基于BS架構(gòu)的高速公路隧道監(jiān)控及運(yùn)維解決方案

黃健

摘 要：隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的發(fā)展以及“十三五”高速公路信息化的推進(jìn)，高速公路的收費(fèi)、監(jiān)管、路政、運(yùn)維等方面還有很大的提升空間。高速公路隧道屬于機(jī)電設(shè)備相對集中的地點(diǎn)，而且又是交通事故發(fā)生概率較大的地方，尤其是隧道火災(zāi)會嚴(yán)重威脅人的生命財(cái)產(chǎn)安全，對于其中設(shè)備的監(jiān)控及運(yùn)維就變得尤為重要了。該文主要簡述WEB瀏覽器結(jié)合PLC技術(shù)對于高速公路隧道監(jiān)控及運(yùn)維的解決辦法。

關(guān)鍵詞：可編程控制器 PLC BS架構(gòu) WEB 高速隧道監(jiān)控 運(yùn)維

中圖分類號：U458 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（a）-0141-02

1 概述

1.1 PLC技術(shù)概述

PLC即可編程控制器（Programmable logic Controller），是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。

1.2 高速公路隧道機(jī)電控制概述

隨著高速公路在全國的大規(guī)模建設(shè)，特別是許多長、特長隧道、隧道群的大量建設(shè)，對于保證隧道安全運(yùn)行的隧道機(jī)電設(shè)施控制也越來越得到政府和行業(yè)主管部門的重視。而通過PLC實(shí)現(xiàn)的交通監(jiān)控技術(shù)作為運(yùn)營管理的重要技術(shù)手段，在交通管理、信息發(fā)布、交通誘導(dǎo)、事故預(yù)防及應(yīng)急救援等各個方面，發(fā)揮著十分重要的作用。相關(guān)的新技術(shù)、新設(shè)備不斷地得到應(yīng)用，對監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求更完善，性能要求也更高。

1.3 BS架構(gòu)概述

B/S架構(gòu)的全稱為Browser/Server，即瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)。Browser指的是Web瀏覽器。極少數(shù)事務(wù)邏輯在前端實(shí)現(xiàn)，主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)。Browser客戶端、WebApp服務(wù)器端和DB端構(gòu)成所謂的三層架構(gòu)。B/S架構(gòu)的系統(tǒng)無須特別安裝，只要有Web瀏覽器即可。B/S架構(gòu)中，顯示邏輯交給了Web瀏覽器，事務(wù)處理邏輯在放在了WebApp上，這樣就避免了龐大的胖客戶端，減少了客戶端的壓力。因?yàn)榭蛻舳税倪壿嫼苌伲虼艘脖怀蔀槭菘蛻舳恕?/p>

1.4 B/S架構(gòu)的優(yōu)勢

（1）客戶端無需安裝，有Web瀏覽器即可。

（2）BS架構(gòu)可以直接放在廣域網(wǎng)上，通過一定的權(quán)限控制實(shí)現(xiàn)多客戶訪問的目的，交互性較強(qiáng)。

（3）BS架構(gòu)無需升級多個客戶端，升級服務(wù)器即可。

（4）隨著網(wǎng)頁語言以及瀏覽器的進(jìn)步，BS在表現(xiàn)能力上的處理以及運(yùn)行的速度上會越來越快，它的缺點(diǎn)將會越來越少，比如現(xiàn)今HTML5在圖形的渲染方面以及音頻、文件的處理上已經(jīng)非常強(qiáng)大了。

2 隧道機(jī)電系統(tǒng)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)技術(shù)與運(yùn)維現(xiàn)狀

2.1 隧道監(jiān)控系統(tǒng)組成

高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)主要由交通控制系統(tǒng)、通風(fēng)控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、照明控制系統(tǒng)、消防控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)構(gòu)成。

不同省份及不同地區(qū)的隧道監(jiān)控系統(tǒng)集成略有不同。例如有些地區(qū)將電力監(jiān)控系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)獨(dú)立出來?，F(xiàn)階段包括照明、電力監(jiān)控、火災(zāi)報(bào)警等系統(tǒng)的廠家，集成商也都有用來實(shí)現(xiàn)諸如照明系統(tǒng)的時(shí)序控制等功能的獨(dú)立的一套監(jiān)控軟件及相應(yīng)控制器。

2.2 隧道監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀

在隧道監(jiān)控系統(tǒng)管理體系中，管理系統(tǒng)可分為遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)和區(qū)域控制系統(tǒng)兩部分。

遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)（監(jiān)控軟件）設(shè)置在監(jiān)控分中心或隧道管理所內(nèi)?？梢酝ㄟ^相關(guān)通訊協(xié)議獲取相關(guān)子系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)信息。例如利用交通安全設(shè)備和環(huán)境信息采集設(shè)備、CCTV系統(tǒng)等設(shè)備采集的數(shù)據(jù)來獲取有關(guān)交通安全和環(huán)境異常狀況的信息，并由監(jiān)控軟件顯示。

區(qū)域控制系統(tǒng)主要為PLC+觸摸屏，可以實(shí)現(xiàn)對交通控制系統(tǒng)、通風(fēng)控制系統(tǒng)、照明控制系統(tǒng)、消防控制系統(tǒng)等的集中控制及顯示。實(shí)現(xiàn)對各系統(tǒng)設(shè)備的單點(diǎn)及方案控制、火災(zāi)報(bào)警聯(lián)動、照明時(shí)序控制、交通預(yù)案控制等功能。

目前大多數(shù)的監(jiān)控軟件選取的或是各種PLC相關(guān)的組態(tài)軟件，或者是基于CS架構(gòu)的監(jiān)控軟件。組態(tài)軟件所能實(shí)現(xiàn)的功能及顯示效果十分有限。相比于BS架構(gòu)，CS架構(gòu)所擁有的優(yōu)勢在于：C/S架構(gòu)的界面和操作可以很豐富。安全性能可以很容易保證，實(shí)現(xiàn)多層認(rèn)證也不難。由于只有一層交互，因此響應(yīng)速度較快。但同時(shí)它的缺點(diǎn)也很明顯：需要安裝專門的客戶端軟件，兼容性差，開發(fā)、維護(hù)成本高，升級換代麻煩等。而隨著HTML5、CSS、JS、AJAX等技術(shù)的發(fā)展，BS架構(gòu)的優(yōu)勢也是越來越大，雖然不可能完全取代CS架構(gòu)的產(chǎn)品，但BS架構(gòu)的產(chǎn)品正逐步成為主流。

2.3 隧道機(jī)電運(yùn)維現(xiàn)狀

現(xiàn)今高速公路隧道機(jī)電設(shè)備檢修維護(hù)的現(xiàn)狀是日常巡檢人員只能發(fā)現(xiàn)表面上的問題。例如某組指示器熄滅。但對于故障原因的確定卻需花費(fèi)大量時(shí)間。故障可能來自監(jiān)控軟件本身的配置錯誤，或軟件崩潰、傳輸線路的問題、PLC模塊故障、繼電器損壞等諸多方面的問題。這會給維護(hù)人員帶來很多麻煩，故障點(diǎn)需要一一確定。如果想檢測PLC狀態(tài)又需要安裝相應(yīng)的PLC軟件。對于已經(jīng)交付的工程，找施工單位處理故障問題，無疑需要增加不小的開銷。所以，最大可能地減少中間環(huán)節(jié)，簡化檢修方案，集監(jiān)控與維護(hù)功能為一體的監(jiān)控軟件變得很有必要。

3 WEB+PLC實(shí)現(xiàn)案例

此文只涉及Web頁面直接訪問PLC的CPU自帶的Web Server，對于其他需要開發(fā)Web服務(wù)端的系統(tǒng)不再贅述。選取高速公路隧道內(nèi)防火卷簾門的監(jiān)控、檢修功能作為示例。

3.1 軟、硬件組成

CPU：SIMATIC S7-1200 1214C；編程軟件：TIA Portal V13、Notepad++、Eclipse；瀏覽器：Chrome。

3.2 卷簾門案例

相比于市面上各種品牌的PLC產(chǎn)品，西門子PLC是國內(nèi)使用范圍最廣、功能相比較更加完備的一系列產(chǎn)品。S7-1200系列PLC所提供的Web Server已經(jīng)可以支持很大自由度的客戶自定義頁面的設(shè)計(jì)。同時(shí)本身又集成了對PLC狀態(tài)等的監(jiān)視功能。既可以實(shí)現(xiàn)對經(jīng)由PLC控制的高速公路隧道子系統(tǒng)的監(jiān)控，又可以極大地方便維護(hù)人員處理相應(yīng)的故障。

3.3 程序?qū)嵗?/p>

整套卷簾門控制程序由以下部分組成：主程序（負(fù)責(zé)調(diào)用功能塊循環(huán)執(zhí)行）。WebToCmd（功能塊，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)化上升沿觸發(fā)）。Gate_Control（門控制功能塊，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)門控制功能）。MODBUS_TCP（功能塊，負(fù)責(zé)與上位機(jī)通訊）。WWW（功能塊，實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器功能）。

PLC程序可以根據(jù)實(shí)際需求定義變量表。一部分變量用于實(shí)現(xiàn)卷簾門邏輯控制，另一部分可以定義成直接關(guān)聯(lián)IO點(diǎn)位。通過Web程序進(jìn)行關(guān)聯(lián)，用于運(yùn)維人員檢修。通過操作Web界面中的按鈕等來實(shí)現(xiàn)規(guī)避程序邏輯，直接控制輸出點(diǎn)位，從而控制相關(guān)設(shè)備，達(dá)到檢修目的。同時(shí)可以避免安裝種類繁多的PLC編程組態(tài)軟件，提高效率，簡化檢修過程。

在客戶Web頁面中，可以非常靈活地構(gòu)建監(jiān)控畫面。該例中應(yīng)用了HTML、CSS、JS、Jquery-Mobile的技術(shù)。相對于該例完全可以呈現(xiàn)更加豐富的畫面效果。除了可以在PC機(jī)上進(jìn)行顯示外，搭配相關(guān)技術(shù)還可以通過網(wǎng)絡(luò)在手機(jī)端監(jiān)測PLC的狀態(tài)并進(jìn)行控制。根據(jù)實(shí)際的需求非常靈活地進(jìn)行私人訂制。

3.4 西門子WEB服務(wù)器操作步驟

（1）通過瀏覽器訪問PLC的Web服務(wù)器，只需在瀏覽器中輸入http：//PLC的IP地址：80/即可登入登錄界面。

（2）輸入用戶名，密碼進(jìn)入主界面。

（3）在變量狀態(tài)視圖中輸入PLC內(nèi)變量的名稱，ENTER鍵，即可監(jiān)視相應(yīng)變量信息。

（4）數(shù)據(jù)通信頁面可顯示PLC的IP地址、通訊雙方的連接類型、連接狀態(tài)、連接資源使用情況等信息。

（5）診斷緩沖區(qū)可以監(jiān)視PLC相應(yīng)事件的發(fā)生時(shí)間、事件原因，方便維護(hù)人員檢修。

（6）客戶頁面可以根據(jù)具體情況定制顯示頁面。示例顯示的為防火卷簾門控制頁面，僅作為說明使用。門的狀態(tài)由圖標(biāo)顯示，具體控制由按鈕制定。

3.5 案例分析

利用西門子PLC自定義的Web Server，可自由定義一個BS架構(gòu)的監(jiān)控、運(yùn)維解決頁面。一方面實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，另一方面可根據(jù)具體需求私人訂制解決方案。例如：在頁面中定義直接關(guān)聯(lián)IO點(diǎn)位的元素，方便檢修維護(hù)人員直接避開PLC或上位機(jī)監(jiān)控軟件中的控制邏輯，同時(shí)不需要維護(hù)人員安裝各種品牌PLC產(chǎn)品的編程或組態(tài)軟件。這樣一方面極大地方便監(jiān)控與運(yùn)維；另一方面還可以繼續(xù)拓展升級，通過手機(jī)端實(shí)時(shí)監(jiān)測PLC運(yùn)行狀態(tài)，讓監(jiān)控、運(yùn)維更加便捷，更加滿足高速公路信息化的需求。

4 結(jié)語

高速公路隧道監(jiān)控、運(yùn)維頁面的設(shè)計(jì)是讓相關(guān)人員及時(shí)、全面了解隧道內(nèi)的交通情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)公路運(yùn)行障礙并給予及時(shí)處理。Web頁面結(jié)合PLC的應(yīng)用，即解決監(jiān)控的需求同時(shí)解決現(xiàn)今檢修維護(hù)等方面的諸多不便，從而達(dá)到提高監(jiān)管效率、節(jié)約資源減少成本、提高總體經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的目的。

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