基于BS架構的高速公路隧道監控及運維解決方案

黃健

摘 要：隨著“互聯網+”技術的發展以及“十三五”高速公路信息化的推進，高速公路的收費、監管、路政、運維等方面還有很大的提升空間。高速公路隧道屬于機電設備相對集中的地點，而且又是交通事故發生概率較大的地方，尤其是隧道火災會嚴重威脅人的生命財產安全，對于其中設備的監控及運維就變得尤為重要了。該文主要簡述WEB瀏覽器結合PLC技術對于高速公路隧道監控及運維的解決辦法。

關鍵詞：可編程控制器 PLC BS架構 WEB 高速隧道監控 運維

中圖分類號：U458 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（a）-0141-02

1 概述

1.1 PLC技術概述

PLC即可編程控制器（Programmable logic Controller），是指以計算機技術為基礎的新型工業控制裝置。PLC是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。

1.2 高速公路隧道機電控制概述

隨著高速公路在全國的大規模建設，特別是許多長、特長隧道、隧道群的大量建設，對于保證隧道安全運行的隧道機電設施控制也越來越得到政府和行業主管部門的重視。而通過PLC實現的交通監控技術作為運營管理的重要技術手段，在交通管理、信息發布、交通誘導、事故預防及應急救援等各個方面，發揮著十分重要的作用。相關的新技術、新設備不斷地得到應用，對監控系統的功能要求更完善，性能要求也更高。

1.3 BS架構概述

B/S架構的全稱為Browser/Server，即瀏覽器/服務器結構。Browser指的是Web瀏覽器。極少數事務邏輯在前端實現，主要事務邏輯在服務器端實現。Browser客戶端、WebApp服務器端和DB端構成所謂的三層架構。B/S架構的系統無須特別安裝，只要有Web瀏覽器即可。B/S架構中，顯示邏輯交給了Web瀏覽器，事務處理邏輯在放在了WebApp上，這樣就避免了龐大的胖客戶端，減少了客戶端的壓力。因為客戶端包含的邏輯很少，因此也被成為瘦客戶端。

1.4 B/S架構的優勢

（1）客戶端無需安裝，有Web瀏覽器即可。

（2）BS架構可以直接放在廣域網上，通過一定的權限控制實現多客戶訪問的目的，交互性較強。

（3）BS架構無需升級多個客戶端，升級服務器即可。

（4）隨著網頁語言以及瀏覽器的進步，BS在表現能力上的處理以及運行的速度上會越來越快，它的缺點將會越來越少，比如現今HTML5在圖形的渲染方面以及音頻、文件的處理上已經非常強大了。

2 隧道機電系統監控實現技術與運維現狀

2.1 隧道監控系統組成

高速公路隧道監控系統主要由交通控制系統、通風控制系統、視頻監控系統、火災報警系統、電力監控系統、照明控制系統、消防控制系統等子系統構成。

不同省份及不同地區的隧道監控系統集成略有不同。例如有些地區將電力監控系統、照明系統、視頻監控系統獨立出來。現階段包括照明、電力監控、火災報警等系統的廠家，集成商也都有用來實現諸如照明系統的時序控制等功能的獨立的一套監控軟件及相應控制器。

2.2 隧道監控系統現狀

在隧道監控系統管理體系中，管理系統可分為遠程集中控制系統和區域控制系統兩部分。

遠程集中控制系統（監控軟件）設置在監控分中心或隧道管理所內。可以通過相關通訊協議獲取相關子系統的設備狀態信息。例如利用交通安全設備和環境信息采集設備、CCTV系統等設備采集的數據來獲取有關交通安全和環境異常狀況的信息，并由監控軟件顯示。

區域控制系統主要為PLC+觸摸屏，可以實現對交通控制系統、通風控制系統、照明控制系統、消防控制系統等的集中控制及顯示。實現對各系統設備的單點及方案控制、火災報警聯動、照明時序控制、交通預案控制等功能。

目前大多數的監控軟件選取的或是各種PLC相關的組態軟件，或者是基于CS架構的監控軟件。組態軟件所能實現的功能及顯示效果十分有限。相比于BS架構，CS架構所擁有的優勢在于：C/S架構的界面和操作可以很豐富。安全性能可以很容易保證，實現多層認證也不難。由于只有一層交互，因此響應速度較快。但同時它的缺點也很明顯：需要安裝專門的客戶端軟件，兼容性差，開發、維護成本高，升級換代麻煩等。而隨著HTML5、CSS、JS、AJAX等技術的發展，BS架構的優勢也是越來越大，雖然不可能完全取代CS架構的產品，但BS架構的產品正逐步成為主流。

2.3 隧道機電運維現狀

現今高速公路隧道機電設備檢修維護的現狀是日常巡檢人員只能發現表面上的問題。例如某組指示器熄滅。但對于故障原因的確定卻需花費大量時間。故障可能來自監控軟件本身的配置錯誤，或軟件崩潰、傳輸線路的問題、PLC模塊故障、繼電器損壞等諸多方面的問題。這會給維護人員帶來很多麻煩，故障點需要一一確定。如果想檢測PLC狀態又需要安裝相應的PLC軟件。對于已經交付的工程，找施工單位處理故障問題，無疑需要增加不小的開銷。所以，最大可能地減少中間環節，簡化檢修方案，集監控與維護功能為一體的監控軟件變得很有必要。

3 WEB+PLC實現案例

此文只涉及Web頁面直接訪問PLC的CPU自帶的Web Server，對于其他需要開發Web服務端的系統不再贅述。選取高速公路隧道內防火卷簾門的監控、檢修功能作為示例。

3.1 軟、硬件組成

CPU：SIMATIC S7-1200 1214C；編程軟件：TIA Portal V13、Notepad++、Eclipse；瀏覽器：Chrome。

3.2 卷簾門案例

相比于市面上各種品牌的PLC產品，西門子PLC是國內使用范圍最廣、功能相比較更加完備的一系列產品。S7-1200系列PLC所提供的Web Server已經可以支持很大自由度的客戶自定義頁面的設計。同時本身又集成了對PLC狀態等的監視功能。既可以實現對經由PLC控制的高速公路隧道子系統的監控，又可以極大地方便維護人員處理相應的故障。

3.3 程序實例

整套卷簾門控制程序由以下部分組成：主程序（負責調用功能塊循環執行）。WebToCmd（功能塊，負責轉化上升沿觸發）。Gate_Control（門控制功能塊，負責實現門控制功能）。MODBUS_TCP（功能塊，負責與上位機通訊）。WWW（功能塊，實現Web服務器功能）。

PLC程序可以根據實際需求定義變量表。一部分變量用于實現卷簾門邏輯控制，另一部分可以定義成直接關聯IO點位。通過Web程序進行關聯，用于運維人員檢修。通過操作Web界面中的按鈕等來實現規避程序邏輯，直接控制輸出點位，從而控制相關設備，達到檢修目的。同時可以避免安裝種類繁多的PLC編程組態軟件，提高效率，簡化檢修過程。

在客戶Web頁面中，可以非常靈活地構建監控畫面。該例中應用了HTML、CSS、JS、Jquery-Mobile的技術。相對于該例完全可以呈現更加豐富的畫面效果。除了可以在PC機上進行顯示外，搭配相關技術還可以通過網絡在手機端監測PLC的狀態并進行控制。根據實際的需求非常靈活地進行私人訂制。

3.4 西門子WEB服務器操作步驟

（1）通過瀏覽器訪問PLC的Web服務器，只需在瀏覽器中輸入http：//PLC的IP地址：80/即可登入登錄界面。

（2）輸入用戶名，密碼進入主界面。

（3）在變量狀態視圖中輸入PLC內變量的名稱，ENTER鍵，即可監視相應變量信息。

（4）數據通信頁面可顯示PLC的IP地址、通訊雙方的連接類型、連接狀態、連接資源使用情況等信息。

（5）診斷緩沖區可以監視PLC相應事件的發生時間、事件原因，方便維護人員檢修。

（6）客戶頁面可以根據具體情況定制顯示頁面。示例顯示的為防火卷簾門控制頁面，僅作為說明使用。門的狀態由圖標顯示，具體控制由按鈕制定。

3.5 案例分析

利用西門子PLC自定義的Web Server，可自由定義一個BS架構的監控、運維解決頁面。一方面實現對設備的實時監控，另一方面可根據具體需求私人訂制解決方案。例如：在頁面中定義直接關聯IO點位的元素，方便檢修維護人員直接避開PLC或上位機監控軟件中的控制邏輯，同時不需要維護人員安裝各種品牌PLC產品的編程或組態軟件。這樣一方面極大地方便監控與運維；另一方面還可以繼續拓展升級，通過手機端實時監測PLC運行狀態，讓監控、運維更加便捷，更加滿足高速公路信息化的需求。

4 結語

高速公路隧道監控、運維頁面的設計是讓相關人員及時、全面了解隧道內的交通情況，及時發現公路運行障礙并給予及時處理。Web頁面結合PLC的應用，即解決監控的需求同時解決現今檢修維護等方面的諸多不便，從而達到提高監管效率、節約資源減少成本、提高總體經濟效益和社會效益的目的。

參考文獻

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