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 巴塞爾N3 Nordtangente高速路全長3.18公里，有2.79公里的路是隧道或橋，其中240米為地面部分，然后進(jìn)入Gro?basel隧道（1432米），大部分路段都在地下運(yùn)行，項(xiàng)目實(shí)施非常復(fù)雜。在對市場進(jìn)行仔細(xì)評(píng)估和研究后，最終采用了Beckhoff C6925系列工業(yè)PC、Beckhoff CP6903型控制面板以及Beckhoff CX9001嵌入式控制器。通過倍福的控制技術(shù)，快速路監(jiān)控系統(tǒng)的復(fù)雜狀態(tài)能夠在出現(xiàn)故障時(shí)快速、有目的地干預(yù)，實(shí)現(xiàn)最大的安全級(jí)別。

將所有功能集成到監(jiān)控管理系統(tǒng)中

Nordtangente的規(guī)劃工作由巴塞爾市坎通（Canton）鎮(zhèn)規(guī)劃建設(shè)監(jiān)察部門的聯(lián)邦高速公路土木工程辦公室負(fù)責(zé)，當(dāng)時(shí)面臨的難題是，由于修建公路耗時(shí)非常長，在技術(shù)和可用的產(chǎn)品范圍上要經(jīng)過多次反復(fù)修改。為此，項(xiàng)目經(jīng)理Eugen Fuchs帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)為該項(xiàng)目所需的控制設(shè)備制定了詳盡的“通用技術(shù)規(guī)范”（GTS）。

其中包含信息流的規(guī)劃和實(shí)施、信令方案以及Nordtangente控制等方面，明確地描述了有關(guān)分級(jí)作業(yè)、工藝過程、群組管理和現(xiàn)場層等方面的要求。特別是對工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（主控計(jì)算機(jī)和群組計(jì)算機(jī)）的要求。為了保證道路交通安全、暢通，巴塞爾Nordtangente隧道及地面路段使用的所有機(jī)電設(shè)備和交通管理系統(tǒng)需要全部連接在一起，并集成到監(jiān)控管理系統(tǒng)中。

復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)方案

過程管理系統(tǒng)以嚴(yán)格的分層方式構(gòu)建，使用這種結(jié)構(gòu)的原因在于讓各個(gè)層都具備獨(dú)立的處理能力，每個(gè)層必須在功能和技術(shù)上構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的單元，不依賴于上一層的基本功能。這樣可確保在某一層發(fā)生故障時(shí)，其它層不會(huì)受到影響。如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，不能正常運(yùn)行，應(yīng)變層會(huì)立即取而代之。各個(gè)相關(guān)的系統(tǒng)在監(jiān)控系統(tǒng)中都連接在一起，但運(yùn)行盡可能地獨(dú)立。

三個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了所有Nordtangente系統(tǒng)的基礎(chǔ)：

（1）數(shù)據(jù)傳輸速率為10Gb/s的以太網(wǎng)環(huán)；

（2）用于應(yīng)變層的100Mb/s以太網(wǎng)環(huán)（第二個(gè)冗余通訊路由，有自己的光纖鏈路）；

（3）100Mb/s以太網(wǎng)環(huán)，六個(gè)系統(tǒng)各自控制自己的光纖鏈路。

通用技術(shù)規(guī)范要求，所有計(jì)算機(jī)都與10Gb以太網(wǎng)連接，該以太網(wǎng)又通過TCP/IP與每個(gè)系統(tǒng)的虛擬局域網(wǎng)（V-LAN)）連接，每個(gè)系統(tǒng)都有權(quán)訪問自己的網(wǎng)絡(luò)。運(yùn)行管理層上的通訊使用過程可視化和控制系統(tǒng)（PVSSII）通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)層和管理層之間的通訊，以及各層內(nèi)部的通訊使用OPC和BeckhoffTwinCAT ADS軟件，通過TCP/IP以太網(wǎng)/高速以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)層與群組管理層之間的通訊同樣通過高速以太網(wǎng)和TwinCAT ADS實(shí)現(xiàn)。

主控計(jì)算機(jī)和群組計(jì)算機(jī)的通訊架構(gòu)

硬件和軟件冗余確保系統(tǒng)可靠性

在軟件方面，通訊鏈全部根據(jù)客戶端-服務(wù)器原理構(gòu)建，這表示通訊客戶端（IS服務(wù)器）與通訊服務(wù)器連接（每個(gè)系統(tǒng)和電氣設(shè)備一臺(tái)主控計(jì)算機(jī)）。服務(wù)器能夠同時(shí)管理多個(gè)客戶端的多個(gè)鏈接，盡可能地避免使用自動(dòng)監(jiān)控電路，監(jiān)控功能在過程層完成，減少特殊情況出現(xiàn)。

所實(shí)施的冗余原理并不僅以硬件冗余為基礎(chǔ)，而是將軟件冗余也囊括進(jìn)去。第二個(gè)服務(wù)器獨(dú)立于第一個(gè)服務(wù)器，負(fù)責(zé)收集相關(guān)數(shù)據(jù)及執(zhí)行相應(yīng)功能。復(fù)雜的監(jiān)控程序可以檢測出主控計(jì)算機(jī)出現(xiàn)的任何故障，當(dāng)故障出現(xiàn)時(shí)，第二臺(tái)計(jì)算機(jī)就會(huì)取代第一臺(tái)計(jì)算機(jī)，此時(shí)第一臺(tái)計(jì)算機(jī)調(diào)換成冗余服務(wù)器的狀態(tài)，不再執(zhí)行任何激活指令。

堅(jiān)固耐用、穩(wěn)定可靠的控制平臺(tái)

在對市場進(jìn)行仔細(xì)評(píng)估和研究后，項(xiàng)目負(fù)責(zé)方指定使用倍福的自動(dòng)化組件。“之所以決定全面使用倍福的硬件組件，是因?yàn)槠洚a(chǎn)品堅(jiān)固耐用且在行業(yè)應(yīng)用中已經(jīng)獲得廣泛驗(yàn)證。并能夠使用微軟的Windows XP Embedded和Windows CE操作系統(tǒng)、基于IEC 61131-3的軟TwinCAT PLC、用于過程控制的OPC或OLE（對象鏈接嵌入）等多種方式實(shí)現(xiàn)軟件連接。”負(fù)責(zé)這一項(xiàng)目的經(jīng)理Eugen Fuchs說道。

運(yùn)行管理層和節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)構(gòu)成了監(jiān)控管理系統(tǒng)（IS）,它能夠集中控制、可視化和監(jiān)控所有其它系統(tǒng)。在監(jiān)控管理系統(tǒng)（IS）中共應(yīng)用35臺(tái)Beckhoff C6925系列工業(yè)PC被用作主控計(jì)算機(jī)，與Beckhoff CP6903型控制面板一起實(shí)現(xiàn)可視化。每個(gè)IS節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)都能夠配備一個(gè)本地可視化系統(tǒng)。系統(tǒng)層將主控計(jì)算機(jī)，通過TCP/IP以太網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建成一套系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)層的系統(tǒng)控制采用獨(dú)立、分布的方式實(shí)現(xiàn)，即使在運(yùn)行管理層出現(xiàn)故障的情況下，主控計(jì)算機(jī)也會(huì)獨(dú)立進(jìn)行過程控制。

運(yùn)行管理層下面的群組管理層由Beckhoff CX9001嵌入式控制器構(gòu)成，它們通過TCP/IP以太網(wǎng)控制與Beckhoff總線端子模塊的執(zhí)行器和傳感器，如繼電器、接觸器等相連接。CX9001系列群組管理計(jì)算機(jī)采用Windows CE操作系統(tǒng)，并裝有TwinCAT PLC軟件。在群組管理層共應(yīng)用了倍福的185臺(tái)CX9001型號(hào)的嵌入式控制器，負(fù)責(zé)連接、管理近40,000個(gè)物理數(shù)據(jù)點(diǎn)。

現(xiàn)場層由分布式安裝的總線端子模塊站構(gòu)成，除了模擬量總線端子模塊之外，還使用了DALI通訊端子模塊來實(shí)現(xiàn)照明控制。所有測量輸入在電流輸入（4~20mA）方面都盡可能寬泛地執(zhí)行，目的是創(chuàng)建清晰可測量的接口。

Nordtangente安全系統(tǒng)概

包含各種功能的隧道控制軟件包

復(fù)雜的交通管理系統(tǒng)擔(dān)任著交通控制任務(wù)，用戶可以毫不費(fèi)力地處理出現(xiàn)的所有運(yùn)行狀態(tài)。信令系統(tǒng)主要用于關(guān)閉隧道（即隧道出入）、警告來往車輛有哪些危險(xiǎn)情況、關(guān)閉各條道、將人員或車輛移往相鄰的隧道等。“供電/雜項(xiàng)”系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)控所有電氣廠商的基礎(chǔ)設(shè)施，如火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、系統(tǒng)安全防護(hù)、電力輸入、變壓器、中央建筑的測量單元和基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)。

其中一個(gè)中央安全元件就是隧道通風(fēng)控制器，確保隧道內(nèi)最理想的氣流條件，在很大程度上影響著隧道用戶的安全以及發(fā)生火災(zāi)時(shí)的事件處理順序。隧道中的測量單元隨時(shí)將有關(guān)電流和電壓情況的信息傳輸給控制系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)這一數(shù)據(jù)計(jì)算出82個(gè)渦輪風(fēng)扇（總功率超過2MW）所需的開關(guān)程序，以獲得最佳的壓力條件。

安全系統(tǒng)記錄安全相關(guān)的所有信息，并發(fā)送給交警部門，一旦緊急出口門被打開、隧道內(nèi)有車輛停止不動(dòng)，或者滅火器不在架子上，交警部門會(huì)立即接到通知。同樣，照明設(shè)備控制系統(tǒng)能夠提供操作各個(gè)照明系統(tǒng)所需的所有相關(guān)信息：例如，手動(dòng)或自動(dòng)激活各個(gè)運(yùn)行模式，如緊急操作或火災(zāi)/事故。光敏傳感器測量隧道外面的亮度并調(diào)節(jié)光的適應(yīng)亮度，讓人眼能夠慢慢習(xí)慣進(jìn)入隧道時(shí)被減弱的亮度，還可以測量有效照明度，通過這種方式可以彌補(bǔ)任何臟污或者照明設(shè)備老化所造成的光照偏差。

集成現(xiàn)有的子系統(tǒng)來優(yōu)化監(jiān)控工作、降低系統(tǒng)成本

在項(xiàng)目實(shí)施階段， 從1 9 7 0 年到2 0 0 3 年安裝的現(xiàn)有的Osttangente子系統(tǒng)都連接到IS上。借助這一綜合性的集成，所有信息和干涉選項(xiàng)可在同一個(gè)平臺(tái)上提供給操作人員。所有當(dāng)前和未來的數(shù)據(jù)點(diǎn)都通過靈活的倍福組計(jì)算機(jī)以高效的方式使用各種端子模塊記錄。“瑞士西北聯(lián)邦高速公路有限公司”（NSNW）負(fù)責(zé)城市快速路的運(yùn)營和維護(hù)的Roland Gysin在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)時(shí)說道：“系統(tǒng)運(yùn)行非常穩(wěn)定，幾乎沒有出現(xiàn)過故障。我們之前僅為管理系統(tǒng)維護(hù)這一項(xiàng)所投入的成本比現(xiàn)在所有系統(tǒng)加在一起的維護(hù)成本還要多。”

實(shí)踐證明，分層的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及分布式解決方案完全能夠?qū)崿F(xiàn)無故障運(yùn)行。控制系統(tǒng)的過程映像代表了各個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，其中包含形象的圖形元素用于顯示來自現(xiàn)場層的傳感器信號(hào)引起的狀態(tài)變化；獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)與控制技術(shù)之間也會(huì)以最佳方式協(xié)作，如重要的報(bào)警和故障通過遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)傳輸。

摘自《自動(dòng)化博覽》2016年6月刊