隧道機電設備控制系統升級改造技術研究

楊肖寧

（深圳市粵通建設工程有限公司，廣東深圳518019）

1 國內隧道監控系統存在的問題

目前，國內隧道監控系統的開發設計還存在以下這些問題：

（1）設計與具體情況結合不緊密，與運營需求相脫節，沒有對整個隧道機電系統從整體上來考慮，割裂地應用每個子系統，難以發揮整體優勢，直接導致系統功能不足，利用率較低。

（2）監控系統智能化水平低，有些隧道控制系統的自動控制功能喪失，系統經常處于遠程手動狀態。

（3）很多高速公路由農電網供電，由于這種電網供電的質量不高，導致時常發生供電中斷的現象，可能會影響正常通車，嚴重時會引發交通事故。

（4）隧道照明高亮度低耗能技術應用不受重視，通風控制不科學，造成能源的浪費。

（5）區域控制器過分依賴可編程邏輯控制器（PLC，下同），雖然簡化了系統的開發，但也會造成資源的浪費，導致系統的建設費用較高。

2 隧道機電設備監控系統概述

快速公路隧道機電設備監控系統是保證隧道內車輛通行安全和通暢的關鍵，一套完善的隧道控制系統可使隧道中各種機電設備最大限度地發揮作用。下面結合南坪快速路隧道機電控制系統的升級改造技術進行設計和研究。

2.1 南坪快速路隧道機電控制系統簡介

如圖1所示，南坪快速路隧道內機電控制系統由現場情報板、車道指示器、交通信號燈、環境監測設備、通風風機等現場機電設備連接至PLC控制系統各模塊（由底板、CPU模塊、數字及模擬輸入/輸出模塊、通信模塊及各繼電器、連接線等組成），經雙環網通信網絡系統（采用百兆工業交換機）一路通過監控室的千兆工業交換機連接到監控室交通控制集成軟件后臺，通過交通控制軟件客戶端實現遠程控制，另一路連接到變電所觸摸屏PLC，實現界面可視化的手動遠程控制，作為集成軟件故障時的備用控制系統。

2.2 系統軟硬件升級改造過程中出現的技術難題

由于南坪快速路車流量較大，隧道內環境較為惡劣，經過多年運行，現場機電設備普遍老化，設施局部損壞嚴重，影響了項目運行安全。業主委托我公司對機電控制系統的軟硬件按原設計進行了升級改造。在南坪快速路隧道機電自動控制系統軟硬件升級改造過程中先后出現了以下問題：

（1）安裝工作完成后，監控室服務器無法連接各PLC；

圖1 南坪快速路機電控制系統連接簡圖（隧道內）

（2）通信問題解決后，變電所觸摸屏出現數據傳輸干擾、主機傳輸錯誤等報錯；

（3）監控室交通控制集成軟件無法實現遠程控制，且現場車流量、環境參數等檢測數據無法顯示。

由于現場設備較多且包含知識較為復雜、全面，為了解決上述難題，確保升級改造工作順利按照進度完成，我公司及時對現場設備進行了排查，并與原系統進行反復對比，從硬件安裝和軟件設置兩方面對設備逐個進行檢查，最終找出了故障原因，并提出方案，成功解決了問題。詳細情況如下：

（1）在排查完通信網絡正常后在服務器上ping每個設備的IP，發現所有PLC均無法連接，并且現場PLC通信模塊ETN21通信指示燈顯示故障；且經調查，在升級改造中現場PLC均有斷電，測量未更換的PLC中CPU模塊的干電池電壓均不達標，斷電后CPU記憶數據丟失；通過歐姆龍CX-Programmer編程軟件連接現場通信故障PLC，發現PLC的IP地址未正確設置（含NODE碼IP與網絡IP）。對全部PLC的ETN21通信模塊的IP地址正確設置后（隨后對CPU的干電池進行了更換），服務器與現場設備連接正常。

（2）在PLC通信正常后，變電所觸摸屏PLC頻頻報錯，內容如下：

現場工作人員以及歐姆龍售后技術人員經過翻查觸摸屏PLC（NS10）使用說明書，核對報錯信息，發現故障原因為有數據干擾或主機通信命令無效，推薦解決方案如下：檢查線纜并進行連續性測試，若有必要，重新布置線纜。現場人員準備申購連接線纜并更換時（專用線纜500～800元/m），筆者對現場故障PLC連接線纜與外場PLC系統（與隧道內PLC系統對應，PLC各模塊型號以及連接和通信等工作模式相同）的線纜進行替代試驗，發現線纜正常，及時否決了更換線纜的解決方案。

通過對外場PLC系統和歐姆龍PLC通信相關資料的翻譯等研究工作，發現現場PLC（CS等系列）在觸摸屏（NS系列）中集成生成可視化操作界面，需要通過歐姆龍CX-Integrator軟件對每個PLC（包括現場PLC與觸摸屏PLC）設置統一的FINS靜態路由表并導入，包括由路由表中本地網絡中數字確定的IP段和SIOU確定的PLC以太網模塊（ENT21）所在底板單元號等信息。按照上述方法對每個PLC操作后，NS10觸摸屏PLC不再報錯，遠程控制正常。

（3）在對PLC設置靜態路由表后，監控室的交通控制軟件遠程控制功能仍未恢復正常，且現場車流量、環境參數等檢測數據在交通控制軟件上無法顯示。參考交通控制軟件使用維護說明書，結合對數據庫以及PLC程序的研究，并對現場PLC各模塊的安裝進行逐一比對，最終發現原因有以下三點：

1）在后臺運行中轉程序中，部分參數選擇不正確；

2）現場模塊的安裝單元號與PLC程序中單元號不符，尤其是CPU模塊與輸入/輸出模塊的安裝單元號的差錯，直接導致了不能遠程控制以及監測數據無法顯示；

3）部分PLC程序導入有誤。針對以上三個原因，及時調整，交通控制軟件的遠程控制及各檢測數據的顯示恢復正常。

3 結語

為了消除隧道環境給交通帶來的種種不利因素，建立行之有效的隧道機電設備控制系統顯得非常重要。本文依托南坪快速路機電控制系統軟硬件升級改造的項目工程，對改造技術難點進行了分析研究，并對改造系統進行了系統性的運行和調試，系統運行穩定可靠，實現了隧道機電設備的管理和控制功能，證明了該系統解決方案的先進性與合理性。本文所做的工作對隧道監控系統的研究和應用具有一定的理論和實踐意義。