基于PLC的高速公路隧道监控系统的设计与实现

赵向南

(山西省自动化研究所，山西 太原 030012)



基于PLC的高速公路隧道监控系统的设计与实现

赵向南

(山西省自动化研究所，山西 太原 030012)

以高速公路隧道监控系统具体开发项目为基础，研究了上位机软件、现场采集/控制设备欧姆龙PLC、中间件OPC及其光环网的通信技术，设计开发了隧道监控系统，实现了对高速公路隧道的车道指示标志、限速标志、风机及照明等终端设备的控制。

欧姆龙PLC；OPC；光环网；隧道监控系统

近些年，随着国民经济的发展需要，国家及各省市均加大了对高速公路的建设投入，伴随着高速公路里程的增加，途经的隧道数量也越来越多。高速公路交通的畅通主要在隧道，通过安装于隧道终端的各项采集设备，及时获取隧道运行信息并上传至监控中心软件进行数据分析、判断及其决策，依据决策对隧道采取管控措施，杜绝安全隐患，避免违法行为，保障隧道内的交通流平稳、安全、有序、畅通无阻，使高速公路隧道处于最佳运行状态，使高速公路运营单位获取最佳的运行效益，因而开发高速公路隧道监控系统[1]。

1　监控系统结构

高速公路隧道监控系统主要由交通监控、照明系统、通风系统、消防系统、报警信息、信息发布、预案控制、GIS地图、PLC监控及CCTV系统等部分构成，分为两级控制监控中心软件控制系统和隧道现场PLC控制系统。如图1所示。

图1　监控系统结构

根据隧道监控系统的设计文件及实际控制需求，监控中心将服务器与各个工作台相连接组成局域网，该局域网通过通信系统与片区中心局域网连接组成广域网，不间断地将现场数据上传至片区中心[2]。其网络拓扑图如图2所示。

图2　监控系统网络拓扑图

2　监控系统硬件设计

2.1监控系统的硬件组成

本文所设计开发的监控系统，终端设备选择OMRON可编程逻辑控制器作为控制系统的核心，CPU分为CSID-S和CSID-H两种，CSID-H具备更强的性能，可选做主PLC的冗余系统。终端控制设备包括：微波车检，检测道路的车流量；隧道照明，洞口处的加强照明、过渡段照明和洞内的基本照明，根据控制要求可分为手/自动控制两种；风机，控制分为启、停，具有故障反馈点位，并且可进行手/自动控制；交通信号灯和车道指示标志，被控量有红绿黄开关控制和车道通行/禁止标志控制；采集设备，传感器有洞内外光强检测器、COVI检测器及风速风向检测器。所以所有被控设备和采集设备都是通过PLC直接控制，通过OPC将下位机PLC与监控中心软件关联，监控软件能够显示现场设备状态，对设备进行实时监控和显示采集的数据。

2.2控制方式

高速公路隧道监控软件的控制模式分为三级控制来设计，即监控室中心控制、隧道口主PLC控制及设备的手/自动控制。不同级的控制权限和范围不同，在控制方案和模式上也有略微差别。

2.3PLC选择

隧道现场的可编程逻辑控制器(PLC)是隧道监控系统的控制核心，它的主要功能是完成对现场终端采集设备所收集数据的存储、运算及上传；接收监控中心监控软件所下发的控制命令，对终端执行设备(车道指示标志、照明设备、风机、限速标志及火灾报警装置等)进行命令控制；通过交换机可以自身组成控制环网，通过隧道口主PLC对环网内的各个控制PLC进行命令传送，完成本地预案执行。根据实际控制需求，综合考虑PLC的运行速度、可靠性、I/O和通信模块扩展能力、网络和协议及其冗余能力等指标，本次开发选择OMRON CS系列PLC，能够为监控系统的构建提供强大控制、组态及其搭建网络功能，具备成熟的通信及扩展功能，便于完成分布式系统构建。

3　监控系统软件设计

隧道监控系统的软件分为监控中心上位机监控软件和下位机PLC程序两部分。

3.1上位机软件设计

监控中心隧道监控软件采用B/S架构开发，各个工作台的操作人员通过网址访问监控软件，根据自己所分配的职责和权限监视隧道上传的数据和进行相应的控制、查看及维护操作，是对隧道现场数据采集和功能控制的专用软件。上位机监控软件的功能实现离不开数据库，监控软件通过中间件OPC Server接口轮询隧道内设备的当前状态，提供整个监控系统的实时数据库功能。一方面通过数据库的数据能够及时更新软件界面显示内容，另一方面能保存硬件和软件的交互信息，形成历史数据文件，供日常查询使用[3]。

隧道监控软件的设计与开发过程中充分考虑了软件的稳定性、易操作性、模块化、维护性和扩展性，人机界面友好，操作便捷，完全满足隧道监管部门的需求。隧道监控系统软件处理流程如图3所示。

图3　监控软件处理流程

监控中心软件控制分为单独控制、智能控制及预案控制三种。根据需求可对某一设备进行单独控制；根据下位机PLC所采集的实时数据，监控软件能够根据预先设定的阈值，自动下发控制命令，调整隧道内设备的运行状态；当监控系统检测到火灾或者重大事故等异常报警事件时，监控系统能自动将事故区域的监控视频切换至显示界面，并且弹出预案窗口，供监控人员根据事故类型选择执行预案，对隧道内的终端设备进行控制[4](如修改限速、车道指示标志、启动风机水泵等)。预案控制流程如图4所示。

图4　预案监控流程图

3.2下位机软件设计

欧姆龙CS系列PLC选用CX-Programmer作为开发环境，适应于各个操作系统。通过CX-Programmer开发人员可以直接进行PLC控制系统配置和程序的编写、调试、在线更改PLC硬件配置、控制PLC程序的运行状态、监视内存变化和设置通信通道等操作。根据监控设备的控制需求，本设计选择使用梯形图进行程序开发。首先通过编程电缆将PLC的CPU与PC的USB连接，在CX-Programmer中对PLC进行网络地址配置，建立PC与PLC之间的网络通信渠道，然后通过Ethernet连接PLC，并对其进行在线操作，配置I/O表和单元设置，编写梯形图程序。程序编写完成后，通过网络连接将去写入PLC中进行调试和运行。

通过上位机和下位机两级控制方式建立的隧道监控系统，完全实现了在监控中心实时监控隧道通行状况，并根据需要对隧道各类机电设备进行远程控制。完成远控的设计要求。系统能够将隧道日常运行产生的各类参数存储，形成历史查询数据，能够对隧道出现的异常情况(交通事故、火灾等)及时检测，并报警，通过预先设定的预案联动进行合理的交通管控，确保隧道通行有序。系统定时轮询检测各设备的运行状态，能够及时发现故障设备，产生界面提示，提醒工作人员及时修理更换。监控系统中各类终端设备的自动启/停操作，均以采集的数据为依据，经过预先在程序中设定的阈值被判断标准，超过(或低于)阈值时，就会弹出提示框，供操作人员选择控制方案改变隧道内各设备的运行状态。数据库能够完整地存储记录下操作人员所发出的所有指令。

4　结论

本隧道监控系统经过一年的开发和调试，已经在实际的项目中应用。该系统依靠先进的传感器技术、计算机技术及其通信技术实时将隧道内的道路通行状况、事件及其环境状况传输至监控中心，实现了交通的管控，并且能够通过各类渠道向道路使用者发出通行状况，有效地管理了隧道交通，减少隧道堵塞，提供通行能力。

[1]张万忠.可编程控制器入门与应用[M].北京:中国电力出版社,2005:102-120.

[2]王卫兵.PLC系统通信扩展与网络互联技术[M].北京:机械工业出版社,2002:1-50,174-237.

[3]林宗良.公路隧道监控系统软件设计与模块开发[J].科技信息,2008,28:57-58.

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

Design and Implementation of Highway Tunnel Monitoring System Based on PLC

Zhao Xiangnan

(ShanxiAutomationResearchInstitute,TaiyuanShanxi030012,China)

Based on the specific development projects of highway tunnel monitoring system, this paper makes a research on the upper machine software, field collection/control equipment of OMRON PLC, OPC middleware and its optical ring network communication technology; designs and develops the tunnel monitoring system, realizes the control for the lane indication signs, speed limit sign, fans, lighting equipment and other terminals on highway tunnel.

OMRON PLC; OPC; halo network; tunnel monitoring system

2016-04-22

赵向南(1986- )，男，山西长治人，硕士研究生，主要从事控制理论与控制工程方向的研究。

1674- 4578(2016)04- 0028- 03

TP 39

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