PLC在高速公路隧道机电监控中的应用分析

傅琨

（江西省交通设计研究院有限责任公司，江西 南昌 330000）

1 工程概况

某高速公路起讫桩号K1200+000～K1345+110段按照重山丘陵地区高速公路标准设计，线路全长145.11km，设计行车速度80km/h，沿线包括10座互通式立交、8条长度在1km以上的长大隧道，6条长度在1km以内的短隧道，考虑到全线隧道数量多，长度大，所以隧道监控是全线监控的重点。在8条长隧道内设置的监控系统由通风系统、照明系统、火灾预警系统、变电站供配电系统、交通运行状态实时监控等，其中的通风系统、照明系统、火灾预警系统的运行主要通过本地PLC控制器实现。其控制器主要采用的是OMRON所生产的大中型CS1系列控制器，8条长隧道所包含的单洞内所设置的69套PLC控制器组成14个FA级别的Controller Link环网网络控制系统，可以实现PLC控制器之间及PLC控制器与上位机之间的总动数据连接与转换，实现对高容量柔性数据的传送。

2 PLC技术概述

PLC（Programmable Logic Controller）可编程控制器是专用于工业环境数字运算操作而设计的电子装置，其可以通过程序存储器的编制，在装置内部执行顺序运算、逻辑运算、算数运算、计时、计数等操作指令，并以模拟式或数字式模式输出入相关数据，以实现对各类机械及生产运作过程的自动化控制[1]。PLC硬件结构与微型计算机大同小异，主要由电源、CPU、存储器、输出入接口电源、功能模块和通信模块等部分构成。PLC的工作过程包括输入采样、执行用户程序和输出刷新等阶段，并由上述三个阶段构成一个扫描周期，在其运行过程中，PLC的CPU会按设计速度对上述三个阶段重复执行。

3 隧道机电监控PLC编程

3.1 隧道通风控制

根据对高速公路隧道透过率、CO2浓度、实际交通运行量、风机运行台数、风向等的检测结果，进行风机最佳状态及隧道节能运行的控制，并在发生火灾、地震等灾害事故时，及时进行火灾排烟及震害处理，确保隧道安全稳定运行。隧道通风控制程序可以进行通风风机的正向、反向转动控制和自动开停机控制，并实时显示各台风机正向、反向转动及开停机的状态，并将运行状态信号实时传输至上位机。与此同时，通风控制程序还能进行风机运转时间的自动统计，并优先启动和运行累计运转时间最短的风机，从而保证风机劳逸结合运行，延长机械的使用寿命，并在每台风机启动时短暂延时其余风机的启动，以降低全部风机同时开启对变电站供电系统的冲击影响。

本高速公路隧道通风控制子系统的控制方式主要包括：监控分中心自动+人工远程控制；隧道监控室自动+人工控制；隧道变电所人工手动控制；通风机开关箱人工手动控制。在正常运行状态下，隧道变电所风机控制开关位于自动位，通风控制子系统主要通过监控分中心实施监控，并完成各子系统运行功能。如遇隧道通风控制系统故障，必须经过转换后将系统正常运行维持在前三级。采取人工控制方式进行隧道监控室、变电所、通风机开关箱等处的维修和测试。

本高速公路隧道通风控制系统人工控制方式的控制权优先于自动控制，其人工控制方式由低至高分为四个优先级，而自动控制方式就是隧道监控室优先于监控分中心控制。本隧道通风机电系统中的风机自动控制包括特定运行环境下使用某种事先设计好的控制程序经人工方式确认后由风机自行控制以及基于隧道透过率、CO2浓度检测器的实际检测结果和隧道运行环境指标进行综合比较以调节和控制风机运行两种。

3.2 隧道照明控制

根据所检测到的隧洞内外光强数据、隧道内交通量的变化及交通运行环境等因素，通过隧道照明控制程序进行隧道出入口及隧洞内照明的调节控制，在确保安全行车的基础上实现节能运行的目的，并对隧洞内照明设备运行及能耗状况进行实时监测。隧道照明控制程序还具有隧洞内光线不足的报警功能，即通过安装在隧道内的光强仪进行光亮数据采集，并与系统设定结果进行对比，如果实际亮度低于设计值则会发出报警信息，提示维修管理部门及时更换灯具；在自动控制方式下遇到火灾等事故，在系统的感应功能作用下隧道内照明全部自动开启。

本高速公路隧道照明调控方式包括人工、自动、远程三种，其中前两种方式均由照明系统自行完成和实现，而远程控制方式则由照明系统将控制状态信号传输至监控系统，在照明和监控系统的配合下实现。高速公路隧道照明远程控制主要由监控系统提供继电器接点并将电缆与照明系统连接后协调实现，照明系统同时进行各照明回路的执行与控制。照明系统将所接收到的照明回路开关分合状态的相关信号传输至监控系统，并向监控系统提供继电器干接点，以实现通过触摸屏手动控制照明灯具的效果。

本高速公路隧道照明控制系统详见图1所示。

图1 隧道照明控制流程图

3.3 隧道火警控制

高速公路PLC隧道机电监控系统还应当包括火情火警控制模块，通过对隧道运行过程中温度、烟雾、火光等的全面监测以达到隧道安全运行的目的。对于突然出现的火灾等现象，通过隧道火警控制程序自动反馈以及时获取相应的监控信号，并通过模块程序所具有的预警、报警、喷淋等功能，及时通知和处置。

3.4 监控系统优化

高速公路隧道机电监控必须以相应的软件设计为支撑，如监控平台、组态软件等。通过采用PLC技术，实现对实时取得的检测数据的传输与共享。近年来，高速公路管理部门已经开始尝试对隧道监控运营iFIX组态软件平台，并基于此构建起人机交互可视化界面和整体性平台开发环境。iFIX组态软件平台由服务层、用户界面及系统数据层等构成，其立足于系统整体性角度将整个高速公路隧道机电系统纳入PLC通讯范畴，并建立起新型C/S系统架构。

就软件通讯而言，PLC可以通过光纤网络进行iFIX组态软件平台和OPC驱动器的全面监控，同时结合系统下位机为通讯模式赋予交互性。对于通讯程序而言，OPC服务器能够准确读取平台现有数据，并优化服务器在隧道机电监控方面的时效性，全方位读取各类数据地址，并将其导入指定数据库。

所以，软件通讯设计的根本目的在于加强对高速公路隧道机电运行的日常全面监控，监控人员通过交互性的人机界面进行操作面板的全面操控，并通过OPC服务器进行面板运行状态的实时监控和以太网的顺利衔接，并在优化通讯数据的基础上，妥善分析和应对特定时间段系统反馈和数据传输。

4 结语

由本文分析可知，高速公路隧道机电监控模块设计必须以PLC实时控制技术为基础，监控系统并无相应规格组态软件，必须立足隧道整体监控管理的角度进行所涉及软件平台的优化处理，在高速公路隧道机电监控系统中应用PLC技术进行涉及，能实现隧道现有照明、火灾预警、通风控制等功能的优化，并简化高速公路隧道机电监控设计流程，加强机电设备运行状态的实时管理与维护。本高速公路隧道开通运营实践也表明，基于PLC程序的隧道机电监控系统的运营稳定可靠，且随着PLC技术的不断发展及其在通信、冗余、组网等技术方面的日趋完善，在隧道这个较为恶劣的运行环境中，PLC程序的应用必将带来较好的效果。