探討PLC在高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

賀俊華

（中交四航局江門航通船業(yè)有限公司，廣東 江門 529100）

在道路交通中，高速公路隧道屬于管理重難點(diǎn)，在高速公路數(shù)量增加的同時(shí)，隧道數(shù)量也持續(xù)增加，我國(guó)雖然擁有廣闊的疆域，但地域環(huán)境卻極為復(fù)雜，在交通管理方面十分依賴監(jiān)控系統(tǒng)。在這一背景下，高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)是否具備經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定性、可開發(fā)拓展性和先進(jìn)性成為了有關(guān)部門關(guān)注的重點(diǎn)。而PLC的應(yīng)用，則有助于上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。因此對(duì)此項(xiàng)課題進(jìn)行研究，其意義十分重大。

1 PLC在高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例

南方某地區(qū)的高速公路是國(guó)家規(guī)劃的重點(diǎn)線路，連接眾多省市地區(qū)，本工程的修建標(biāo)準(zhǔn)為山嶺重丘區(qū)高速公路標(biāo)準(zhǔn)，擁有四個(gè)車道，設(shè)計(jì)時(shí)速為每小時(shí)80km，總長(zhǎng)度為141km，公路沿線的立交橋數(shù)量為10座，同時(shí)還有8條長(zhǎng)度超過1km的隧道以及5條長(zhǎng)度小于1km的隧道，隧道總長(zhǎng)度為20km，因此，在該條高速公路中，隧道監(jiān)控系統(tǒng)在全線監(jiān)控中具有舉足輕重的地位。在查閱資料后得知，8條長(zhǎng)隧道均設(shè)置了完整的監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由諸多子系統(tǒng)組成，如通風(fēng)照明、隧道廣播、供配電等。其中，PLC在其中負(fù)責(zé)采集和發(fā)布隧道內(nèi)的各類信息，包括交通監(jiān)控信息、供配電信息和通風(fēng)照明信息。

2 PLC系統(tǒng)概述

案例高速公路所采用的PLC數(shù)量多達(dá)78套，這些PLC組成了冗余令牌環(huán)網(wǎng)的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?yàn)镻LC和上位機(jī)之間的自動(dòng)數(shù)據(jù)連接提供支持，同時(shí)，還能傳送可編程數(shù)據(jù)，其應(yīng)用有助于提高數(shù)據(jù)傳輸效率和質(zhì)量。

2.1 PLC系統(tǒng)的組成

每個(gè)隧道中設(shè)置的PLC會(huì)組成光纖冗余令牌環(huán)網(wǎng)，這里所說(shuō)的PLC分別位于隧道的左右兩端，每個(gè)令牌環(huán)網(wǎng)均屬于獨(dú)立的控制系統(tǒng)，并不會(huì)互相影響。主控PLC與監(jiān)控設(shè)備內(nèi)的PLC，會(huì)通過Hostlink相連接，同時(shí)，還能基于以太網(wǎng)達(dá)成數(shù)據(jù)交換的目的。位于監(jiān)控室內(nèi)的主控PLC，會(huì)連接一塊觸摸屏，并以MODEM為媒介連接監(jiān)控分部的觸摸屏，最終構(gòu)成一個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

2.2 PLC系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的功能

PLC應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的功能如下所述：

（1）對(duì)所在區(qū)域的檢測(cè)設(shè)備所獲取的信息進(jìn)行采集，目前，在高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用的檢測(cè)設(shè)備主要以能見度、CO、車輛和透過率檢測(cè)器為主。

（2）預(yù)處理采集信息。以CO檢測(cè)信息為例，在正常狀況下，高速公路隧道中CO濃度普遍為150～250ppm，這個(gè)濃度屬于允許濃度。但在交通堵塞的情況下，平均車速可能會(huì)下降到每小時(shí)10km，假設(shè)堵塞時(shí)間為小于20min，隧道內(nèi)的CO濃度允許值會(huì)上升到300ppm，此時(shí)，PLC控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)開啟通風(fēng)裝置，通過這種方式，使隧道內(nèi)CO濃度值下降。隧道內(nèi)對(duì)正常風(fēng)速的要求為每秒10m，本地單元需要對(duì)這個(gè)數(shù)值進(jìn)行儲(chǔ)存。簡(jiǎn)言之，就是隧道監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的PLC會(huì)處理存儲(chǔ)單元內(nèi)的各項(xiàng)信息，并向服務(wù)器上傳處理后的信息。

（3）PLC程序可以響應(yīng)工業(yè)計(jì)算機(jī)所下發(fā)的控制命令，包括照明開關(guān)控制、通風(fēng)設(shè)備啟動(dòng)和停止等，與此同時(shí)，還能對(duì)比命令與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并在此基礎(chǔ)上，針對(duì)下端設(shè)備發(fā)出控制指令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)這些設(shè)備的有效控制。

（4）本地控制器具有兩種控制模式，分別是手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，手動(dòng)控制主要是指工作人員利用觸摸屏替代自動(dòng)控制。這種控制方式需要在通信中斷的情況下使用。

（5）具有程序存儲(chǔ)功能，多個(gè)常用和特殊程序的存儲(chǔ)，有助于應(yīng)對(duì)安全事故。如在發(fā)生交通事故時(shí)，PLC程序會(huì)通過下達(dá)控制指令的方式，對(duì)交通信號(hào)燈進(jìn)行調(diào)整，并發(fā)出報(bào)警信息。

3 PLC系統(tǒng)的編程

3.1 交通控制

在PLC系統(tǒng)編程中，交通控制程序的重要性不言而喻，該程序的主要功能是信息讀取、數(shù)據(jù)上傳和控制功能。具體表現(xiàn)為，對(duì)車輛檢測(cè)裝置、車道指示標(biāo)志和情報(bào)板狀態(tài)信息進(jìn)行讀取，然后向上位機(jī)傳遞這些數(shù)據(jù)，同時(shí)將上位機(jī)設(shè)定好的交通模式作為依據(jù)，對(duì)上述裝置進(jìn)行控制。如果高速公路隧道中發(fā)生交通事故，交通控制程序還會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。此外，還具有定期校時(shí)功能，確保監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)全部車輛檢測(cè)器的時(shí)間保持一致。以交通信號(hào)燈和車道指示標(biāo)志狀態(tài)控制為例，其控制可以分為三級(jí)，如下所述：第一，監(jiān)控分中心控制：控制方式為兩種，分別是自動(dòng)和手動(dòng)控制，其中自動(dòng)控制是指由上位機(jī)發(fā)出控制指令，而手動(dòng)控制由人工借助上位機(jī)和觸摸屏實(shí)現(xiàn)對(duì)上述裝置的遠(yuǎn)程控制。第二，隧道監(jiān)控室控制：主要控制方式為手動(dòng)控制。第三，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備：控制方式與隧道監(jiān)控室相同。

3.2 通風(fēng)控制

這個(gè)程序能夠?qū)⒏鞣N檢測(cè)裝置所檢測(cè)的數(shù)據(jù)作為依據(jù)，對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，在節(jié)能的基礎(chǔ)上，延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)的使用壽命。此外，在發(fā)生火災(zāi)事故后，通風(fēng)控制程序還能將火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)作為依據(jù)，及時(shí)開啟所在地的風(fēng)機(jī)，降低火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的煙霧濃度，保證出行人員和隧道的安全。以案例工程的通風(fēng)控制程序?yàn)槔?，該程序控制風(fēng)機(jī)的依據(jù)包括以下數(shù)據(jù)：第一，透光率；第二，交通量數(shù)據(jù)；第三，CO濃度數(shù)據(jù)，在接收到這些數(shù)據(jù)后，通風(fēng)控制程序就會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間、風(fēng)向和開啟數(shù)量進(jìn)行控制。與傳統(tǒng)的通風(fēng)控制程序相比，基于PLC的通風(fēng)控制程序，對(duì)風(fēng)機(jī)的控制效果較為顯著，能夠控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方式和啟停時(shí)間，在這一過程中，還能顯示每臺(tái)風(fēng)機(jī)當(dāng)前所處的狀態(tài)，并向上位機(jī)傳遞。此外，還具有自動(dòng)統(tǒng)計(jì)功能，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，合理啟停風(fēng)機(jī)，簡(jiǎn)言之，就是在啟動(dòng)風(fēng)機(jī)時(shí)，優(yōu)先選擇運(yùn)行時(shí)間短的風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)平衡各臺(tái)風(fēng)機(jī)的工作時(shí)間，延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)整體使用壽命的目的。通風(fēng)控制子系統(tǒng)的控制方式可以分為四級(jí)，如表1所示。

表1 通風(fēng)控制子系統(tǒng)控制方式

在一般情況下，位于隧道變電所內(nèi)的風(fēng)機(jī)控制轉(zhuǎn)換開關(guān)的設(shè)置以自動(dòng)為主，簡(jiǎn)言之，就是風(fēng)機(jī)由監(jiān)控分中心自動(dòng)控制。若控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，需要將主系統(tǒng)控制切換為子系統(tǒng)控制，以保持控制效果。在維修和測(cè)試風(fēng)機(jī)和子系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該將控制模式切換為通風(fēng)機(jī)開關(guān)箱手動(dòng)控制方式。風(fēng)機(jī)控制模式包括兩種，第一種是在特殊情況下選用某種預(yù)先編制的控制程序，在由人工確認(rèn)的基礎(chǔ)上，自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)行；第二種是對(duì)比CO和透光率檢測(cè)器所獲取的數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)值，依據(jù)對(duì)比結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的有效調(diào)節(jié)。

3.3 變電站監(jiān)視控制

在高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用PLC，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)視變電站當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的目的。其原理如下所述：PLC可以監(jiān)視高壓電源、低壓總開關(guān)、各段低壓母線、總信號(hào)、發(fā)電機(jī)信號(hào)和是否存在故障，然后向監(jiān)控分中心上傳這些數(shù)據(jù)信息，如果存在故障信號(hào)，監(jiān)視分中心會(huì)自動(dòng)告警。此外，PLC還能將變電站電源狀況作為依據(jù)，對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)加以控制。

3.4 照明控制

在高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)中，照明控制程序極為關(guān)鍵，與交通安全息息相關(guān)。而基于PLC的照明控制程序，能夠依據(jù)各種信息數(shù)據(jù)，對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行有效控制。從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行和保護(hù)行車安全的目的，與此同時(shí)，還可以監(jiān)視隧道內(nèi)照明設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)。這里所說(shuō)的信息數(shù)據(jù)主要是指洞內(nèi)光照強(qiáng)度、洞外光照強(qiáng)度、交通量和天氣狀況。基于PLC的照明控制程序，在發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)存在不亮或亮度不足的燈具時(shí)會(huì)進(jìn)行報(bào)警，簡(jiǎn)言之，就是利用光強(qiáng)檢測(cè)儀對(duì)燈具光強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)比設(shè)定值，如果燈具光強(qiáng)低于設(shè)定值，就會(huì)通知維護(hù)部門及時(shí)檢修或更換。以本文所研究的監(jiān)控系統(tǒng)為例，在自動(dòng)控制模式下，如果發(fā)生火災(zāi)，PLC在接收監(jiān)控系統(tǒng)所發(fā)出的指令后，會(huì)開啟隧道內(nèi)的全部燈具。在自動(dòng)和遠(yuǎn)程控制模式下，任何時(shí)間內(nèi)，都能保證至少有一路的照明燈具開啟。這個(gè)隧道的照明控制方式主要包括三種，分別為自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制和人工控制。其中，照明系統(tǒng)可以自行完成自動(dòng)控制和人工控制，監(jiān)控系統(tǒng)在配合照明系統(tǒng)后可以完成遠(yuǎn)程控制。在控制完成后，照明系統(tǒng)會(huì)向監(jiān)控系統(tǒng)傳遞控制狀態(tài)信號(hào)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在高速公路隧道數(shù)量不斷增加的背景下，如何管理隧道，保證行車安全成為了交管部門關(guān)注的重點(diǎn)。本文在研究后發(fā)現(xiàn)，高速公路隧道的環(huán)境較為惡劣，因此，應(yīng)用PLC能取得良好的效果，這種監(jiān)控方式，可以使工業(yè)計(jì)算機(jī)和PLC的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮，具體表現(xiàn)為在工業(yè)計(jì)算機(jī)強(qiáng)度計(jì)算能力的支持下，PLC在現(xiàn)場(chǎng)控制中的靈活性會(huì)有效實(shí)現(xiàn)。但PLC技術(shù)的作用不僅于此，有關(guān)部門應(yīng)加強(qiáng)研究力度，完善監(jiān)控系統(tǒng)的功能。