高速公路隧道电子监控系统应用分析

高速公路隧道电子监控系统应用分析关键词：隧道监控PLC工控机摘要：本文主要介绍了高速公路隧道电子监控系统的构成，并结合实际应用给出了短隧道和长隧道的具体监控方案，对系统的实际运行效果进行了分析以及探讨了未来的发展方向。1.前言随着经济建设的发展，高速公路在国民经济中所起的作用越来越大，到2007年底，高速公路的通车里程达到了5.3万公里。高速公路道路监控系统为高速公路畅通运行提供了有效的保障，而高速公路隧道历来是高速公路道路监控的重中之重。福建省是典型的丘陵地带，隧道多、桥梁多是福建高速公路建设的特点，如何根据实际情况设计一套符合本地隧道特点的电子监控系统是工程建设中的关键。2.系统构成隧道电子监控系统分为三级，隧道本地控制器、隧道监控室、分中心监控室。隧道本地控制器内置基本的照明、通风运行模式，在没有上级控制干预下可以自动运行；隧道监控室装有工控机，通过网络与所有隧道本地控制器相连，采集隧道本地控制器的信息和外场设备的信息，根据事先设定好的运行模式自动运行，在隧道发生应急事件的情况下，可根据上级下达命令或者本地手动控制，执行预制的各种应急预案；分中心监控室监控机通过网络与隧道监控室相连，汇总所有隧道的设备信息，并进行分析，在必要时可通过监控员手段切换隧道本地的运行模式。隧道电子监控系统按照各个子系统分为照明子系统、通风子系统、火灾报警子系统、交通控制子系统、电力子系统。每个子系统既要能独立运行，又要能和别的子系统联动运行。照明子系统的功能是控制隧道内的照明，尽量减小由于隧道内外亮度反差引起的“黑洞效应”和“白洞效应”对驾驶员造成的影响。照明回路都是由开关量来控制的，隧道洞内外的光强仪和照度仪所输出的是模拟量，隧道本地控制器需根据洞内外的光强照度仪所测量出来的结果来调整隧道内的照明回路，PLC配置模拟量采集模块和I/O控制模块即可很好的完成对照明子系统的监控，同时在内置多种基本的时序模式，再结合面板上的触摸屏，可以实现在与上位机通讯中断情况下隧道本地的独立运行和手动控制。通风子系统的功能主要是监控隧道内的行车环境，在隧道内CO浓度过大或者发生火灾时开启风机排出废气。隧道内风机系统与CO/VI检测器和风速风向仪联动控制，当CO/VI检测超标时，自动开启风机，风机的方向由风向仪测出的风向控制。PLC配置模拟量采集模块采集CO/VI检测器和风速风向仪的值，配置I/O模块控制风机继电器，再加上手动控制模式，能够实现本地对立运行。火灾报警子系统是一套独立的系统，火灾检测点遍布整个隧道，统一由火灾报警主机采集，然后通过串口通讯协议发送给上位机。由于发生火灾时，需要启动应急预案，应急预案的启动需要监控员手动控制，因此火灾报警子系统的监控由隧道监控室的工控机负责，监控机在接到火灾报警信号后，上传分中心监控室，由监控员下达应急预案，然后联动隧道内各子系统运行。交通控制子系统负责交通数据采集和通行诱导，涉及的设备有车检器、车道控制器、交通信号灯、可变情报板、隧道横洞卷帘门等，其中车检器和可变情报板通过网络通信进行监控，由隧道管理站工控机负责；车道控制器、交通信号灯等通过开关量控制的设备则由就近的PLC负责采集和控制。电力子系统负责监测隧道内电力设备的运行参数，并可对中压断路器、手车等进行手动远程控制。配电箱内电表由本地PLC的模拟量采集模块采集，中压设备为独立设备，断路器、手车等由PLC的I/O模块控制，运行参数通过PLC上传隧道监控室，由工控机解析并汇总。3.应用实例3.1.工程概况邵三高速公路起点位于闽赣交界处邵武沙塘隘，终点接三福高速公路的际口互通。南平市境设有朱洋隧道，上村隧道；三明市境设有马仔岭隧道，麻岭隧道，宅上隧道，红牙山隧道，玉华隧道，路口隧道，雪峰山1号隧道，梨树隧道等大、特大隧道。邵三高速不但隧道多，而且中长隧道占多数，特别是如何对长达4公里的雪峰山隧道进行监控是邵三高速隧道电子监控系统要解决的主要问题。3.2.以往经验福建省第一条高速公路泉厦高速就已将隧道电子监控系统列为建设的内容之一。泉厦高速公路交通监控系统包含有公路沿线9台车辆检测器、2套可变情报板、2套雾检测器、2个监控分中心的计算机管理系统、2套地图屏和监视墙和一个大坪山隧道（1080米）的隧道监控设施。隧道内安装有照明系统、消防系统、通风系统和隧道监控系统。大坪山隧道电子监控系统为福建省隧道电子监控系统开了先河，打下了很好的基础。随后建设的罗宁、罗长和福宁高速均大规模采用隧道电子监控系统，福宁高速整个隧道监控系统采用PLC作为本地控制器，对照明系统、通风系统、火灾报警系统、车检器和情报板等进行监控。福银高速一期（原京福高速一期）隧道电子监控系统在前期高速公路建设基础上结合国内高速公路隧道监控的发展趋势，加入了对电力设备的监控，包括接触器、空开、电表、中压设备等。在本地控制器的选型上放弃了福宁高速采用的PLC，改用上海南自生产的RTU。在后来的实际应用中证明，这种以RTU作为本地控制器的隧道电子监控系统并不能满足高速公路应用的要求，高速公路隧道电子监控系统有其自身的特点，不能完全照搬电力监控系统的设计方案。邵三高速作为福银高速二期建设项目，总结了以往高速公路建设的经验和教训，继续沿用福宁高速的设计思路并加以改进。在隧道监控上采用隧道管理站与PLC本地控制器相结合的方式。3.3.短隧道监控对于本路段小于1000M的短隧道，路口隧道、双溪口隧道、曹溪隧道、龙峰溪隧道等18个隧道。均在隧道内信息采集点放置西门子S7-200PLC做为测控单元，S7-200配置EM223、EM221、EM231等IO量模块，采集各个智能控制单元的遥信数据、遥测量、配置智能电能表采集各遥测数据并与S7-200通讯，完成通风、照明等低压系统的遥信、遥测、遥控功能。车道控制标志、交通信号灯等监控设备就近接入S7-200PLC站完成其控制。每个S7-200PLC配一个EM243-1以太网模块，再通过传输光端机组成光纤星形网络。并在每个隧道左洞入口配电柜内的PLC主站装一个液晶触摸HMI，使本PLC区域主站兼有通讯集中器功能。交换机配电箱S7-200(主站)光端机RS485口智能电表文本显示器配电箱S7-200光端机RS485口智能电表配电箱S7-200光端机RS485口智能电表短隧道PLC具有采集各个设备（供配电、照明）的运行状态，控制各个设备的运行的功能：1、正确的采集现场的各个设备运行状态；2、能正确按照指定的操作指令控制现场设备的运行；3、内置多种时序控制模式，无需人为控制即可按照事先设定好的模式正确运行；4、在文本显示器上配置运行参数修改界面和设备单点控制界面，可供用户在现场进行手动修改和控制。短隧道由于没有安装光强检测器控制模式所以采用时序控制模式，时序控制模式设定如下：全日灯：工作时间6~24小时，共18小时，在0~6时，全日灯开一半；加强灯I：工作时间10~14小时，共4小时；加强灯II：工作时间9~15小时，共8小时；加强灯III：工作时间8～16时，共8小时；加强灯IV：工作时间6~18小时，共12小时。不管是主站还是从站都设置有时序模式，这样可以保证在隧道内网络中断的情况下，每个PLC仍能按事先设定好的时序工作。3.4.长隧道监控对于本段在2000M以上的特长隧道，上村隧道、福匡隧道、雪峰山I隧道等3个隧道。采用西门子S7-300PLC做为隧道区域主站（其中雪峰山I隧道用2套S7-300主站）。在隧道内各安装S7-200信息采集点（根据实际配置）做为隧道区域从站。每个S7-200PLC配置EM223、EM221、EM231等IO量模块，采集各个智能控制单元的遥信数据、遥测量，配置智能电能表和采集各遥测数据并与S7-200通讯，完成通风、照明等低压系统的遥信、遥测、遥控功能。在CO/VI检测器、风速风向检测器、光强检测器、车道控制标志、交通信号灯等机电设备就近接入S7-200PLC站完成其控制。每个S7-200从站通过CP243-1再由数据光端机转成光纤信号、S7-300主站及隧道机房工作站组成工业以太光纤环网。隧道工作站经隧道机房交换机到监控分中心。各低压回路的操作电源取自UPS，确保不间断要求。配电箱S7-200光端机RS485口智能电表配电箱S7-200光端机RS485口智能电表配电箱S7-300(主站)光端机RS485口智能电表配电箱S7-200光端机RS485口智能电表配电箱S7-200光端机RS485口智能电表配电箱S7-200光端机RS485口智能电表交换机光端机工业以太光纤环网一体化工作站RJ45口光端机通讯系统监控中心对于本段在1000M到2000M之间的长隧道，玉华隧道、朱洋隧道、红牙山隧道、马仔岭隧道等，每个隧道旁有监控机房，监控机房内配置一台研华IPC工作站，在隧道内信息采集点放置S7-200做为测控单元，S7-200配置EM223、EM221、EM231等IO量模块，采集各个智能控制单元的遥信数据、遥测量、配置智能电能表和风机保护单元采集各遥测数据并与S7-200通讯，完成通风、照明等低压系统的遥信、遥测、遥控功能。CO/VI检测器、风速风向检测器、光强检测器、车道控制标志、交通信号灯等监控设备就近接入S7-200PLC站完成其控制。每个S7-200PLC配一个EM243-1以太网模块，再通过数据光端机与隧道机房工作站组成光纤环网，隧道工作站再通过传输光端机到监控分中心。配电箱S7-200光端机RS485口智能电表配电箱S7-200光端机RS485口智能电表配电箱S7-200(主站)光端机RS485口智能电表配电箱S7-200光端机RS485口智能电表配电箱S7-200光端机RS485口智能电表配电箱S7-200光端机RS485口智能电表交换机光端机工业以太光纤环网一体化工作站RJ45口光端机通讯系统监控中心长隧道的设备较短隧道复杂，各个子系统除了各自能够独立运行之外，在一些外部条件的触发下还能进行联动运行，比如隧道发生火灾的情况下。因此长隧道的PLC程序功能要比短隧道PLC功能复杂。长隧道主站PLC要起到数据桥梁＋联动控制作用：1、主站PLC能够正确的与各个从站PLC进行数据通信。（长隧道工控机可以通过opc服务器接口采集主控PLC的数据到长隧道数据库里。）；2、主站程序具有基本逻辑判断能力，能根据现场设备的实际运行情况和隧道环境状况进行联动控制。长隧道从站PLC的主要功能是采集各个设备的运行状态，控制各个设备的运行：1、从站PLC应该正确的采集现场的各个设备运行状态；2、从站PLC能正确按照指定的操作指令控制现场设备的运行；3、从站PLC应该能够记录关键设备的运行时间（开启时间，关闭时间，连续运行总时间等）；在文本显示器上配置运行参数修改界面和设备单点控制界面，可供用户在现场进行手动修改和控制。长隧道交通控制设备包括：车辆检测器、悬臂式可变情况标志。这些设备的10/100M口（没有以太网口的设备采用转换器）通过数据光端机传输到就近的通信站，通过通信系统的10/100M口传输到分中心，如果有1个以上的监控外场备传输到同一个通信站，则使用交换机集中后再上传。所有隧道附近外场设备均通过数据光端机传到隧道通信站至监控分中心。4.实际应用分析在邵三高速隧道电子监控系统初步建成后，系统投入了实际运行。在实际运行中，我们发现，虽然系统是按照标书设计要求完成了，但在实际运营管理中有些做法还是值得商榷。在隧道监控方案中要求，长隧道照明子系统应能根据时序和照度两套控制模式运行。但在实际运营中发现，如果启用照度控制模式的话，在晴天的情况下，白天隧道内的照明灯组需要全开，这样会造成用电量的直线上升，才开通几天，电表上的数值已经让业主方连连摇头。在业主的要求下，我们将PLC内置的照度模式屏蔽，改用单一时序模式运行，根据隧道内的照明情况，业主可以手动增加照明灯组。这样既能保证隧道内的照明，又能节约能源，降低运营成本。高速公路隧道监控系统以往监控的重点是交通控制设备，如车检器、情报板等，对电力子系统的监控也是这几年流行起来的。在设计时参照了电力系统的监控方案，引入