基于高速公路隧道PLC控制系统优化技术

杨恪

摘要：近些年随着我国经济的快速发展以及基础设施建设的提升，高速公路里程不断增加，高速公路隧道也越来越多。隧道工程中包括很多子系统， PLC控制系统是其最为重要的内容之一，能够有效确保各个系统之间的协同工作以及整个隧道的正常运行。但是高速公路隧道的环境相对复杂，连接设备的类型较多，引发PLC控制系统故障的因素较多，例如信号干扰、开关电源损坏、雷电影响等等，严重影响到隧道运行的安全性和稳定性。本文主要分析高速公路隧道PLC控制系统中存在的问题，在此基础上对其进行优化升级，对于确保高速公路隧道的正常运行具有重要作用。

关键词：高速公路隧道;PLC控制系统;优化技术

中图分类号：U45

0 引言

对于现代高速公路来说，隧道是提升公路等级、提升运输便捷性和安全性的重要工程之一，隧道使用的安全性以及运营管理的可靠性是最为重要的内容。从现阶段来看，高速公路隧道更多是通过PLC作为区域性控制器，通过PLC对隧道内部相应设备实施信息采集以及控制，一旦PLC控制系统发生某些问题就会对整个隧道控制系统造成严重影响，从而影响到隧道的正常运营。因此对于高速公路隧道PLC控制存在的问题进行分析、对其进行优化升级，对于确保隧道安全、可靠运行具有非常重要的意义。

1 高速公路隧道PLC控制系统概述

PLC系统具有比较强的抗干扰能力，具有较高的可靠性，同时编程较为简单，因此可以应用在高速公路隧道控制中。实际应用时主要是在隧道洞口变电所内部设置主PLC，并且在隧道内部间隔一定距离就设置1整套PLC系统[1]。变电所内部的主PLC可以利用网络从隧道内部各个PLC获取相应数据，同时将数据集中传输到隧道监控中心进行分析处理。监控中心对数据进行分析后将控制指令传输到隧道内部PLC，控制各子系统的运行[2]。PLC的拓扑结构如图1所示。

高速公路隧道PLC包括很多的系统模块，主要有CPU模块、电源模块、数字量以及模拟量I/O模块、通信模块、扩展模块等等。另外，PLC控制柜是整个系统最重要的部分，主要包括电源、空气开关、工业以太网交换机、触摸屏以及接线端子等等部分。

2 高速公路隧道PLC存在的问题分析

随着技术水平的快速提升，PLC控制系统也有了较大发展。但是以往PLC控制系统在高速公路隧道中的应用更加关注的是技术指标以及功能方面，对于PLC控制系统的可靠性、稳定性重视程度不足。高速公路隧道PLC控制系统面临着较为恶劣的运行环境，同时PLC控制系统连接着多种类型设备，所以容易引发各种问题，影响着高速公路隧道的正常运行。

（1）开关电源损坏方面的问题分析

开关电源主要应用在监控触摸屏、工业以太网交换机、中间继电器等设备的供电方面，但是开关电源模块内灰尘过多、开关电源内部模块经常处于满载运行状态、没有定期清洗开关电源模块滤网（滤网过脏容易造成堆积温度不能及时散出）、受到外部电源浪涌冲击等等都会造成开关电源的损坏。一旦开关电源损坏就会引发工业以太网交换机以及触摸屏的损坏，从而造成中心监控系统无法有效控制隧道内部设备的正常运行。

（2）信号干扰方面的问题

高速公路隧道PLC控制系统连接着很多设备，包括中心监控系统、照明系统、供电系统、通风系统、消防系统等等。这些设备都需要通过相应信号进行控制，这就造成了控制信号类型较多。某些设备和PLC的距离相对较远，PLC控制系统设计不科学就会造成信号电缆承载多种信号传输（220V AC以及24V DC），这就容易造成不同信号之间的干扰，从而造成采样数据的错误，最终造成PLC模块发生故障[3]。

（3）信号防雷方面的问题

从相应参考文献中能够得知高速公路所损坏的PLC模块中最多的就是隧道洞口外部安装设备所对应的PLC接入模块。高速公路隧道往往都处在山区，这些区域相对偏远空旷，所以安装的立杆设备容易受到雷电等灾害影响，雷电会通过信号电缆造成PLC接入模块的损坏。

（4）PLC控制柜維护方面的问题

高速公路隧道建设过程中为了有效控制施工成本，整个空间相对紧凑，所以隧道内部的PLC控制柜空间相对狭小，但是整个控制柜内部线路相对较多，维护相对困难。控制柜内部要布置多种设备，例如空气开关、开关电源、工业以太网交换机、触摸屏、PLC，同时也要设置大量的电缆用于设备连接以及设备控制。对于PLC控制柜进行维护时，受到空间的限制很难进行信号的检测以及设备的更换，不利于保证隧道PLC控制系统的正常运行。

3 基于高速公路隧道PLC控制系统优化方案

高速公路隧道PLC控制系统对于确保隧道各种设备正常运行具有非常重要的作用，所以需要针对上述PLC存在的问题进行相应的优化升级，提升PLC系统运行的稳定性、可靠性。

（1）开关电源损坏方面的优化

开关电源主电路部分电流大、温升高，应重点检查有无元件引脚因发热造成的脱焊，电阻器件有无阻值变大等异常。对于一些半导体元件因温度变化而发生的软故障，可以采用对可疑元件加温（如用电烙铁头靠近）使故障再现，或在故障出现时对可疑元件降温（如涂抹无水酒精等）使故障消失等方法，以确定故障点。开关电源正常工作时应发出均匀轻微的吱吱响声。如果加电后听不到任何反应，通常开关电源没有起振;如果响声断续不稳则说明开关电源工作不稳定或负载变化较大;如果响声较低沉，说明负载过重或短路。

（2）PLC系统通信结构优化方案

从图1可知，高速公路隧道PLC控制系统通信结构最为核心的部分就是变电所中的主PLC，其能够连接中心监控软件和隧道内部各个分PLC。一旦主PLC出现某些问题，整个控制系统就无法有效运行。所以为了避免出现通信方面的问题，可以对整个通信结构实施优化，通过星型结构进行组网，如图2所示。

采用此种结构方式，隧道内部各个PLC以及变电所的主PLC都可以将采集到的的数据直接传递给中心监控系统，同时也可以直接接收主监控系统下达的指令进行工作。监控系统可以和不同的PLC直接进行通信，并不需要经过主PLC的中转，这就解决了变电所主PLC故障而造成整个隧道无法进行有效控制的问题[4]。

（3）信号传输方面的优化方案

隧道建设过程中，受到各种因素的影响会造成PLC控制柜和设备的距离较远，例如交通信号系统要设置到隧道外部回转车道的位置。正是由于设备和控制部分相距较远，信号传输过程中容易受到外部因素影响，造成数据采集以及设备控制准确性不足。针对此问题可以在通过增设数据光端机的方式来解决信号传输问题。通过数据光端机可以将电信号转变成为光信号进行远距离传输，这样能够降低信号的干扰，之后在PLC控制柜中进行信号的逆变，然后将其传入到PLC模块。另外，在整个控制系统设计过程中要尽可能将不同的信号电缆分开，施工过程中也要将强弱电电缆分开铺设，避免信号的干扰[5]。

（4）PLC控制柜配置方面的优化方案

第一，为了防止PLC模块受到浪涌冲击等外部因素的影响，可以在PLC控制柜总电源进线位置增设微型的隔离变压器。若是受到严重浪涌冲击等影响也只会造成隔离变压器的损坏，能够有效防止对PLC电源模块和开关电源等设备的影响。

第二，对于隧道PLC控制网络来说，一旦交换机以及触摸屏等损坏，不但需要较长时间的修复，同时也会造成整个控制系统无法运行，所以要在控制柜中单独设置电源进行供电。

第三，为了避免受到雷击影响，要在PLC控制柜中增设信号防雷器。另外，也要在I/O模块和接线端子中设置中间继电器，其能够有效隔离某些故障（例如短路等）所造成的电流影响，防止PLC模块损坏。

第四，要逐渐缩小设备的体积。PLC控制柜中占用空间最多的就是中间继电器，随着I/O模块的增加，中间继电器数量也在增加，所以要尽可能采用纤薄型继电器，能够有效节省空间[6]。

4 结束语

高速公路隧道PLC控制系统控制着其他各个系统的正常工作，所以一定要确保PLC控制系统的稳定运行，否则容易造成整个隧道系统的瘫痪。但是受到隧道环境的影响，PLC控制系统也容易出现故障，需要对其进行必要的优化，保证其稳定运行。本文主要分析了高速公路隧道PLC控制系统存在的问题，在此基礎上提出了相应的优化对策。通过本文的介绍能够对提升隧道PLC控制系统稳定性、可靠性提供一定参考和帮助，对于推动高速公路发展具有现实意义。

参考文献

[1]赵晓辉. 高速公路隧道PLC控制系统优化技术研究[J]. 机电工程技术， 2019（08）：15-17

[2]陈柏君. 浅析隧道机电设备控制系统升级改造[J]. 中国新技术新产品， 2019（06）：18-19

[3]蔺凤琴;周杰;赵海山;顾仲熙;石俊龙;李立刚. CSP隧道炉过程控制系统升级改造[J]. 工业加热， 2019（02）：88-91

[4]张庆. 基于声发射技术的隧道安全控制系统设计[J]. 建筑技术， 2018（12）：18-19

[5]宋永超. 水喷雾系统对隧道火灾烟气控制影响分析[J]. 铁道建筑技术， 2018（11）：15-17

[6]杨肖宁. 隧道机电设备控制系统升级改造技术研究[J]. 机电信息， 2018（08）：18-19