SCADA技術(shù)在隧道防災(zāi)救援設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

周 健

（四川曠谷信息工程有限公司，成都 610083）

SCADA技術(shù)在隧道防災(zāi)救援設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

周 健

（四川曠谷信息工程有限公司，成都 610083）

大型鐵路隧道里程長(zhǎng)，發(fā)生緊急情況后救援較為困難。利用現(xiàn)有隧道防災(zāi)救援設(shè)備（應(yīng)急照明、風(fēng)機(jī)、水泵等），結(jié)合遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制技術(shù)構(gòu)建鐵路隧道防災(zāi)救援設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路隧道防災(zāi)救援設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障自動(dòng)報(bào)警，緊急情況下可以遠(yuǎn)程控制防災(zāi)救援設(shè)備運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)緊急現(xiàn)場(chǎng)救援功能。文章介紹利用SCADA技術(shù)構(gòu)建該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方法。

SCADA；隧道；防災(zāi)救援；監(jiān)控；組態(tài)軟件

隨著鐵路建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，鐵路線路特別是高速鐵路呈現(xiàn)出特大隧道數(shù)量多、里程長(zhǎng)的特點(diǎn)。大、長(zhǎng)隧道列車運(yùn)行給行車安全和旅客生命財(cái)產(chǎn)安全提出了巨大挑戰(zhàn)。災(zāi)害發(fā)生時(shí)保證及時(shí)有效的利用隧道防災(zāi)救援設(shè)備，最大程度地減少人民生命財(cái)產(chǎn)損失成為必須解決的課題。由于隧道位置通常偏遠(yuǎn)，內(nèi)部環(huán)境惡劣，不方便人工值守，人們產(chǎn)生了利用遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制技術(shù)建設(shè)鐵路隧道防災(zāi)救援設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的想法。本文介紹利用SCADA技術(shù)構(gòu)建鐵路隧道防災(zāi)救援設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的原理和方法。

1 SCADA技術(shù)簡(jiǎn)介

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA，SupervisoryControl and Data Acquisition），又稱組態(tài)監(jiān)控軟件系統(tǒng)。它是指一些數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制的專用軟件，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號(hào)報(bào)警等各項(xiàng)功能為目的。重要組成部分包括遠(yuǎn)程終端單元（RTU）、饋線終端單元（FTU）、數(shù)據(jù)傳輸鏈路、遠(yuǎn)程監(jiān)控站等。它們處在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)，通過(guò)專用軟件平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能，通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過(guò)程控制等諸多領(lǐng)域。

組態(tài)（Configuration）為模塊化任意組合。SCADA的主要特點(diǎn)：

（1）延續(xù)性和可擴(kuò)充性。用通用組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)（包括硬件設(shè)備或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）或用戶需求發(fā)生改變時(shí)，不需做很多修改而方便地完成軟件的更新和升級(jí)；

（2）封裝性（易學(xué)易用）。通用組態(tài)軟件所能完成的功能都用一種方便用戶使用的方法包裝起來(lái)，對(duì)于用戶，不需掌握太多的編程語(yǔ)言技術(shù)，就能很好地完成一個(gè)復(fù)雜工程所要求的所有功能；

（3）通用性。每個(gè)用戶根據(jù)工程實(shí)際情況，利用通用組態(tài)軟件提供的底層設(shè)備（PLC、智能儀表、智能模塊、板卡、變頻器等）的I/O Driver、開(kāi)放式的數(shù)據(jù)庫(kù)和畫(huà)面制作工具，就能完成一個(gè)具有動(dòng)畫(huà)效果、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)和曲線并存、具有多媒體功能和網(wǎng)絡(luò)功能的工程，不受行業(yè)限制。

SCADA技術(shù)在鐵道電氣化遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)上的應(yīng)用較早，在保證電氣化鐵路的安全可靠供電，提高鐵路運(yùn)輸?shù)恼{(diào)度管理水平起到了很大的作用。在鐵道電氣化SCADA系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程中，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，不同時(shí)期有不同的產(chǎn)品。我國(guó)結(jié)合鐵路發(fā)展需要利用SCADA技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品應(yīng)用實(shí)踐和技術(shù)創(chuàng)新，推動(dòng)了鐵道電氣化遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)向更高的目標(biāo)發(fā)展。

2 系統(tǒng)工作原理

要達(dá)到對(duì)隧道防災(zāi)救援工作進(jìn)行有效監(jiān)控和及時(shí)救援的目的，需要平時(shí)保證隧道防災(zāi)救援設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)，緊急情況下保證對(duì)設(shè)備的可靠啟動(dòng)。因此，系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的主要功能：

（1）可以對(duì)鐵路隧道防災(zāi)救援設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)視；（2）可以遠(yuǎn)程對(duì)防災(zāi)救援設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)巡檢，發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障自動(dòng)報(bào)警；（3）緊急情況下可以遠(yuǎn)程控制防災(zāi)救援設(shè)備運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)緊急現(xiàn)場(chǎng)救援功能。為滿足上述功能要求，我們利用組態(tài)軟件的特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行如下設(shè)計(jì)。

將隧道風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)（含疏散照明設(shè)備）、電動(dòng)防護(hù)門(mén)系統(tǒng)等機(jī)電系統(tǒng)有機(jī)聯(lián)系成一個(gè)整體，并通過(guò)SCADA系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控和管理。具體而言，設(shè)備工作狀態(tài)和遠(yuǎn)程控制信號(hào)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程站和主控制器進(jìn)行采集和處理，工控?cái)?shù)據(jù)通過(guò)鐵路網(wǎng)絡(luò)傳遞給工區(qū)級(jí)綜合維修車間和鐵路局防災(zāi)救援調(diào)度指揮中心，從而在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，安全、可靠、準(zhǔn)確、快速地實(shí)現(xiàn)既定的遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)控制，保證防災(zāi)救援的順利實(shí)施。

以隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)設(shè)備為例，定義風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、工作電壓兩個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，定義遠(yuǎn)程控制開(kāi)、關(guān)操作兩個(gè)控制信號(hào)點(diǎn)，相對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)而言，運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)是輸入數(shù)字類型（input）,用于表示風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，風(fēng)機(jī)工作電壓點(diǎn)為輸入模擬類型（input），用于監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)工作電壓，開(kāi)關(guān)信號(hào)點(diǎn)是輸出數(shù)字類型（output），用于遠(yuǎn)程啟動(dòng)、停止風(fēng)機(jī)。如表1所示。

表1 風(fēng)機(jī)監(jiān)控點(diǎn)位信息表

系統(tǒng)通過(guò)可編程邏輯控制器（PLC）與風(fēng)機(jī)設(shè)備相聯(lián)，PLC通過(guò)隧道內(nèi)主控制器經(jīng)鐵路通信網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)相聯(lián)。系統(tǒng)工作時(shí)，通過(guò)PLC輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新3個(gè)階段，對(duì)上述點(diǎn)位進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。用戶通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可以與風(fēng)機(jī)設(shè)備遠(yuǎn)程交互，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和工作電壓，發(fā)送命令遠(yuǎn)程啟、停風(fēng)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道防災(zāi)救援設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控的目的。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)工作原理，我們規(guī)劃出鐵路隧道防災(zāi)救援設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)由3部分組成：（1）現(xiàn)場(chǎng)級(jí)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)；（2）工區(qū)級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)；（3）鐵路局調(diào)度中心級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

調(diào)度中心級(jí)防災(zāi)救援設(shè)備監(jiān)控站通常設(shè)在鐵路局隧道防災(zāi)救援調(diào)度指揮中心，實(shí)現(xiàn)鐵路局管轄范圍內(nèi)救援通道防災(zāi)救援設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控、調(diào)度及管理等功能，緊急情況下對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況有直觀的信息反饋以及向工區(qū)下達(dá)救援指令等需求。

工區(qū)級(jí)防災(zāi)救援設(shè)備監(jiān)控主站通常設(shè)在工區(qū)級(jí)綜合維修車間，主要為工區(qū)級(jí)用戶提供所屬范圍內(nèi)隧道現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集、控制和管理功能，包括日常管理、巡檢、維護(hù)以及緊急情況遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等。

現(xiàn)場(chǎng)級(jí)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)又分為遠(yuǎn)程站和主控制器兩部分，都安裝在隧道的輔助坑道內(nèi)。其中，主控制器負(fù)責(zé)采集被控對(duì)象數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理后上傳給上級(jí)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)接收并分解上級(jí)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的控制指令轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的被控對(duì)象。遠(yuǎn)程站負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)信息，同時(shí)將主控制器下發(fā)的指令轉(zhuǎn)發(fā)到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制柜執(zhí)行。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與集成

按系統(tǒng)的軟硬件構(gòu)成，鐵路隧道防災(zāi)救援設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)包括系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件。為實(shí)現(xiàn)一套完整的監(jiān)控系統(tǒng)，需要先開(kāi)發(fā)軟件，然后與各硬件設(shè)備進(jìn)行集成。

4.1 軟件開(kāi)發(fā)

防災(zāi)救援設(shè)備監(jiān)控軟件分別部署于工區(qū)和調(diào)度中心。這是本系統(tǒng)需要重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的部分。

4.1.1 功能目標(biāo)

（1）監(jiān)測(cè)功能

以圖形動(dòng)畫(huà)的形式將所轄范圍內(nèi)各隧道緊急出口、避難所、平導(dǎo)、救援站以及主要現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備如風(fēng)機(jī)、照明、EPS、水泵建模并顯示；所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)圖片、動(dòng)畫(huà)、文字等方式進(jìn)行形象的展現(xiàn)；所有設(shè)備的報(bào)警狀態(tài)以醒目的顏色、彈出報(bào)警框進(jìn)行提醒式展現(xiàn)；電流、電壓等通過(guò)模擬表盤(pán)如實(shí)動(dòng)態(tài)顯示。

（2）控制功能

通過(guò)圖形化界面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)主要受控設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程開(kāi)/關(guān)控制，控制方式包括遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)巡檢、一鍵啟動(dòng)防災(zāi)救援模式。

（3）報(bào)警

對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備關(guān)鍵信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的判斷和處理，與用戶設(shè)定的數(shù)據(jù)閥值范圍進(jìn)行對(duì)比，如數(shù)據(jù)值不在設(shè)定值范圍內(nèi)，則監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)發(fā)出報(bào)警。報(bào)警類型包括：設(shè)備故障、主回路電源故障、通信故障、操作超時(shí)等。

4.1.2 開(kāi)發(fā)平臺(tái)

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)以SCADA系統(tǒng)為二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，這樣可以節(jié)省大量開(kāi)發(fā)時(shí)間，提升開(kāi)發(fā)效率。成熟的SCADA系統(tǒng)大都支持各種主流工控設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，并且通常應(yīng)提供分布式數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡(luò)功能。對(duì)應(yīng)于原有的人機(jī)接口軟件（HMI，Human Machine Interface）概念，SCADA系統(tǒng)還可以使用戶能快速建立自己的HMI的軟件工具或開(kāi)發(fā)環(huán)境，它是構(gòu)建鐵路隧道防災(zāi)救援設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的最佳選擇。

本文以Wonderware軟件為二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)舉例說(shuō)明。該平臺(tái)具有3層體系結(jié)構(gòu)（數(shù)據(jù)接入層，數(shù)據(jù)處理層和用戶表現(xiàn)層），采用構(gòu)件化的開(kāi)發(fā)方式，廣泛采用中間件技術(shù)，系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可靠性、可移植性及可擴(kuò)展性，具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理、報(bào)警管理、事件管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)告生成、數(shù)據(jù)控制以及界面組態(tài)等功能。

4.1.3 開(kāi)發(fā)方法

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程可以遵循面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)方法，主要開(kāi)發(fā)步驟如下：

（1）建立總體系統(tǒng)層次模型，包含鐵路局、工區(qū)、線路、隧道；

（2）建立救援設(shè)備基礎(chǔ)類。以風(fēng)機(jī)為例，在基礎(chǔ)類中實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的監(jiān)測(cè)和控制邏輯功能編碼，定義報(bào)警點(diǎn)位和報(bào)警邏輯，制作風(fēng)機(jī)的界面圖形；

（3）在設(shè)備基礎(chǔ)類的基礎(chǔ)上派生出線路級(jí)的具體設(shè)備對(duì)象實(shí)例，比如XX線路XX隧道的1#射流風(fēng)機(jī)；

（4）將設(shè)備對(duì)象實(shí)例掛載到隧道對(duì)象，再將隧道對(duì)象掛載到線路對(duì)象；

（5）制作用戶圖形界面，直觀顯示線路、隧道、隧道內(nèi)設(shè)備分布圖，并與上述設(shè)備對(duì)象進(jìn)行監(jiān)控點(diǎn)位數(shù)據(jù)綁定；

（6）以DDESuiteLinkClient類為基礎(chǔ)建立設(shè)備對(duì)象數(shù)據(jù)源，通過(guò)DA Server建立設(shè)備對(duì)象與PLC控制單元的數(shù)據(jù)連接；

（7）使用Wonderware平臺(tái)軟件自帶的inContol模擬隧道防救援設(shè)備工作環(huán)境，進(jìn)行系統(tǒng)仿真測(cè)試。

4.2 硬件集成

本系統(tǒng)硬件設(shè)備較多，按照監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的流向，把系統(tǒng)硬件劃分為以下3個(gè)部分。

（1）隧道現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)的主控制器、遠(yuǎn)程站，由控制單元、交換機(jī)、開(kāi)關(guān)電源、線纜、機(jī)箱組成；

（2）工區(qū)級(jí)防災(zāi)救援設(shè)備監(jiān)控主站的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、監(jiān)控工作站、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，其中，監(jiān)控工作站運(yùn)行工區(qū)級(jí)防災(zāi)救援監(jiān)控軟件；

（3）調(diào)度中心級(jí)防災(zāi)救援設(shè)備監(jiān)控站的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、監(jiān)控工作站、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，其中，監(jiān)控工作站運(yùn)行調(diào)度中心級(jí)防災(zāi)救援監(jiān)控軟件。

5 結(jié)束語(yǔ)

充分運(yùn)用SCADA技術(shù)，可以很好地解決鐵路隧道防災(zāi)救援設(shè)備人工操作不便的問(wèn)題，既可以進(jìn)行日常養(yǎng)護(hù)管理，又可以進(jìn)行緊急救援。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)是利用通用組態(tài)軟件提供的底層設(shè)備（PLC）作為I/O Driver，結(jié)合開(kāi)放式的數(shù)據(jù)庫(kù)和畫(huà)面制作工具，完成系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和控制功能的開(kāi)發(fā)。

目前，使用本技術(shù)開(kāi)發(fā)的隧道防災(zāi)救援設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于成渝客運(yùn)專線、貴廣鐵路（貴州段、廣西段）、滬昆鐵路貴州東段等線路上，為丘陵山區(qū)鐵路運(yùn)行安全和防災(zāi)救援提供了有力保障，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]曹 輝，馬棟萍，王 暄，等．組態(tài)軟件技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2]電氣自動(dòng)化技術(shù)網(wǎng).組態(tài)軟件的功能分[DB/OL]．http:// www.dqjsw.com.cn/diangqi/PLC/31883.html,2011.

[3]美國(guó)ICONICS公司.預(yù)測(cè)性的設(shè)施管理軟件[DB/OL].http://www.iconics.com.cn/productsView.asp/ProductId=58,2012.

責(zé)任編輯 陳 蓉

SCADA technology applied to Tunnel Monitoring System of disaster prevention and rescue equipment

ZHOU Jian
( Sichuan Crungoo Information Engineering Co.Ltd.,Chengdu 610083,China )

The large railway tunnel is in long course,and the emergency rescue is diffcult.On the basis of existing tunnel rescue equipments such as emergency lighting,fans,pumps,etc.,this article combined with the remote automation control technology to build a Railway Tunnel Monitoring System of disaster prevention and rescue equipment.The System could implement the remote real-time monitoring on the running state of railway tunnel disaster prevention and rescue equipment,automatic fault alarm,remote control of disaster prevention and rescue equipment operation in emergency case,the function of emergency rescue.The article introduced the development method of constructing the system with SCADA technology.

SCADA；tunnel；disaster prevention and rescue；monitoring；confguration software

U257.5∶TP39

A

1005-8451（2016）10-0049-04

2016-03-05

周 健，工程師。