绍兴西门子一级代理商CPU供应商

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1引言
DCS分散控制系统(又称集散控制、分布式控制系统)，是在单回路微机控制系统基础上发展起来的，其综合了计算机技术、通讯技术、CRT显示技术和过程控制技术，采用分层分级的结构形式和分散控制、集中操作、分级管理、分而自治的设计原则，解决了过去计算机控制危险集中、常规模拟仪表功能单一、过于分散和人机联系不方便的缺点。DCS的性、通用灵活性、优良的控制和综合管理能力，使其在工业控制领域中得以广泛应用。
瓦楞纸板作为目前使用普遍的包装材料，广泛用于电器产品、日常用品等包装。在现代大规模工业自动化水平相对落后和工业、经济建设高速发展的我国，横切机和堆叠机等机组组成连续生产工艺过程。目前国内瓦楞纸板生产化处于相对落后状态。
本监控系统采用以可编程控制器PLC为基础的集散控制系统，将PLC作为现场采制站，利用Ethernet和Profitbus进行数据通信，完成了对广东肇庆嘉隆瓦楞纸板生产线的工况显示、生产操作、订单管理和出货管理，终实现了企业管理—控制一体化。
2系统总体结构及通信网络
2．1系统总体结构
嘉隆瓦楞纸板生产线监控系统采用如图1所示的分布式计算机监控系统。它分为3级结构：现场级、控制级和管理级。

级为现场级。由安装在现场的3个PLC子站辅与其它测量控制设备(如编码器、红外测量仪、变频器等)进行各种数据采集、生产线的现场控制。为现场采制器完成现场信号的输入输出，根据给定的工作程序进行数据处理、控制输出，并且将处理送操作站。PLC站采用德国VIPA公司的产品，包括一个CPU站和两个I／0站，其配备如下：
V200CPU站：主要包括CPU 288L、50、SM221和SM222等模块。主要用于粘合机和横切机各种状态信号的采集和控制信号的输出。
V200站1：主要包括SM221、SM222、SM232和50等模块；主要用于过胶机和1号瓦楞机状态信号的采集和控制信号的输出。
V200站2：主要包括SM222、SM232和50等模块；主要用于2、3号瓦楞机状态信号的采集和控制信号的输出。
二级为控制级，配备5台工业PC机。其中包括1台主操作站，1台过胶机操作站和3台瓦楞机操作站。主操作站设置在车间控制室内，其它各操作站设置在生产线的相应部分，完成现场级检测、控制、保护功能的管理。由一台HUB将各操作站组成局域网。各操作站功能立，又能互为备用。它对级现场采集的所有数据进行处理、分析、存储，完成所有控制指令的收集和发布，以各种方式(如流程图、趋势图等)表达整个生产线的运行状态。对系统功能的组态、流程图的制作、保护值整定、控制模型修改等工作也是在这一级的操作站上完成的。
三级为管理级，配备了多台普通PC机、打印机，以及一台数据库服务器。其中PC机作为管理终端设置在相应的管理部门，打印机负责定期打印生产情况报表备档，数据库服务器负责接收、存储从监督控制级送来的各种实时数据、历史数据。各部门的管理人员可以随时通过管理终端机观察生产线的运行状态和定单执行等情况。管理级同时可接受管理部门管理数据的输入，完成订单管理，出货管理等功能。
2．2通信网络
由于在分散控制系统中广泛采用了多处理机的结构，所以处理机之间的数据通信变得其重要。
现场总线技术作为自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化的发展方向。Profitbus是的全集成H1(过程)和H2(工厂自动化)现场总线解决方案，是一种不依赖于厂家的开发式现场总线标准，它可广泛应用于制造加工、过程和自动化领域。在该监控系统中，现场级3个PLC站之间利用Profitbus进行数据通信，实现了纸板生产线状态数据的采集和控制信号的传递。
Ethernet以太网初是由Xeroex在20世纪70年代开发的—种连网传输方法，后来由Xeroex、数字设备公司(DEC)和Inbbb改进。这种灵活的技术可以运行在各种网络介质上，并在合理的开销下提供很好的容量。到目前为止，以太网是用于局域网的的逻辑拓扑结构。在该监控系统中，控制级操作站之间和管理级终端机之间采用Ethernet进行数据通信。实现了各操作站间的相互冗余备用以及管理数据的存取。
DCS各级之间的通信一直以来是工程技术人员关注的技术热点之一。该系统采用VIPA公司PC-CPU 288L自带的Ethernet端口很好的解决了现场级到控制级之间的通信问题。实现了现场实时数据向上输送和控制级信号的向下传递。由于控制级和管理级同时采用Ethernet，因此它们之间直接用集线器(HUB)相连，进行相互通信。
该监控系统中，将以太网(Ethernet)与现场总线相结合实现了PLC站之间、操作站之间、管理终端之间以及现场级、控制级、管理级之间的数据通信。
3软件设计
系统软件采用CONTROL LAB软件包，其层次结构如图2。

现场级V200 CPU站采用了快速可预测实时内核，其周期性工作的时间稳定性(Jitter-Time)可达2微秒(300MHZ CPU)。PLC和硬件模块及现场总线的数据交换均在实时任务中进行，保证了这类数据交换在操作系统中的延时不过几个微秒。控制任务作为实时任务执行，其短工作周期可达0．01毫秒。
PLC监控程序采用图形化组态工具ControlChart编制，该工具是一种基于IEC1131-3流程图形语言的开发式控制软件，符合工业标准。工程师在控制级操作站上即可利用现成模块进行自由组合、在线观察和调试，大地缩短了控制系统的调试时间。瓦楞纸板流水线的控制任务主要进行线上各机组运行速度协调。速度调节中粘合机作为主机，过胶机、修边机、横切机和堆叠机与主机同步运行。该监控系统速度控制流程图如图3所示。
ZJL、DJL、DDCL和SJCL分别对应纸浆量(瓦楞机)、堆积量、订单产量和实际产量，根据以上量的测量数值对粘合机和瓦楞机速度进行相应的调节。
在控制级和管理级软件基于bbbbbbS NT平台，采用易学易用的Visual Basic6．0进行编程，其中采用ActiveX、OPC、TCP／IP等通用技术和标准，用户可以方便的与其他软件系统进行自由通讯和进行功能扩展。控制级操作站检测画面主要有总操作图、瓦楞机监测图、粘合机检测图、过胶机监测图、修边机监测图和横切机监测图。管理级终端包括订单管理画面和出货管理画面等。
4系统功能
在软硬件基础上实现的瓦楞纸板生产线监控系统功能如图3所示。监控系统功能分为监控和管理功能。监控主要是工况显示和生产操作，管理主要是订单管理和出货管理。

4．1工况显示
在控制级的操作站以及管理级的终端机中显示现场采集来的生产线状态数据，主要包括：生产中的纸板品种，尺寸规格；现时各机组生产速度、电机电流；瓦楞机原纸堆积量；粘合机出纸量、各段温度；现时的实切张数，订单的总张数，还欠实际张数；成品，不良产品的数量(不良品人工输入)原纸剩余长度等。显示方式包括数字、柱状图和趋势图等。在此基础上进行速度、电流、温度、堆积量等过限报警。

4．2生产操作

4．2生产操作
根据现场的信号，软件可以自动对生产线进行相应的控制，主要有：
(1)正常情况下，以粘合机作为主机进行全线单一速度的控制，其它机组能根据自身的工艺要求适应性的同步加速或同步减速。
(2)自动侦测瓦楞机纸板堆积量并能自动调节相应机组的生产速度，当堆积量过上，自动增大粘合机以及其它相关机组的速度。在紧急情况下，可以对生产线进行紧急减速。
(3)根据管理人员输入的产品规格，在订单执行初期自动调节修边机、横切截的线，并能够在生产过程中自动调整。
(4)由订单的总张数和尺寸，自动运算出所需生产的总米数，各主要机台便能因自身的实际机组距离，生产出相应长度的楞纸。
同时软件设置了自动和手动两种控制方式，工作人员可以在手动方式下根据情况对生产线进行相应的控制。
4．3订单管理
订单管理是在生产操作功能的基础上实现，其主要功能有：
(1)管理人员可以在办公室终端机输入当日之订单，包括接单日期，订单号，客户类别，纸质，纸宽，交货日期等数据。根据纸质，纸宽打印各月份接单统计表。
(2)根据订单所要求的纸质，交货日期以及生产线状态，监控程序可以自动执行新订单。同时工作人员也可以根据情况，手动让系统执行新订单。
(3)实时记录订单的完成情况，根据订单完成情况，定期打印订单生产情况报表。
同时在数据库服务器中设置了用户权限，因此可保证定单数据的。
4．4出货管理
出货管理主要将已安排生产的订单以挑选方式排出作为出货定单。管理人员输入出货单之运费价格、车号、装车时间、装货规格品种、数量等，并列出当日或当日货运明细表。同时包括单的输入、正和删除等。
5结束语
嘉隆瓦楞纸板生产线DCS采用3级结构，采用Ethernet与现场总线相结合的方式进行数据通信，大量采用冗余技术，实践表明，该系统开放性和容错能力高，系统重新定义容易，可扩展性和可维护性好。采用以实时内核为基础的系统软件，进行系统的功能定义和采制算法程序的编写，系统的稳定性相对较好。

随着激光技术的发展，激光测距传感器在检测领域得到了越来越多的应用。基于HOLLIAS-LEC G3小型一体化PLC的激光测距系统，在上位机监控下，对多台激光测距传感器采集的数据进行处理，通过PLC把数据传送给上位机应用软件。

激光测距传感器的基本原理是通过相位测距技术来确定目标距离。只要测出发射和接收光波的相位差，即可得到目标的距离，因此相位测距可理解为以调制光波半波长为“测量尺度“的距离测量方法。

激光测距系统的部分为和利时公司基于HOLLIAS-LEC G3系列小型一体化PLC的40点CPU模块LM3108，该模块包含PORTO和PORT1两个串口，其中PORTO为RS485通信接口，PORT1为RS232通信接口，利用RS232通信接口可建立PLC与上位机的通信，实现PLC程序的下装和监控。利用RS485通信接口可建立PLC与现场仪表通信。利用PLC自由口协议可设置各类通信参数，方便地与激光测距传感器进行通信。PLC通过自由口协议接收多台激光测距传感器发送过来的数据，根据传感器提供的数据格式解析数据包、计算出测量的距离。该系统还具有显示测量距离，在非正常情况下报警，与上位机进行数据交换等功能。

该方案的控制程序选用和利时公司的编程软件PowerPro实现，根据传感器通信参数要求，设置PLC的PORTO通信协议。PLC采用自由协议方式接收激光测距传感器的数据，用%MB400-%MB411的12个字节作为通信接收寄存器，存放自由口通信方式下所接收的数据。由于PLC对传感器操作指令的形式是ASCII码，在发送数据时，需把来自传感器的ACSII码转换为PLC可操作的十六进制数，并写入数据缓冲区后，再进行偶校验，校验完成后写入发送缓冲区，供串口发送。同样，杂接收数据时，需把接收缓冲区的ACSII码格式数据转换为十进制数，存放在自定义的寄存器中，后以视图形式显示。

该方案成功地实现了小型PLC通过自由协议监控多台激光测距传感器，且系统结构简单，运行稳定、运行效果良好。

新型的PLC不仅可以代替继电接触系统对开关量进行逻辑运算和控制，还可以对模拟量进行数据处理、算术运算以及控制，有的还具有通信联网功能，因此各类控制系统中已越来越多地使用PLC［1～2］。
使用PLC对某加压泵站的加压控制系统进行技术改造，因其开关量大，逻辑连锁复杂，且有为数不少的模拟量需要监控，故采用了日本松下电工的产品——中型PLC-FP3。

1 加压泵站的管网结构和PLC控制系统

管网结构和PLC控制系统见图1。加压系统采用6台泵组，并遵循4台运行2台备用的原则，1＃、6＃电动机额定功率为280kW，2＃～5＃电动机为150kW。系统有两个清水池，以备抽水池水加压之用。V1～V23均为电动阀门，其中V12～V17为电动蝶阀，有反映阀门开度的电压信号输出。系统对自动控制的要求如下：
① 当**来水压力某设定值P1时，启动直接抽水加压；
② 当**来水压力另一设定值P2(P2 ③ 两加压方式可以互相转换；
④ 当加压启动完成后，即投入调压功能，通过调节阀门开度及台数保持水压恒定，精度为±5%。

 

采用的松下电工FP3是一种中型的可编程控制器，为模块式结构，组装灵活，维修方便；I/O点数大可达768点，程序容量大15800步；功能完善，具有数字和模拟量输入输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、功率控制等多种功能；还具有各种智能单元和网络通信功能，能满足复杂系统的控制要求。
上位机采用研华工控机及ABB公司组态软件，能显示整个管网系统及各设备的工作状态，以实现实时监控。

2　自动调压系统

直接抽水加压(或抽水池水加压)启动，直到两台泵组投入运行向管网充压一规定时间后，启动即告完成，这时调压系统自动投入工作。
2.1 调阀门开度调压
由于供水管网系统的大滞后性和非线性，数学模型难于建立，采用PID控制算法往往得不到好的控制效果，因此我们采用"分段+趋势"算法，即把水压误差分成5段，当误差大时选择小的操作周期和大的阀门开度变化量，反之则选择大的操作周期和小的阀门开度变化量。当误差≤±5%时，则辅以趋势控制，使误差进一步减小，具体算法如下：
①　|ek|>40%,T=T1,|Δθ|=Δθ1
20%<|ek|≤40%,T=T2, |Δθ|=Δθ2
10%<|ek|≤20%,T=T3, |Δθ|=Δθ3
5%<|ek|≤10%,T=T4, |Δθ|=Δθ4
20%<|ek|≤40%,T=T5, |Δθ|=Δθ5
②　当|ek|≤５%时，加上如下趋势算法：
0≤ek≤５%时
2.2 调台数调压
当运行泵组阀门开度已达以上，供水压力仍不足给定压力并维持20 min时，则再启动一台泵组；相反，当运行泵组阀门开度已减少至50%以下，而供水压力在20 min内保持110%给定压力，则停一台泵组。

3 结语

本系统在某加压泵站自投入运行以来，工作正常，性能良好，满足快速启动、恒压供水的要求；系统功能强，实用性好，提高了供水系统的自动化水平，为旧加压系统的改造提供了一种、经济实用的方案，特别是系统运行，十分适应加压泵站恶劣环境下工作的要求。

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，或与工厂控制联网，由控制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，并由此获得大的效益。

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、稳定、、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以其的性、抗干扰性以及灵活的控制方式成为隧道监控系统的控制器，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。

隧道控制的思想就是将所有纵向及横向的系统地结合起来，通过算法分析，终实现智能化控制。区域控制器就是其实现的。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，而本地控制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。在本地控制与区域控制器通讯中断的情况下，区域控制器仍然具备立控制现场设备的能力。因此区域控制器应且高度。

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，还具有容错的能力以提高通讯的性，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，使得设备新与增加、功能改善与变化，都能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、、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、管理分和管理所。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。

	信息层		控制层		设备层
	速率	名称	速率	名称	速率	名称
Omron	100M/10M	Ethernet	100M/10M	Ethernet/IP	12M	Profibus/DP
	100M/10M	Ethernet/IP	2M	Controller bbbb	500K	DeviceNet
Schneider	100M/10M	Ethernet	100M/10M	Ethernet	19.2K	Modbus
	100M/10M	Modbus-TCP/IP	1.5M	Modbus-Plus
Rockwell	100M/10M	Ethernet	100M/10M	Ethernet	500K	DeviceNet
	100M/10M	Ethernet/IP	1.5M,5M(<100m)	ControlNet
Siemens	100M/10M	Ethernet	100M/10M	Ethernet	12M	Profibus/DP
	100M/10M	ProfiNet	1.5M	Profibus/FMS

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，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，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，隧道控制的一个思想是保证隧道的尤其是突发事件时候隧道的，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。在当前技术还未成熟之前，现场总线应用于控制层，是一个积和稳妥的选择。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的性能提出了高的要求，作为隧道监控的控制器，其具备以下几大功能特点：本身稳定，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，区域控制器可以立承担控制分区的基本控制任务，即使监控站或者监控因故障停止运行，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，它至少有如下功能模块，数据采集存储处理功能（实现集中和立工作方式，尤其是在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，又以欧姆龙的应用为广泛。

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，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性的要求，现场控制站的PLC选用OMRON公司的CS1D系列处理器。PLC现场控制站通过光纤冗余环网Ethernet与控制室计算机联接。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，完成控制室的实时监控。

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场控制分站（PLC1——PLC12）。莲花岭隧道设置10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。

（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，如果建设加的隧道监控系统，保证建设以及营运的是当然我们面临的问题。为此，我们考虑到以下几点：

一方面要兼顾系统的稳定、与可控，也要反映系统的、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性、稳定性、性与经济性的结合。

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

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