒng)
      報表系統(tǒng)主要針對CO值、VI值、光強(qiáng)值、風(fēng)速值進(jìn)行統(tǒng)計記錄。KingSCADA3.0報表分實時報表和歷史報表。實時報表可以實時顯示當(dāng)前CO值、VI值、光強(qiáng)值、風(fēng)速值的采集值。歷史報表記錄了以上四種值的歷史記錄，用戶可以查詢歷史報表某時間段內(nèi)的記錄值?？梢赃M(jìn)行打印設(shè)置和打印，報表排序等功能。

      火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)
      火災(zāi)預(yù)案系統(tǒng)將為用戶呈現(xiàn)火災(zāi)報警信息情況?；馂?zāi)預(yù)案系統(tǒng)通過不同的形狀和顏色來表示不同的狀態(tài)。圓形代表火探報警器的相關(guān)信息，三角形代表手動報警器的相關(guān)信息，紅色代表報警，綠色正常，灰色代表設(shè)備故障?；馂?zāi)預(yù)案系統(tǒng)中還可以檢測PLC的狀態(tài)，觀測主PLC與其它PLC連接情況。當(dāng)IOServer采集到的火災(zāi)信號報警時，控制人員可根據(jù)火災(zāi)發(fā)生地點，火勢等情況選擇KingSCADA3.0系統(tǒng)中的預(yù)案，確定后下發(fā)預(yù)案指令。     

      趨勢曲線系統(tǒng)
      趨勢曲線系統(tǒng)主要是針對CO值、VI值、光強(qiáng)值、風(fēng)速值的實時趨勢曲線式和歷史趨勢曲線的展現(xiàn)。運行狀態(tài)下，用戶可以設(shè)置歷史趨勢曲線的查詢時間和跨度；通過右邊圖例，用戶可以選擇需要顯示的曲線，選擇需要的曲線進(jìn)行對比。

      WEB發(fā)布系統(tǒng)
      KingSCADA3.0系統(tǒng)具有B/S功能模塊，能夠?qū)ぷ髡旧系慕M態(tài)監(jiān)控畫面進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，使管理層的計算機(jī)在不需要額外安裝軟件的情況下，使用IE瀏覽器即可查看到現(xiàn)場運行的畫面，進(jìn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)視、報警查看、報表查詢等功能，并在相應(yīng)權(quán)限下進(jìn)行操作。

3.3項目的功能特點

• 實時性強(qiáng)
       可以適應(yīng)不同外場設(shè)備的采集周期，輪詢周期可短至1秒，實際輪詢周期根據(jù)設(shè)計要求和現(xiàn)場實際情況確定，系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)立即進(jìn)行分類處理、運算并實時顯示。
• 可擴(kuò)展性
        軟件的開放性接口和在線組態(tài)功能，使系統(tǒng)具有進(jìn)一步擴(kuò)展功能的能力，適應(yīng)隧道及交通控制的需要。
• 優(yōu)化控制策略
        系統(tǒng)根據(jù)采集到的各種交通、環(huán)境、火災(zāi)數(shù)據(jù)和報警信息進(jìn)行綜合分析，完成對照明、通風(fēng)、交通等系統(tǒng)的自動控制和聯(lián)動控制。
• 報表系統(tǒng)
        報表格式內(nèi)置成模板，并提供大量的內(nèi)置函數(shù)，實現(xiàn)運算、分析、統(tǒng)計等功能。支持保存成多種格式，支持導(dǎo)入導(dǎo)出功能。

4.系統(tǒng)特點
      隧道監(jiān)控組態(tài)軟件選用北京亞控科技發(fā)展有限公司KingSCADA3.0版本進(jìn)行開發(fā)。隧道監(jiān)控系統(tǒng)是保證隧道正常運營的關(guān)鍵，為防止通信鏈路中斷或其它原因帶來的控制中斷，監(jiān)控系統(tǒng)從硬件和軟件兩個方面很好的進(jìn)行解決。

• 硬件方面：監(jiān)控中心局域網(wǎng)通過中心配置的以太網(wǎng)交換機(jī)與現(xiàn)場的工業(yè)以太網(wǎng)相連?，F(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為自愈環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，在環(huán)的某處發(fā)生斷路，它將重新配置網(wǎng)絡(luò)，使網(wǎng)絡(luò)通訊得以繼續(xù)，可靠性高。
• 軟件方面：監(jiān)控系統(tǒng)實施二級控制。正常情況下，利用監(jiān)控中心監(jiān)控計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)全自動控制或者遠(yuǎn)程遙控；通訊中斷時，利用本地控制器對掛接在該本地控制器上的設(shè)備實現(xiàn)本地控制。
    

      在監(jiān)控中心的值班人員可以對隧道及相關(guān)路段進(jìn)行全面的監(jiān)視和控制，本系統(tǒng)所提供的監(jiān)控系統(tǒng)具備7*24小時不間斷連續(xù)運轉(zhuǎn)的能力，系統(tǒng)自身具有完善的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能和通信接口處理功能。

5.結(jié)束語
      本系統(tǒng)采用亞控公司提供的KingSCADA3.0軟件平臺，開發(fā)出了立體形象的監(jiān)控系統(tǒng)。軟件的C/S架構(gòu)，能有效的執(zhí)行交通預(yù)案，B/S模塊讓系統(tǒng)更具靈活性，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，為將來建立省級監(jiān)控中心打下良好的基礎(chǔ)。