6ES7223-1PH22-0XA8正规授权

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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，其数量不断增加，建设可靠、稳定、先进、经济的隧道监控系统已经成为工程界和公路营运管理部门共同关心的问题。现代控制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**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，他们与开放的网络通信系统一起，共同推动着隧道监控系统的发展。

二、系统简介

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、光端机等。

当前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*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。

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。

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，较终实现智能化控制。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。因此区域控制器应且高度可靠。

除现场控制设备，整个系统的通信网络则是保系统能否运行的关键。长隧道、特长隧道以及隧道群的出现已经越来越多，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，都能较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，从而造成本地控制器等设备的早期故障或损坏。

三、系统构成

隧道监控系统，分布性强，干扰强，环境较差。网络系统对隧道监控安全、可靠、有效的运行非常重要。在隧道监控系统的结构上，国内公路监控系统在管理体制上主要是三级管理，即管理中心、管理分中心和管理所。由于管理所不直接对隧道的设备进行控制，因此工程界按照系统结构的划分把监控系统划分为信息层、控制层、和设备层。针对这三层网络，世界上主流的自动化厂家都有相应的产品，如表一所示。

表（一） 三层网络构成一览表

**层为信息层，主要负责大量信息及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，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，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。

*二层为控制层，主要采用现场总线组成隧道区域控制器网络，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，主要有Controller bbbb、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。

*三层为设备层，这一层用于PLC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。

近来年以太网的广泛应用使得人们把目光投向了现场总线上来，工业以太网是否较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，当前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。但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可能的。

区域控制器：

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）。

欧姆龙（Omron）、（Schneider）、西门子（Siemens）、罗克维尔（Rockwell）、通用电气（GE）是**五大PLC制造厂商和整体方案的提供者，他们的产品面向各自不同的领域，其中在隧道监控的应用方面，又以欧姆龙的应用较为广泛。

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，尤其在较端气候和恶劣环境状况条件。

特长隧道以及隧道变电站需要选择性能更好的双机热备冗余的PLC，如Omron的CS1D系列、Schneider的2Quantom系列、Rockwell的2ControlLogix、Siemens的S7-417系列；区别在于Omron的冗余系统是在一个底板上实现，而其他厂家的冗余系统是两个底板通过光纤连接。Omron的冗余系统配置很灵活，可以任意实现双CPU双电源、双CPU单电源、单CPU单电源多种冗余系统。

中长隧道多采用标准的机型作为现场控制器，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。由于Schneider和Siemens的PLC体积较大，因此在施工过程中需要考虑预留洞的大小。

一般短隧道以及现场条件较好的工况下，为考虑成本可以选用经济型的机型作为现场控制器，如Omron 的CJ1系列、Siemens的S7-300系列等；他们的共同特点是体积小，各模块采用侧连接的方式，功能较为齐全；不足之处在于程序容量较小，模块出现故障装卸不便。

四、实际案例

下面以天津津蓟高速公路为例，具体说明隧道监控系统的实际应用。

天津津蓟高速公路延长线工程起于蓟县县城以西，与既有的津蓟高速公路相接，经蓟县西穿过盘山山区后与北京京平高速公路相接，路线全长15.47公里，设计4车道，包含2座隧道，莲花岭隧道和大岭后隧道。

根据隧道监控要求以及总体布局情况，隧道监控自动控制系统遵从“集中监视管理、分散控制”的原则，包括*监控系统、现场控制站、通讯网络等。系统各部分有相对独立性；22个现场控制站根据工艺区域划分，分别设于大岭后隧道（12套PLC现场控制站）、莲花岭隧道（10套现场控制站）。根据设备分布和控制特点，在现场控制站下还挂有远程数据采集单元，或专用智能控制装置。实现就地工艺区域内的数据采集和过程监控，并与调度管理站和其它控制站进行通讯。

根据被控对象对连续运行可靠性的要求，现场控制站的PLC选用OMRON公司高性能的CS1D系列处理器。PLC现场控制站通过光纤冗余环网Ethernet与中央控制室计算机联接。远程I/O站通过DeviceNet现场总线网络连接在相应的PLC控制站上。现地控制站既能够独立进行现场各开关量、模拟量的数据采集和控制，又能够通过网络间的数据传送，将各仪表及泵阀等状态信息传送到上位机，完成中央控制室的实时监控。

下面以莲花岭隧道为例，介绍其监控系统的组成。大岭后隧道的网络结构如之雷同

根据隧道内监控设备的分布和工艺过程的要求，分别在大岭后隧道设置12套现场控制分站（PLC1——PLC12）。莲花岭隧道设置10套现场控制分站（PLC1——PLC10）。

每一套PLC控制装置作为一个现场控制站，或作为一个数据采集单元，监视和控制就地区域的生产过程，并通过通讯网络与调度管理站及其它现场控制站进行通讯。中控室能够观察到一些重要的运行状态和工艺参数，对现场设备进行操作及控制参数的设置和修改。

大岭后隧道设置的PLC11和PLC12两套现场控制分站将安装于隧道的低压配电室内负责照明和通风设备的监控和数据采集，其它10套现场控制分站均匀分布于隧道内两侧负责现场仪表及交通信号设备的控制及信号采集。各分站之间采用10/100 Mbit/s自适应工业以太环网(EtherNet/IP)，对等方式通讯。

莲花岭隧道设置的PLC9和PLC10两套现场控制分站将安装于隧道的低压配电室内负责照明和通风设备的监控和数据采集。其它8套现场控制分站均匀分布于隧道内两侧负责现场仪表及交通信号设备的控制及信号采集，以上各分站之间采用10/100 Mbit/s自适应工业以太环网(EtherNet/IP)，对等方式通讯。

区域控制器的功能：

（1）收集本区段设备的信息，包括CO器、能见度检测器、车辆检测器等；

（2）对收集信息进行预处理，并储存在本地的存储单元内；

（3）隧道内的区域控制器的存储单元中处理好的信息上传给隧道管理站计算机；

（4）接收隧道管理站计算机的各种控制命令，将控制命令和设备运行状态比较后，发出对下端执行设备的控制指令。（如发给车道控制标志、交通信号灯等的指令）。

（5）可存储几个常用和特殊的程序，如交通事故处理程序、火灾紧急处理程序等。

（6）本地控制器设有手动控制单元。当通信中断或其它原因和上端失去联系时，可进行手动联动操作，且手动优先。

（7）具有自检功能。

五、改进与发展

当前我国隧道监控系统的设计和实施正处于一个成长的时期，同时贵州省内的高速公路正处于大规模建设的阶段，如果建设更加可靠的隧道监控系统，保证建设以及营运的可靠是当然我们必须面临的问题。为此，我们必须考虑到以下几点：

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。

另外，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；从系统的结构来看，当前普遍采用三级隧道管理和分布式现场总线控制方式，事实上，主从式结构的现场总线如Profibus，由于系统的可靠性受主控制器的制约，并不适用于全分布式现场总线控制，采用对等的自愈网络是今后的一个发展趋势；从系统的控制来看，当前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。

在棉纺织企业广泛使用喷气织机的情况下，空压站建设是一项重要的辅助工程。在天津纺织园区所有空压站配备的主要设备为离心式空气压缩机、冷冻式空气干燥器，通过储气罐、连接管道和阀门等组成压缩空气供气系统，并配套冷却系统、仪表空气系统，计算机检测系统，以实现空压站为生产*保证不同压力、不同负荷的用气需求。在此前提下确保合格的供气品质，满足稳定的气源压力，自动调节供气等是空压站自动控制的基本任务。随着自动化水平的不断提高，关于建设无人值守空压站的讨论，是一个发展过程中的必然的课题。

空气系统自动控制的必要性

应用在天纺控股有限公司棉纺一工厂的空压站，安装有4台70M3/min 4台，53M3/min 4台，48M3/min 2台，43M3/min 4台离心式空压机和1台42.5M3/min螺杆式空压机，配有相应处理量的冷冻式干燥器。空压机设备自身带有的CMC控制器，能够自动控制和保护主机的运转，自动提示工作信息，具有故障报警和保护停机功能，能自动根据用气量的大小加载或卸载，并配有LCD显示屏供现场观察各工艺参数和设备状态，具有RS422/485通讯接口，可以实现与现场控制室计算机监控系统的完整连接。

目前，空压站的自控系统通过西门子S7-300可编程控制器，将部分空压机的实时运行数据通过RS422/485通讯接口采集进PLC控制系统，并将数据传送到现场控制室计算机上进行显示，以代替传统仪表。但是没有对空压机进行控制。

空压机设备自带的CMC控制器已经能很好的控制单台空压机，但是不具备对空压系统的整体调控能力。在空压系统中，相对单台空压机的调整，空压系统的整体自动调控具有更重要的意义：

■ 单台空压机无法保证空压系统整体供气压力的稳定，而空压系统的整体自控可以有效保持系统内空气压力稳定。

■ 整体的负载平衡，减少排气放空，可以节约更多的能源，节省人力成本。

■ 可以实现无人操作，根据实际需要自动开机或加载空压机以保持系统压力。

■ 可以定时间断地记录空压机运行数据和报警，如跳车、喘振、通讯故障、压力等。

在已有的PLC系统中，没有实现空压系统的整体调控功能。由于空压机自带的CMC控制器提供了RS422/485通讯接口，所有的数据采集和控制功能都通过通讯接口来实现，对比原有的控制系统，不需要增加硬件设备的投资，只需要改进和增加控制软件即可实现空压系统的整体控制。

除空压机设备外，还可以将与空压机配套的冷冻式干燥器集成到RS422/485网络中来，实现空压供气设备的全面自控。

空压站其他系统的自动控制

除空压供气系统外，空压站的其他系统也需要进行自动控制，如水循环冷却系统等。这些系统的控制方法与空压供气系统不同，主要是采用传统控制模式。使用仪表采集需要的运行参数，进行数据处理和分析运算后，输出控制信号给执行机构就可以实现系统的自动控制。

自动控制具有以下优点：

■ 操作简单，可以实现无人值守；

■ 良好的实时调节，防止了人为因素滞后；

■ 具有高可靠性；

■ 减轻工作人员负担；

■ 节省人力成本。

需要控制的参数和可能的控制方式

空压站需要的控制需求；⑴高、低压供气压力控制（机组自动开停控制）； ⑵系统自动排水控制； ⑶循环水液位控制和自动加药控制； ⑷所需压缩空气温度、循环水温度等参数控制等等。

空压系统的整体自动调控一般可以使用以下2种方法之一来实现：

⑴采用PLC系统进行通讯和控制。

⑵可以采用英格索兰公司或自己编制的控制软件。

**种方法可靠性高，适用于工业控制系统。当监控计算机出现故障时，PLC还可以按照设定的程序进行自动控制。

*二种方法是通过控制系统的计算机进行单独的分析运算进行控制，它具有较好的灵活性，但缺点是如果出现如计算机死机等故障时，有可能影响系统的正常运行。好在计算机的一般恢复往往不需要太多的时间。

除空压供气系统自控外，空压站可与制冷站、热力站系统一起建立设备控制网络，实现集中控制，或与工厂控制中心联网，由控制中心的控制器实时远程监控，实现真正的无人值守。

系统构成

对于以上讨论，如果需要实现空压站的整体自控，又许多成熟PLC自控系统可以选用，现以ZH公司的PLC自控系统为例。

该自控系统选用西门子S7-300系列可编程控制器，带有RS422/485网络接口，支持MODBUS等相关网络通讯协议。该系统可以采用专用工业通讯网络技术实施远程联网。空压站自控设备可根据生产实际情况和各设备的特点，以及可能存在的问题，综合各方面因素后确立分级控制网络的实施方案，如图1所示。

■ 硬件配置

现场仪表，受控设备、执行器、带有串行通讯接口的设备（如空压机，冷干机等），PLC和监控计算机。

■ 软件功能

选用专用的工业组态软件（如WINCC或iFIX）用来监视和操作整个生产过程，为控制系统提供通讯、显示及报表管理等功能，各设备控制器自成一子系统，其应用程序功能包括：信息，设备控制，故障报警，连锁保护，以及数据处理和通信传输。

在系统实施过程中，还可引入故障检测和故障诊断的处理程序，能够提高系统的智能化程度，有利于进一步改善自控系统的有效性和可靠性，通过优化调度策略，软件连锁保护等自动控制功能模式的应用，有望将自动化水平提升到更高层次，可以为确定空压机设备状态检修点提供依据，并由此获得更大的效益。

结论

总之通过自动化控制可以克服由于人为因素造成的调节滞后等不利因素，减少运行参数的波动，达到减少用工和节约能源的目的。对于提升天纺控股有限公司的整体技术水平是相当重要的。