Schneider Premium在隧道监控系统中的应用

黄勤陆，肖 甘，黄海峰，黄 骏

(1.成都纺织高等专科学校，四川成都611731;2.四川新潮工控技术有限责任公司，四川成都610041;3.重庆新世纪电气有限公司，重庆400041)

在山区和丘陵地区的公路建设中，长隧道建设方案以能缩短行车里程、提高线路标准、保障运营安全、保护生态环境等优点，得到了普遍应用。隧道内部空间环境狭窄、光线变化大、汽车尾气排放不易散发、视野不清［1］，隧道越长，规模越大，存在的潜在交通事故危险也越严重，发生交通事故后交通疏导和救援工作也越困难。处理不当还可能发生二次事故。因此，长隧道内的安全保障是与普通路面有很大不同，在隧道建设和运营时期都是特别关注的重点。

高速公路隧道在使用过程中，通风和照明方面的能耗远高于普通道路的运营能耗。为了保障隧道能安全、高效、环保、经济运行［2］，隧道监控系统的建设是必须的。隧道的监控系统是隧道能够安全畅通和正常营运的的基本保证，科学合理地建设具有重要意义。

建设隧道监控系统，首先可以减少事故发生、降低污染、增强隧道通行能力、提高隧道的运营管理水平;其次，通过控制系统预防火灾和交通事故的发生，可以增强管理部门对隧道交通异常事件(例如:火灾和交通事故)的处理能力;第三，还可以通过确保各种隧道设备(风机、照明灯具、供电设施)的安全有效运行，降低运营成本，延长隧道使用期限，提高总体经济和社会效益。

公路隧道监控系统的建设一般包括值班人员监控中心、供配电变电所、隧道内部现场监控设备、监控系统的信息传输网络、以及配套的监控软件组成。笔者以Schneider UnityPremium PLC在龙泉山隧道控制系统［3］应用实例来介绍隧道监控系统。

1 系统介绍

1.1 系统构成

隧道监控系统在管理上可实现视频监控、火灾检测、紧急电话和广播等功能。为实现以上几大功能，系统设计上分为通风控制子系统、消防控制子系统、照明控制子系统、电力监控子系统、交通监控子系统、紧急电话子系统和有线广播子系统等［4］。这几大子系统独立工作又通过网络相互联系，优点是可避免由于某子系统出现故障而影响其它子系统的正常运行，同时也确保整个系统的协调运行。

隧道监控系统组成包括:①由车道指示器、交通信号灯、超高尺寸监控构成的交通监控子系统;②由CO/VI检测、风机控制构成的通风控制子系统。通风控制、交通监控、消防控制是整个系统控制的重点;照明控制、紧急电话、电力监控、有线广播子系统是整个系统正常运行的保障。笔者重点介绍交通监控和通风控制系统。隧道监控系统组成如图1［2］。

图1 隧道监控系统组成Fig.1 Components of highway tunnel supervisory system

1.2 交通监控系统

交通监控系统包括交通信号控制系统和交通视频监控系统。视频监控系统由隧道洞内/洞外摄像机、视频控制设备、传输通道、数字硬盘录像机、监视器等组成［4］。在隧道内，一般按每隔150 m左右安装有一台定焦距彩色摄像机，用以及时直观地观测隧道内部和外部交通运行情况，对突发事故现场情况和特殊事件进行确认，为救灾排险提供准确及时的信息。

交通信号控制系统主要是通过控制隧道内部安装的交通信号灯的状态，给司机提供道路信息、便于现场警察疏导交通、保证道路畅通。控制方案按正常、拥挤状态、事故等3种状态进行分类控制。交通信号控制系统主要是通过车辆检测设备(如埋地线圈车检、超声波车检、微波车检等方式)，实现平均车速、车流量、车道占有率等交通参数的检测，在交通发生异常时结合视频监控信息，判断隧道内的交通状态。交通信息数据同时也是隧道通风控制子系统和隧道照明控制子系统实施控制策略的重要数据来源，通过对这些信息数据的处理，通风控制子系统和照明控制子系统采取不同的控制策略，例如，在发生异常事件时自动报警。交通信号设备主要包括车道指示器、交通信号灯、可变限速标志、可变情报板等设备，是交通控制系统的执行设备。

1.3 通风控制系统

公路隧道内汽车排出的废气，其主要成分有一氧化碳、氮氧化合物、醛类、有机化合物等。一般都是有毒的，刺激人的眼睛和呼吸器官。通风控制系统建设是遵照JTG F 60—2009《公路隧道施工技术规范》［1］和相关规章制度实施的，目的是保持隧道内环境指标在国家相关标准允许的范围内。该系统由隧道风机控制柜、风机、一氧化碳/能见度(CO/VI)检测仪、风速/风向检测仪以及传输网络组成［5］。通过对环境数据传感器采集的实时数据的分析，实现对风机进行自动控制，达到节能和风机长期稳定地运行。

1.4 消防控制系统

消防火灾报警系统用于隧道内发生火灾时发出紧急救援信号，迅速通告隧道监控站的值班人员，请求救援和灭火等活动。主要设备是安装在隧道内的火灾报警控制器，用以接收来自火灾自动探测器和人工报警按钮传输来的信息［6］。当自动检测出火灾或现场人工报警时，在监控中心的火灾报警工作台就有紧急告警声音和信号，并能够显示出火灾报警的地点，经视频监视子系统自动将故障地点处的摄像机监视画面调出供值班人员分析，并提供可选择的控制方案，待值班员经其它手段确认后再进行消防控制和信息发布。配合火灾子系统的消防给水控制也实现与火灾自动报警子系统的联网联动。

1.5 其它控制系统

除了以上主要系统外，电力监控子系统能够实现对隧道内部的变电所及箱式变电站的运行状态进行监视，并对供配电系统设备及照明回路、通风设备进行控制［5］。网络子系统对系统中所使用的交换机及其他网络设备的硬件参数进行监控。紧急电话子系统就是在隧道监控站设有紧急电话管理系统，该系统管理所管辖隧道区域内的紧急电话，在隧道内和隧道口一般按每200 m设置有一个紧急电话。广播子系统还可以根据管理的需要，在超过1 000 m的隧道内设置有线广播子系统，用于在发生紧急情况时，进行紧急情况的通知。紧急电话信号和有线广播信号都是通过光纤信号传输到各个隧道内的有线广播终端设备上的。

2 PLC控制系统

2.1 PLC 系统构成

该系统根据隧道长度(约2 km)和实际路况对隧道进行了6个分区，每个分区有一个本地现场控制柜，现场传感器检测到的环境参数通过功能模块或通过Modbus传输协议输入到UnityPremium PLC，经过PLC的处理再通过光纤以太网传输至现场控制工作站，再通过无线通信系统传输到调度中心。

本地控制站核心设备是采用了Schneider公司的Unity Premium TSX572634M PLC和100M bps TCP/IP以太网自愈光纤环状网络［2］。该PLC具有32位微处理器的专用计算机，内嵌以太网接口，具有多任务实时操作的功能，可保证各任务的并行处理，具有各种功能模块。该TCP/IP以太网网络系统采用的是冗余光纤网络，该网络组网方便、可靠性高、抗电磁干扰的能力比较强。PLC控制系统如图2［4］。

图2 PLC控制系统Fig.2 PLC control system diagram

2.2 PLC 控制柜

2.2.1 控制柜的功能特点

本地PLC控制柜根据客户需求和隧道的特点，需要具有的功能如下［4］:

就空间效应而言，引入经济增长和转移支付条件后，无论是在全国范围还是在各地区内部，相邻地区教育水平的提高都将对相邻省份教育水平的提升有巨大的推动作用，教育水平的提升具有较强的空间外溢性。

1)收集本区段检测设备检测的各类信息。

2)对收集信息、进行预处理，并储存在储存单元内。

3)在计算机循环扫描时，将把存储单元中已处理好的信息上传给隧道监控站计算机。

4)接收隧道监控中心计算机的各种控制命令，将控制命令和设备运行状态比较后，发出对现场执行设备的控制指令。例如对交通信号灯、可变情报板、车道控制标志的指令。

5)还可存储常用的和特殊的程序，如火灾紧急处理程序、交通事故处理程序等。

6)现场控制器还设有手动控制单元。当通信中断或发生火灾时，可优先进行手动操作。

7)具有故障自检功能。

根据以上功能需求，现场设备控制柜功能示意，外部检测信号连接控制信号如下［4］:

1)通过Premium PLC的数字量模块控制交通信号灯。

2)通过Premium PLC的数字量模块和串口通信模块接收和控制车道控制标志。

3)通过Premium PLC的模拟量模块接收一氧化碳和能见度信号。

4)通过Premium PLC的数字量模块控制射流风机。

5)通过Premium PLC的数字量模块接收报警信息。

6)通过Premium PLC的通信模块接收烟雾等火警报警信息。

7)通过Premium PLC的通信模块与无线通讯模块DTU通信。

PLC外部检测的控制信号连接情况如图3。

图3 PLC控制信号Fig.3 PLC control signal

2.3 PLC 通风控制

通风系统控制是该隧道控制的一个重要环节，在隧道的出口附近和隧道内安装有射流风机60组，送风和排风机组共9组，雨水泵、废水泵、消防泵共9台，CO浓度监测仪9台，能见度监测仪9台。通风系统中通过CO/VI探测器实时检测隧道内的CO值，通过风速/风向检测仪测量风速和风向［5］，并将所有参数通过4～20 mA信号送入PLC。根据系统的设计参数与检测到的环境实时数据与进行比较，再结合交通量信息数据，以及当前轴流风机的运行台数、转向、运行时间，实现风机的启停控制。例如，当CO值超过设定值时，自动启动风机及车道的开闭;在发生火灾时，还要进行排烟处理，以保证隧道运行环境的安全和驾驶员的舒适性。通风控制分为手动控制和自动控制两种方式［6］。其中，手动控制优先权高于自动控制。通风控制模式分为正常通风状态和火灾通风状态两种工况。

2.4 PLC 火警控制

该隧道火灾报警系统能实时检测隧道内温度的分布状况，并在监视器上显示温度动态分布图，还可按实际情况设定和调整火灾发生的预报警和报警的温度值、温升速率值［7］。火灾发生时，系统能发出声、光报警信号，准确指示火灾报警位置，同时将报警信息传给现场PLC和上传到现场监控室和调度中心。同时该系统能反映自身工作正常和故障，具有故障自诊断的能力，能连续检测火灾探测器、连接线缆等的工作状态，并报告故障及其准确位置。

2.5 PLC 通信网络

该隧道通信网络采用的是PLC冗余光纤环网和无线数据传输网相结合的网络系统［8］，通过光纤网络进行各PLC单元间的数据通信，并通过无线网络实现数据上传监控管理中心。当网络出现意外故障时，可以自动选择备用路由恢复业务，例如网络线路A出现故障时，系统能够自动通过网络线路B进行连接;如果隧道发生火灾报警，报警信息会通过Modbus通讯传输到 Unity Premium PLC，再通过MOXA公司的DTU无线通讯［9］传输至道班房，由中控室操作人员发出应急操作指令。冗余光纤环网和无线数据传输保证了数据处理及时、准确、完整上传到控制中心。该冗余和无线网络如图4。

图4 冗余和无线网络Fig.4 Redundancy and wireless network

3 结语

提供了一种采用Schneider Premium PLC架构的MODBUS TCP/IP 100Mbps工业光纤以太环网和GPRS无线网络通讯模块为网络核心的隧道监控系统。系统具有冗余备份，网络可靠性高的优点，同时实现了现场无人值守控制，提高了运营经济型。该系统交付使用以来，运行情况良好，达到了预期效果，该设计方案还具有一定的通用性，已经在多条公路隧道中得到应用。

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