高速公路隧道PLC控制系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)分析

王永和

（三明莆炎高速公路有限責(zé)任公司，福建 三明 365000）

0 引言

高速公路隧道的修建是促進(jìn)高速公路等級(jí)、公路運(yùn)輸安全和便捷性等提升的重要工程。但在高速公路交通管理過(guò)程中，隧道管理是一眾從業(yè)人士研究并注重的問(wèn)題。從當(dāng)前國(guó)內(nèi)高速公路隧道的管理方面來(lái)看，多是利用PLC 控制系統(tǒng)為高速公路隧道的區(qū)域性控制設(shè)備，利用PLC 控制器對(duì)公路隧道內(nèi)部設(shè)備的信息情況進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和控制。如果PLC 控制系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，整個(gè)高速公路隧道控制系統(tǒng)就會(huì)受到嚴(yán)重的影響，制約隧道的正常運(yùn)行[1]。在此背景下，本文對(duì)高速公路隧道PLC 控制系統(tǒng)中存在的不足進(jìn)行分析和優(yōu)化升級(jí)，對(duì)保障高速公路隧道穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概述及公路隧道PLC 控制系統(tǒng)分析

1.1 工程概況

以某個(gè)高速公路隧道為例，對(duì)公路隧道PLC 控制系統(tǒng)的優(yōu)化技術(shù)研究進(jìn)行分析。該條公路隧道擁有10 個(gè)左右的隧道左右洞以及44 套PLC 控制器，且每條高速公路隧道均選擇利用光纖使隧道內(nèi)部的全部PLC 控制器，借助工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)建一個(gè)環(huán)形的控制網(wǎng)絡(luò)。該類型的光纖PLC 控制系統(tǒng)組網(wǎng)模式，在PLC 控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)，只有通過(guò)連接的方式才能將系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備連接在一起。但是，該類型的隧道PLC 控制系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中存在節(jié)點(diǎn)光纖網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)、以太網(wǎng)交換機(jī)故障等問(wèn)題，甚至?xí)?duì)后續(xù)多個(gè)PLC 控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信造成一定程度的影響，如高速公路PLC 設(shè)備和主監(jiān)控中心主機(jī)之間的通信頻繁中斷，造成高速公路隧道的照明設(shè)備控制、風(fēng)機(jī)控制以及隧道車道指示器和消防水泵等設(shè)備遠(yuǎn)程控制受到嚴(yán)重影響，從而導(dǎo)致高速公路隧道PLC 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性運(yùn)行受到影響[2]。因此，需要加強(qiáng)對(duì)高速公路原PLC 控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2 高速公路隧道PLC 控制系統(tǒng)概述

高速公路隧道PLC 控制系統(tǒng)在正常使用過(guò)程中具有強(qiáng)抗干擾性、高可靠性等，此外該控制系統(tǒng)擁有簡(jiǎn)單的編程，能夠充分地在高速公路隧道控制方面得到應(yīng)用。在高速公路隧道洞口變電所的內(nèi)部中進(jìn)行主PLC 控制系統(tǒng)配置，然后每隔一段距離在隧道的內(nèi)部設(shè)置一套完整的PLC 控制系統(tǒng)。然后，借助網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)主PLC 控制系統(tǒng)與高速公路隧道內(nèi)部的其他PLC 控制系統(tǒng)之間的連接，獲取系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，通過(guò)全面數(shù)據(jù)采集后，利用集中的方式傳輸?shù)礁咚俟匪淼乐鱌LC 監(jiān)控中心進(jìn)行處理。之后，監(jiān)控中心會(huì)將數(shù)據(jù)處理完成后的結(jié)果以控制指令的形式，傳輸?shù)剿淼赖腜LC 內(nèi)部控制系統(tǒng)，保障各個(gè)子系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，具體PLC 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。同時(shí)，針對(duì)高速公路隧道的PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以將其劃分成多個(gè)系統(tǒng)模塊：電源模塊、數(shù)字量和模擬量I/O 模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊以及CPU 模塊、PLC 控制柜模塊等[3]。

圖1 高速公路隧道PLC 控制系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

2 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件配置

在PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中離不開(kāi)系統(tǒng)硬件的支持，因此為了進(jìn)一步保障PLC 控制技術(shù)在高速公路隧道中的應(yīng)用，應(yīng)以系統(tǒng)硬件配置方面為切入點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先，從系統(tǒng)設(shè)備的數(shù)量方面確定，這時(shí)可以結(jié)合高速公路隧道的實(shí)際長(zhǎng)度，進(jìn)行硬件設(shè)備配置。如隧道的長(zhǎng)度為1000m，那么需要每間隔250m 配備一套硬件設(shè)備。同時(shí)，還需要在高速公路隧道的進(jìn)出口兩端配備相應(yīng)的顯示面板和信號(hào)燈、電源，從而滿足檢測(cè)系統(tǒng)的能源需要。其次，為能夠進(jìn)一步保證系統(tǒng)硬件設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，在PLC 控制系統(tǒng)設(shè)備安裝時(shí)，對(duì)高速公路隧道的實(shí)際情況進(jìn)行深度了解，如利用光照強(qiáng)度檢測(cè)設(shè)備、風(fēng)速儀設(shè)備以及一氧化碳濃度檢測(cè)設(shè)備對(duì)隧道的內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行充分、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，然后根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)選擇對(duì)應(yīng)的PLC設(shè)備，在設(shè)備配置時(shí)還要注重設(shè)備的整體性和協(xié)調(diào)性，從一定程度促進(jìn)PLC 控制系統(tǒng)的運(yùn)行效率得到提高[4]。

2.2 控制系統(tǒng)軟件配置

針對(duì)PLC 控制系統(tǒng)的軟件配置時(shí)，主要從數(shù)據(jù)庫(kù)方面為切入點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)操作平臺(tái)進(jìn)行配置，其中可以從PLC 控制單元和備用控制單元等兩個(gè)部分實(shí)現(xiàn)。本文針對(duì)系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)為下拉式結(jié)構(gòu)。在界面顯示區(qū)域，為下拉式菜單，而管理人員只需要結(jié)合系統(tǒng)的語(yǔ)音功能，對(duì)照相應(yīng)的操作提示就可以完成系統(tǒng)操作。

2.3 控制系統(tǒng)主要功能模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于高速公路的隧道PLC 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)，本文選擇利用模塊化編程模式實(shí)現(xiàn)。在對(duì)PLC 控制系統(tǒng)的程序進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以劃分成多個(gè)不同的功能模塊，然后分別對(duì)每個(gè)不同的模塊和系統(tǒng)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后再結(jié)合公路隧道PLC 控制系統(tǒng)的需求對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行有效整合，從而形成一個(gè)完整的系統(tǒng)。此方法不僅可以進(jìn)一步加快PLC 系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)的進(jìn)度，還能夠有效促進(jìn)系統(tǒng)程序的兼容性得到提升。而企業(yè)可以結(jié)合高速公路隧道的應(yīng)用需求，在PLC 控制系統(tǒng)上增加所需功能模塊，從而提高其適用性。因此，針對(duì)高速公路隧道的PLC 控制系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)從以下6 個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)：交通信號(hào)模塊、車道指示燈模塊、通風(fēng)模塊、照明模塊、車行控制模塊以及消防水泵控制模塊。

2.3.1 照明控制模塊

針對(duì)該模塊的設(shè)計(jì)，本文選擇利用Modicon Premm xDSY16T2 對(duì)照明進(jìn)制模式，借助數(shù)字量輸出模塊對(duì)高速公路隧道內(nèi)部的照明設(shè)備進(jìn)行有效控制和信號(hào)反饋。并且，可以利用PLC 控制模擬量輸入模塊，對(duì)隧道內(nèi)部的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)以及隧道內(nèi)外的光強(qiáng)檢測(cè)等，然后對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，再上傳到PLC 控制系統(tǒng)以此實(shí)現(xiàn)對(duì)照明回路開(kāi)關(guān)的控制。這樣一來(lái)，可以有效避免車輛在行駛到高速公路隧道內(nèi)部時(shí)產(chǎn)生“炫光效應(yīng)”，從而降低交通事故發(fā)生的概率。同時(shí)，利用PLC 控制系統(tǒng)的隧道箱變或變電所中的內(nèi)低壓控制柜中的交流接觸器，也就是借助交流接觸器的閉合與斷開(kāi)實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路隧道內(nèi)外的照明回路系統(tǒng)控制。此外，該高速公路的隧道照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道外部的光線強(qiáng)度檢測(cè)，然后根據(jù)系統(tǒng)所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)控公路隧道內(nèi)部照明系統(tǒng)的光照強(qiáng)度。而該照明控制模塊的設(shè)計(jì)，既充分滿足了公路隧道內(nèi)部對(duì)光亮的需要，還實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行，從而使系統(tǒng)對(duì)隧道內(nèi)部監(jiān)控的質(zhì)量得到提升[5]。

2.3.2 通風(fēng)控制模塊

針對(duì)通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速公路隧道內(nèi)部一氧化碳濃度和隧道交通量檢測(cè)。接著，結(jié)合檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息，對(duì)風(fēng)向進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整以及合理把控隧道的交通量，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道的高效節(jié)能管理，從而延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)的使用壽命。

2.3.3 交通信號(hào)模塊

交通信號(hào)模塊的設(shè)計(jì)，可以在高速公路隧道中發(fā)生交通事故或者隧道維修時(shí)，方便值班工作人員對(duì)隧道現(xiàn)場(chǎng)的具體情況進(jìn)行管理。如利用隧道監(jiān)控室內(nèi)的集中控制管理系統(tǒng)，在組態(tài)軟件、遠(yuǎn)程控制功能等對(duì)交通信號(hào)燈的狀態(tài)、對(duì)應(yīng)車道指示燈進(jìn)行控制，還能夠向車輛駕駛?cè)藛T實(shí)時(shí)顯示車道和隧道中的開(kāi)關(guān)樁體，從而滿足交通運(yùn)行的需求。

2.3.4 防火控制模塊

高速公路隧道設(shè)計(jì)時(shí)，每個(gè)車行橫洞的上下行全部設(shè)置了相應(yīng)的橫洞控制箱，主要作用于控制車行橫洞的防火卷簾門以及內(nèi)部的照明等之間的聯(lián)動(dòng)控制。針對(duì)開(kāi)關(guān)的控制，主要是由PLC 輸出繼電器觸點(diǎn)和手動(dòng)控制的方式實(shí)現(xiàn)。

3 高速公路隧道PLC 控制系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)方案

3.1 針對(duì)電源開(kāi)關(guān)損壞的優(yōu)化

在高速公路隧道PLC 控制系統(tǒng)中存在開(kāi)關(guān)電源主電路脫焊的問(wèn)題，其原因是電路電流過(guò)大、升溫過(guò)高，元器件的引腳脫焊，電阻期間無(wú)阻值等故障問(wèn)題。針對(duì)部分半導(dǎo)體元件的溫度變化造成的軟故障，可以利用元件加溫的方式使故障問(wèn)題再現(xiàn)，以此對(duì)元件的故障點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)。當(dāng)確定故障后，會(huì)發(fā)現(xiàn)電源開(kāi)關(guān)正常運(yùn)行時(shí)，會(huì)發(fā)生輕微的響動(dòng)，這時(shí)可以通過(guò)加電的形式對(duì)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行優(yōu)化，也可以利用電烙鐵對(duì)元件引腳進(jìn)行固焊，從而解決電源開(kāi)關(guān)故障問(wèn)題[6]。

3.2 針對(duì)PLC 控制系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

公路隧道PLC 控制系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)是整個(gè)變電所中的主PLC 控制系統(tǒng)。如果主控制系統(tǒng)發(fā)生故障，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)正常工作。因此，為了有效避免系統(tǒng)通信方面出現(xiàn)故障，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如本文選擇利用星型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)通信組網(wǎng)。該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，使高速公路內(nèi)部的各個(gè)PLC 控制子系統(tǒng)和變電所主控制系統(tǒng)，將全部采集得到的數(shù)據(jù)集中地傳送到高速公路監(jiān)控中心系統(tǒng)中，然后由主監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)對(duì)應(yīng)的指令。而監(jiān)控系統(tǒng)能夠與不同PLC 系統(tǒng)進(jìn)行通信，整個(gè)過(guò)程并不需要通過(guò)主PLC 控制系統(tǒng)的中轉(zhuǎn)就可以實(shí)現(xiàn)，有效解決了變電所PLC 控制系統(tǒng)的故障問(wèn)題。

3.3 針對(duì)PLC 控制柜配置的優(yōu)化

為進(jìn)一步避免PLC 控制模塊受外部因素的影響而發(fā)生故障，可以選擇在PLC 控制柜的總電源進(jìn)線端口位置，增加相應(yīng)的隔離變壓器，因此即使變壓器受到嚴(yán)重的沖擊影響，也只會(huì)對(duì)隔離變壓器造成一定的損壞，并不會(huì)對(duì)PLC 系統(tǒng)的電源模塊和開(kāi)關(guān)等造成影響。而針對(duì)高速公路隧道的PLC 控制網(wǎng)絡(luò)方面來(lái)說(shuō)，如果交換機(jī)發(fā)生故障或者觸摸屏發(fā)生損壞等問(wèn)題，其修復(fù)的時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，也會(huì)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行造成嚴(yán)重的影響，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作，這時(shí)就需要在PLC 控制柜中單獨(dú)配置一個(gè)電源為其供電。同時(shí)，針對(duì)雷擊的影響，可以在控制柜方面增設(shè)一個(gè)信號(hào)防雷器，并且也可以在I/O 模塊以及接線端口等方面設(shè)置相應(yīng)的中間繼電器，以此有效防止或隔離設(shè)備故障或者設(shè)備短路等因素導(dǎo)致的電流影響，造成PLC模塊損壞[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷優(yōu)化與完善，PLC 技術(shù)在高速公路隧道控制系統(tǒng)中得到了有效應(yīng)用。但由于受高速公路隧道的環(huán)境影響，傳統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)組網(wǎng)模式過(guò)程中存在不足，導(dǎo)致PLC 控制系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)常發(fā)生故障問(wèn)題，這就需要優(yōu)化該系統(tǒng)才能保障其正常運(yùn)行。而本文通過(guò)利用先進(jìn)技術(shù)對(duì)隧道PLC 控制系統(tǒng)組網(wǎng)模式進(jìn)行優(yōu)化，形成一個(gè)獨(dú)立組成環(huán)網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案，在一定程度上使PLC 系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性得到了提高，對(duì)促進(jìn)PLC 控制系統(tǒng)的發(fā)展有著重要的促進(jìn)作用。