基于KINGSCADA的隧道机电管理系统

田 震，杨 华，杜 超

(贵阳电气设备控制有限公司，贵州 贵阳 550002)

0 引言

自动化监控是工程管理尤为重要的领域之一[1-2]。由于高速公路管辖距离远，隧道众多，距离运营中心远，因此维护不便，管理成本高。目前新建的高速公路虽然有设备远程监控、电力监控和视频系统，但各个系统相互独立，并未整合到一个统一的平台上，而且功能侧重实时监控，运维管理功能普遍缺失[3-4]。

为此，以亚控公司的KINGSCADA软件为平台开发了高速公路隧道机电管理系统，将设备远程监控、电力监控和视频系统等统一到该平台上，并增加了运维管理模块。KINGSCADA是一款面向中、高端市场的SCADA产品，它具有集成化管理、模块式开发、可视化操作、智能化诊断及控制，KINGSCADA具有良好的开放性，支持Activex控件、OPC、DDE、API[5-8]。通过标准的协议规范，第三方软件可以轻松的实现和KINGSCADA的数据交互。另外，该产品构建了一个开放性数据平台，可以将任何控制系统、远程终端系统、数据库、历史库以及企业其他系统进行融合，能够最大限度地帮助企业搭建智能监控管理平台。

1 系统架构

1.1 系统的总体架构

高速公路隧道机电管理系统能实现远程监控高速公路隧道的照明、风机和各种传感器，以及高速公路隧道配电系统的电力监控和视频监控，并具有整个机电系统的运维管理功能。系统将信息技术、电控技术等有效地综合应用于整个隧道的监控系统，研发出安全、高效智能化高速公路监控系统，提高管理的信息化程度，保证隧道的安全高效营运，整个系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

1.2 系统硬件构架

如图2所示，高速公路隧道机电管理系统是一个以光纤通信为骨干网，基于TCP/IP的分布式测控网络，开发中心测控软件系统，在每条路的控制中心通过网络实现对每个隧道的电力、消防、车道指示器、情报板、照明、风机和各类传感器等设备实现遥测和遥控。该中心测控软件系统将实现地理信息、图像、实时数据、存储数据、多媒体信息等一体化平台。

图2 系统TCP/IP以太网通信架构和现场总线构架图

隧道控制网络主要由服务器、以太网交换机、光缆及相应软件组成，图1中的每台以太网交换机分布在每一个隧道，将各个隧道的现场的控制系统和服务器及监控电脑联通。

现场控制系统可收集、处理和存储隧道内外场设备的检测数据，监视外场设备工作状态；上传给路段分中心，并接收路段分中心控制室命令对外场设备进行控制。现场控制系统还具有现场自动控制的功能，在维修、测试、片区中心控制室设备故障、通信故障等情况下可由现场监控系统代替监控片区中心进行控制。该控制网络采用单模光缆，每个本地控制器通过以太网交换机的光纤接口连接构成以太网单模光纤冗余环结构，即环网上任何一点被截断，通信传输依然可以保持，保证了现场总线避免外界干扰，传输通畅，并提高了数据传输的可靠性。该网络应为对等网，任意节点故障不会影响干网运行。

系统以Modbus现场总线技术、TCP/IP通讯技术、无线网络为基础来构建的新型智能配电控制系统，采用了大量以代表先进技术发展方向的智能型元器件(智能型网络仪表、网络 I/O、智能型断路器等)的网络集成式全分布控制设备。

2 系统功能模块详述

2.1 隧道机电实时监控模块

实时采集PLC的监控数据，包括环境参数、消防参数等数据，能实时监测照明、风机、车道指示器、情报板、交调站、消防等设备的运行、故障情况并能远程控制；能实时监测各种传感器和电力仪表数据；能调用显示存储现场监控视频。在变电所内设置主控站 PLC，通过以太网卡与交换机实现数据交换，隧道内分别设置PLC 从站(本地控制器)，通过以太网模块组成工业以太网。变电所(箱式变电站)内的本地控制器主要对通风、照明、电力监控等进行控制，隧道内的本地控制器负责收集、处理和储存各外场设备的检测数据，监视外场设备工作状态，并接收隧道监控分中心控制室或变电所工作站的命令对外场设备进行控制。每一个本地控制器又都是独立的控制系统，都可独立操作。为保证隧道运行的可靠性，每个隧道的本地控制器之间采用具有备用通道的环型结构冗余光纤网络的逻辑拓扑结构。本地控制器与外场设备的连接应有可靠的电磁隔离和抗干扰能力。隧道本地控制器通过现场的以太网交换机再通过单模光纤传到隧道监控路段分中心控制室，控制器实物图及机电系统控制界面如图3和图4所示。

图3 本地控制器

图4 隧道机电实时监控界面

2.2 GIS地图和视频模块

调用百度地图API，将隧道的经纬度数据标记在地图图4隧道机电实时监控界面上，展示公司所属隧道的分布情况，在每个隧道标记点旁边实时显示关键数据和报警情况。点击标记点可以跳转到对应监控画面。采用千兆以太网来实现隧道的高清图像传输，其优点是IP宽带技术构造简单， 管理简单，便于维护，扩展性、兼容性好，可为各种业务提供通道。该方案是路段内闭路电视传输系统采用三层千兆以太网，在隧道管理救援站配置一台提供企业核心层解决的高性能多义务千兆路由交换机，依据隧道内设置的站点交换机与变电所主交换机组成千兆以太网上传至管理分中心进行管理上墙监视以及上传上级管理分中心。摄像机摄取的现场视频信号，釆用光纤收发器+单模光纤的方式传送至隧道内附近的视频工业以太网交换机，在值守点内设置视频交换机与隧道内交换机组成环网，并可与图像工作站连接实现本地监控，在本地进行事件检测及IPSAN录像，事件检测数据由管理救援站集中管理。将隧道值守点的视频交换机汇聚的图像上传至管理分中心进行切换电视墙及大屏显示、上传上级管理分中心等，GIS地图与视频界面如图5所示。

图5 GIS和视频界面

2.3 电力监控模块

电力监控系统对变电所的10 kV进出线、变压器、低压进线开关以及380 V配电线路的运行工况及各项参数进行监视、测量；对380 V出线断路器进行状态检测，即实现遥信、遥测、 遥控、遥视功能。其监控界面如图6所示。

图6 电力监控界面

2.4 辅助模块

辅助模块主要涵盖了生成数据报表、手机APP远程操控及运维管理等功能。

其中，报表类型包括电力参数、环境监测参数、设备操作记录和运行记录及运行时间统计等，可以根据日期时间及报表类型及其他条件进行查询，支持报表导出为EXCEL和打印。用各种形式图表来表现和分析显示参数变化趋势和统计结果，能用饼图、柱状图和exharts等多种形式来进行数据可视化。其界面如图7所示。

图7 数据报表功能

如图8所示，通过手机APP可完成信息的远程查看和信息推送，实现了“遥信、遥测、遥控、遥调”等“四遥”功能。

图8 手机APP界面

运维管理功能主要体现在以下两方面：具有备品备件功能，采购备品备件的数据全部录入到数据库中，可以进行查询、录入、修改和删除相关信息；具有维修保养计划和维护功能，当易损件的寿命即将到达理论值时，定期提醒，运维管理人员可以将维修记录录入到数据库中，供其他运维管理人员查看，系统可以生成工单并能导出、打印。管理界面如图9所示。

图9 运维管理界面

3 小结

系统运行一段时间以来，取得了良好的效果。主要体现在如下方面：

1)提高设备运行维护主动性：实现信息系统资源的集中监控，监视各设备的运行状态和工作任务的完成情况，可实现自动启动工作任务，大幅度减小系统管理人员的工作压力；

2)提高运营单位对设备监测水平和信息化管理水平，实现对信息化系统的运行监控，达到更有效的管理，保障整个系统稳定、高效、不间断运转；

3)实现了便捷的信息推送，在管理维护者手机上执行APP“遥信、遥测”信息推送，就地现场管理软件上“遥控、遥调”信息推送，实现“遥信、遥测、遥控、遥调”等“四遥”功能。

综上所述，基于KINGSCADA的隧道机电管理系统具备一定工程参考价值，其较强的普适性可以为其他领域的自动化管理系统提供借鉴。