基于PLC的隧道照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡愛(ài)民

（鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校）

基于PLC的隧道照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡愛(ài)民

（鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校）

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)需要，山區(qū)高速發(fā)展迅速，而隧道是整個(gè)公路的重要組成部分。對(duì)公路隧道而言，其照明系統(tǒng)將直接決定隧道能否正常通行，因此隧道照明系統(tǒng)是隧道公路建設(shè)的重要組成部分。傳統(tǒng)公路隧道照明系統(tǒng)，存在耗電量大、照明亮度不均等缺點(diǎn)，這不僅造成了能源浪費(fèi)，也存在著極大的安全隱患。因此，為了保證高速隧道合理運(yùn)營(yíng)，智能化的隧道照明系統(tǒng)十分重要。本文根據(jù)隧道照明系統(tǒng)的實(shí)際工況，結(jié)合以往隧道系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款基于PLC的照明系統(tǒng)，以此希望改變隧道照明系統(tǒng)高能耗的問(wèn)題。設(shè)計(jì)過(guò)程中主要針對(duì)照明系統(tǒng)的控制模塊，在分析照明控制系統(tǒng)各模塊功能基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出其控制模塊的實(shí)現(xiàn)流程。本文的研究具有一定的實(shí)用價(jià)值，為相關(guān)的工程設(shè)計(jì)提供了理論參考。

PLC；隧道照明；上位機(jī)；控制系統(tǒng)

0 引言

公路隧道照明系統(tǒng)由多個(gè)部分組合而成，有PLC、通信設(shè)備、照明設(shè)備以及上位機(jī)等，這些部件在PLC照明控制中發(fā)揮了重要作用，它們扮演著不同的角色?？刂葡到y(tǒng)是整個(gè)照明系統(tǒng)的大腦，能實(shí)現(xiàn)各部件之間的傳輸，以達(dá)到對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制管理作用?？删幊炭刂破鱌LC是隧道照明控制系統(tǒng)的核心，能直接把上位機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備聯(lián)系在一起，故稱為隧道照明控制系統(tǒng)的“橋梁”。本文設(shè)計(jì)的隧道照明控制系統(tǒng)是基于PLC實(shí)現(xiàn)的，其軟件模塊是根據(jù)硬件部分各層次主要功能設(shè)計(jì)，本文這里主要闡述了各控制模塊實(shí)現(xiàn)自身功能的流程。

1 隧道照明控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

要想確保隧道照明系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期效果，降低維修成本，確保長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行，各硬件設(shè)備間需進(jìn)行合理配合，因此硬件系統(tǒng)的控制模塊尤為重要，圖1為隧道照明控制系統(tǒng)原理圖。

圖1 隧道照明控制系統(tǒng)

2 上位機(jī)調(diào)試軟件模塊

上位機(jī)調(diào)試軟件模塊是所有控制模塊的樞紐，也把它作為控制系統(tǒng)的指揮中心，從特點(diǎn)來(lái)看它在整個(gè)系統(tǒng)中扮演著決策者的身份。上位機(jī)系統(tǒng)軟件最終要為操作系統(tǒng)服務(wù)，只有上位機(jī)模塊科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，才能提供簡(jiǎn)潔的操作控制界面，方便管理人員或照明技術(shù)人員對(duì)隧道燈的管理。收集分析檢測(cè)器提供的數(shù)值，由該數(shù)據(jù)判斷出當(dāng)前隧道燈照明亮度是否滿足要求。如果照明亮度不符合要求，可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的算法，結(jié)合采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列復(fù)雜的運(yùn)算，最終還要把計(jì)算結(jié)果輸入到PLC中，在此基礎(chǔ)上PLC會(huì)重新發(fā)出控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明亮度的調(diào)整。除此之外，應(yīng)注意到PLC給出的指令主要用來(lái)控制回路信息，最終信息要進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備中。正規(guī)流程可以簡(jiǎn)化為檢測(cè)器收集亮度信息，然后把信息傳給PLC，經(jīng)過(guò)PLC的分析判斷是否滿足要求。若不滿足將會(huì)給現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備重新發(fā)出指令。總節(jié)點(diǎn)控制執(zhí)行相應(yīng)的操作，通過(guò)調(diào)整電壓的方式控制燈具的功率。

根據(jù)功能不同可以把上位機(jī)調(diào)試軟件分為三部分，各部分的作用也有所不同，具體來(lái)說(shuō)可以分為燈具控制、顯示界面以及參數(shù)配置。

參數(shù)配置的主要功能是對(duì)上位機(jī)和下位機(jī)之間通信條件的設(shè)定，比如設(shè)定上位機(jī)與PLC的波特率、連接與斷開(kāi)模式；下位機(jī)與PLC的地址設(shè)定等。所謂通訊協(xié)議指的是上位機(jī)與下位機(jī)之間的通訊協(xié)議，它的意義在于控制隧道終端設(shè)備，利用通訊協(xié)議便可實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道照明燈亮度的控制，此外，通訊協(xié)議還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制。根據(jù)通訊協(xié)議發(fā)送的數(shù)據(jù)可以把下位機(jī)收集的參數(shù)完整地展現(xiàn)在界面上，為管理人員開(kāi)展工作提供了有利條件。

燈具控制就是對(duì)操作燈具信息的設(shè)定，比如通過(guò)設(shè)定節(jié)點(diǎn)編號(hào)和回路編號(hào)的方式對(duì)燈具進(jìn)行控制，這樣做的目的在于使整個(gè)控制流程清晰、簡(jiǎn)潔。查詢信息、調(diào)節(jié)照明燈具功率和控制開(kāi)關(guān)是操作的一些功能。

下面將要詳細(xì)介紹顯示界面的功能，顯示界面主要是展示一些數(shù)據(jù)信息，能夠直觀地告訴操作人員系統(tǒng)運(yùn)行情況。比如隧道內(nèi)某一段燈具電壓、電流值的變化以及區(qū)域控制模式的變化等。用戶與控制系統(tǒng)進(jìn)行交互的時(shí)候需要用到人機(jī)交互界面，它把人們獲取的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可以讀取的語(yǔ)言，完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，為了便于控制，本次設(shè)計(jì)中在人機(jī)交互界面設(shè)置了多個(gè)選擇按鈕，通過(guò)輸入燈具編號(hào)的方式便可完成對(duì)燈具的控制。燈具的信息實(shí)時(shí)顯示人機(jī)交互界面，界面上包含的操作按鈕具有打開(kāi)、閉合的功能，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)某一段燈具的控制，而且還能控制單個(gè)燈具。查詢燈具實(shí)時(shí)信息按鈕的主要作用是讓管理人員以及操作人員及時(shí)掌握燈具的運(yùn)行狀況。

3 PLC控制模塊

根據(jù)不同的照明要求，PLC需要合理設(shè)計(jì)下位機(jī)程序，為了確保設(shè)計(jì)程序條理清晰，可以把下位機(jī)程序分為多個(gè)邏輯部分，控制多個(gè)邏輯部分便可實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。這樣做的優(yōu)勢(shì)不僅表現(xiàn)為條理清晰，而且有較好的可讀取性，為日后開(kāi)發(fā)人員維護(hù)、完善提供了便利。本文給出了PLC控制系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊之間的關(guān)系，根據(jù)軟件模塊結(jié)構(gòu)完成設(shè)計(jì)工作。所設(shè)計(jì)的編程思想與軟件流程圖的設(shè)計(jì)流程類(lèi)似，圖2為PLC軟件模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖2 PLC控制模塊

3.1 主循環(huán)程序控制模塊

PLC工作過(guò)程中采用了循環(huán)掃描的方式，執(zhí)行完梯形圖程序以后會(huì)重新掃描并執(zhí)行。為了提高執(zhí)行速度，作為下位機(jī)的主循環(huán)程序來(lái)說(shuō)應(yīng)當(dāng)盡可能縮短掃描時(shí)間。本系統(tǒng)設(shè)定在單次掃描過(guò)程中只完成執(zhí)行程序的主功能，換句話說(shuō)就是只接收或發(fā)送數(shù)據(jù)到系統(tǒng)其他部分的簡(jiǎn)單功能，只有可用的數(shù)據(jù)才可以轉(zhuǎn)入到相應(yīng)的程序段，這樣一來(lái)會(huì)大大減少掃描所用的時(shí)間。數(shù)據(jù)的可用性主要是指對(duì)下位機(jī)系統(tǒng)具有執(zhí)行功能的指令，而對(duì)于那些不可用的數(shù)據(jù)，下位機(jī)系統(tǒng)將不會(huì)作出任何處理。

PLC只通過(guò)主程序完成數(shù)據(jù)的收集處理，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)收到非主程序產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，這種情況下PLC是否發(fā)出指令主要根據(jù)數(shù)據(jù)有無(wú)關(guān)鍵信息決定。如果數(shù)據(jù)中攜帶了重要的信息，PLC會(huì)判斷出這些數(shù)據(jù)來(lái)自哪個(gè)分支程序，隨后進(jìn)入到相應(yīng)的模塊中，最終根據(jù)數(shù)據(jù)源地址把數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)的設(shè)備中，完成一條指令后，會(huì)重新返回到主程序。

系統(tǒng)初始化設(shè)置是每一次主循環(huán)程序啟動(dòng)時(shí)不可缺少的一個(gè)步驟，初始化設(shè)置的流程為：先對(duì)每個(gè)燈具的運(yùn)行情況進(jìn)行掃描，檢查燈具是否出現(xiàn)故障，比如常見(jiàn)的未接通問(wèn)題；掃描過(guò)程中便啟動(dòng)測(cè)試程序，主循環(huán)程序使用的是上升沿啟動(dòng)定時(shí)程序，這樣一來(lái)PLC只需啟動(dòng)一次，便可實(shí)現(xiàn)永久性循環(huán)執(zhí)行。循環(huán)工作結(jié)束以后判斷是否存在上位機(jī)控制指令，PLC把所有上位機(jī)發(fā)送的信息作為中斷分支程序處理。若收到上位機(jī)發(fā)送的指令并已經(jīng)進(jìn)入到控制模塊，可以準(zhǔn)確判斷指令屬于哪個(gè)分支程序。PLC內(nèi)部中斷作為設(shè)定的中斷，除了PLC內(nèi)部中斷以外，其余的均屬于外部中斷，圖3為控制流程圖。

圖3 主循環(huán)程序控制模塊流程

3.2 分支程序控制模塊

分支程序控制模塊的作用為判斷是否執(zhí)行接收的指令，如果數(shù)據(jù)滿足執(zhí)行條件，便開(kāi)始執(zhí)行并重新回到主程序。程序以跳轉(zhuǎn)的方式進(jìn)入到分支程序所包含的各個(gè)子路徑中，滿足執(zhí)行條件則根據(jù)程序的書(shū)寫(xiě)順序以及控制信息攜帶的關(guān)鍵信息判斷屬于哪一個(gè)子路徑，圖4為分支程序控制模塊流程圖。

圖4 分支程序控制

（1）時(shí)間校正控制模塊

為了確保上位機(jī)與下位機(jī)的一致性，對(duì)控制系統(tǒng)提出了嚴(yán)格的要求，從以往經(jīng)驗(yàn)來(lái)看在下文機(jī)執(zhí)行某一指令的時(shí)候很容易出現(xiàn)上位機(jī)下位機(jī)不一致的問(wèn)題。為此在記錄上位機(jī)接收數(shù)據(jù)或者是下位機(jī)系統(tǒng)某一時(shí)刻執(zhí)行操作的時(shí)候，必須確保上下位機(jī)時(shí)間設(shè)置相同。記錄相應(yīng)的讀取信息時(shí)間點(diǎn)，可以為日后管理人員對(duì)燈具的管理提供幫助，時(shí)間矯正控制模塊流程圖如圖5所示。

圖5 時(shí)間校正控制

（2）調(diào)光控制模塊

調(diào)光控制模塊的主要作用是控制燈具亮度，想要實(shí)現(xiàn)這一功能必須由上位機(jī)讀取并計(jì)算傳感器提供的信息。PLC中已經(jīng)設(shè)定數(shù)值，如果發(fā)現(xiàn)燈具實(shí)際亮度信息與設(shè)定值不一致，可以自行調(diào)整亮度。給駕駛?cè)藛T提供一個(gè)舒適的環(huán)境，減少安全事故并實(shí)現(xiàn)節(jié)能的作用，調(diào)光控制模塊流程圖如圖6所示。

圖6 調(diào)光控制

（3）查詢控制模塊

查詢模塊的意義在于查看隧道某一段或者是某一個(gè)燈的照明情況，查詢指令往往通過(guò)下位機(jī)發(fā)出，并傳送到PLC中。根據(jù)燈具的編號(hào)以及地址信息發(fā)送查詢命令，燈具會(huì)提取自身的運(yùn)行狀態(tài)信息并發(fā)送至PLC中，最終由上位機(jī)判斷是否執(zhí)行下一步操作指令，圖7為查詢控制模塊流程圖。

圖7 查詢控制

（4）傳感器信息采集控制模塊

設(shè)定PLC時(shí)需要借助自身程序或者是上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的收集，傳感器負(fù)責(zé)信息的采集與傳輸，經(jīng)傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)由上位機(jī)軟件進(jìn)行處理。此外，還可以在執(zhí)行預(yù)案過(guò)程中進(jìn)行處理，其流程圖見(jiàn)圖8。

圖8 傳感器信息采集控制

（5）PLC預(yù)案存儲(chǔ)控制模塊

PLC具有的功能眾多，而與上位機(jī)進(jìn)行通信是至關(guān)重要的。首先，決策信息由上位計(jì)算機(jī)傳送到PLC中，然后把控制指令發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)終端設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道燈具亮度的控制。從另外一方面來(lái)看，PLC發(fā)出控制命令到現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備時(shí)，不僅可以收集燈具運(yùn)行的信息，而且可以把這些信息實(shí)時(shí)反饋到上位機(jī)系統(tǒng)中，這樣一來(lái)工作人員可以根據(jù)隧道照明情況及時(shí)作出決策。這種控制方式的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)上位機(jī)與PLC之間的通信，只有二者之間保持實(shí)時(shí)通信才可以確保信息的及時(shí)傳輸。但是在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程容易受到外部因素的影響，使PLC與上位機(jī)出現(xiàn)短暫中斷，這種情況下要想維持現(xiàn)場(chǎng)照明燈具的正常運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的，PLC應(yīng)具有上位機(jī)的控制地位，在緊急情況下它可以發(fā)揮出指揮中心的作用。由于PLC與上位機(jī)失去聯(lián)系后，上位機(jī)將無(wú)法完成相應(yīng)的指令，所以必須在PLC中內(nèi)置一塊用來(lái)存儲(chǔ)緊急情況下執(zhí)行程序的地址空間，圖9為接收預(yù)案流程圖。

圖9 PLC預(yù)案存儲(chǔ)控制

3.3 定時(shí)測(cè)試程序控制模塊

為了確保上位機(jī)與PLC之間保持正常通信，必須每隔一定的時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，比如從PLC中發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)到上位機(jī)中，如果上位機(jī)系統(tǒng)與PLC系統(tǒng)處于連通狀態(tài)，那么上位機(jī)會(huì)接收并正確返回測(cè)試數(shù)據(jù)，表明系統(tǒng)正常運(yùn)行。如果上位機(jī)系統(tǒng)在一定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到測(cè)試數(shù)據(jù)，說(shuō)明通信中斷。這種情況下系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入預(yù)案執(zhí)行狀態(tài)，為了讓維修人員及時(shí)掌握故障信息，PLC系統(tǒng)還設(shè)置了自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)通信中斷時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)PLC代替上位機(jī)的部分功能。此外，上位機(jī)調(diào)試中也設(shè)置了PLC的連通指令，為隧道照明系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供了基礎(chǔ)保障，設(shè)置連通指令也是檢測(cè)PLC與上位機(jī)通信是否正常的另外一種方式。

定時(shí)測(cè)試程序的作用是通過(guò)設(shè)定一定的時(shí)間測(cè)試上位機(jī)是否聯(lián)通的程序，設(shè)定的時(shí)間即為發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)的時(shí)間，執(zhí)行完畢后可以重新定時(shí)，定時(shí)流程圖如圖10所示。

圖10 定時(shí)測(cè)試控制

3.4 緊急預(yù)案執(zhí)行控制模塊

為了避免上位機(jī)與PLC之間出現(xiàn)通信故障給照明系統(tǒng)帶來(lái)影響，首先要在PLC中設(shè)定應(yīng)急預(yù)案，并結(jié)合車(chē)輛信息、控制算法以及亮度信息調(diào)節(jié)照明燈具亮度的變化。真正克服了計(jì)算機(jī)集散系統(tǒng)無(wú)法脫離上位計(jì)算機(jī)的缺點(diǎn)，當(dāng)局部照明系統(tǒng)出現(xiàn)故障后并不影響整體運(yùn)行，也不會(huì)出現(xiàn)隧道照明燈具癱瘓的狀況，圖11為執(zhí)行預(yù)案流程圖。

圖11 緊急預(yù)案執(zhí)行控制

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)現(xiàn)控制功能的不同，把系統(tǒng)劃分成不同的控制模塊，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于PLC隧道照明系統(tǒng)的軟件控制流程，并給出了各層之間的通信協(xié)議。

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