基于PLC虛擬實驗平臺的隧道控制系統設計

胡天龍 楊天明 劉厚石

摘 要：文章通過對省內多地隧道運營狀況的研究，采用PLC控制技術來解決隧道的照明、通風和交通管制問題，實現隧道控制的高度自動化、智能化。為了減少項目前期預研中大中型PLC昂貴的采購費用、網絡建設費用，本項目利用前期開發的PLC虛擬實驗平臺來進行隧道控制系統設計及調試，同時虛擬實驗平臺直觀生動的仿真效果也提高了程序調試的效率。

關鍵詞：隧道控制系統；PLC；虛擬實驗

我國山地較多，山地公路橋隧比較大，隧道是各級路網的咽喉地段，必須要采用先進的技術手段對隧道內車流情況、通風設備工作狀態、電力設備參數等進行檢測，對照明系統、通風系統、交通控制系統進行科學的控制。在我國四川等地，連續隧道分布較多，隧道控制系統需要監控的往往不是單個的隧道，監控區域是幾公里到幾十公里的線狀區域。對于這種系統，需要采用“集中管理，分散控制的”原則構建多臺可編程邏輯控制器（Programmable LogicController， PLC）組成的控制網絡，加上隧道內需要采集的信號和控制的點位較多，控制系統的PLC應選用大中型機，系統所需的硬件成本是非常昂貴的，這對項目的前期預研是極大的障礙[1]。為此，本項目利用基于西門子博圖平臺開發的PLC虛擬實驗系統進行系統設計和仿真調試。

1 系統需求分析及總體結構設計

本項目是大渡河長河壩水電站庫區S211線復建公路工程索子溝隧道、四家寨1}}隧道、四家寨2#隧道的控制系統設計。索子溝隧道長度為1

735 m、四家寨l}}隧道長度為978 m、四家寨2#隧道長度為2 348 m，控制系統將該三座隧道作為一個連續隧道群進行統一控制。每個單獨隧道有一控制站，再由光纖工業以太網將所有控制站連接，另根據各隧道的設備的具體布設情況在隧道現場增設部分遠程I/O單元（RIO）。交通數據由設于洞口的微波車輛檢測器采集，通過現地控制網傳送到PLC處理；交通控制由隧道口的三顯示信號燈，隧道兩端入洞口、隧道內設置的車道控制標志執行；隧道內風速由隧道內布設在兩端洞口附近的風速探測儀監測；隧道內一氧化碳和能見度由隧道內布設在兩端洞口附近的CO/VI檢測器監測；通風控制和照明控制均由現地控制柜通過控制相應的箱式變電站內的供電回路來實現。通常情況下隧道內外亮度差較大，常導致駕駛員在進出隧道時眼睛產生“黑洞效應”作用，嚴重威脅過往司機乘客的生命財產安全；汽車排出的尾氣中含有大量有害物質，在隧道內易聚集大量有害氣體，對過往司機乘客朋友形成隱患；隧道由于結構特性，易出現緊急事故，導致交通受阻，所以系統中交通管制必不可少，這些問題是本設計重點研究的問題。整個系統采用集中管理、分散控制的方案，要求系統最頂層能夠監控和控制整個系統，而PLC只需負責對應子系統的相關處理，故系統的整體構架是頂層設備控制中間層的設備，中間層的設備只負責對應隧道的底層控制，從而實現頂層對底層的相關控制。系統的網絡拓撲結構為星形，各個PLC工作站都通過光網和中控室連接，中控室采用雙機熱備份冗余架構，各工作站的PLC和觸摸屏站內網絡采用帶屏蔽網線連接[2]。系統網絡拓撲結構如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1控制器的選擇

由于隧道控制系統對可靠性、實時性及控制點規模均要求較高，所以各控制站應選用中大型PLC。根據市場對比和產品性能對比，本項目選用西門子S7-1500。S7-1500是替代S7-300/400的新一代PLC，其軟件平臺為TIA博途，可以在基于博途平臺的虛擬實驗系統上進行設計和調試，節約前期昂貴的設備采購費用。S7-1500作為新一代大中型PLC，比S7-300/400的各項指標有很大的提高，采用PROFINET IRT通信可以保證確定的反應時間和高精度的系統響應，最短循環時間為250μs。

2.2照明系統設計

系統照明由PLC根據傳感器采集隧道內外的實際亮度而進行調節。雙向隧道的照明段落劃分為：入（出）口段、過渡段、中間段、過渡段和出（入）口段，照明亮度呈對稱狀態，所以隧道兩端的燈數量和功率較中間高，且燈的布置更密。

2.3交通控制設計

系統控制的隧道較長，為提高隧道的安全性，除了在入口處安裝紅綠燈外，在隧道內部也設置了相應的紅綠燈，按一定距離排列，同一方向上的紅綠燈顯示顏色一致。隧道紅綠燈主要根據車流量來進行控制，顯示的顏色隨車流量變化而變化，車流量靠微波車輛檢測計檢測。此外，紅綠燈也會根據出現緊急情況而相應變化，若隧道內出現行車事故或者火災時，將根據事故等級適當調整紅綠燈的變化。

2.4通風控制設計

由于隧道較長，風機的間距需設置合理，否則不能達到良好的通風效果。系統設計隧道內安裝三臺風機，進出口以及隧道中間各安裝一臺。風機的啟動和調速由PLC通過變頻器控制，而作為風機運行速度的根據，則是隧道內的有害氣體濃度和自然風的風速風向，有害氣體濃度越高或自然風的風速越低，風機運行速度則越高，風機風向和自然風向一致。另外，若隧道內發生火災，為保障救援和逃生，在系統設計中，射流風機將以最大速率運行，為隧道內部盡可能地排出濃煙和有害氣體[3]。

3 系統的軟件設計 在系統中，系統軟件是保證各個設備協調工作、按照預定設計功能而工作的重要保障，包括PLC程序、上位機程序和觸摸屏程序3部分。系統同時支持周期性和搶占性控制過程。一般控制過程周期性運行，控制指令在每個周期內執行；緊急情況的控制指令一旦得到授權，立即執行。程序流程如圖2所示。

4 利用虛擬實驗系統進行仿真調試

在西門子公司推出將WINCC組態軟件和PLC編程調試軟件集成在一起的博途軟件后，快速、低成本地開發一套能夠完全脫離實際硬件來進行PLC仿真實驗的系統也易于實現了。博途軟件將人機界面開發及仿真（可用于PLC實驗被控對象開發及仿真）和PLC編程調試功能集成到一個平臺。基于博途軟件開發的PLC全虛擬仿真實驗系統，PLC程序的編程仿真操作及功能和實際西門子硬件PLC完全一致，博途中WINCC支持C語言等高級語言，同時可以利用各種組態素材，可以高效地完成被控對象的設計及仿真[4]。

利用基于博途平臺的PLC虛擬實驗系統進行隧道控制系統的前期研究和程序調試，可以節約大量的硬件采購費用，提前驗證各種控制設想，為后期項目實施打下了良好基礎。這種方法在采用大中型PLC的控制系統設計中有一定的推廣價值。

[參考文獻]

[1]重慶交通科研設計院公路隧道設計規范[M].北京：人民交通出版社，2004

[2]中交第一公路工程局公路隧道施工技術規范[M]北京：人民交通出版社，2009.

[3]劉長青.S7-1500 PLC項目設計與實踐[M]北京：機械工業出版社，2016

[4]胡天龍，李世權，劉厚石.基于西門子博途平臺的仿真實驗系統開發[J]福建質量管理，2017 （11）：11