基于PLC虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的隧道控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡天龍 楊天明 劉厚石

摘 要：文章通過對(duì)省內(nèi)多地隧道運(yùn)營(yíng)狀況的研究，采用PLC控制技術(shù)來(lái)解決隧道的照明、通風(fēng)和交通管制問題，實(shí)現(xiàn)隧道控制的高度自動(dòng)化、智能化。為了減少項(xiàng)目前期預(yù)研中大中型PLC昂貴的采購(gòu)費(fèi)用、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)費(fèi)用，本項(xiàng)目利用前期開發(fā)的PLC虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)進(jìn)行隧道控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及調(diào)試，同時(shí)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)直觀生動(dòng)的仿真效果也提高了程序調(diào)試的效率。

關(guān)鍵詞：隧道控制系統(tǒng)；PLC；虛擬實(shí)驗(yàn)

我國(guó)山地較多，山地公路橋隧比較大，隧道是各級(jí)路網(wǎng)的咽喉地段，必須要采用先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)隧道內(nèi)車流情況、通風(fēng)設(shè)備工作狀態(tài)、電力設(shè)備參數(shù)等進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)照明系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、交通控制系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的控制。在我國(guó)四川等地，連續(xù)隧道分布較多，隧道控制系統(tǒng)需要監(jiān)控的往往不是單個(gè)的隧道，監(jiān)控區(qū)域是幾公里到幾十公里的線狀區(qū)域。對(duì)于這種系統(tǒng)，需要采用“集中管理，分散控制的”原則構(gòu)建多臺(tái)可編程邏輯控制器（Programmable LogicController， PLC）組成的控制網(wǎng)絡(luò)，加上隧道內(nèi)需要采集的信號(hào)和控制的點(diǎn)位較多，控制系統(tǒng)的PLC應(yīng)選用大中型機(jī)，系統(tǒng)所需的硬件成本是非常昂貴的，這對(duì)項(xiàng)目的前期預(yù)研是極大的障礙[1]。為此，本項(xiàng)目利用基于西門子博圖平臺(tái)開發(fā)的PLC虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真調(diào)試。

1 系統(tǒng)需求分析及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目是大渡河長(zhǎng)河壩水電站庫(kù)區(qū)S211線復(fù)建公路工程索子溝隧道、四家寨1}}隧道、四家寨2#隧道的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。索子溝隧道長(zhǎng)度為1

735 m、四家寨l}}隧道長(zhǎng)度為978 m、四家寨2#隧道長(zhǎng)度為2 348 m，控制系統(tǒng)將該三座隧道作為一個(gè)連續(xù)隧道群進(jìn)行統(tǒng)一控制。每個(gè)單獨(dú)隧道有一控制站，再由光纖工業(yè)以太網(wǎng)將所有控制站連接，另根據(jù)各隧道的設(shè)備的具體布設(shè)情況在隧道現(xiàn)場(chǎng)增設(shè)部分遠(yuǎn)程I/O單元（RIO）。交通數(shù)據(jù)由設(shè)于洞口的微波車輛檢測(cè)器采集，通過現(xiàn)地控制網(wǎng)傳送到PLC處理；交通控制由隧道口的三顯示信號(hào)燈，隧道兩端入洞口、隧道內(nèi)設(shè)置的車道控制標(biāo)志執(zhí)行；隧道內(nèi)風(fēng)速由隧道內(nèi)布設(shè)在兩端洞口附近的風(fēng)速探測(cè)儀監(jiān)測(cè)；隧道內(nèi)一氧化碳和能見度由隧道內(nèi)布設(shè)在兩端洞口附近的CO/VI檢測(cè)器監(jiān)測(cè)；通風(fēng)控制和照明控制均由現(xiàn)地控制柜通過控制相應(yīng)的箱式變電站內(nèi)的供電回路來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常情況下隧道內(nèi)外亮度差較大，常導(dǎo)致駕駛員在進(jìn)出隧道時(shí)眼睛產(chǎn)生“黑洞效應(yīng)”作用，嚴(yán)重威脅過往司機(jī)乘客的生命財(cái)產(chǎn)安全；汽車排出的尾氣中含有大量有害物質(zhì)，在隧道內(nèi)易聚集大量有害氣體，對(duì)過往司機(jī)乘客朋友形成隱患；隧道由于結(jié)構(gòu)特性，易出現(xiàn)緊急事故，導(dǎo)致交通受阻，所以系統(tǒng)中交通管制必不可少，這些問題是本設(shè)計(jì)重點(diǎn)研究的問題。整個(gè)系統(tǒng)采用集中管理、分散控制的方案，要求系統(tǒng)最頂層能夠監(jiān)控和控制整個(gè)系統(tǒng)，而PLC只需負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)子系統(tǒng)的相關(guān)處理，故系統(tǒng)的整體構(gòu)架是頂層設(shè)備控制中間層的設(shè)備，中間層的設(shè)備只負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)隧道的底層控制，從而實(shí)現(xiàn)頂層對(duì)底層的相關(guān)控制。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星形，各個(gè)PLC工作站都通過光網(wǎng)和中控室連接，中控室采用雙機(jī)熱備份冗余架構(gòu)，各工作站的PLC和觸摸屏站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)采用帶屏蔽網(wǎng)線連接[2]。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1控制器的選擇

由于隧道控制系統(tǒng)對(duì)可靠性、實(shí)時(shí)性及控制點(diǎn)規(guī)模均要求較高，所以各控制站應(yīng)選用中大型PLC。根據(jù)市場(chǎng)對(duì)比和產(chǎn)品性能對(duì)比，本項(xiàng)目選用西門子S7-1500。S7-1500是替代S7-300/400的新一代PLC，其軟件平臺(tái)為TIA博途，可以在基于博途平臺(tái)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試，節(jié)約前期昂貴的設(shè)備采購(gòu)費(fèi)用。S7-1500作為新一代大中型PLC，比S7-300/400的各項(xiàng)指標(biāo)有很大的提高，采用PROFINET IRT通信可以保證確定的反應(yīng)時(shí)間和高精度的系統(tǒng)響應(yīng)，最短循環(huán)時(shí)間為250μs。

2.2照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)照明由PLC根據(jù)傳感器采集隧道內(nèi)外的實(shí)際亮度而進(jìn)行調(diào)節(jié)。雙向隧道的照明段落劃分為：入（出）口段、過渡段、中間段、過渡段和出（入）口段，照明亮度呈對(duì)稱狀態(tài)，所以隧道兩端的燈數(shù)量和功率較中間高，且燈的布置更密。

2.3交通控制設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制的隧道較長(zhǎng)，為提高隧道的安全性，除了在入口處安裝紅綠燈外，在隧道內(nèi)部也設(shè)置了相應(yīng)的紅綠燈，按一定距離排列，同一方向上的紅綠燈顯示顏色一致。隧道紅綠燈主要根據(jù)車流量來(lái)進(jìn)行控制，顯示的顏色隨車流量變化而變化，車流量靠微波車輛檢測(cè)計(jì)檢測(cè)。此外，紅綠燈也會(huì)根據(jù)出現(xiàn)緊急情況而相應(yīng)變化，若隧道內(nèi)出現(xiàn)行車事故或者火災(zāi)時(shí)，將根據(jù)事故等級(jí)適當(dāng)調(diào)整紅綠燈的變化。

2.4通風(fēng)控制設(shè)計(jì)

由于隧道較長(zhǎng)，風(fēng)機(jī)的間距需設(shè)置合理，否則不能達(dá)到良好的通風(fēng)效果。系統(tǒng)設(shè)計(jì)隧道內(nèi)安裝三臺(tái)風(fēng)機(jī)，進(jìn)出口以及隧道中間各安裝一臺(tái)。風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速由PLC通過變頻器控制，而作為風(fēng)機(jī)運(yùn)行速度的根據(jù)，則是隧道內(nèi)的有害氣體濃度和自然風(fēng)的風(fēng)速風(fēng)向，有害氣體濃度越高或自然風(fēng)的風(fēng)速越低，風(fēng)機(jī)運(yùn)行速度則越高，風(fēng)機(jī)風(fēng)向和自然風(fēng)向一致。另外，若隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，為保障救援和逃生，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，射流風(fēng)機(jī)將以最大速率運(yùn)行，為隧道內(nèi)部盡可能地排出濃煙和有害氣體[3]。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 在系統(tǒng)中，系統(tǒng)軟件是保證各個(gè)設(shè)備協(xié)調(diào)工作、按照預(yù)定設(shè)計(jì)功能而工作的重要保障，包括PLC程序、上位機(jī)程序和觸摸屏程序3部分。系統(tǒng)同時(shí)支持周期性和搶占性控制過程。一般控制過程周期性運(yùn)行，控制指令在每個(gè)周期內(nèi)執(zhí)行；緊急情況的控制指令一旦得到授權(quán)，立即執(zhí)行。程序流程如圖2所示。

4 利用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試

在西門子公司推出將WINCC組態(tài)軟件和PLC編程調(diào)試軟件集成在一起的博途軟件后，快速、低成本地開發(fā)一套能夠完全脫離實(shí)際硬件來(lái)進(jìn)行PLC仿真實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)也易于實(shí)現(xiàn)了。博途軟件將人機(jī)界面開發(fā)及仿真（可用于PLC實(shí)驗(yàn)被控對(duì)象開發(fā)及仿真）和PLC編程調(diào)試功能集成到一個(gè)平臺(tái)。基于博途軟件開發(fā)的PLC全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，PLC程序的編程仿真操作及功能和實(shí)際西門子硬件PLC完全一致，博途中WINCC支持C語(yǔ)言等高級(jí)語(yǔ)言，同時(shí)可以利用各種組態(tài)素材，可以高效地完成被控對(duì)象的設(shè)計(jì)及仿真[4]。

利用基于博途平臺(tái)的PLC虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行隧道控制系統(tǒng)的前期研究和程序調(diào)試，可以節(jié)約大量的硬件采購(gòu)費(fèi)用，提前驗(yàn)證各種控制設(shè)想，為后期項(xiàng)目實(shí)施打下了良好基礎(chǔ)。這種方法在采用大中型PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有一定的推廣價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1]重慶交通科研設(shè)計(jì)院公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2004

[2]中交第一公路工程局公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[M]北京：人民交通出版社，2009.

[3]劉長(zhǎng)青.S7-1500 PLC項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016

[4]胡天龍，李世權(quán)，劉厚石.基于西門子博途平臺(tái)的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)[J]福建質(zhì)量管理，2017 （11）：11