系統(tǒng)構(gòu)成
隧道按照長度分類，分別有短隧道（L<250m）、中隧道（250m
隧道監(jiān)控系統(tǒng)按照各個子系統(tǒng)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)報警系統(tǒng)、消防控制系統(tǒng)、緊急電話系統(tǒng)及廣播系統(tǒng)等。按照設(shè)備的類型可分為：檢測設(shè)備、控制設(shè)備、顯示設(shè)備和通信設(shè)備。檢測設(shè)備如：火災(zāi)報警探頭、車輛檢測器、COVI、能見度檢測儀及風(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)域控制器及通風(fēng)區(qū)域控制器等；顯示設(shè)備如：計算機(jī)工作站、大屏幕監(jiān)視器及聲光報警器等；通信設(shè)備如：交換機(jī)、集線器、串口信號傳輸設(shè)備及光端機(jī)等。
隧道監(jiān)控的難易程度不僅與隧道的長度有關(guān)，而且與隧道的交通車流量有關(guān)。依據(jù)對隧道監(jiān)控和管理的要求，又將隧道分為A、B、C、D四個等級，其中對監(jiān)控要求高，B級次之，其余類推。當(dāng)前在工程界一致認(rèn)同的隧道監(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，不但造價較低，而且可靠性較高。適用于長隧道的分布式現(xiàn)場總線控制模式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個層次：上層為計算機(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。
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，實現(xiàn)智能化控制。區(qū)域控制器就是其實現(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)域控制器通信中斷的情況下，區(qū)域控制器仍然具備獨立控制現(xiàn)場設(shè)備的能力。因此區(qū)域控制器應(yīng)高效且高度可靠。作為區(qū)域控制器的核心控制部分，PLC應(yīng)用多，其穩(wěn)定性、實時性以及對環(huán)境很強(qiáng)的適應(yīng)能力，非常適用于隧道的現(xiàn)場環(huán)境。
本地控制中心一般由現(xiàn)場監(jiān)控工作站(控制計算機(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，用于實現(xiàn)對整個隧道監(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)，實時地把所有設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)以圖表、顏色、閃爍及數(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，實現(xiàn)設(shè)備的手動控制。
除現(xiàn)場控制設(shè)備，整個系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)則是保證系統(tǒng)能否高效運(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)點在不斷增加。通信網(wǎng)絡(luò)不僅要具有較高的通信速率以保證大量數(shù)據(jù)的有效傳輸，還必須具有容錯的能力以提高通信的可靠性，即網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)故障時能夠?qū)崿F(xiàn)自恢復(fù)，同時，構(gòu)成通信網(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，都能應(yīng)用于原有系統(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的設(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。從國內(nèi)隧道監(jiān)控系統(tǒng)的實際應(yīng)用情況來看，對隧道監(jiān)控環(huán)境的認(rèn)識，在一些項目中，重視成度還不夠，一些隧道控制箱遠(yuǎn)沒有達(dá)到IP65以上的防護(hù)等級，這樣的監(jiān)控系統(tǒng)是很不安全的。
解決方案
監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)和PLC是隧道監(jiān)控系統(tǒng)的核心組成部分，它們的性能對隧道監(jiān)控系統(tǒng)會起到?jīng)Q定性的作用。根據(jù)隧道本身的特點和監(jiān)控需求選擇合適的PLC及通信網(wǎng)絡(luò)是保證隧道監(jiān)控系統(tǒng)性能的重要因素。
1.通信網(wǎng)絡(luò)
在隧道監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上，國內(nèi)在管理體制上主要采用三級管理，即監(jiān)控總中心、區(qū)域監(jiān)控分中心和監(jiān)控站。由于監(jiān)控站不直接對隧道的外場設(shè)備進(jìn)行直接控制，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。
層為信息層，主要負(fù)責(zé)大量信息及不同廠家不同設(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)出實時性更高的工業(yè)以太網(wǎng)，如Omron和Rockwell支持的Ethernet/IP，Schneider支持的Modbus-TCP/IP以及Siemens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)，其特點是由于采用了標(biāo)準(zhǔn)總線組網(wǎng)，既能滿足實時通信的要求，又具有開放協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)接口，能在總線上方便地掛接各種外場設(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，在公路監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用的現(xiàn)場總線主要有Controller Link、LonWorks、Inetrtbus、Profibus、CAN和Modbus+。它們的共同特點是高速、高可靠，適合PLC與計算機(jī)、PLC與PLC及其他設(shè)備之間的大量數(shù)據(jù)的高速通信。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)將在后面做出實例說明。
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)場儀表之間的通信，包括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)，但是其應(yīng)用也相當(dāng)廣泛。
值得指出的是，近年來以太網(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)是否將取代現(xiàn)場總線仍然是一個爭論的話題。然而，不論是Ethernet/IP還是Modbus-TCP/IP，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，實時性并沒有現(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、分時訪問控制等，都只能改善以太網(wǎng)的實時性，得不到本質(zhì)的改變。隧道控制的一個核心思想是必須保證隧道的安全尤其是突發(fā)事件時隧道的安全，如果突發(fā)事件的發(fā)生造成數(shù)據(jù)訪問產(chǎn)生碰撞，使得信息不能及時得到處理而導(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，是一個積極和穩(wěn)妥的選擇。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很有可能的。
2.監(jiān)控分中心及上位監(jiān)控軟件
監(jiān)控分中心一般將設(shè)置多臺SCADA工作站（工控機(jī)）。分別用于交通監(jiān)控、消防報警、圖形控制、通風(fēng)照明控制、視頻監(jiān)控等，完成隧道內(nèi)各種設(shè)備的狀態(tài)顯示、自動控制、半自動控制、打印報警、分析報表等工作。同時，監(jiān)控分中心還將設(shè)置多臺服務(wù)器，為其他計算機(jī)提供支援和與監(jiān)控總中心進(jìn)行通信。
圖2 Omron CS1系列
3.PLC的選擇
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：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，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，其必須至少有如下功能模塊，數(shù)據(jù)采集存儲處理功能（實現(xiàn)集中和獨立工作方式，尤其是在獨立控制時能與相鄰控制器實現(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）。
必須綜合考慮整個監(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)境狀況條件下長、特長隧道的時候，需要選擇性能更好的雙機(jī)熱備冗余的PLC。如Schneider的Quantum系列、Rockwell的ControlLogix、Omron的CS1D系列以及Siemens的S7-400系列。
在一般的環(huán)境狀態(tài)以及中、長隧道中，多采用標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)型作為現(xiàn)場控制器，如Schneider的Quantum140系列、Rockwell的ControlLogix、Omron的CS1系列及Siemens的S7-400系列等；它們都支持工業(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，滿足隧道監(jiān)控系統(tǒng)對信號處理的要求。
應(yīng)用案例
下面以山西晉城至陽城高速公路隧道為例，具體說明隧道監(jiān)控系統(tǒng)的實際應(yīng)用。
晉城至陽城段高速公路，設(shè)計范圍36.029km。其中高速公路長27.47km，封閉二級公路長8.5598km。道路起點接長晉高速公路，終點與陽城市區(qū)道路相接。本路全線有隧道4座，包括五佛山隧道（514m），牛王山隧道（1880m/1860m），天壇山隧道（1008m），管道嶺隧道（1300m）。本監(jiān)控方案主要就牛王山隧道機(jī)電監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行說明。
整個隧道機(jī)電監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)由設(shè)在遠(yuǎn)端的監(jiān)控通信中心和隧道內(nèi)(包括牛王山隧道變電所)的本地控制器以及相關(guān)的通信線路組成。監(jiān)控中心內(nèi)設(shè)有交通狀況模擬顯示大屏幕、工作站、監(jiān)控計算機(jī)群、打印機(jī)、服務(wù)器和CCTV視頻墻等設(shè)備，供操作人員監(jiān)視和指揮隧道內(nèi)和道路的運(yùn)營情況。
在牛王山隧道監(jiān)控系統(tǒng)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變電所內(nèi)，其余的本地控制器分散布置在牛王山隧道上下行的各個位置，所有本地控制器通過100Mb/s速率的以太網(wǎng)形成光纖冗余環(huán)網(wǎng)。光纖環(huán)網(wǎng)使得環(huán)路上任意兩個區(qū)域控制器間通信有兩條物理鏈路，這樣即使某處光纖出現(xiàn)斷裂故障,系統(tǒng)仍可以自動尋找到反方向的通信鏈路繼續(xù)維持通信，既增加了通信可靠性，又提供了在線不停機(jī)檢修通信的功能。牛王山隧道變電所內(nèi)的主控本地控制器也通過100Mb/s速率的光纖以太網(wǎng)與監(jiān)控通信中心相連，保證了監(jiān)控數(shù)據(jù)和指令的實時海量數(shù)據(jù)傳輸。
各PLC對照明、通風(fēng)、本地控制系統(tǒng)信息進(jìn)行采集，同時按所設(shè)定的程序以及上位機(jī)的指令進(jìn)行相應(yīng)的動作。采集的信息經(jīng)光纖以太環(huán)網(wǎng)傳至控制室計算機(jī)上，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。另外，在主控制器上還配有液晶觸摸屏，用來對給設(shè)備操作和顯示其反饋信息及檢查所轄各設(shè)備的狀態(tài)，同時它可以取代手持式編程器對PLC進(jìn)行編程；而且，在隧道監(jiān)控中心的服務(wù)器上匯集了隧道各個設(shè)備實時信息，所以本地控制器不僅要能快速交換實時數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并能接受和執(zhí)行上位機(jī)的指令，通過服務(wù)器可對現(xiàn)場任一設(shè)備（照明、通風(fēng)、本地控制器）發(fā)布操作命令。在牛王山隧道變電所選用了Omron的 CS1D系列PLC作為本地控制器，如圖1所示。CS1D系列PLC具有雙CPU模塊，雙電源模塊，支持熱插拔，極大提高了主控制器的可靠性，使得整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)不停機(jī)檢修功能。在隧道內(nèi)的7臺本地控制器我們選用Omron的CS1系列PLC，其具有高速信息交換能力和良好控制功能，CS1系列PLC作為隧道內(nèi)的區(qū)域控制器。如圖2所示。在每臺PLC上安裝有RS-485/RS422或RS-232通信端口，以便與多參數(shù)智能變送器、限速控制器、可變情報板顯示控制器等儀表控制設(shè)備相連，串行通信的數(shù)據(jù)協(xié)議是隨著制造商和設(shè)備而變的。協(xié)議的差別，使得不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備間的通信非常困難，即使它們的電氣標(biāo)準(zhǔn)相同，Omron通過建立的易用于匹配所連接的設(shè)備的協(xié)議宏功能解決了這個問題，協(xié)議宏使得開發(fā)方不需要編寫專門的通信程序與第三方設(shè)備進(jìn)行通信，原則上OmronPLC能和任何帶RS-232C，RS-422或RS-485接口的設(shè)備進(jìn)行通信。在本控制系統(tǒng)中用于控制照明、通風(fēng)、電力及交通等設(shè)備的各個區(qū)域控制器均采用獨立的控制程序。控制室兩臺計算機(jī)則通過Ethernet與上級控制中心聯(lián)系。
改進(jìn)與發(fā)展
當(dāng)前我國隧道監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和實施正處于一個成長期，系統(tǒng)的需求、設(shè)計、結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)的控制仍然存在不*的地方，同時技術(shù)的發(fā)展也給監(jiān)控系統(tǒng)的改進(jìn)創(chuàng)造了條件和基礎(chǔ)，也使建設(shè)合理的隧道監(jiān)控系統(tǒng)成為可能。
從系統(tǒng)的需求來看，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；從系統(tǒng)的設(shè)計來看，除考慮系統(tǒng)的規(guī)模和設(shè)計方法外，也要考慮新技術(shù)的應(yīng)用，使整個系統(tǒng)既又實用；從系統(tǒng)的控制來看，當(dāng)前我國公路監(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。
今后我國的隧道監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展是在原有基礎(chǔ)上，按照監(jiān)測與控制適當(dāng)分離，集中監(jiān)測，靈活機(jī)動的現(xiàn)場控制的總體思想，逐步改進(jìn)，使得隧道監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)更趨合理。
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