摘 要： 本文簡要介紹了當(dāng)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(shí)以天津津薊高速公路項(xiàng)目為例，詳細(xì)分析了單隧道和隧道群的具體解決方案，zui后分析了隧道監(jiān)控系統(tǒng)的改進(jìn)與發(fā)展。
關(guān)鍵詞：可編程控制器    隧道監(jiān)控系統(tǒng)
Abstract：In this paper, the structure of tunnel control system at present in China is described 
firstly, and on the basis of it the whole scheme and configurations about core region
 controller and communication network are analyzed , and at the same time, some total 
solutions of tunnels based on building or built project in Tianjing are provided in 
detail, and in the end  the application and improvement and development of tunnel 
control system is given.
Key Words：PLC ， Tunnel control system
一、引言
　　隨著交通道路的不斷發(fā)展，作為其一個(gè)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、*、經(jīng)濟(jì)的隧道監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成為工程界和公路營運(yùn)管理部門共同關(guān)心的問題?，F(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(gè)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(bào)警系統(tǒng)、消防控制系統(tǒng)、緊急系統(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(bào)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(jì)算機(jī)工作站、大屏幕監(jiān)視器、聲光報(bào)警器等；通訊設(shè)備如：交換機(jī)、集線器、串口信號傳輸設(shè)備、光端機(jī)等。
　　當(dāng)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(jià)較高，由中控室對現(xiàn)場設(shè)施進(jìn)行控制與管理，后者施工方便，不但造價(jià)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(jìn)行控制，由現(xiàn)場各種設(shè)施的控制器進(jìn)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(gè)層次：上層為*計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)）、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(shí)現(xiàn)對整個(gè)隧道監(jiān)控系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)軟件運(yùn)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(shí)時(shí)地把所有設(shè)備的當(dāng)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(gè)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(shí)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(jī)地結(jié)合起來，通過算法分析，zui終實(shí)現(xiàn)智能化控制。區(qū)域控制器就是其實(shí)現(xiàn)的核心。各區(qū)域控制器負(fù)責(zé)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(dú)立控制現(xiàn)場設(shè)備的能力。因此區(qū)域控制器應(yīng)且高度可靠。
　　除現(xiàn)場控制設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)則是保證系統(tǒng)能否運(yùn)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(diǎn)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(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)自恢復(fù)，同時(shí)，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(kuò)展性，使得設(shè)備更新與增加、功能改善與變化，都能zui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?jǐn)_，而一些高原隧道面臨嚴(yán)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(qiáng)，干擾強(qiáng)，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(yùn)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(jìn)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。
　信息層控制層設(shè)備層
速率名稱速率名稱速率名稱
Omron100M/10MEthernet100M/10MEthernet/IP12MProfibus/DP
100M/10MEthernet/IP2MController Link500KDeviceNet
Schneider100M/10MEthernet100M/10MEthernet19.2KModbus
100M/10MModbus-TCP/IP1.5MModbus-Plus　　
Rockwell100M/10MEthernet100M/10MEthernet500KDeviceNet
100M/10MEthernet/IP1.5M,5M（<100m）ControlNet　　
Siemens100M/10MEthernet100M/10MEthernet12MProfibus/DP
100M/10MProfiNet1.5MProfibus/FMS　　

表（一） 三層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一覽表
　　*層為信息層，主要負(fù)責(zé)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(shí)時(shí)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(gè)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(diǎn)是由于采用了標(biāo)準(zhǔn)總線組網(wǎng)，既能滿足實(shí)時(shí)通信的要求，又具有開放協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)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(diǎn)是高速、高可靠，適合PLC與計(jì)算機(jī)、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(shí)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(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)總線而得到了廣泛的應(yīng)用，而Profibus/DP雖然沒有成為標(biāo)準(zhǔn)，但是它的應(yīng)該也相當(dāng)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zui終將取代現(xiàn)場總線仍然是一個(gè)爭論的話題。然而，不論是Ethernet/IP還是Modbus-TCP/IP，當(dāng)前以太網(wǎng)在一些重要的性能指標(biāo)上仍然無法具有現(xiàn)場總線的特點(diǎn)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(shí)時(shí)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(shí)訪問控制等，都只能改善以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性，起不到本質(zhì)的改變，隧道控制的一個(gè)核心思想是必須保證隧道的安全尤其是突發(fā)事件時(shí)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(shí)得到處理而導(dǎo)致重大事故，后果將不堪設(shè)想。在當(dāng)前技術(shù)還未*成熟之前，現(xiàn)場總線應(yīng)用于控制層，是一個(gè)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(diǎn)：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(hù)能力；其次，區(qū)域控制器可以獨(dú)立承擔(dān)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(yùn)行，相鄰區(qū)域的控制器也能交換交通量信息；再次，當(dāng)某區(qū)域的交通量出現(xiàn)變化時(shí)，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(shí)現(xiàn)集中和獨(dú)立工作方式，尤其是在獨(dú)立控制時(shí)能與相鄰控制器實(shí)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。
　　必須綜合考慮整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的性能要求和自然條件以及運(yùn)營周期對設(shè)備的要求進(jìn)行選擇，尤其在氣候和惡劣環(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(jī)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(gè)底板上實(shí)現(xiàn)，而其他廠家的冗余系統(tǒng)是兩個(gè)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)的機(jī)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(yuǎn)程帶CPU的智能分布式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)開放性和兼容性強(qiáng)，豐富的I/O及高功能模塊，*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(jì)型的機(jī)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(diǎn)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(shí)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(shí)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(jì)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*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(dú)立性；22個(gè)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(diǎn)，在現(xiàn)場控制站下還掛有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集單元，或智能控制裝置。實(shí)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(jìn)行通訊。
　　根據(jù)被控對象對連續(xù)運(yùn)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*控制室計(jì)算機(jī)聯(lián)接。遠(yuǎn)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?，F(xiàn)地控制站既能夠獨(dú)立進(jìn)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(jī)，完成*控制室的實(shí)時(shí)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(gè)現(xiàn)場控制站，或作為一個(gè)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(jìn)行通訊。中控室能夠觀察到一些重要的運(yùn)行狀態(tài)和工藝參數(shù)，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)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(fù)責(zé)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(fù)責(zé)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10/100 Mbit/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(fù)責(zé)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(fù)責(zé)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10/100 Mbit/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(jìn)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(jì)算機(jī)；
（4）接收隧道管理站計(jì)算機(jī)的各種控制命令，將控制命令和設(shè)備運(yùn)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(biāo)志、交通信號燈等的指令）。
（5）可存儲幾個(gè)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(dāng)通信中斷或其它原因和上端失去時(shí)，可進(jìn)行手動聯(lián)動操作，且手動優(yōu)先。
（7）具有自檢功能。
五、改進(jìn)與發(fā)展
　　當(dāng)前我國隧道監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施正處于一個(gè)成長的時(shí)期，同時(shí)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(yùn)的可靠是當(dāng)然我們必須面臨的問題。為此，我們必須考慮到以下幾點(diǎn)：
　　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*、經(jīng)濟(jì)與可擴(kuò)展，同時(shí)也要使操作便捷與維護(hù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式以力求系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、*性與經(jīng)濟(jì)性的有機(jī)結(jié)合。
　　另外，除考慮系統(tǒng)的規(guī)模和設(shè)計(jì)方法外，也要考慮新技術(shù)的應(yīng)用，使整個(gè)系統(tǒng)既*又實(shí)用；從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來看，當(dāng)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(shí)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(gè)發(fā)展趨勢；從系統(tǒng)的控制來看，當(dāng)前監(jiān)控普遍存在著只監(jiān)不控，或監(jiān)強(qiáng)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(xiàn)>
[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       《交通配套與智能化》