PLC在高速公路隧道機電監控中的應用分析

傅琨

（江西省交通設計研究院有限責任公司，江西 南昌 330000）

1 工程概況

某高速公路起訖樁號K1200+000～K1345+110段按照重山丘陵地區高速公路標準設計，線路全長145.11km，設計行車速度80km/h，沿線包括10座互通式立交、8條長度在1km以上的長大隧道，6條長度在1km以內的短隧道，考慮到全線隧道數量多，長度大，所以隧道監控是全線監控的重點。在8條長隧道內設置的監控系統由通風系統、照明系統、火災預警系統、變電站供配電系統、交通運行狀態實時監控等，其中的通風系統、照明系統、火災預警系統的運行主要通過本地PLC控制器實現。其控制器主要采用的是OMRON所生產的大中型CS1系列控制器，8條長隧道所包含的單洞內所設置的69套PLC控制器組成14個FA級別的Controller Link環網網絡控制系統，可以實現PLC控制器之間及PLC控制器與上位機之間的總動數據連接與轉換，實現對高容量柔性數據的傳送。

2 PLC技術概述

PLC（Programmable Logic Controller）可編程控制器是專用于工業環境數字運算操作而設計的電子裝置，其可以通過程序存儲器的編制，在裝置內部執行順序運算、邏輯運算、算數運算、計時、計數等操作指令，并以模擬式或數字式模式輸出入相關數據，以實現對各類機械及生產運作過程的自動化控制[1]。PLC硬件結構與微型計算機大同小異，主要由電源、CPU、存儲器、輸出入接口電源、功能模塊和通信模塊等部分構成。PLC的工作過程包括輸入采樣、執行用戶程序和輸出刷新等階段，并由上述三個階段構成一個掃描周期，在其運行過程中，PLC的CPU會按設計速度對上述三個階段重復執行。

3 隧道機電監控PLC編程

3.1 隧道通風控制

根據對高速公路隧道透過率、CO2濃度、實際交通運行量、風機運行臺數、風向等的檢測結果，進行風機最佳狀態及隧道節能運行的控制，并在發生火災、地震等災害事故時，及時進行火災排煙及震害處理，確保隧道安全穩定運行。隧道通風控制程序可以進行通風風機的正向、反向轉動控制和自動開停機控制，并實時顯示各臺風機正向、反向轉動及開停機的狀態，并將運行狀態信號實時傳輸至上位機。與此同時，通風控制程序還能進行風機運轉時間的自動統計，并優先啟動和運行累計運轉時間最短的風機，從而保證風機勞逸結合運行，延長機械的使用壽命，并在每臺風機啟動時短暫延時其余風機的啟動，以降低全部風機同時開啟對變電站供電系統的沖擊影響。

本高速公路隧道通風控制子系統的控制方式主要包括：監控分中心自動+人工遠程控制；隧道監控室自動+人工控制；隧道變電所人工手動控制；通風機開關箱人工手動控制。在正常運行狀態下，隧道變電所風機控制開關位于自動位，通風控制子系統主要通過監控分中心實施監控，并完成各子系統運行功能。如遇隧道通風控制系統故障，必須經過轉換后將系統正常運行維持在前三級。采取人工控制方式進行隧道監控室、變電所、通風機開關箱等處的維修和測試。

本高速公路隧道通風控制系統人工控制方式的控制權優先于自動控制，其人工控制方式由低至高分為四個優先級，而自動控制方式就是隧道監控室優先于監控分中心控制。本隧道通風機電系統中的風機自動控制包括特定運行環境下使用某種事先設計好的控制程序經人工方式確認后由風機自行控制以及基于隧道透過率、CO2濃度檢測器的實際檢測結果和隧道運行環境指標進行綜合比較以調節和控制風機運行兩種。

3.2 隧道照明控制

根據所檢測到的隧洞內外光強數據、隧道內交通量的變化及交通運行環境等因素，通過隧道照明控制程序進行隧道出入口及隧洞內照明的調節控制，在確保安全行車的基礎上實現節能運行的目的，并對隧洞內照明設備運行及能耗狀況進行實時監測。隧道照明控制程序還具有隧洞內光線不足的報警功能，即通過安裝在隧道內的光強儀進行光亮數據采集，并與系統設定結果進行對比，如果實際亮度低于設計值則會發出報警信息，提示維修管理部門及時更換燈具；在自動控制方式下遇到火災等事故，在系統的感應功能作用下隧道內照明全部自動開啟。

本高速公路隧道照明調控方式包括人工、自動、遠程三種，其中前兩種方式均由照明系統自行完成和實現，而遠程控制方式則由照明系統將控制狀態信號傳輸至監控系統，在照明和監控系統的配合下實現。高速公路隧道照明遠程控制主要由監控系統提供繼電器接點并將電纜與照明系統連接后協調實現，照明系統同時進行各照明回路的執行與控制。照明系統將所接收到的照明回路開關分合狀態的相關信號傳輸至監控系統，并向監控系統提供繼電器干接點，以實現通過觸摸屏手動控制照明燈具的效果。

本高速公路隧道照明控制系統詳見圖1所示。

圖1 隧道照明控制流程圖

3.3 隧道火警控制

高速公路PLC隧道機電監控系統還應當包括火情火警控制模塊，通過對隧道運行過程中溫度、煙霧、火光等的全面監測以達到隧道安全運行的目的。對于突然出現的火災等現象，通過隧道火警控制程序自動反饋以及時獲取相應的監控信號，并通過模塊程序所具有的預警、報警、噴淋等功能，及時通知和處置。

3.4 監控系統優化

高速公路隧道機電監控必須以相應的軟件設計為支撐，如監控平臺、組態軟件等。通過采用PLC技術，實現對實時取得的檢測數據的傳輸與共享。近年來，高速公路管理部門已經開始嘗試對隧道監控運營iFIX組態軟件平臺，并基于此構建起人機交互可視化界面和整體性平臺開發環境。iFIX組態軟件平臺由服務層、用戶界面及系統數據層等構成，其立足于系統整體性角度將整個高速公路隧道機電系統納入PLC通訊范疇，并建立起新型C/S系統架構。

就軟件通訊而言，PLC可以通過光纖網絡進行iFIX組態軟件平臺和OPC驅動器的全面監控，同時結合系統下位機為通訊模式賦予交互性。對于通訊程序而言，OPC服務器能夠準確讀取平臺現有數據，并優化服務器在隧道機電監控方面的時效性，全方位讀取各類數據地址，并將其導入指定數據庫。

所以，軟件通訊設計的根本目的在于加強對高速公路隧道機電運行的日常全面監控，監控人員通過交互性的人機界面進行操作面板的全面操控，并通過OPC服務器進行面板運行狀態的實時監控和以太網的順利銜接，并在優化通訊數據的基礎上，妥善分析和應對特定時間段系統反饋和數據傳輸。

4 結語

由本文分析可知，高速公路隧道機電監控模塊設計必須以PLC實時控制技術為基礎，監控系統并無相應規格組態軟件，必須立足隧道整體監控管理的角度進行所涉及軟件平臺的優化處理，在高速公路隧道機電監控系統中應用PLC技術進行涉及，能實現隧道現有照明、火災預警、通風控制等功能的優化，并簡化高速公路隧道機電監控設計流程，加強機電設備運行狀態的實時管理與維護。本高速公路隧道開通運營實踐也表明，基于PLC程序的隧道機電監控系統的運營穩定可靠，且隨著PLC技術的不斷發展及其在通信、冗余、組網等技術方面的日趨完善，在隧道這個較為惡劣的運行環境中，PLC程序的應用必將帶來較好的效果。