隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成的解決方案

胡堅良

（中興雙誠隧道養(yǎng)護管理有限公司，上海 200010）

0 引言

隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)是一個典型的多系統(tǒng)集成工程，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上整個綜合監(jiān)控系統(tǒng)可分為三層，現(xiàn)場設備層，網(wǎng)絡傳輸層和中心監(jiān)控管理層，而這三層按控制對象選、用設備的不同，從功能上又可分為設備監(jiān)控、交通監(jiān)控、消防報警、電話、廣播、無線通訊、閉路電視、電力監(jiān)控等子系統(tǒng)［1］，所有現(xiàn)場的設備數(shù)據(jù)都通過網(wǎng)絡傳輸層傳輸?shù)娇刂浦行牟⒓傻街醒胗嬎銠C系統(tǒng)，從而實現(xiàn)整個綜合監(jiān)控系統(tǒng)的管理、聯(lián)動等功能。本文以西藏南路越江隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)為例，提出一種隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)的集成解決方案。

1 工程背景

西藏南路越江隧道始于浦西的西藏南路、中山南路路口，終于浦東的博文路、云蓮路路口，隧道總長約2 600 m，作為一條為世博服務的隧道，連接上海2010年世博會浦東、浦西二個園區(qū)，在世博會期間為展會提供一條快捷便利的專用通道，在世博后向社會開放，因此一套性能優(yōu)良成熟可靠的綜合監(jiān)控系統(tǒng)尤為重要，為整條隧道的安全運行提供保障。

2 解決方案

西藏南路越江隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)主要包括中央計算機系統(tǒng)、智能交通系統(tǒng)、設備監(jiān)控系統(tǒng)、道路視頻系統(tǒng)、廣播及無線系統(tǒng)、火災報警系統(tǒng)等幾個部分，中央計算機系統(tǒng)負責隧道監(jiān)控功能的實現(xiàn)，因此在控制中心建立一套功能完備的綜合監(jiān)控軟件平臺，實現(xiàn)系統(tǒng)實時信息的采集與處理、命令及預案發(fā)布、報警聯(lián)動、數(shù)據(jù)圖像信息實時儲存及歷史查詢等功能。同時整個軟件平臺針對所監(jiān)控的外場設備數(shù)量眾多、型號復雜、安裝位置分散的特點，在數(shù)據(jù)采集和處理時根據(jù)實際情況進行系統(tǒng)劃分，從而高效實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的信息采集、分析和控制命令、信息、應急及專家聯(lián)動預案的發(fā)布等，保證整套系統(tǒng)高效安全可靠的運行。

整個隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)是一個基于C/S、工業(yè)以太網(wǎng)及總線技術的分層分布式系統(tǒng)，主要由通信服務器、數(shù)據(jù)服務器、操作工作站、工業(yè)以太網(wǎng)光交換機、RTU（遠端控制器）、ACU（區(qū)域控制器）以及現(xiàn)場控制器等設備組成。整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流可見圖1。

整個系統(tǒng)按照集中管理、三級控制方式進行使用和管理，集中管理指控制中心統(tǒng)一指揮和協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)采集和處理，三級控制分別是控制中心級、各被控子系統(tǒng)級和設備級。三種控制方式以設備級為最高優(yōu)先級，各被控子系統(tǒng)次之，控制中心最低。三種控制方式相互閉鎖，以達到安全控制的目的。

前置通信服務器通過現(xiàn)場工業(yè)光纖環(huán)網(wǎng)采集、處理各個設備的信息后將處理好的數(shù)據(jù)通過控制中心的以太網(wǎng)保存到數(shù)據(jù)服務器中，同時按控制和專家系統(tǒng)的需求將命令發(fā)送到現(xiàn)場的各個執(zhí)行單元，從而實現(xiàn)上傳下遞的功能。

整個綜合監(jiān)控系統(tǒng)按專業(yè)設置多臺工作站，主要分為設備及交通監(jiān)控工作站、電力監(jiān)控工作站、視頻工作站、火災報警工作站等，各個工作站實現(xiàn)分功能、分級別信息共享、協(xié)調(diào)運作并支持大屏幕顯示功能;操作人員在各個工作站上進行實時監(jiān)控及歷史數(shù)據(jù)查詢。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡采用成熟可靠的工業(yè)級光纖以太網(wǎng)，組成環(huán)網(wǎng)形式，同時利用VLAN（虛擬局域網(wǎng)）技術將整個網(wǎng)絡從設備上劃成一個個網(wǎng)段，從而達到控制整個網(wǎng)絡的流量、防止廣播風暴的發(fā)生，簡化網(wǎng)絡管理、提高整個網(wǎng)絡的通訊質(zhì)量和網(wǎng)絡的利用率的目的，為整個系統(tǒng)提供一個高效穩(wěn)定可靠的傳輸網(wǎng)絡［2］。

圖1 數(shù)據(jù)流示意圖

隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)平臺的主要工作是設備數(shù)據(jù)信息的采集、分析、命令和信息的發(fā)布，由于隧道中所涉及的設備數(shù)量眾多，設備供應商所提供的數(shù)據(jù)接口形式多樣且很多都是廠家自定義的非標協(xié)議，系統(tǒng)集成的關鍵就是通過各種協(xié)議、通信接口，采集不同型號和規(guī)格設備的數(shù)據(jù)并最終輸送到綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，在綜合信息平臺上顯示以及將綜合信息平臺處理后所發(fā)布的各個命令傳輸?shù)浆F(xiàn)場的設備和子系統(tǒng)中。

整個綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件是在工控組態(tài)軟件Wonderware Intouch的基礎上二次開發(fā)而成。由于intouch軟件提供了從可創(chuàng)建的圖形符號到windows通用控件的完整圖形權(quán)限，并能通過簡單形狀組合成復雜形狀，通過內(nèi)置的圖形腳本屬性能方便的實現(xiàn)工程技術人員所要求的別具一格、實用高效的自動化環(huán)境，同時該軟件支持大量的I/O、設計與Wonderware產(chǎn)品一起工作的OPC服務器以及可利用工具包創(chuàng)建支持第三方產(chǎn)品的通訊協(xié)議，所以通過該軟件能可靠的實現(xiàn)整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊以及信息顯示界面的形成，從而開發(fā)出一套符合要求的綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件，通過控制中心網(wǎng)絡和現(xiàn)場設備層網(wǎng)絡以及現(xiàn)場設備實現(xiàn)整個綜合監(jiān)控系統(tǒng)的功能。

下面介紹本系統(tǒng)集成的幾個關鍵點。

2.1 PLC 系統(tǒng)

作為一條水下隧道，通行安全非常重要，因此有大量的機電設備來保障隧道的安全，而這些設備的信號采集和控制的實現(xiàn)均通過分布在現(xiàn)場的ACU及RTU系統(tǒng)來實現(xiàn)，而組成ACU及RTU系統(tǒng)中的關鍵為可編程控制器（PLC）。

根據(jù)整個監(jiān)控系統(tǒng)、隧道內(nèi)自然環(huán)境、隧道運營周期對設備的具體要求，PLC的選型必須考慮產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性及兼容性，具有數(shù)據(jù)采集、存儲處理運算以及傳輸、通信、容錯、自動診斷的能力，在故障時具有較高的故障保護能力，支持工業(yè)以太網(wǎng)和多種現(xiàn)場總線，控制方式采用遠程帶CPU的智能分布式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)開放性和兼容性強，以滿足隧道監(jiān)控系統(tǒng)對信號處理的要求［3］。本系統(tǒng)選用OMRON公司CS系列PLC，遠程I/O系統(tǒng)選用BECKHOFF公司的總線模塊，而PLC和總線模塊之間的通訊通過Profibus總線進行，實現(xiàn)現(xiàn)場I/O與ACURTU之間的數(shù)據(jù)交換。

由于組態(tài)軟件Intouch支持與OMRON PLC以太網(wǎng)方式的通訊連接，同時PLC通過串行通訊、總線通訊、開關量、模擬量等方式與被控設備連接，通信服務器經(jīng)由PLC獲取隧道中各被控設備的實時數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)現(xiàn)場設備與控制中心的信息交換，實現(xiàn)信息采集和系統(tǒng)控制功能。

2.2 Modbus TCP/IP 協(xié)議

MODBUS/TCP是MODBUS系列通訊協(xié)議的派生產(chǎn)品，是一種面向連接的傳輸方式，適用于主節(jié)點和多個從節(jié)點的通信網(wǎng)絡中。主節(jié)點負責控制網(wǎng)絡的通信，采用輪詢的方法訪問從節(jié)點。這種通信方式提高了數(shù)據(jù)通信的可靠性，且任何時刻在網(wǎng)絡上只有一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，不會出現(xiàn)節(jié)點沖突的現(xiàn)象，減少網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t。從理論分析看，完全能夠滿足工控系統(tǒng)實時性的要求［4］。

由于組態(tài)軟件Intouch支持Modubs TCP/IP協(xié)議，能通過以太網(wǎng)的方式與設備建立通訊連接。如廣播系統(tǒng)、模擬屏系統(tǒng)的硬件設備直接支持Modubs TCP/IP，在系統(tǒng)應用中只需將該類設備定義為一個標準的設備，軟件編程人員只需在組態(tài)軟件設備配置中配置Modubs TCP/IP協(xié)議的物理參數(shù)，定義組態(tài)變量和現(xiàn)場設備中的數(shù)據(jù)變量。當應用軟件在整個系統(tǒng)中運行時，軟件所定義的端口將和所連接的設備自動建立連接，完成通訊服務器和現(xiàn)場設備之間的數(shù)據(jù)采集和傳輸。

如果隧道中應用的設備不支持Modubs TCP/IP協(xié)議，則需要根據(jù)采集數(shù)據(jù)的對象所使用的通訊協(xié)議編制一個具有網(wǎng)關服務功能的應用軟件，通過該軟件實現(xiàn)組態(tài)軟件和現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)交換。

2.3OPC

OPC是OLE for Process Control的縮寫，是以微軟OLE、組件對象模型COM、分布式組件對象模型DCOM技術為基礎，為工業(yè)應用程序提供高效的信息集成和交互功能的組件對象模型接口標準［5］。

組態(tài)軟件Intouch可以同時連接多個OPC服務器，每個OPC服務器都被作為一個外部設備。西藏南路隧道的火災報警系統(tǒng)主機選用了海灣的消防主機，由于消防系統(tǒng)是一個相對封閉的系統(tǒng)，因此綜合監(jiān)控系統(tǒng)與火災報警系統(tǒng)的通訊采用OPC技術，在系統(tǒng)組態(tài)時將火災報警系統(tǒng)作為OPC服務器，定義通訊的物理參數(shù)和相關的變量，與采集數(shù)據(jù)的硬件進行連接，組態(tài)軟件作為OPC客戶端添加相應數(shù)據(jù)項，當應用程序運行時，組態(tài)軟件將自動與消防火災報警系統(tǒng)建立連接，自動完成和消防火災報警系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。采用OPC規(guī)范，可減少系統(tǒng)的接口程序的開發(fā)工作，提高整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

2.4 服務器/客戶機結(jié)構(gòu)

Intouch是由服務器和瀏覽站，實現(xiàn)基于服務器/客戶機（C/S）的體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)集成平臺。

通信服務器安裝配置服務器相關軟件I/O Server，作為服務端負責完成數(shù)據(jù)的采集存儲與分析，硬件指令的收發(fā)，是現(xiàn)場控制執(zhí)行者，實現(xiàn)可靠有效的分散控制。

各個工作站作為客戶端登錄到通信服務器，接受用戶指令下發(fā)至服務端，同時從服務端接收經(jīng)過分析處理的數(shù)據(jù)信息和產(chǎn)生的報警信息提供給用戶。

2.5 信息顯示界面

隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)通過HMI人機圖形界面以圖形和數(shù)字的方式顯示整個隧道內(nèi)設備的運行工況及現(xiàn)場各種數(shù)據(jù)信息，控制中心管理人員通過HMI來實現(xiàn)各種操作。為了對各類突發(fā)事件進行預防與快速處置，中央計算機系統(tǒng)將針對各種情況提供相對應的各種處理方案，軟件功能的開發(fā)者在開發(fā)應用軟件的過程中，預先編寫相關程序，當發(fā)生突發(fā)事件時，控制中心管理人員只需在HMI上用鍵盤/鼠標選擇某一預案，也可根據(jù)現(xiàn)場的實際情況按運行管理條例人工發(fā)出命令，以控制事故規(guī)模的擴大，減少人身傷害和提高隧道的通行能力。預案是不同系統(tǒng)在不同工作模式下的組合，是一個多系統(tǒng)集中運行的智能控制聯(lián)動模式。如火災聯(lián)動模式不僅涉及火災報警，噴淋，還包括交通控制、視頻圖像顯示、廣播發(fā)布信息、通風排煙、照明和給排水等，在西藏南路隧道能發(fā)生火災時，隧道內(nèi)部的處理模式如圖2所示。

圖2 火災工況預案

3 結(jié)束語

本隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)是PLC、組態(tài)軟件、工業(yè)以太網(wǎng)技術、OPC技術等的綜合應用成果，系統(tǒng)通過將整個隧道內(nèi)所有設備的數(shù)據(jù)集中采集、統(tǒng)一處理、單獨存儲與查詢，使工作人員能在控制中心對現(xiàn)場所有設備的狀態(tài)有直觀了解并執(zhí)行控制操作，是一個支持多種設備、多種接口，不同通訊協(xié)議的開放性系統(tǒng)。目前該隧道監(jiān)控系統(tǒng)已投入運行，從建成為2010年的上海世博會專線運行到后期向社會開放至今，整個系統(tǒng)運行情況良好，有效地提高了整個隧道的運營、管理效率，為隧道的安全運行提供了高科技保障。

［1］王德虎.隧道監(jiān)控系統(tǒng)典型解決方案［J］.山西建筑，2010，36（35）:367－368.

［2］楊湛瑩.隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成技術的實現(xiàn)［J］.電氣自動化，2012，34（3）;85－87.

［3］張卓森.基于PLC的高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)技術分析及其數(shù)據(jù)集成［J］.裝備制造，2010，4（4）:166－167.

［4］郝曉弘，劉忠，祖守圓，等.基于Modbus/TCP工業(yè)以太網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.儀表技術與傳感器，2006，43（9）:19－21.

［5］鐘珞，戴遠.城市隧道監(jiān)控系統(tǒng)的集成設計［J］.武漢理工大學學報，2010，32（15）:119－122.