基于霍尼韦尔PLC和力控组态软件的高速公路隧道监控系统设计与实现

张建军 陈光景 张金萍

(西安石油大学电子工程学院 西安 710065)

0 引 言

随着我国经济的快速发展，公路及公路隧道的建设项目与日俱增，隧道安全运营问题显得越来越突出。高速公路隧道是高速公路网的咽喉地段，如果不采用先进的监控管理措施，在交通量大、气候恶劣的情况下，极易发生交通事故和交通堵塞。在高速公路隧道内设置完善的监控设施、改善洞内环境、减少污染和事故、增强隧道的通行能力、延长隧道的使用期限，对保证隧道的安全运营具有重要意义。

由于电子技术突飞猛进的发展，特别是组态软件和可编程控制器的应用，使得隧道交通监控系统可以实时监视隧道交通状况，对交通参数进行检测和统计，并对隧道的各种交通设施进行监控和管理，实现了隧道机电设备的远程控制，缩短了系统的响应时间，提高了系统的开放性和准确性，监控联动模式进一步丰富和科学化。

1 高速公路隧道监控系统的构成

高速公路隧道监控系统主要监视隧道交通状况，对交通参数进行检测和统计，并对隧道内的各种交通设施进行监控和管理，以保证高速公路的行车安全和畅通。根据隧道系统各个部分控制的对象不同，可以将隧道监控系统分为计算机控制系统、交通监控系统、照明控制系统、通风控制系统、消防控制系统、紧急电话系统、供配电系统等子系统。按照设备的类型可分为:检测设备、控制设备、显示设备和通讯设备。检测设备如:火灾报警探头、车辆检测器、COVI 检测仪、风速风向仪等;控制设备如:交通区域控制器、照明区域控制器、通风区域控制器等;显示设备如:计算机工作站、大屏幕监视器、声光报警器等;通讯设备如:交换机、集线器、串口信号传输设备、光端机等。其控制系统结构如图1 所示。

本系统根据隧道监控的需求分析及控制任务，为提高隧道内机电设备的自动化控制水平，进行了监控系统的硬件和软件设计。其分布式网络拓扑图如图2所示。

图1 监控系统结构图

图2 监控系统分布式网络拓扑图

2 监控系统硬件设计

2.1 监控系统的硬件组成及控制方式

本监控系统下位机PLC 选用霍尼韦尔MasterLogic－200 系列可编程控制器，CPU 型号分为2MLI－CPUU 和2MLR－CPUH 两种，后者性能更强，可作为冗余系统使用。本系统被控对象如下:车检器，检测量有车速、车流量、占有率;照明灯，被控量有开关控制、手自动控制;风机，被控量有启停控制、手自动控制;交通信号灯和车道指示器，被控量有红黄绿开关控制以及车道显示标志控制;传感器，检测量有洞外亮度、CO 浓度、能见度、风速风向。所有的被控量和检测量都通过上位机进行实时监控、状态显示以及数据采集，然后通过下位机进行自动控制。

控制方式按三级控制模式设计，分为隧道监控室级、区域控制端级、设备手动控制级，如图3 所示。每一级都有自己的控制范围与权限，因此在控制方案与模式上各不相同。

图3 三级控制模式

2.2 PLC 选型

下位机的硬件选择霍尼韦尔PLC 作为控制系统的核心，可以提供强大的控制、网络和组态功能，以及良好的扩展能力和通信能力，容易实现分布式的系统结构，霍尼韦尔MasterLogic－200 系列PLC 的CPU 模块的选择主要考虑存储容量、运行速度、I/O 模块的扩展能力、开放式网络和协议以及可靠性等指标。综合分析所要控制的对象及其要求，选用2MLR－CPUH 型CPU，因为其可提供完全冗余系统，主CPU 和备用CPU 中间连接有专用高速1Gigabit 光纤，可以保证数据和程序的内存区域的高效同步，而且速度快，大容量内存(25M)，灵活的插槽分配以及最大I/O 底座数量可达31 个的超大容量，可灵活地混合和搭配不同的语言，支持LD(梯形图)、SFC(顺序功能图)、ST(结构化语句)、FB(功能块)、IL(指令序列)5种编程语言。电源模块选用2MLR－AC23，176/264VAC 输入，5VDC/8.5A 输出，主要为CPU 及I/O 模块供电。I/O模块的选择主要根据控制对象的类型，同时还要留有10%～15% 的余量，选用16 点数字输入模块2MLI－D22A:DI16 ×24VDC，16 点数字输出模块2MLQ－RY2A:DQ16 ×24VDC，8 通道模拟输入模块2MLF－AD8A:电压/电流输入。快速以太网模块选用2MLL－EFMT，带有RJ－45 接口，支持100/10Mbps，因为上位机与PLC 的通信协议采用TCP/IP 协议，所以用双绞线将以太网模块和PC 的RJ－45 接口相连，即可实现上位机与PLC 之间的通信。PLC 硬件组态如图4 所示，所有模块都安装在地板上。

图4 硬件组态

3 监控系统软件设计

监控系统软件主要包括上位机力控组态软件和下位机PLC－SoftMaster－200 编程软件。系统软件流程图如图5 所示。

3.1 上位机软件设计

上位机管理及监控系统采用力控ForceControl6.1 组态软件实现软件编程，力控组态软件是运行在Windows98/NT/2000/XP 环境下的一种组态软件，是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件，最大的特点是能以灵活多样的“组态方式”而不是编程方式来进行系统集成，它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行简单的“组态”，便可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，比如在分布式网络应用中，所有应用(例如趋势曲线、报警等)对远程数据的引用方法与引用本地数据完全相同，通过“组态”的方式可以大大缩短自动化工程师的系统集成的时间，提高了集成效率。

图5 软件流程图

力控监控组态软件能同时和国内外各种工业控制厂家的设备进行网络通讯，它可以与高可靠的工控计算机和网络系统结合，达到集中管理和监控的目的，同时还可以方便的向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，实现与“第三方”的软、硬件系统进行集成。

3.1.1 创建工程监控界面

监控界面主要是对隧道内机电设备的一种动画演示，主要包括照明界面、通风界面、交通界面、车检界面、趋势曲线、事件、报警、报表以及用户管理等9 个窗口界面，可是实时监控隧道内所有照明灯、风机、交通灯的开关控制以及亮度、CO/VI 浓度、风速风向等传感器的数据变化。新安岭隧道监控系统交通界面如图6 所示。

图6 新安岭隧道交通监控界面

3.1.2 建立数据库组态

实时数据库是力控组态软件系统的数据处理核心，构建分布式应用系统的基础，它负责实时数据处理、历史数据存储、统计数据处理、报警处理、数据服务请求处理等。

创建数据库点并进行数据库库点与PLC 设备的数据连接，数据库点分为数字I/O 点、模拟I/O 点、累计点、控制点、运算点和组合点，本系统中的照明灯的开关控制量与反馈量、风机的启停控制量与反馈量、交通信号的状态控制量与反馈量等属于数字I/O 点，洞外亮度、CO/VI 浓度、风速等属于模拟I/O 点。在创建新点时，首先要确认点类型和变量名，对其进行参数设置，然后把已创建的点与I/O 设备进行数据连接。数据库组态如图7 所示。

3.1.3 配置I/O 设备

I/O 驱动程序负责力控组态软件与控制设备的通信，它将I/O 设备寄存器中的数据读出后，传送到力控组态软件的实时数据库，最后界面运行系统会在画面上动态显示。本系统采用标准MODBUS(TCP)驱动程序，打开IoManager，选择标准MODBUS，双击添加设备驱动，然后再设备名称、更新周期、超时时间项目上添加设备名称PLC等设置，周期和超时时间默认设置即可，设备地址与PLC中设置的IP 地址一一对应，即完成I/O 设备的配置，如图8 所示。

图7 数据库组态

3.1.4 动画连接

动画连接是将监控界面中的图形对象与数据库变量之间建立连接，使图形在画面上随着PLC 数据的变化而发生变化。建立动画连接之后，在界面运行系统中，图形对象将根据变量或表达式的数据变化而该百年颜色、大小、状态灯外观，并实时刷新，这样便可以将现场设备真实的状态实时的反映到计算机的监控画面中，从而达到计算机监控的目的。

图8 I/O 配置

3.1.5 动作脚本

在监控界面窗口中，窗口内图形或者动画的规定动作必须要有脚本程序来支撑，可以写入窗口脚本、应用程序脚本以及数据改变脚本，窗口脚本可以在窗口打开、关闭时执行或者在运行期间周期执行，应用程序脚本可以在整个应用启动时执行、关闭时执行或者运行期间周期执行，而数据改变脚本在当数据发生变化时执行。

3.2 下位机软件设计

霍尼韦尔MasterLogic－200 系列PLC 采用SoftMaster－200 作为编程软件，兼容 Windows2000/XP。通过SoftMaster－200 用户可以进行系统配置和程序的编写、调试、仿真、在线诊断PLC 硬件配置状态、控制PLC 的运行状态和I/O 通道的状态等。根据隧道监控设备的要求，下位程序使用SoftMaster－200 的梯形图方法进行编程。首先通过CPU 的USB 接口连接PC 机，在SoftMaster－200 软件中对PLC 进行配置网络地址并写入，建立PC 机与PLC 之间的通信，然后新建工程，配置I/O设备信息，创建全局变量和本地变量，编程梯形图程序。程序编程完成后，即可通过RJ－45 接口建立网络连接并将程序写入PLC 进行运行调试。

4 隧道监控系统的控制功能

通过上位机与下位机的结合，就建立了完整的隧道监控系统，可以在监控中心实时监控隧道内的交通状况，并通过网络通信远程控制机电设备。系统有自动控制和人工干预控制两种方式。正常情况下，系统处于自动控制状态。在异常情况下，由交通控制管理人员根据隧道内实际情况，通过设在隧道控制室的交通控制计算机控制隧道交通、指挥调度车辆行驶。系统能连续检测隧道内的出、入口的交通数据。并按日、周、月打印统计报表。交通监控系统当隧道正常交通状态和有交通事故、火灾以及施工等特殊情况时的交通控制，系统可通过车辆检测器、火灾报警子系统、紧急电话子系统、闭路电视子系统等警告的信息，对信号系统发布指令，合理地控制交通，以达到减少事故，充分有效地使用隧道的目的。系统能不间断地定时检测系统内各设备的工作状态，及时发现故障并显示、报警。

监控系统中各执行设备的启动和显示变换都要按一定的程序运行，要以采集的信息和数据为依据，经过设在隧道监控监控室的中心计算机处理后再按预先编制程序发出指令。当收到的信息数据超过(或低于)预先设置的阀值时，就会自动发出有关执行设备启动或变换显示的指令，控制各执行设备来指挥行车和改善隧道内的行车环境。中心计算机还可以对所有的信息、指令进行储存、查询的管理。

5 结 论

本监控系统为国家高速公路十堰至天水联络线陕西境鄂陕界至安康AD－D03 合同段设计，经过一年的调试，已在安陕西康白河管理所监控中心正常运行。该系统依靠先进的传感器技术、计算机技术、信息技术全面掌握道路网上详尽的、实时的甚至将要发生的道路交通信息、事件、势态等情报，并在监控中心进行加工处理，不但实现了交通的控制、诱导和管理，而且能及时向各类道路使用者发送诱导信息，有效地管理了隧道交通，实现了动态交通分配，减少了交通阻塞，提高了隧道道路安全和通行能力。交通隧道监控系统引入组态软件和PLC 已经是以后交通隧道管理的必然趋势。

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