工業(yè)測控執(zhí)行器與PLC協(xié)同控制在高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要 隧道控制系統(tǒng)一直是高速隧道機(jī)電系統(tǒng)的重點(diǎn)，特別是發(fā)生特殊情況時(shí)，隧道遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)顯得尤為重要。好的控制方案在成本控制、施工過程和運(yùn)營管理過程中都更受歡迎。該文探討了幾種隧道機(jī)電控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用方案，介紹了優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路，并在江西大廣高速某項(xiàng)目隧道機(jī)電控制系統(tǒng)中應(yīng)用了工業(yè)測控執(zhí)行器+PLC協(xié)同控制的方案，取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞 工業(yè)測控執(zhí)行器；PLC；隧道機(jī)電

中圖分類號 U495 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）21-0020-03

0 引言

高速公路隧道子系統(tǒng)主要包括隧道通風(fēng)、隧道照明、交通誘導(dǎo)、CCTV、消防報(bào)警、電話廣播、LED系統(tǒng)等。其中通風(fēng)、照明、車行橫洞防火門、消防水泵、車道指示器、交通信號燈、風(fēng)速風(fēng)向、CO/VI、光強(qiáng)照度等設(shè)備，都需要接入隧道監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)本地及后臺(tái)遠(yuǎn)程操作?？紤]特殊情況的發(fā)生，如網(wǎng)絡(luò)故障的可能性，需要把本地控制的優(yōu)先級提高到遠(yuǎn)程控制之上。在各種通信傳輸和監(jiān)控的方案對比時(shí)，設(shè)計(jì)和施工方案需要因地制宜綜合考慮各方面因素，選擇更優(yōu)方案實(shí)施。該文通過分析各種隧道組網(wǎng)傳輸控制的方案并對比其優(yōu)缺點(diǎn)，闡述了方案優(yōu)化的過程和思路，并在江西大廣高速某項(xiàng)目隧道機(jī)電控制系統(tǒng)中進(jìn)行了應(yīng)用，取得了良好效果。

1 方案分析

常規(guī)的隧道機(jī)電控制方案是隧道配電房設(shè)置主控PLC（主控制器），隧道內(nèi)設(shè)置本地PLC（區(qū)域控制器），組環(huán)后實(shí)現(xiàn)PLC下位機(jī)之間聯(lián)動(dòng)，經(jīng)光網(wǎng)絡(luò)傳輸至隧管所，由監(jiān)控室后臺(tái)軟件控制（如圖1）。實(shí)現(xiàn)采集隧道內(nèi)檢測設(shè)備上傳的信息，如隧道內(nèi)外光強(qiáng)照度值、微波車檢數(shù)據(jù)、CO/VI濃度值、風(fēng)速風(fēng)向等，主要是模擬量信號。同時(shí)上傳控制設(shè)備的反饋信息，如車道指示器、交通信號燈、橫洞防火門、軸流風(fēng)機(jī)控制箱、低壓柜開關(guān)狀態(tài)等。在本地PLC對采集和反饋的信息內(nèi)進(jìn)行預(yù)處理后，存儲(chǔ)在本地存儲(chǔ)單元中，根據(jù)需要響應(yīng)后臺(tái)并將存儲(chǔ)單元中處理好的信息上傳給隧管所計(jì)算機(jī)。在隧管所下發(fā)控制命令時(shí)，PLC將控制命令和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行對比，并發(fā)出對下端控制設(shè)備如橫洞防火門、車道指示器、交通信號燈等的控制信號，主要是開關(guān)量信號。

圖1 全PLC控制模式隧道控制器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

此方案隧道內(nèi)所有前端設(shè)備直連本地PLC，優(yōu)點(diǎn)是PLC設(shè)備性能穩(wěn)定，每臺(tái)前端設(shè)備單獨(dú)布線，對應(yīng)功能清晰明了，因此故障便于排查，缺點(diǎn)是需要大量多芯控制纜，且排查出線纜故障后更換困難。

針對該方案的缺點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)一種全工業(yè)測控執(zhí)行器控制的方案以節(jié)約控制線纜，很大程度上彌補(bǔ)了這個(gè)弊端（如圖2）。工業(yè)測控執(zhí)行器安裝布設(shè)在被控制設(shè)備附近，被控制設(shè)備直接跟測控執(zhí)行器相連，每個(gè)工業(yè)測控執(zhí)行器設(shè)置單獨(dú)IP，以光通信方式就近接入隧道監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)（隧道CCTV），跟隨隧道監(jiān)控環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)組環(huán)網(wǎng)，并通過隧道監(jiān)控交換機(jī)上傳至隧管所，實(shí)現(xiàn)隧管所后臺(tái)隧道監(jiān)控管理平臺(tái)統(tǒng)一控制。

圖2 全工業(yè)測控執(zhí)行器模式隧道控制器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

該方案優(yōu)點(diǎn)是安裝方便，支持壁掛式?，F(xiàn)場布線簡單方便，就近取電，光纜傳輸，支持級聯(lián)，與被控設(shè)備直連，配置單獨(dú)IP實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。測控器無需編程，出廠預(yù)置通用性強(qiáng)，同類功能配件可模塊化更換，易維護(hù)。缺點(diǎn)是該方案雖可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，但因工業(yè)測控執(zhí)行器沒有可交互操作界面，雖可用App，但不易實(shí)現(xiàn)本地控制，所以該方案使用較少。

針對前兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，PLC+工業(yè)測控器總線方案（如圖3）則可摒除前兩者缺點(diǎn)，用測控執(zhí)行器通過總線接口與就近的PLC連接，PLC下位機(jī)之間和方案1一樣通過以太網(wǎng)組成光纖自愈環(huán)[1]。

該方案中，本地PLC控制器只是作為一個(gè)串口采集設(shè)備在用。

圖3 PLC+工業(yè)測控器總線模式隧道控制器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

該方案的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備分散布置，使得被控制設(shè)備如CO/VI、交通信號燈、車道指示器、車行橫洞門等能夠就近直接接入工業(yè)測控執(zhí)行器。執(zhí)行器再分區(qū)域接入到PLC區(qū)域控制器，PLC之間采用以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)接入到隧管所。缺點(diǎn)是系統(tǒng)多了一個(gè)層級，即在被控設(shè)備和PLC之間多了一層工業(yè)測控執(zhí)行器，網(wǎng)絡(luò)傳輸多了一層故障點(diǎn)。

基于上述情況，并綜合前三種方案的優(yōu)點(diǎn)，該文在江西大廣高速該隧道機(jī)電項(xiàng)目中提出了新的通信傳輸及控制方案，即本地工業(yè)測控執(zhí)行器+PLC協(xié)同控制的模式（如圖4）。

圖4 本地工業(yè)測控執(zhí)行器+PLC協(xié)同模式隧道本地控制器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

該方案以工業(yè)測控執(zhí)行器壁掛安裝布設(shè)在被控制設(shè)備附近，與被控制設(shè)備直連，每個(gè)執(zhí)行器設(shè)置與隧道監(jiān)控?cái)z像機(jī)同段內(nèi)且獨(dú)立的IP，以光通信方式就近接入隧道監(jiān)控環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。考慮本地控制的優(yōu)先級，并為實(shí)現(xiàn)隧道本地控制，在隧道兩端（短隧道一端）設(shè)置變電所主控PLC，并接入軸流風(fēng)機(jī)、低壓柜隧道照明、消防水泵控制柜、洞外交通信號燈、光強(qiáng)、微波車檢器等設(shè)備，通過PLC可視化屏幕實(shí)現(xiàn)了交互及現(xiàn)場控制。經(jīng)隧道監(jiān)控交換機(jī)上傳至隧管所，實(shí)現(xiàn)隧道監(jiān)控管理平臺(tái)統(tǒng)一監(jiān)控。

因?yàn)镻LC和工業(yè)測控執(zhí)行器分屬不同廠家，設(shè)備通信端口及協(xié)議并不統(tǒng)一，可以在隧道監(jiān)控交換機(jī)上掛載一臺(tái)通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)PLC和執(zhí)行器的協(xié)議轉(zhuǎn)換，達(dá)到信息互通、數(shù)據(jù)互聯(lián)的目的。

2 應(yīng)用方案分析

工業(yè)測控執(zhí)行器+PLC協(xié)同控制方案可以明顯減少維護(hù)的難度，相較于PLC需要定制化編程的特點(diǎn)，維護(hù)人員無須每次故障都聯(lián)系專業(yè)人員前往現(xiàn)場編程，采集點(diǎn)位信息等工作。

該方案的優(yōu)點(diǎn)：

（1）極大地節(jié)約了線纜用量?？删徒尤氡O(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省了隧道內(nèi)PLC組網(wǎng)的光電纜，特別是節(jié)約了被控設(shè)備多芯控制纜的用量，并且工業(yè)測控執(zhí)行器價(jià)格相對較低，節(jié)約采購成本。

（2）使用出廠設(shè)置好、模塊化的工業(yè)測控執(zhí)行器，減少了較復(fù)雜的PLC程序的二次開發(fā)調(diào)試。節(jié)省了相應(yīng)成本，并使后期維護(hù)相對簡單。

（3）體積小，易安裝，壁掛安裝、設(shè)備控制箱內(nèi)固定安裝均可，可實(shí)現(xiàn)降本增效。

（4）每個(gè)工業(yè)測控執(zhí)行器獨(dú)立就近接入隧道監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，線路故障不影響區(qū)域控制或者整個(gè)系統(tǒng)，因光電纜較短，易于排查維護(hù)。

該方案的缺點(diǎn)：

工業(yè)測控執(zhí)行器在本地沒有可視化交互界面，控制不便，與變電所PLC對接又有端口、協(xié)議不統(tǒng)一的問題，需雙方研發(fā)技術(shù)人員更深層次的協(xié)調(diào)配合，方能達(dá)到協(xié)同控制的目標(biāo)。

3 結(jié)束語

工業(yè)測控執(zhí)行器+PLC協(xié)同控制方案也許不是目前技術(shù)能達(dá)到的最優(yōu)方案，未來也會(huì)有更優(yōu)方案出現(xiàn)。比如安裝在變電所的工業(yè)測控執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)可視化交互功能，集合自動(dòng)識別隧道內(nèi)的從設(shè)備和控制變電所設(shè)備功能，從而替代變電所PLC，不需要廠家之間協(xié)議對接，實(shí)現(xiàn)更加便捷地施工和維護(hù)。隨著通信傳輸和工業(yè)控制設(shè)備技術(shù)的更新迭代和網(wǎng)絡(luò)通信傳輸技術(shù)的不斷進(jìn)步，隧道機(jī)電系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)也會(huì)不斷優(yōu)化，更好地為高速公路智能化建設(shè)、智慧化管理的建設(shè)服務(wù)，更好地服務(wù)司乘大眾。

參考文獻(xiàn)

[1]陳浩，幺進(jìn)祥.智能工業(yè)測控執(zhí)行器在高速公路隧道控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國交通信息化，2022（S1）：407-409+428.