PLC 在高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

趙學(xué)武，吳學(xué)文，郭愛濤，王中平

中建八局第二建設(shè)有限公司，山東 濟南 250100

1 PLC 概述

PLC 泛指適用于工業(yè)等特殊環(huán)境下的一種數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)配置有具備編程功能的存儲器設(shè)備。在系統(tǒng)運行過程中，PLC 系統(tǒng)可根據(jù)所處環(huán)境實時情況，基于程序運行準(zhǔn)則自動下達(dá)各項控制指令，替代人工完成各項操作。同時，PLC 技術(shù)具有安全可靠、功能模塊齊全、編程難度低、組態(tài)靈活、運行速度快、抗干擾性能優(yōu)異、通信能力強等特點。

在高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)中，應(yīng)用PLC 技術(shù)可以對高速公道隧道內(nèi)部現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，將數(shù)據(jù)與對應(yīng)額定值進(jìn)行對照分析，若數(shù)據(jù)測量值與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不一致，PLC將開展自診斷式監(jiān)控作業(yè)，檢查系統(tǒng)運行故障、記錄所采集數(shù)據(jù)信息，并發(fā)送報警信號，以此提高高速公路隧道現(xiàn)場控制力度。

2 PLC 在隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的主要功能

（1）交通控制。在系統(tǒng)運行過程中，PLC 將持續(xù)接收過往車輛中所配置的微波檢測器發(fā)送的數(shù)字信號，同時還將對隧道內(nèi)所放置的各類交通安全設(shè)施、電氣設(shè)備的運行工況進(jìn)行監(jiān)測，如車道指示標(biāo)志、交通信號燈等。隨后，采取掃描方式快速讀取所接收的各類信息數(shù)據(jù)，將信息分類存儲至相對應(yīng)的單元中，并順序掃描所構(gòu)建的梯形圖，獲取邏輯運算結(jié)果，準(zhǔn)確評估高速公路隧道內(nèi)的實時交通狀況?；诔绦蜻\行準(zhǔn)則，自動判斷是否需要下達(dá)特定的控制指令。在特殊情況下，PLC 將進(jìn)入輸出環(huán)節(jié)，通過電路驅(qū)動向特指定設(shè)備輸出控制指令。最后，PLC 系統(tǒng)可對運行過程與所采集數(shù)據(jù)、分析結(jié)果進(jìn)行記錄備份，提交至高速公路隧道監(jiān)管中心。

（2）照明系統(tǒng)控制。在隧道監(jiān)控系統(tǒng)運行過程中，可編程邏輯控制器可根據(jù)隧道內(nèi)部采光情況，適當(dāng)調(diào)整照明系統(tǒng)的運行負(fù)荷、照明燈具光源亮度，其控制原理是提前在高速公路隧道出入口處放置光強探測器。當(dāng)PLC 監(jiān)測到隧道洞口處自然光強度有所提高、采光條件良好時，向照明系統(tǒng)下達(dá)特定控制指令，適當(dāng)下調(diào)照明系統(tǒng)運行負(fù)荷。反之，則適當(dāng)上調(diào)照明系統(tǒng)運行負(fù)荷。如此，可以在切實滿足高速公路隧道環(huán)境光照需求、保障交通安全的同時，降低照明系統(tǒng)的運行能耗，節(jié)約電能。

（3）消防控制。在隧道監(jiān)控系統(tǒng)中，應(yīng)用PLC 技術(shù)可以通過串口協(xié)議，實現(xiàn)火警控制器等設(shè)備與PLC 系統(tǒng)的有效連接。在系統(tǒng)運行過程中，當(dāng)可編程邏輯控制器掃描到異常監(jiān)測數(shù)據(jù)時，如隧道環(huán)境溫度異常提升、產(chǎn)生明火以及出現(xiàn)各類交通安全事故時，PLC 系統(tǒng)將自動下達(dá)特定控制指令，如啟動滅火系統(tǒng)或是各類消防設(shè)備。同時，在PLC系統(tǒng)監(jiān)測到火災(zāi)報警器處于手動報警狀態(tài)時，也將快速評估隧道現(xiàn)場環(huán)境情況，并在確定出現(xiàn)安全事故后，向隧道監(jiān)管中心發(fā)送報警信號。

（4）通風(fēng)控制。多數(shù)高速公路隧道較長，自然通風(fēng)條件較差。因此，為保證隧道內(nèi)部空氣有效流通，普遍選擇在隧道內(nèi)部安裝一定數(shù)量的風(fēng)機等設(shè)備。但是，受到環(huán)境因素影響，偶爾出現(xiàn)風(fēng)機運行故障問題，如轉(zhuǎn)動頻率下降等，導(dǎo)致隧道內(nèi)部空氣中的氧氣含量降低，存在一定的安全隱患。應(yīng)用PLC 技術(shù)可以持續(xù)對風(fēng)機等通風(fēng)設(shè)備的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，評估設(shè)備運行工況，以及隧道內(nèi)部環(huán)境的通風(fēng)質(zhì)量。當(dāng)監(jiān)測到通風(fēng)質(zhì)量低下或是通風(fēng)設(shè)備出現(xiàn)運行故障時，快速采取有效控制措施，將問題上傳。同時，在必要情況下，會降低通風(fēng)系統(tǒng)的運行負(fù)荷，在保障隧道內(nèi)部空氣質(zhì)量與通風(fēng)效果的同時，降低電能消耗量。

3 基于PLC 的隧道監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

（1）PLC 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備選型。目前，多數(shù)高速公路隧道內(nèi)部環(huán)境較為復(fù)雜惡劣，空氣濕度較高，隧道通風(fēng)質(zhì)量不佳，過往車輛所排放的廢氣難以得到有效、快速排出。同時，受到諸多干擾源影響，在高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)運行過程中，時常出現(xiàn)信號傳輸不穩(wěn)、監(jiān)測信號與實際環(huán)境情況不符等問題，難以達(dá)到預(yù)期隧道監(jiān)控目的。因此，在應(yīng)用PLC 技術(shù)時，技術(shù)人員應(yīng)結(jié)合高速公路隧道現(xiàn)場環(huán)境情況，做好設(shè)備選型工作，確保所配置傳感器、控制器等設(shè)備可以在復(fù)雜環(huán)境下保持穩(wěn)定運行狀態(tài)與較高的監(jiān)測精度。具體來講，在設(shè)備選型環(huán)節(jié)，應(yīng)注重配置具有良好防水防塵性能的機箱，降低環(huán)境因素對設(shè)備運行質(zhì)量造成的負(fù)面影響；配置組態(tài)較為靈活、具有良好適應(yīng)性能的ABB控制模塊；PLC 模塊可采用歐姆龍或菲尼克斯產(chǎn)品；對所采購設(shè)備開展各項試驗，檢測設(shè)備的運行穩(wěn)定性、抗干擾性能等。在確定設(shè)備性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)后，方可將設(shè)備投入使用。

（2）PLC 監(jiān)控設(shè)備通信方式。在監(jiān)控設(shè)備通信方式選擇環(huán)節(jié)，在條件允許前提下，技術(shù)人員應(yīng)采用RS-485 接口。在高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)后續(xù)運行期間內(nèi)，可以根據(jù)系統(tǒng)運行情況及通信需求，對通信頻率進(jìn)行實時調(diào)整，確保通信速率穩(wěn)定保持在9600bps。同時，當(dāng)PLC 系統(tǒng)機箱和中斷機柜之間的通信頻率穩(wěn)定保持在9600bps 時，通信電纜將充分發(fā)揮線路屏蔽功能，營造閉環(huán)通信空間，確保信息傳輸?shù)膶崟r性與安全穩(wěn)定性。此外，技術(shù)人員還應(yīng)采取自由通信協(xié)議，確保各處儀表設(shè)備以及系統(tǒng)終端設(shè)備間均存在標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，可以在兩者之間進(jìn)行信息數(shù)據(jù)傳輸。

（3）PLC 監(jiān)控設(shè)備系統(tǒng)軟件配置?，F(xiàn)階段，隧道監(jiān)控系統(tǒng)普遍以Windows 系統(tǒng)為操作平臺與編程環(huán)境，由主、備用控制單元組成。在系統(tǒng)界面中，采取下拉式畫面排布方式，操作人員對系統(tǒng)界面中的菜單結(jié)構(gòu)進(jìn)行下拉處理，即可切換至菜單界面。隨后，管理人員根據(jù)工作需求，從菜單功能欄中選擇特定項目或功能圖形開展下拉操作，即可使用該功能模塊，如獲取系統(tǒng)實時運行信息、下達(dá)控制指令、調(diào)整關(guān)聯(lián)系統(tǒng)與設(shè)備的運行狀態(tài)。

4 高速公路PLC 編程

（1）交通控制程序。在應(yīng)用PLC 技術(shù)時，技術(shù)人員應(yīng)先在隧道監(jiān)控系統(tǒng)中編寫交通控制程序，即可在后續(xù)系統(tǒng)運行過程中，自動對過往車輛的車牌信息進(jìn)行監(jiān)測，上傳至可編程邏輯控制器進(jìn)行掃描分析，準(zhǔn)確評估隧道內(nèi)部交通情況。同時，上位機將隧道交通狀況評估結(jié)果與程序運行準(zhǔn)則中的各類交通模式進(jìn)行對照分析。隨后，系統(tǒng)對隧道內(nèi)所分布交通安全設(shè)施與交通裝置的運行狀態(tài)與顯示信息進(jìn)行調(diào)整，如交通燈、內(nèi)車道標(biāo)志設(shè)施等。同時，上位機將接收過往車輛檢測器發(fā)出的數(shù)字信號，如若檢測到異?，F(xiàn)象，程序?qū)⒆詣酉虮O(jiān)控中心發(fā)送報警信號，這也是交通控制程序的主要使用功能。

此外，可將交通控制程序依次分為現(xiàn)場前端設(shè)備、隧道監(jiān)控室與監(jiān)控中心三個級別。在程序編程過程中，為保障程序運行穩(wěn)定可靠，可以及時發(fā)現(xiàn)各類異常問題。因此，針對現(xiàn)場前端設(shè)備，技術(shù)人員應(yīng)采取人工手動控制模式，對隧道監(jiān)控室采取人工控制方式、工作人員操縱觸摸屏開展各項操作，監(jiān)控中心則采取自動控制方式，PLC 程序基于運行準(zhǔn)則下達(dá)各項控制指令，或采取人工異地操作方式。對于這種冗余控制方式的采取，在交通控制程序出現(xiàn)各類運行故障時，也可快速切換其他控制方式，確保不會對交通安全造成負(fù)面影響。例如，在上位機處于異常運行狀態(tài)時，工作人員可以手動操縱現(xiàn)場前端設(shè)備，或通過觸摸屏對交通安全設(shè)施與信號燈進(jìn)行控制。

（2）通風(fēng)控制程序。在隧道監(jiān)控系統(tǒng)中，通風(fēng)控制程序的主要職能是定期對高速公路隧道環(huán)境的一氧化碳濃度、車流量進(jìn)行監(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果上傳至PLC 程序中，通過掃描分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，程序?qū)︼L(fēng)機等設(shè)備下達(dá)特定的控制指令，將隧道空氣質(zhì)量、一氧化碳濃度穩(wěn)定控制在合理范圍內(nèi)。同時，在出現(xiàn)火災(zāi)安全事故時，程序?qū)⒉倏v風(fēng)機等設(shè)備進(jìn)行排煙處理。在通風(fēng)控制程序運行過程中，持續(xù)將風(fēng)機等設(shè)備的運行數(shù)據(jù)、隧道空氣環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至上位機。上位機綜合分析高速公路隧道的實時通風(fēng)要求，針對性調(diào)整不同風(fēng)機的啟動順序、運行負(fù)荷及時間，并在風(fēng)機啟動環(huán)節(jié)中提供軟啟動保護(hù)?，F(xiàn)階段，可將通風(fēng)控制程序依次分為風(fēng)機配電箱、隧道配電室、隧道監(jiān)控室以及監(jiān)控中心。其中，在程序正常運行過程中，各級均采取自動控制方式基于程序運行準(zhǔn)則自動下達(dá)各項控制指令。在設(shè)備檢修或是程序出現(xiàn)運行故障時，則切換至人工控制方式。

（3）照明控制程序。在照明控制程序編寫環(huán)節(jié)，技術(shù)人員重點開發(fā)以下使用功能：第一，強光檢測功能。隧道洞口處所配置光感探測器將持續(xù)對洞外強光的光度進(jìn)行監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至控制程序中。隨后，上位機對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描分析，如若洞外強光的光度較大，則表明隧道采光條件良好，可以適當(dāng)下調(diào)照明系統(tǒng)的運行負(fù)荷。反之，則上調(diào)照明系統(tǒng)運行負(fù)荷，將隧道環(huán)境平均照度控制在一定范圍內(nèi)。第二，故障自檢。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常運行現(xiàn)象時，程序?qū)⒆詣娱_展故障診斷工作、鎖定具體故障點，向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送報警信號。第三，應(yīng)急照明功能。在隧道出現(xiàn)火災(zāi)等安全事故時，照明控制程序?qū)討?yīng)急照明燈具，并在必要情況下切換備用電路，確?？梢员３职踩╇姟⑺淼谰哂辛己玫墓庹諚l件。第四，在照明控制程序中設(shè)置人工遠(yuǎn)程控制、人工現(xiàn)場控制以及自動控制三種控制方式。

5 結(jié)束語

綜上所述，隨著自動化技術(shù)體系的優(yōu)化完善，PLC 技術(shù)已逐漸在高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢。因此，技術(shù)人員必須加強對PLC 技術(shù)的研究，明確PLC 在隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的主要功能，掌握系統(tǒng)各項設(shè)計要點，以此保障高速公路的交通運輸安全。