基于GE PLC的高速公路隧道监控系统的设计与研究

丁 勇

(山西省自动化研究所，山西 太原 030012)

基于GE PLC的高速公路隧道监控系统的设计与研究

丁 勇

(山西省自动化研究所，山西 太原 030012)

介绍了以GE PLC的高速隧道监控系统的设计与实现，该系统完成了对设备的控制和数据的采集。并对系统所用到的OPC技术以及隧道监控系统的整体控制结构等关键技术进行说明。现场调试运行表明，GE PLC工作稳定，隧道监控系统安全可靠，取得了令人满意的效果。

GE PLC；OPC；隧道监控系统

随着交通运输的蓬勃发展，高速公路建设也是在如火如荼的展开，其中隧道是其中最为重要的环节，它的重要性也在不断增加，而隧道监控系统在隧道管理中更是扮演着核心的角色。因此，建立可靠稳定的隧道监控系统成为当前高速管理部门着重关注的问题。

1 隧道监控整体方案设计

岢临高速，即岢岚-临县高速公路。山西省高速公路网规划“三纵十二横十二环”中西纵高速公路的一段，也是国家G59呼北高速的重要组成部分。连接山西省高速公路网规划的第四横(五台长城岭-保德)、第五横(平定杨树庄-临县克虎寨)及静乐丰润-兴县黑峪口连接线。全线PLC控制的隧道有南山、坝湾、园子沟等。

隧道监控系统主要是由下位机PLC控制系统和上位机监控系统组成。上位机监控系统将控制信号下发到下位机PLC控制系统，下位机直接控制隧道内控制设备，然后将控制设备的反馈信号再反馈到上位机监控系统中。如图1所示。

图1 高速隧道监控系统总体结构图

该项目主要阐述的是岢临高速某段隧道监控系统，以坝湾隧道为例，该隧道内有10台底层PLC，上下行线各5台，进口段变电所还有一台主PLC以及触摸屏。隧管站监控管理系统通过光纤冗余环网连接主PLC。进口段变电所主PLC通过以太网交换机与隧道内底层PLC互联形成环网，主PLC将底层PLC传输上来的监控数据和反馈信号上传至隧管站监控系统，从而实现隧道运行状况的信息上传。而监控系统则将指令下发到主PLC，再通过主PLC进行逻辑处理让底层PLC进行动作，实现隧道运行状况的信息下载。如图2所示。

图2 隧道监控系统环网图

2 下位机PLC控制系统设计

2.1 下位机PLC控制系统硬件设计

该项目采用GE公司的可编程控制器PAC Systems RX3i作为控制系统的核心，PAC Systems RX3i的编程及调试是在GE公司的Logic Developer-PLC软件上实现的，该软件集成了组态、编程和PLC诊断三大功能[1]。在隧道内，由PLC和各种传感器构成现场控制系统，负责现场数据的采集和控制。PLC输入生产过程中检测信号分为两大类，一类是电压或电流的模拟信号另一类则是开关量或数字量脉冲。那么PLC控制系统根据这两类信号也可以分为两大类，一类开关量信号主要包括交通灯控制系统、隧道照明系统、隧道通风系统。另一类模拟量信号则主要包括co/vi检测、风速风向检测以及洞内外光强检测[2]。同时PLC还要通过串口RS-232对情报板、微波检测以及消防报警进行连接控制，并将反馈信息传递并显示到上位机监控系统上。如图3所示。

图3 下位机PLC控制系统

2.2 下位机PLC控制系统软件设计

下位机PLC控制系统由主PLC和底层隧道内PLC组成。主PLC是下位机PLC控制系统的核心部分，隧道内PLC没有主动逻辑程序，他只是单纯地进行数据信号的发送和采集，所有的逻辑运算都是在主PLC内完成，数据不需要经过二次换算，将采集到的原始数据直接传回主PLC，这也保证了数据采集的准确性。主PLC负责连接上位机软件和底层PLC之间的通讯。

该项目选用Logic Developer-PLC软件作为开发环境，该软件适用于各个操作系统，通过该软件可以进行硬件配置以及程序的编写调试。根据隧道的实际控制需求，本项目采用梯形图进行PLC的编程开发。PC通过串口与隧道内PLC直接连接，从而进行PLC硬件配置的下载和上传，并修改该PLC的IP地址，从而为以后隧道内环网做准备。

2.3 触摸屏程序设计

PLC控制系统具有手动和自动模式。平常为自动模式，当工作站与上位机软件通讯不正常时，工作人员可以手动切换成手动模式，手动控制触摸屏进行设备操作，待等到通讯正常以后，再切回自动模式。

3 上位机监控系统设计

3.1 上位机软件设计

上位机监控软件主要是由视频监控子系统、下位机PLC控制子系统、预案功能子系统三大功能组成。如图4所示。上位机软件主要采用B/S架构开发，管理人员可以通过网页直接访问上位机监控软件，根据自身权限对隧道进行管理操作并进行相应的维护。

图4 上位机软件监控系统

3.2 OPC技术

由于各种PLC的通讯协议各有不同，那么要编写一个监控软件进行管理的话则需要在协议处理上花费大量的时间和精力。况且高速公路上设有多个管理中心和省级的区域监控中心，这会导致软件开发人员仅在数据共享方面的工作量就会大大增加。OPC作为硬件和软件之间的中间件就可以很好地解决问题。它可以提供一个标准的网络接口，使软件可以高效稳定的对下位机PLC进行数据存储交换，系统的应用软件之间也可以进行消息交互。

由于高速隧道中包含了通风、照明、交通控制、火灾报警等控制设备，由于厂家机电设备的系统集成，就要求系统必须具备开放性和互操作性[3]。采用OPC技术从而实现了上位机软件和下位机PLC控制系统的数据信息交互。上位机软件将控制信号通过OPC下发到PLC中，PLC进行控制，再通过OPC将采集回来的数据上传给上位机软件。

3.3 数据库服务器

数据库服务器主要负责对所有采集上来的数据进行存储、管理和备份，同时还要负责对整个系统用户进行管理，还可以对视频录像信息、事故信息、CO/VI信息、微波信息等信息进行查询和打印。

3.4 预案设计

高速公路管理中遇到的最重要的问题就是防灾救援。高速隧道的火灾，尽管发生频率很小，但是一旦发生，由于隧道内火灾温度高、烟雾大、疏散困难，因此，造成的影响和损害程度是很大的。为了在事故发生之前可以预防，在发生事故之后能够尽快的疏散车辆，疏通道路，那么预案设计就显得尤为重要了。

针对不同的突发事故，预先先在系统中储存99条预案，每条预案进行编码排序，同时管理人员也可以根据自身需求进行自主添加。预案机制可以通过手动和自动触发两种方式。手动触发是指管理人员根据上层片区管理人员指示启动相应预案。自动触发是指上位机监控软件可以根据下位机PLC所采集回来的火灾报警指令代码、一氧化碳浓度、洞内外光强度来启动预案机制自动下发相应的控制指令，开始调整隧道内设备的运行状态(修改限速标志、启动风机水泵以及启动卷帘门等措施)。如图5所示。当事故处理完成以后，管理人员将预案机制关闭，系统自动默认返回到事故发生之前的状态。

图5 预案机制

4 结论

本高速公路隧道监控系统已经在岢临高速隧道管理中得到应用。经实践表明，该系统运转良好，有效稳定地对隧道交通进行了管理。

[1] GE-PLC编程软件快速入门手册[Z].2003:5-28.

[2] 孙小明.隧道监控系统的PLC应用[J].现代制造,2008(6):46-49.

[3] 曾瀚鹏.基于OPC技术的高速公路隧道监控系统[J].中国交通信息化,2011(6):105-106.

Design and Research of Expressway Tunnel Monitoring System Based on GE PLC

Ding Yong

(ShanxiAutomationResearchInstitute,TaiyuanShanxi030012,China)

This paper introduces the design and implementation of high-speed tunnel monitoring system with GE PLC, which completes the control of equipment and data collection. The key technologies such as industrial Ethernet technology, OPC and the control structure of tunnel monitoring system are described. On-site commissioning shows that, GE PLC work is stable, monitoring system is safe and reliable, and the satisfactory result is achieved.

GE PLC; OPC; tunnel monitoring system

2016-10-31

丁 勇(1987- )，男，山西洪洞人，硕士研究生，主要从事电气、自动化控制系统开发及应用。

1674- 4578(2017)01- 0009- 03

TP39

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