隧道监控424.pdf

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1、高速公路隧道监控系统的 PLC 应用分析 一、引言 随着交通道路的不断发展，作为其一个重要环节的隧道，其数量也在不断增加。由于我国复杂的地理条件以及隧道本身的特点，隧道监控系统在隧道的运营和管理以及事故处理中发挥着极其重要的作用。因此，建设可靠、稳定、先进、经济以及可扩展的合理的隧道监控系统成为工程界和公路营运管理部门共同关心的问题。微电子、通信、计算机技术的发展大大提高了公路交通的信息化和智能化程度，与 3C 技术相结合的 PLC 以其卓越的可靠性、抗干扰性以及灵活的控制方式成为隧道监控系统的核心控制器，其与开放的网络通信系统一起，共同推动着隧道监控系统的智能化程度的发展。二、系统构成 隧道

2、对按照其长度分类，分别为短隧道（L250m）、中隧道（250mL1000m）、长隧道（1000mL3000m）。隧道的长度越长，需要考虑的监控设施就越多。从目前国际上对隧道的设计标准来看，长隧道和特长隧道需要监控系统以保证隧道内行车的安全和通畅。隧道监控系统按照各个子系统分可分为：照明系统、通风系统、交通诱导系统、CCTV 系统、火灾报警系统、消防控制系统、紧急电话系统、广播系统等。按照设备的类型分可分为：检测设备、控制设备、显示设备和通讯设备。检测设备如：火灾报警探头、车辆检测器、COVI、能见度检测仪、风速风向仪等；控制设备如交通区域控制器、照明区域控制器、通风区域控制器等；显示设备如：计

3、算机工作站、大屏幕监视器、声光报警器等；通讯设备如：交换机、集线器、串口信号传输设备、光端机等。隧道监控的难易程度不仅与隧道的长度有关而且与隧道的交通车流量有关，从对隧道监控和管理的要求，又将隧道分为 A,B,C,D 四个等级，其中 A 级对监控要求最高，B 级次之，其余类推。当前在工程界一致认同的隧道监控模式主要分为两种，一种是适用于短隧道的集散式控制模式，一种是适用于长隧道的分布式现场总线控制模式。前者布线复杂，造价较高，由中控室对现场设施进行控制与管理，后者施工方便，不但造价较低，而且可靠性较高，其又可分为全分布式现场总线控制和集中式现场总线控制。全分布式现场总线控制模式，中控室对现场设

4、施不直接进行控制，由现场各种设施的控制器进行控制。分布式现场总线控制模式从网络构成来看，一般分 3 个层次：上层为中央计算机系统，即本地控制中心，中间是由各区域控制器组成的控制层，下层为各种检测设备和控制及诱导设备组成的设备层。隧道控制的核心思想就是将所有纵向及横向的系统有机地结合起来，通过算法分析，最终实现智能化控制。区域控制器就是其实现的核心。各区域控制器负责采集现场检测设备的信息，处理后传给本地控制中心，而本地控制中心的控制命令则发给区域控制器，再由区域控制器直接控制相应设备。在本地控制中心与区域控制器通讯中断的情况下，区域控制器仍然具备独立控制现场设备的能力。因此区域控制器应高效且高度

5、可靠。作为区域控制器的核心控制部分，PLC 应用最多，它的稳定性、实时性以及对环境很强的适应能力，非常适用于隧道的现场环境。本地控制中心一般由现场监控工作站(控制计算机)、监控系统软件、主区域控制器及相应的附属设施构成，用于实现对整个隧道监控系统的统一监控。监控系统软件运行于现场监控工作站上，并不断与 PLC 控制器交换数据，实时地把所有设备的当前状态以图表、颜色、闪烁、数值等方式显示在操作界面上；而操作人员在操作界面的每个动作，也由监控系统软件将相关的命令、参数写入 PLC，实现设备的手动控制除现场控制设备，整个系统的通信网络则是保证系统能否高效运行的关键。长隧道、特长隧道以及隧道群的出现已

6、经越来越多，单洞内的区域控制器就越来越多，这就意味着网络的结点在不断增加。通讯网络不仅要具有较高的通讯速率以保证大量数据的有效传输，还必须具有容错的能力以提高通讯的可靠性，即网络上出现故障时能够实现自恢复，同时，构成通讯网络的设备必须满足工业级要求，以适应隧道内苛刻的工作环境。系统还需要具有很好的可扩展性，使得设备更新与增加、功能改善与变化，都能最大限度地应用原有系统。隧道监控的环境相对比较特殊，隧道所处的山野防雷非常重要，隧道中的控制箱经常会遇到潮湿甚至漏水的侵扰，而一些高原隧道面临严寒和低空气密度，特别是长大隧道中的汽车烟尘很容易附着在密封不好的控制箱中设备上，这些烟尘具有一定的导电性，从

7、而造成本地控制器等设备的早期故障或损坏。从国内隧道监控系统的实际应用情况来看，对隧道监控环境的认识，在一些项目中，重视成度还不够，一些隧道控制箱远没有达到 IP65 以上的防护等级，这样的监控系统是不安全的。三、解决方案 监控系统通讯网络和 PLC 是隧道监控系统的核心组成部分，他们的性能对隧道监控系统会起到决定性的作用。根据隧道本身的特点和监控需求选择合适的PLC 及通讯网络是保证隧道监控系统性能的重要因素。通信网络：在隧道监控系统的结构上，国内在管理体制上主要采用三级管理，即监控总中心、区域监控分中心和监控站。由于监控站不直接对隧道的外场设备进行直接控制，因此工程界按照系统结构的划分把监控

8、系统划分为信息层、控制层和设备层。第一层为信息层，主要负责大量信息及不同厂家不同设备之间的信息传输，工业以太网 Ethernet 为目前较常用的一种信息网络，世界各大 PLC 生产厂商均支持工业以太网，并且他们在原有 TCP/IP 的基础上，相继开发出实时性更高的工业以太网，如欧姆龙和罗克维尔支持的 Ethernet/IP，施奈德支持的 Modbus-TCP/IP以及西门子支持的 ProfiNet 等。由于 Ethernet 的信息量大，因此在隧道监控上以太网主要用于各个隧道管理所与监控中心的数据传输，包括各种交通流量信息，各传感器数据等大量历史数据信息。第二层为控制层，主要采用现场总线组成隧

9、道区域控制器网络，其特点是由于采用了标准总线组网，既能满足实时通信的要求，又具有开放协议的标准接口，能在总线上方便的挂接各种外场设备，有利于监控系统的扩展。目前，现场总线有 40 多种，在公路监控系统中应用的现场总线主要有 Controller Link、LonWorks、Inetrtbus、Profibus、CAN 和 Modbus+。他们的共同特点是高速、高可靠，适合 PLC与计算机、PLC 与 PLC 及其它设备之间的大量数据的高速通讯。为使系统的稳定可靠，控制层的网络结构多采用环网的方式组成，包括线缆型和光纤作为传输介质，具体组网将在后面作出实例说明。第三层为设备层，这一层用于 PLC

10、 与现场设备、远程 I/O 端子及现场仪表之间的通讯，它们有 DeviceNet、Modbus 以及 Profibus/DP 等，其中 DeviceNet 已经成为工业界的标准总线而得到了广泛的应用，而 Profibus/DP 虽然没有成为标准，但是它的应该也相当广泛。值得指出的是，近年来以太网的广泛应用使得人们把目光投向了现场总线上来，工业以太网是否最终将取代现场总线仍然是一个争论的话题。然而，不论是Ethernet/IP 还是 Modbus-TCP/IP，以太网在一些重要的性能指标上仍然无法具有现场总线的特点和优势。从 本质上来讲，以太网的载波帧听冲突监测 CSMA/CD 的访问方式，实时

11、性并没有现场总线采用的令牌总线和令牌环的访问方式高，不论人们采用何种方式，如协议封装、分时访问控制等，都只能改善以太网的实时性，起不到本质的改变，隧道控制的一个核心思想是必须保证隧道的安全尤其是突发事件时候隧道的安全，如果突发事件的发生造成数据访问发生碰撞，使得信息不能及时得到处理而导致重大事故，后果将不堪设想。在当前技术还未完全成熟之前，现场总线应用于控制层，是一个积极和稳妥的选择。随着以太网技术的不断发展，今后其取代现场总线而用于控制层也是很有可能的。监控分中心及上位监控软件：监控分中心一般将设置多台 SCADA 工作站（工控机）。分别用于交通监控、消防报警、图形控制、通风照明控制、视频监

12、控等，完成隧道内各种设备的状态显示、自动控制、半自动控制、打印报警、分析报表等工作。同时，监控分中心还将设置了多台服务器，为其它计算机提供支援和与监控总中心进行通信。PLC 的选择：隧道监控对 PLC 的性能提出了更高的要求，作为隧道监控的核心控制器，其必须具备以下几大功能特点：首先本身必须稳定可靠，并具有预先处理数据和集中传输数据的能力，具有较高的故障保护能力；其次，区域控制器可以独立承担控制分区的基本控制任务，即使监控站或者监控中心因故障停止运行，相邻区域的控制器也能交换交通量信息；再次，当某区域的交通量出现变化时，可按预定方案和程序采取相应的算法，对相关区域的流量做出相应的调整。因此，它

13、必须至少有如下功能模块，数据采集存储处理功能（实现集中和独立工作方式，尤其是在独立控制时能与相邻控制器实现数据交换）；通信功能、容错功能、自动诊断功能和本地操作功能（即能带触摸屏）。必须综合考虑整个监控系统的性能要求和自然条件以及运营周期对设备的要求进行选择，尤其在极端气候和恶劣环境状况条件下以及长、特长隧道的时候，需要选择性能更好的双机热备冗余的PLC。如Schneider的Quantum系列、Rockwell的 ControlLogix、Omron 的 CS1D 系列、Siemens 的 S7-417 系列。在一般的环境状态以及中长隧道的时候，多采用标准的机型作为现场控制器，如 Schne

14、ider 的 Quantum140 系列、Rockwell 的 ControlLogix、Omron 的 CS1 系列、Siemens 的 S7-400 系列等；他们都支持工业以太网和多种现场总线，控制方式采用远程带 CPU 的智能分布式结构，系统开放性和兼容性强，丰富的 I/O 及高功能模块，完全满足隧道监控系统对信号处理的要求。四、应用案例 下面以山西晋城至阳城高速公路隧道为例，具体说明隧道监控系统的实际应用。案例：牛王山隧道监控 晋城至阳城段高速公路，设计范围 36.029 公里。其中高速公路长 27.47 公里，封闭二级公路长 8.5598 公里。道路起点接长晋高速公路，终点与阳城市区

15、道路相接。本路全线有隧道 4 座，包括五佛山隧道（514m），牛王山隧道（1880m、1860m），天坛山隧道（1008m），管道岭隧道（1300m）。本监控方案主要就牛王山隧道机电监控系统的进行说明。整个隧道机电监控网络由设在远端的监控通信中心和隧道内(包括牛王山隧道变电所)的本地控制器以及相关的通信线路组成.监控中心内设有交通状况模拟显示大屏幕,工作站,监控计算机群,打印机,服务器,CCTV 视频墙等设备,供操作人员监视和指挥隧道内和道路的运营情况。牛王山隧道监控系统中，包括 8 套本地控制器，其中一套主控本地控制器置于牛王山隧道变电所内，其余的本地控制器分散布置在牛王山隧道上下行的各个位

16、置，所有本地控制器通过 100Mbps 速率的以太网形成光纤冗余环网。光纤环网使得环路上任意两个区域控制器间通信有两条物理链路，这样即使某处光纤出现断裂故障,系统仍可以自动寻找到反方向的通信链路继续维持通信，既增加了通信可靠性，又提供了在线不停机检修通信的功能。牛王山隧道变电所内的主控本地控制器也通过 100Mbps 速率的光纤以太网与监控通信中心相连，保证了监控数据和指令的实时海量数据传输。图 2 OMRON CS1 系列 图 1 OMRON CS1D 系列 各 PLC 对照明、通风、本地控制系统信息进行采集，同时按所设定的程序以及上位机的指令进行相应的动作。采集的信息经光纤以太环网传至控制

17、室中央计算机上，实现联网。另外，在主控制器上还配有液晶触摸屏，用来对给设备操作和显示其反馈信息及检查所辖各设备的状态，同时它可以取代手持式编程器对PLC 进行编程；而且，在隧道监控中心的服务器上汇集了隧道各个设备实时信息，所以本地控制器不仅要能快速交换实时数据，进行数据采集，并能接受和执行上位机的指令，通过服务器可对现场任一设备（照明、通风、本地控制器）发布操作命令。在牛王山隧道变电所选用了 OMRON 的 CS1D 系列（见图 1）PLC 作为本地控制器，CS1D 系列 PLC 具有双 CPU 模块，双电源模块，支持热插拔，极大的提高了主控制器的可靠性，使得整个系统可以实现不停机检修功能。在

18、隧道内的 7 台本地控制器我们选用 OMRON 的 CS1 系列（见图 2）PLC，它具有高速信息交换能力和良好控制功能，CS1 系列 PLC 作为隧道内的区域控制器。在每台 PLC上安装有 RS-485/RS422 或 RS-232 通讯端口，以便与多参数智能变送器、限速控制器、可变情报板显示控制器等仪表控制设备相连，串行通信的数据协议是随着制造商和设备而变的。协议的差别，使得不同厂商生产的设备间的通信非常困难，即使它们的电气标准相同，OMRON 通过易于建立的用于匹配所连接的设备的协议的协议宏功能解决了这个问题，协议宏使得开发方不需要编写专门的通信程序与第三方设备进行通信，原则上 OMRO

19、N PLC 能和任何带 RS-232C，RS-422 或RS-485 接口的设备进行通信。在本控制系统中用于控制照明、通风、电力、交通等设备的各个区域控制器均采用独立的控制程序。控制室两台中央计算机则通过Ethernet 与上级控制中心联系。五、改进与发展 当时我国隧道监控系统的设计和实施正处于一个成长的时期，系统的需求、设计、结构以及系统的控制仍然存在不完善的地方，同时技术的发展也给监控系统的改进创造了条件和基础，也使建设合理的隧道监控系统成为可能。从系统的需求来看，一方面要兼顾系统的稳定、可靠与可控，也要反映系统的先进、经济与可扩展，同时也要使操作便捷与维护方便；另一方面，针对不同的交通条

20、件和功能要求确定系统的规模和冗余度的大小，确定系统的合理集成方式、系统网络的构成与拓扑结构形式以力求系统的可靠性、稳定性、先进性与经济性的有机结合；从系统的设计来看，除考虑系统的规模和设计方法外，也要考虑新技术的应用，使整个系统既先进又实用；从系统的控制来看，当前我国公路监控普遍存在着只监不控，或监强控弱的现象，交通信息、环境信息得不到很好利用，对于隧道控制，要针对不同现象，采用不同的控制方法。今后我国的隧道监控系统的发展是，在原有基础上，按照监测与控制适当分离、最大限度的集中监测、灵活机动的现场控制的总体思想，逐步改进，使得隧道监控系统的建设更趋合理。详细解读我国公路隧道监控系统解决方案 近

21、二十年来，随着我国公路交通事业飞速发展，公路的等级不断提高，通车里程逐年攀升，公路建设已成为拉动国民经济增长的支柱产业和带动地方经济发展的龙头。在山岭和丘陵地区乃至越江过河的公路建设中，隧道方案以能缩短行车里程，提高线型标准、保障运营安全，保护生态环境等优点，得到普遍应用，并且越修越长，规模越来越大。许多特长隧道、大跨度扁平隧道、双层隧道、沉管隧道、盾构隧道、高海拔隧道、寒区隧道相继建成。在坚持可持续发展，切实保护生态环境和有限的土地资源的战略指导下，长大隧道的建设必然任务越来越重，技术要求越来越高。公路隧道是公路上的特殊路段，空间环境狭窄、光线变化大、视野不清，存在潜在的交通事故危险。特别是

22、发生火灾等紧急事件时，交通输导和救援工作与普通路段大不一样，而且二次事故产生的后果远比原发性事故严重得多，因此长隧道内的安全保障是公路隧道建设和运营要特别关注的问题。公路隧道在使用过程中，会因为汽车尾气排放并且不易散发而导致隧道内空气质量恶化。公路隧道运营过程中的能耗（照明和通风）远高于一般道路的运营能耗。为了使隧道能安全、环保、高效、经济运行。隧道监控系统是长隧道的安全保障必不可少的，也是保证隧道交通畅通与环保必须的工程设施。公路长隧道监控系统的建设一般包括隧道监控室、隧道变电所、隧道内现场设备、将这些设备和中控室联系起来的信息传输网络、以及使这些设备和谐准确运转的控制软件。按功能区分，隧道

23、监控系统可分为以下部分，具体的工程实施可能根据具体情况有些小变动：1.隧道火灾报警子系统 火灾报警子系统用于隧道内发生火灾时，发出紧急信号，迅速通告隧道监控站，请求灭火、救援等活动。报警方式有：手动报警按钮和火灾自动探测器两种。手动报警按钮方面，在隧道内一般按每 50 米一套设置手动报警按钮。火灾自动探测器方面，可选择双波长火灾自动探测器或分布式光纤感温自动探测器，若采用前者，则在隧道内按每 50米一套设置，与手动报警按钮设在一个综合盘内；若选用后者，则在隧道内顶部敷设感温火灾探测光缆。另外，在隧道变电所内设置手动报警按钮和感烟式火灾自动探测器。当发生火灾有人工报警或自动检测出火灾时，在隧道监

24、控站相应工作站上有声音和告警信号，并且显示出火灾报警的地点位置，同时经过闭路电视监视子系统自动将故障地点处的摄像机监视画面显示在相应的彩色监视器、大屏幕投影屏或工作站显示器上，并提供控制方案，待值班员经其它手段确认后再进行发布。系统结构：本子系统由隧道监控站火灾报警工作站、隧道火灾报警主机、隧道内手动火灾报警按钮、双波长火焰探测器或光纤感温火灾自动探测器、隧道变电所的感烟火灾探测器、手动报警按钮以及传输通道等构成。本子系统为独立子系统，采用专线方式。本子系统可进行设备自检，并将自检后的信息上传隧道监控站，包括设备工作状态和故障信息。2.隧道通风控制子系统 由于隧道内汽车排放的废气、行驶时带起路

25、面上的烟气和粉尘不易扩散，对人体非常有害，也影响行车安全，因此隧道内保持良好的空气是行车安全的必要条件。在隧道内设置环境检测器：一氧化碳（CO）/透过率（能见度）检测器和风速风向检测器。由隧道监控站工作站根据检测到的 CO 浓度和隧道内的能见度情况及风速风向调节风机的运转，实现节能和保持风机较佳寿命的运行。系统结构：通风控制子系统由隧道监控站计算机系统、隧道风机控制柜、风机、一氧化碳/透过率检测器、风速风向检测器以及传输通道等组成。通过隧道内一氧化碳浓度和能见度高低、风速风向、交通量数据对风机进行自动控制和实现节能。通风控制分为自动控制和手动控制两种方式。系统中带有火灾发生后排烟控制方案提示，

26、经人工修正后可以对风机实行控制，也可以进行人工控制。通风控制子系统对通风的控制原则遵照国家或国际有关标准和规定，保持隧道内环境指标在标准范围内。系统可反馈一氧化碳/透过率检测器、风速风向检测器、风机设备的工作状态并提供环境检测器的故障信息。3.隧道照明控制子系统 由于隧道内、外的亮度差别较大，因此司机在进出隧道时会产生种种特殊的视觉问题，因此如何减少这种亮度差别带来的影响是隧道照明控制子系统的一个重要目的。在隧道入口设置光强检测器，其检测数据作为对隧道的照明回路实施控制的依据，另外隧道出口段的照明可参照入口进行控制。隧道照明有人工、自动（本地）、远程控制（人工/自动）三种方式，其中人工（本地）

27、方式由照明系统自行完成，自动（本地）及远控方式由监控系统与照明系统配合完成。系统结构：隧道照明控制子系统由隧道监控站计算机系统、隧道控制柜、照明灯具、洞内外光强检测器以及传输通道等组成。根据光强检测器检测到的洞内外照度来控制隧道入口段、出口段及基本段的照明，以保证行车安全并实现节能。4.电力监控子系统 电力监控系统对隧道变电所及箱式变电站的运行状态进行监视，并可对供配电系统设备及通风、照明回路进行控制。另外变电所无人值守功能要求配备相应的图像监视设备和火灾自动检测及手动报警设备，分别纳入闭路电视监视子系统和火灾报警子系统。5.交通监控子系统 （1）交通检测部分 在隧道内设置固定摄像机，通过对部

28、分固定摄像机图像的处理（视频事件检测设备），可得到交通量、平均车速、占有率等交通参数，根据交通参数的运算，可判断隧道内的交通运行状况，也是通风控制子系统的基本数据。同时，通过摄像机视频图像的处理，还可直接得到隧道内交通异常信息，如事故、拥堵、违章行车、烟雾等信息，并在发生异常事件时自动报警。（2）交通信号控制部分 交通信号控制主要是用于协助疏导交通、给司机提供信息，以保证道路畅通。在隧道两端入口前设置交通信号灯，用于表示此时隧道内的交通情况。交通信号灯可显示红、黄、绿三色及一个转弯标志。绿色表示隧道内正常；黄色表示隧道内交通异常，应注意行驶；红色表示此时隧道关闭，禁行；转弯标志表示需要从隧道口

29、的换向车道驶入对向隧道或者调头从对向车道驶回。在隧道入口、出口和隧道内设置车道指示标志，指示每条车道的状况。设备采用 LED 显示方式，包括两个显示板，每个显示板上可显示红色“X”或绿色“”，分别表示本车道处于关闭或通行状态。由于在事故情况下需要使用反向隧道，因此车道指示标志采用双面式。在隧道每个人行横洞和车行横洞处设置横洞指示标志，用于紧急情况下指示道路。本标志平时不亮，仅在紧急情况下疏散人员和车辆时显示。光源采用专用白炽灯，信息的显示是通过开关启动相应灯箱的光源来显示信息。在隧道两端入口设置小型可变信息标志，用于简单信息提示和速度限制。在隧道内或隧道口设置可变信息标志和可变限速标志，用于在

30、异常情况下发布隧道内交通提示信息和速度控制信息。（3）系统结构 系统结构：本系统由隧道监控站计算机系统、隧道交通监控本地控制器、外场设备以及传输通道等组成。隧道交通监控本地控制器系统是隧道监控站与隧道外场设备的联系纽带。隧道（群）的本地控制器目前流行通过工业以太网全部相连，形成一个冗余环网系统，并通过该工业以太网与隧道监控站相连；本地控制器向下则以一对多的方式与隧道内分散的外场设备相连。本地控制器系统收集、存储和管理外场设备数据，监控外场设备工作状态，报告给隧道监控站，并且接收隧道监控站命令对外场设备进行控制；另外它还具有本地自动控制的功能，在维修或测试等需要时可由隧道内的本地控制器进行控制。

31、系统运行：通过检测交通参数及隧道环境参数，根据软件运算可得出交通和环境状况，即可采用相应的控制方案。6.闭路电视子系统 闭路电视子系统用于直观地、及时地观测隧道内外交通运行情况和事故现场，为救灾排险提供第一手信息。在隧道内一般按每 150 米左右安装一台定焦距彩色摄像机，顺车辆行驶方向设置。在隧道的两端及隧道之间均安装彩色遥控摄像机。在车行横洞洞口对面侧壁上安装彩色遥控摄像机，可实时动态地监视紧急停车带及横洞附近的交通状况。另外变电所无人值守功能要求配备相应的图像监视设备，纳入闭路电视监视子系统。在隧道的变电所内设置室内型彩色遥控摄像机。系统结构：本子系统由隧道监控站闭路电视监视控制设备、外场

32、摄像机以及传输系统等构成。7.紧急电话子系统 紧急电话系统为邵阳至怀化高速公路上驾驶员提供一个直接呼救求援的专用通信系统。在隧道监控站设紧急电话控制台，控制台控制所辖隧道区域内的紧急电话。在隧道内一般按每 200 米设置 1 个紧急电话，8有线广播子系统 根据管理的需要，在超过 1000 米的隧道内设置有线广播子系统，用于在发生紧急情况时，进行紧急情况的通知。有线广播信号是和紧急电话信号一起通过光纤传输到各个隧道，在隧道内设置有线广播终端设备。高速公路隧道监控系统技术方案 系统设计思路：（1）在隧道的进口、中间段、出口处分别布设两组车辆检测器和遥控摄像机；（2）在隧道入口处设置一个可变限速标志

33、和一个可变情报板，用于控制进入隧道的车流量，以避免或排除隧道内交通阻塞，引导车辆运行，并当突发事件发生时关闭隧道；（3）为防止发生隧道内一氧化碳中毒现象，需设置检测隧道通风和照明情况的相关设备，用于定期检测通风设备和电力设备工作状态和故障情况，并将检测情况反馈给隧道控制机。；（4）在隧道内部安装能见度检测器，检测隧道的光亮度，一旦能见度达不到最低通行标准，就采取强制措施，并闭隧道；（5）在隧道入口处安装隧道控制器，它接受来自于车辆检测器、通风设备和电力设备工作状态检测到的数据，并将这些数据进行综合处理后上传监控分中心，由监控分中心作出控制方案后，驱动可变情报板和可变限速标志，进行交通控制和诱导

34、；1 引言 随着我国经济的高速发展，通畅高效的交通系统成为经济进一步发展的基本需求，从而高速公路亦得以蓬勃发展。作为高速公路路段中相对事故率较高的隧道区域，为保证行车安全，提高行车效率，通常在长隧道或特长隧道内设置隧道监控系统，集中监控隧道内通风、照明以及行车情况，在必要时候发布诱导和指导性信息。而隧道内通风、照明、以及交通诱导设备均分散于整个隧道区域，因此集成隧道内各要素信息，方便隧道监控人员的集中监控与管理，成为隧道监控系统设置的主要目的。2 隧道监控系统的主要内容和控制要求 保证隧道行车的通畅、安全，根本上说就是要求保证一个良好的行车环境，以及必要时候能够对通行的车辆做出合理的诱导。故通

35、常在长隧道或特长隧道内设置一定保证环境和便于交通诱导的机电设施，按功能划分可分为交通检测与诱导设施、通风检测与控制设施和照明检测与控制设施，相应为控制这些设施，使其服务于隧道行车，分别设置交通检测控制系统，通风检测控制系统，和照明检测控制系统。2.1 交通检测控制系统 交通导控制系统主要作用在于控制交通诱导设施，如车道指示器，交通信号灯，可变情报板，可变限速标志等，用来诱导隧道内车辆行驶在单一车道上，通过可变情报板上面发布相关行车信息，通过可变限速标志设定隧道车辆的通行速度，并在必要时候（如，隧道内塞车、能见度值过低、一氧化碳含量太高等等）封闭隧道。车道指示器、交通信号灯显示信息通过 PLC

36、程序控制输出继电器来控制，可变情报板和可变限速标志的显示值通过 PLC 的串行通讯接口输出来控制改变。此外，对于隧道内设置的车辆通行情况检测器（即车辆监测器，可以检测车速，车流量，车道占有率等等参数）检测的隧道车辆通行数据，同样由PLC 扩展串行通讯接口编程获取，存于 PLC 内存储器中。2.2 通风检测控制系统 为监控隧道内行车环境，隧道内设置有风速仪、一氧化碳和能见度检测仪。通风控制系统即在实时检测这些环境参数的基础上，控制隧道内风机的开启，以使各项空气指标符合安全行车标准，达到既保障安全行车、同时节约能源的目的。各空气指标数据由 PLC 模拟量输入模块采集，风机的启停通过 PLC 的开关

37、量输出模块程序控制中间继电器实现控制。2.3 照明检测控制系统 照明检测控制系统的目标是在不断监测隧道洞外、隧道洞内光照度的前提下，调节隧道进出洞口加强段等照明回路，达到合适的隧道内光照度。避免使车辆驾驶员白天进入隧道和夜间离开隧道产生“黑洞效应”；避免使车辆驾驶员白天离开隧道和夜间进入隧道产生“眩光效应”（或称“白洞效应”），让驾驶员轻松适应进出隧道的光照度变化，减少交通事故，同时考虑节约能源。光照度等参数的采集由 PLC 模拟量输入模块完成，照明回路的控制则由 PLC 程序控制输出继电器来实现。3 系统构成 高速公路隧道区域作为一个相对封闭区域，通风不畅，汽车尾气沉积，油污污染，高低压线缆

38、布线的空间限制导致电磁干扰等等因素，使其成为一个非常恶劣的电气环境，对应用的电气设备的适应性提出很高的要求；而且隧道距离长，设备布设分散，也为监控系统的构建造成一定难度。SIEMENS S7-300 是模块化的中小型 PLC 系统，其大范围的各种功能模块可以非常好的满足和适应自动控制任务，简单实用的模块化和分散式结构使得其应用十分灵活，当控制任务增加时，可自由扩展。高电磁兼容性和强抗振动、抗冲击性使得其具有很高的工业环境适应性。并且基于以 SIEMENS 公司为主开发的 PROFIBUS 现场总线标准，S7-300 PLC 还具有组网便捷的优势。易于实现分布，易于用户掌握，易于组建分布式现场网

39、络等特点使得 S7-300 成为各种中小规模控制任务的方便又经济的解决方案。鉴于以上原因，S7-300 系列大量应用于隧道监控系统中，作为监控系统现场区域控制机的核心部件。3.1 PLC 配置设计 根据隧道长度，设备分布情况，以长 1000 米、2 个行车道的隧道为例，隧道内每间隔 250 米设车道指示器（正反面各有红叉绿箭头）2 套（2 车道），隧道进洞口各设可变情报板、可变限速标志和交通信号灯各 1 套，每个隧道洞内设一氧化碳和能见度检测仪（VICO），光照度仪（LO），风速仪（TW）各 2 套，车辆检测器各 4 套，通风风机 4 组（1 组为 2 台风机）。另外隧道供配电系统为隧道两头设

40、变电所，从两端分别对隧道供电，故照明回路的电力供应分别从两端变电所供出，在两个变电所内分别设照明区域控制机 1 套，控制照明回路数为 19 路。据此统计隧道进口端的区域控制机（简称 RTU1/RUT4）的配置（略）；隧道出口端的区域控制机（简称 RTU2/RUT5）的配置点数（略）；变电所内的照明区域控制机（简称 RTU3/RUT6）的配置点数（略）。考虑系统的完整性、可操作性及点数冗余量，各区域控制机 PLC 系统硬件配置如图 1、2、3 所示。图 1 RTU1/RTU4 硬件系统构成图 图 2 RTU2/RTU5 硬件系统构成图 图 3 RTU3/RTU6 硬件系统构成图 3.2 系统网络

41、配置设计 PROFIBUS 是国际性的开放式的现场总线标准，即 EN50 170 欧洲标准；且现已成为 IEEE 国际标准和中国国家 GB 标准，具有传输速率高、传输距离远、可靠性高、响应速度快的优点。鉴于隧道电磁环境的现状，系统采用抗干扰能力强、传输距离大的光纤接口 PROFIBUS 网络。即每个区域控制器上设置 PROFIBUS现场总线光缆 OLM 模块构筑整个系统的冗余环形光缆总线，为现场区域控制机之间，以及区域控制机与上位控制管理系统之间构筑了一个高可靠性的数据高速公路，即使在火灾、灾难、鼠害等极端情况下，也可保证整个系统的完整性和可靠性。PROFIBUS 光纤冗余网络结构见示意图 4

42、 所示。图 4 PROFIBUS 冗余环形光纤总线 4 程序设计 4.1 设计思路 本程序采用 SIEMENS STEP 7 作为编程软件。根据各区域控制机所连接设备以及相应设备的工作方式特点，采用模块化编程的程序设计方法。各区域控制机内 PLC 程序框架如图 5 所示。设计过程如下：图 5 程序框架图（1）首先将项目划分为若干子任务。每一个子任务在程序中对应一个功能块（FB）或功能（FC）。功能块含有某个系统的一些设备和任务的逻辑指令，相当于一个子程序。由组织块（OB1）中的指令控制这些功能快的执行。（2）规范并设定各输入/输出量，确定其类型和地址。为方便程序的编写和调试，增加程序的可读性。

43、这里使用符号地址编程，即在程序中以符号名识别专门的绝对地址。程序中所有的变量、块和数据类型等都可以使用符号。符号名可以是不超过 24 个字符的字串，可以有 80 个字符的符号说明。其中输入/输出地址均采用符号地址，而其他地址则视情况选择使用，以避免符号过多。输入/输出符号地址表如表 1 所示。表 1 建立符号地址表（3）建立可读/写的全局数据块（DB），用于保存全局使用的数据。其中，DB1 用于保存与上位机交互的数据，DB2 用于区域控制机之间的交互数据，等等。程序中每一个 FC 或 FB 或 OB 都可以读写一个全局共享数据块 DB。（4）为各程序模块分配中间变量，定时器以及计数器等资源。（

44、5）根据风机、照明回路、车道指示器等设备的工作方式，确定各输出信号与输入信号的逻辑关系，并转化成梯形图实现。（6）根据可变情报板、可变限速标志、车辆检测器设备的通讯协议，通过串行通讯模块 CP340，采用 ASCII 通讯方式编写通讯代码，发送符合协议的指令信息帧，查询或发布信息，从设备会传的信息帧中提取有效数据，并定期检查通讯状态。（7）编写 PLC 之间的数据交换程序模块，确定需要交互的数据，分配此数据的存储空间，并定期刷新。（8）编制、调试、连接所要求控制任务的各部分功能（块）。（9）规划从组织块 OB1 中调用各部分功能（块）的程序执行功能。（10）现场安装接线各外部输入/输出点，整定

45、、调试程序，试运行，运行。4.2 注意事项（1）在硬件配置中设置 CPU 参数，主要包括启动特点、性能、循环中断、诊断/时钟、保护等。（2）通过硬件组态工具设置模拟量模块的参数。本配置中，风速仪、照度仪、VICO 检测仪均为 4 线制 420mA 输入信号，如果系统包括车道指示器的电流变送器，则为 2 线制 420mA 输入信号。（3）在硬件配置中设定各区域机中 PLC 的 PROFIBUS 地址和 MPI 地址，确认各站具有唯一的地址。在需要交互数据的站与站之间建立数据连接，并将各站与上位机之间均建立连接，本配置中，站与站之间建立 FDL 连接（相对快速的连接），站与上位机之间建立 S7 连

46、接（SIEMENS 公司自主 PROFIBUS 应用层协议，适用于 S7 300 系列 PLC 与上位软件之间的信息交换）。（4）在用户程序使用之前，符号必须在符号表下建立，并且用户程序的符号必须唯一。也就是说，一个符号或地址在符号表中只能出现一次。（5）除 OB1 以外操作系统还可以调用其他的组织块以响应某些事件。在本程序中，通过定时循环中断 OB35 设定每隔 5 秒采样一次风速、照度、COVI 等模拟量数据。OB35 根据程序设定的时间间隔反复执行，时间间隔在 CPU 模块参数中设定。（6）确定各部分状态的先后次序及连锁关系，使各动作间严格确保相互约束和定时关系，以提高程序的可靠性。（7

47、）灵活运用各逻辑指令，完成各部分功能的同时力求程序简洁。5 结束语 高速公路的隧道监控工程是一个系统工程，构成复杂、数据采集量大，控制站点多，设备分布分散，而且隧道环境恶劣，系统可靠性要求高。既需要从车辆检测器以串行通讯方式获取大量交通数据，同时也需要以串行通讯方式向可变情报板发送大量信息，另外还要完成对风速、VICO、照度的模拟量的采集以及照明回路、车道灯等开关量信号的检测与连锁控制。通过采用 PLC 可编程序控制器，实现了所有数据采集发布以及控制功能，并提供优良的网络传输性能，整个系统性能优良。设计方案 系统需求：1.多级系统结构 由于 xx 省际高速公路隧道群电视监控系统，在监控区域上较

48、分散且较偏远，行政组织管理结构上又涉及到多个部门，多级领导，同时，又要满足省护路办的集中管理和统一调度，因此，在方案设计时，首先就要考虑到整个系统的架构。采用分级管理模式，建立多平台，多系统下的统一管理平台，能够通过总监控中心对所有系统内的分监控中心以及各本地监控室的主机及监控设备进行统一有序的调配、管理。而分监控中心在服从总监控中心调度指挥的同时，也在自己职能范围内管理和调度其所管辖各车站内的监控设备，从而达到集中与分散相结合的多级用户管理模式。2.数据传输方式 根据要求，本系统所涉及所有前端音视频信号、控制信号等均通过光纤传输到本地监控室，接入数字硬盘录像主机。主机通过铁路现有局域网络将所

49、有信号进行上传，单路实时音视频数据带宽应保证在 384KB/S。3.设备选用要求 摄像机采用强光抑制型低照度日夜转换枪式摄像机，彩色 480 电视线/黑白 600 电视线，最低照度 0.004Lux，彩色黑白自动转换，感应红外，电子快门可调，带宽动态功能，适合用于夜间识别车牌以及其它强逆光环境。视频录像主机采用 H.264 压缩方式，每秒显示 25 帧，显示清晰度最高能够达到 704*576。4.语音功能 要求实现各级监控室对前端监控点的广播功能；同时，xx 桥本地监控室、xx 市护路办、省护路办之间实现双向语音传输，且都能和前端扬声器完成双向语音对讲。5.防雷及电涌保护 能够防感应雷和雷电波

50、，综合接地电阻小于 1 欧。五、系统设计 1.系统架构拓扑图 2.系统运行原理 分布式网络视频集中监控管理系统分为总监控中心，二级监控中心，车站本地监控端，以及客户端。系统基于光纤传输和网络运行，适用于跨地域，跨网络的组网方式。通过网络监控总中心的中心服务器来集中管理和配置系统内的所有监控主机。所有本地监控端通过有线或无线数据传输所采集的音视频数据及报警数据都会通过网络信道及时回传到总监控中心和所属的分监控中心的视频工作站或客户端，总中心可以在远程调看所有本地端视频监控图像资源，分监控中心可以根据其权限，远程调看其所辖本地端视频监控图像资源。总中心可根据具体需要来设置音视频数据及报警数据是否集