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　　摘 要：本文簡要介紹了當前我國隧道監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成，在此基礎(chǔ)上分析了控制系統(tǒng)的整體解決方案以及其區(qū)域控制器（PLC）及網(wǎng)絡(luò)的選型，同時以天津津薊高速公路項目為例，詳細分析了單隧道和隧道群的具體解決方案，最后分析了隧道監(jiān)控系統(tǒng)的改進與發(fā)展。

　　關(guān)鍵詞：可編程控制器 隧道監(jiān)控系統(tǒng)

　　一、引言

    隨著交通道路的不斷發(fā)展，作為其一個重要環(huán)節(jié)的隧道，其數(shù)量不斷增加，建設(shè)可靠、穩(wěn)定、先進、經(jīng)濟的隧道監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成為工程界和公路營運管理部門共同關(guān)心的問題。現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展大大提高了公路交通的信息化和智能化程度，與3C技術(shù)相結(jié)合的PLC以其卓越的可靠性、抗干擾性以及靈活的控制方式成為隧道監(jiān)控系統(tǒng)的核心控制器，他們與開放的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)一起，共同推動著隧道監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展。

　　二、系統(tǒng)簡介

    隧道監(jiān)控系統(tǒng)按照各個子系統(tǒng)分可分為：照明系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、交通誘導(dǎo)系統(tǒng)、CCTV系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)、消防控制系統(tǒng)、緊急電話系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)等。按照設(shè)備的類型分可分為：檢測設(shè)備、控制設(shè)備、顯示設(shè)備和通訊設(shè)備。檢測設(shè)備如：火災(zāi)報警探頭、車輛檢測器、COVI、能見度檢測儀、風(fēng)速風(fēng)向儀等；控制設(shè)備如交通區(qū)域控制器、照明區(qū)域控制器、通風(fēng)區(qū)域控制器等；顯示設(shè)備如：計算機工作站、大屏幕監(jiān)視器、聲光報警器等；通訊設(shè)備如：交換機、集線器、串口信號傳輸設(shè)備、光端機等。

    當前隧道監(jiān)控模式主要分為兩種，一種是適用于短隧道的集散式控制模式，一種是適用于長隧道的分布式現(xiàn)場總線控制模式。前者布線復(fù)雜，造價較高，由中控室對現(xiàn)場設(shè)施進行控制與管理，后者施工方便，不但造價較低，而且可靠性較高，其又可分為全分布式現(xiàn)場總線控制和集中式現(xiàn)場總線控制。全分布式現(xiàn)場總線控制模式，中控室對現(xiàn)場設(shè)施不直接進行控制，由現(xiàn)場各種設(shè)施的控制器進行控制。分布式現(xiàn)場總線控制模式從網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成來看，一般分3個層次：上層為中央計算機系統(tǒng)，即本地控制中心，中間是由各區(qū)域控制器組成的控制層，下層為各種檢測設(shè)備和控制及誘導(dǎo)設(shè)備組成的設(shè)備層。

    本地控制中心一般由現(xiàn)場監(jiān)控工作站（控制計算機）、監(jiān)控系統(tǒng)軟件、主區(qū)域控制器及相應(yīng)的附屬設(shè)施構(gòu)成，用于實現(xiàn)對整個隧道監(jiān)控系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)軟件運行于現(xiàn)場監(jiān)控工作站上，并不斷與PLC控制器交換數(shù)據(jù)，實時地把所有設(shè)備的當前狀態(tài)以圖表、顏色、閃爍、數(shù)值等方式顯示在操作界面上；而操作人員在操作界面的每個動作，也由監(jiān)控系統(tǒng)軟件將相關(guān)的命令、參數(shù)寫入PLC，實現(xiàn)設(shè)備的手動控制。

    隧道控制的核心思想就是將所有縱向及橫向的系統(tǒng)有機地結(jié)合起來，通過算法分析，最終實現(xiàn)智能化控制。區(qū)域控制器就是其實現(xiàn)的核心。各區(qū)域控制器負責采集現(xiàn)場檢測設(shè)備的信息，處理后傳給本地控制中心，而本地控制中心的控制命令則發(fā)給區(qū)域控制器，再由區(qū)域控制器直接控制相應(yīng)設(shè)備。在本地控制中心與區(qū)域控制器通訊中斷的情況下，區(qū)域控制器仍然具備獨立控制現(xiàn)場設(shè)備的能力。因此區(qū)域控制器應(yīng)高效且高度可靠。

    除現(xiàn)場控制設(shè)備，整個系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)則是保證系統(tǒng)能否高效運行的關(guān)鍵。長隧道、特長隧道以及隧道群的出現(xiàn)已經(jīng)越來越多，單洞內(nèi)的區(qū)域控制器就越來越多，這就意味著網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點在不斷增加。通訊網(wǎng)絡(luò)不僅要具有較高的通訊速率以保證大量數(shù)據(jù)的有效傳輸，還必須具有容錯的能力以提高通訊的可靠性，即網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)故障時能夠?qū)崿F(xiàn)自恢復(fù)，同時，構(gòu)成通訊網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備必須滿足工業(yè)級要求，以適應(yīng)隧道內(nèi)苛刻的工作環(huán)境。系統(tǒng)還需要具有很好的可擴展性，使得設(shè)備更新與增加、功能改善與變化，都能最大限度地應(yīng)用原有系統(tǒng)。隧道監(jiān)控的環(huán)境相對比較特殊，隧道所處的山野防雷非常重要，隧道中的控制箱經(jīng)常會遇到潮濕甚至漏水的侵擾，而一些高原隧道面臨嚴寒和低空氣密度，特別是長大隧道中的汽車煙塵很容易附著在密封不好的控制箱中設(shè)備上，這些煙塵具有一定的導(dǎo)電性，從而造成本地控制器等設(shè)備的早期故障或損壞。

　　三、系統(tǒng)構(gòu)成

    隧道監(jiān)控系統(tǒng)，分布性強，干擾強，環(huán)境較差。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對隧道監(jiān)控安全、可靠、有效的運行非常重要。在隧道監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上，國內(nèi)公路監(jiān)控系統(tǒng)在管理體制上主要是三級管理，即管理中心、管理分中心和管理所。由于管理所不直接對隧道的設(shè)備進行控制，因此工程界按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的劃分把監(jiān)控系統(tǒng)劃分為信息層、控制層、和設(shè)備層。針對這三層網(wǎng)絡(luò)，世界上主流的自動化廠家都有相應(yīng)的產(chǎn)品，如表一所示。



    第一層為信息層，主要負責大量信息及不同設(shè)備之間的信息傳輸，工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet為目前較常用的一種信息網(wǎng)絡(luò)，世界各大PLC生產(chǎn)廠商均支持工業(yè)以太網(wǎng)，并且他們在原有TCP/IP的基礎(chǔ)上，相繼開發(fā)出實時性更高的工業(yè)以太網(wǎng)，如歐姆龍和羅克維爾支持的Ethernet/IP，施奈德支持的Modbus-TCP/IP以及西門子支持的ProfiNet等。由于Ethernet的信息量大，因此在隧道監(jiān)控上以太網(wǎng)主要用于各個隧道管理所與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸，包括各種交通流量信息，各傳感器數(shù)據(jù)等大量歷史數(shù)據(jù)信息。

    第二層為控制層，主要采用現(xiàn)場總線組成隧道區(qū)域控制器網(wǎng)絡(luò)，其特點是由于采用了標準總線組網(wǎng)，既能滿足實時通信的要求，又具有開放協(xié)議的標準接口，能在總線上方便的掛接各種外場設(shè)備，有利于監(jiān)控系統(tǒng)的擴展。目前，現(xiàn)場總線有40多種，主要有Controller Link、LonWorks、Inetrtbus、Profibus、Can和Modbus。他們的共同特點是高速、高可靠，適合PLC與計算機、PLC與PLC及其它設(shè)備之間的大量數(shù)據(jù)的高速通訊。為使系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，控制層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多采用環(huán)網(wǎng)的方式組成，包括線纜型和光纖作為傳輸介質(zhì)，具體組網(wǎng)將在后面作出實例說明。

    第三層為設(shè)備層，這一層用于PLC與現(xiàn)場設(shè)備、遠程I/O端子及現(xiàn)場儀表之間的通訊，它們有DeviceNet、Modbus以及Profibus/DP等，其中DeviceNet已經(jīng)成為工業(yè)界的標準總線而得到了廣泛的應(yīng)用，而Profibus/DP雖然沒有成為標準，但是它的應(yīng)該也相當廣泛。

    近來年以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用使得人們把目光投向了現(xiàn)場總線上來，工業(yè)以太網(wǎng)是否最終將取代現(xiàn)場總線仍然是一個爭論的話題。然而，不論是Ethernet/IP還是Modbus-TCP/IP，當前以太網(wǎng)在一些重要的性能指標上仍然無法具有現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)勢。從本質(zhì)上來講，以太網(wǎng)的載波幀聽沖突監(jiān)測CSMA/CD的訪問方式，實時性并沒有現(xiàn)場總線采用的令牌總線和令牌環(huán)的訪問方式高，不論人們采用何種方式，如協(xié)議封裝、分時訪問控制等，都只能改善以太網(wǎng)的實時性，起不到本質(zhì)的改變，隧道控制的一個核心思想是必須保證隧道的安全尤其是突發(fā)事件時候隧道的安全，如果突發(fā)事件的發(fā)生造成數(shù)據(jù)訪問發(fā)生碰撞，使得信息不能及時得到處理而導(dǎo)致重大事故，后果將不堪設(shè)想。在當前技術(shù)還未完全成熟之前，現(xiàn)場總線應(yīng)用于控制層，是一個積極和穩(wěn)妥的選擇。但隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，今后其取代現(xiàn)場總線而用于控制層也是可能的。

　　區(qū)域控制器：

    隧道監(jiān)控對PLC的性能提出了更高的要求，作為隧道監(jiān)控的核心控制器，其必須具備以下幾大功能特點：首先本身必須穩(wěn)定可靠，并具有預(yù)先處理數(shù)據(jù)和集中傳輸數(shù)據(jù)的能力，具有較高的故障保護能力；其次，區(qū)域控制器可以獨立承擔控制分區(qū)的基本控制任務(wù)，即使監(jiān)控站或者監(jiān)控中心因故障停止運行，相鄰區(qū)域的控制器也能交換交通量信息；再次，當某區(qū)域的交通量出現(xiàn)變化時，可按預(yù)定方案和程序采取相應(yīng)的算法，對相關(guān)區(qū)域的流量做出相應(yīng)的調(diào)整。因此，它必須至少有如下功能模塊，數(shù)據(jù)采集存儲處理功能（實現(xiàn)集中和獨立工作方式，尤其是在獨立控制時能與相鄰控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換）；通信功能、容錯功能、自動診斷功能和本地操作功能（即能帶觸摸屏）。

    歐姆龍（Omron）、施奈德（Schneider）、西門子（Siemens）、羅克維爾（Rockwell）、通用電氣（GE）是全球五大PLC制造廠商和整體方案的提供者，他們的產(chǎn)品面向各自不同的領(lǐng)域，其中在隧道監(jiān)控的應(yīng)用方面，又以歐姆龍的應(yīng)用最為廣泛。

    必須綜合考慮整個監(jiān)控系統(tǒng)的性能要求和自然條件以及運營周期對設(shè)備的要求進行選擇，尤其在極端氣候和惡劣環(huán)境狀況條件。

    特長隧道以及隧道變電站需要選擇性能更好的雙機熱備冗余的PLC，如Omron的CS1D系列、Schneider的2Quantom系列、Rockwell的2ControlLogix、Siemens的S7-417系列；區(qū)別在于Omron的冗余系統(tǒng)是在一個底板上實現(xiàn)，而其他廠家的冗余系統(tǒng)是兩個底板通過光纖連接。Omron的冗余系統(tǒng)配置很靈活，可以任意實現(xiàn)雙CPU雙電源、雙CPU單電源、單CPU單電源多種冗余系統(tǒng)。

    中長隧道多采用標準的機型作為現(xiàn)場控制器，如Omron的CS1系列、Schneider的Quantom140系列、Rockwell的ControlLogix、Siemens的S7-400系列等；他們都支持工業(yè)以太網(wǎng)和多種現(xiàn)場總線，控制方式采用遠程帶CPU的智能分布式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)開放性和兼容性強，豐富的I/O及高功能模塊，完全滿足隧道監(jiān)控系統(tǒng)對信號處理的要求。由于Schneider和Siemens的PLC體積較大，因此在施工過程中需要考慮預(yù)留洞的大小。

    一般短隧道以及現(xiàn)場條件較好的工況下，為考慮成本可以選用經(jīng)濟型的機型作為現(xiàn)場控制器，如Omron 的CJ1系列、Siemens的S7-300系列等；他們的共同特點是體積小，各模塊采用側(cè)連接的方式，功能較為齊全；不足之處在于程序容量較小，模塊出現(xiàn)故障裝卸不便。

　　四、實際案例

    下面以天津津薊高速公路為例，具體說明隧道監(jiān)控系統(tǒng)的實際應(yīng)用。

    天津津薊高速公路延長線工程起于薊縣縣城以西，與既有的津薊高速公路相接，經(jīng)薊縣西穿過盤山山區(qū)后與北京京平高速公路相接，路線全長15.47公里，設(shè)計4車道，包含2座隧道，蓮花嶺隧道和大嶺后隧道。

    根據(jù)隧道監(jiān)控要求以及總體布局情況，隧道監(jiān)控自動控制系統(tǒng)遵從“集中監(jiān)視管理、分散控制”的原則，包括中央監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場控制站、通訊網(wǎng)絡(luò)等。系統(tǒng)各部分有相對獨立性；22個現(xiàn)場控制站根據(jù)工藝區(qū)域劃分，分別設(shè)于大嶺后隧道（12套PLC現(xiàn)場控制站）、蓮花嶺隧道（10套現(xiàn)場控制站）。根據(jù)設(shè)備分布和控制特點，在現(xiàn)場控制站下還掛有遠程數(shù)據(jù)采集單元，或?qū)Ｓ弥悄芸刂蒲b置。實現(xiàn)就地工藝區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控，并與調(diào)度管理站和其它控制站進行通訊。

    根據(jù)被控對象對連續(xù)運行可靠性的要求，現(xiàn)場控制站的PLC選用OMRON公司高性能的CS1D系列處理器。PLC現(xiàn)場控制站通過光纖冗余環(huán)網(wǎng)Ethernet與中央控制室計算機聯(lián)接。遠程I/O站通過DeviceNet現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)連接在相應(yīng)的PLC控制站上。現(xiàn)地控制站既能夠獨立進行現(xiàn)場各開關(guān)量、模擬量的數(shù)據(jù)采集和控制，又能夠通過網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳送，將各儀表及泵閥等狀態(tài)信息傳送到上位機，完成中央控制室的實時監(jiān)控。

    下面以蓮花嶺隧道為例，介紹其監(jiān)控系統(tǒng)的組成。大嶺后隧道的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如之雷同。



    根據(jù)隧道內(nèi)監(jiān)控設(shè)備的分布和工藝過程的要求，分別在大嶺后隧道設(shè)置12套現(xiàn)場控制分站（PLC1——PLC12）。蓮花嶺隧道設(shè)置10套現(xiàn)場控制分站（PLC1——PLC10）。每一套PLC控制裝置作為一個現(xiàn)場控制站，或作為一個數(shù)據(jù)采集單元，監(jiān)視和控制就地區(qū)域的生產(chǎn)過程，并通過通訊網(wǎng)絡(luò)與調(diào)度管理站及其它現(xiàn)場控制站進行通訊。中控室能夠觀察到一些重要的運行狀態(tài)和工藝參數(shù)，對現(xiàn)場設(shè)備進行操作及控制參數(shù)的設(shè)置和修改。

    大嶺后隧道設(shè)置的PLC11和PLC12兩套現(xiàn)場控制分站將安裝于隧道的低壓配電室內(nèi)負責照明和通風(fēng)設(shè)備的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，其它10套現(xiàn)場控制分站均勻分布于隧道內(nèi)兩側(cè)負責現(xiàn)場儀表及交通信號設(shè)備的控制及信號采集。各分站之間采用10/100Mbit/s自適應(yīng)工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)（EtherNet/IP），對等方式通訊。

    蓮花嶺隧道設(shè)置的PLC9和PLC10兩套現(xiàn)場控制分站將安裝于隧道的低壓配電室內(nèi)負責照明和通風(fēng)設(shè)備的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。其它8套現(xiàn)場控制分站均勻分布于隧道內(nèi)兩側(cè)負責現(xiàn)場儀表及交通信號設(shè)備的控制及信號采集，以上各分站之間采用10/100Mbit/s自適應(yīng)工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)（EtherNet/IP），對等方式通訊。區(qū)域控制器的功能：

    （1）收集本區(qū)段檢測設(shè)備檢測的信息，包括CO檢測器、能見度檢測器、車輛檢測器等；

    （2）對收集信息進行預(yù)處理，并儲存在本地的存儲單元內(nèi)；

    （3）隧道內(nèi)的區(qū)域控制器的存儲單元中處理好的信息上傳給隧道管理站計算機；

    （4）接收隧道管理站計算機的各種控制命令，將控制命令和設(shè)備運行狀態(tài)比較后，發(fā)出對下端執(zhí)行設(shè)備的控制指令。（如發(fā)給車道控制標志、交通信號燈等的指令）。

    （5）可存儲幾個常用和特殊的程序，如交通事故處理程序、火災(zāi)緊急處理程序等。

    （6）本地控制器設(shè)有手動控制單元。當通信中斷或其它原因和上端失去聯(lián)系時，可進行手動聯(lián)動操作，且手動優(yōu)先。
    （7）具有自檢功能。

　　五、改進與發(fā)展

    當前我國隧道監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和實施正處于一個成長的時期，同時貴州省內(nèi)的高速公路正處于大規(guī)模建設(shè)的階段，如果建設(shè)更加可靠的隧道監(jiān)控系統(tǒng)，保證建設(shè)以及營運的可靠是當然我們必須面臨的問題。為此，我們必須考慮到以下幾點：一方面要兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠與可控，也要反映系統(tǒng)的先進、經(jīng)濟與可擴展，同時也要使操作便捷與維護方便；另一方面，針對不同的交通條件和功能要求確定系統(tǒng)的規(guī)模和冗余度的大小，確定系統(tǒng)的合理集成方式、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成與拓撲結(jié)構(gòu)形式以力求系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、先進性與經(jīng)濟性的有機結(jié)合。

    另外，除考慮系統(tǒng)的規(guī)模和設(shè)計方法外，也要考慮新技術(shù)的應(yīng)用，使整個系統(tǒng)既先進又實用；從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來看，當前普遍采用三級隧道管理和分布式現(xiàn)場總線控制方式，事實上，主從式結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場總線如Profibus，由于系統(tǒng)的可靠性受主控制器的制約，并不適用于全分布式現(xiàn)場總線控制，采用對等的自愈網(wǎng)絡(luò)是今后的一個發(fā)展趨勢；從系統(tǒng)的控制來看，當前監(jiān)控普遍存在著只監(jiān)不控，或監(jiān)強控弱的現(xiàn)象，交通信息、環(huán)境信息得不到很好利用，對于隧道控制，要針對不同現(xiàn)象，采用不同的控制方法。

　　[參考文獻]

　　[1]　胡劍波 PLC在隧道自動化中的應(yīng)用 《工業(yè)儀表與自動化裝置》

　　[2]　韓直 公路監(jiān)控系統(tǒng)的需求與發(fā)展 《國際交通配套與智能化》

　　[作者簡介]

　　黃緒東：天津市高速公路投資建設(shè)發(fā)展公司

　　地 址：天津市華苑新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)梓苑路5號