PLC在临吉高速隧道群控制系统中的应用

山西省自动化研究所 高宇琦

1.引言

临汾至吉县（壶口）高速公路是国家高速公路网青岛至兰州公路和山西省“三纵十一横十一环”高速公路网第九横（黎城至吉县壶口段）的重要组成部分，也是山西省“十一五”规划重点建设项目之一。该项目起自临汾市南辛店，东接拟建的长治至临汾高速公路，经临汾市襄汾、乡宁、吉县，止于晋陕界的苇子湾黄河特大桥西岸（含陕西岸宜川县境内接线约200米），西连拟建的青岛至兰州高速公路陕西段，全长99.27公里，全线采用双向四车道高速公路标准建设，设计行车速度80公里/时。全线PLC控制的隧道有佛儿崖、松卜岭、瓦窑岭、梁家凹等十几座之多。

隧道监控是全线监控的关键。各隧道设置了完整的监控系统，包括变电站供配电、交通、通风、照明、火灾报警、CCTV监视、隧道广播等子系统。其中交通监控、通风监控、照明监控等隧道信息的采集和发布采用本地控制器（PLC）完成。

2.隧道监控系统的主要内容和控制要求

为了保证隧道内良好的行车环境，以及必要时能够对通行的车辆做出合理的诱导，通常在隧道内设置一定保护行车环境和便于交通诱导的机电设备。按照功能可以划分为交通检测与诱导设施、通风检测与控制设施，相应为控制这些设施，分别设置了交通检测控制系统和通风检测控制系统。

2.1 交通检测控制系统

交通检测控制系统中包含车道指示标志、交通信号灯、可变信息情报板等用于控制交通的诱导设施。车道指示标志、交通信号灯显示信息通过PLC程序控制输出继电器来控制，可变信息情报板的显示值通过PLC的串行通讯接口输出来控制改变。此外，对于隧道出入口设置的微波车辆检测仪（可以检测车速、车流量、车道占有率等参数）检测的隧道车辆相关数据，同样通过PLC的扩展串行通讯接口编程获取，存于PLC存储器中。

2.2 通风检测控制系统

通风检测控制系统中包含风速检测仪、一氧化碳和能见度检测仪。该控制系统作用在于在实时检测环境参数的基础上，控制隧道内风机的开启、以使各项空气指标符合安全行车标准，达到保障安全行车和节约能源的目的。各空气指标数据由PLC模拟量输入模块采集，风机的启停通过PLC的开关量输出模块程序控制中间继电器实现控制。

图1 松卜岭隧道PLC控制系统网络拓扑图

图2 PLC数据链接系统图

图3 PMCR指令协议宏调用

2.3 照明检测控制系统

照明检测控制系统中包含洞内光强检测仪和洞外光强检测仪。目的在于不断检测洞内外光强度的差别，调节隧道进出口加强段等照明回路，达到合适的隧道内光照度。避免车辆驾驶员白天进入隧道和夜间离开隧道产生“黑洞效应”；避免车辆驾驶员白天离开隧道和夜间进入隧道产生“眩光效应”，让驾驶员轻松适应进出隧道的光照度变化，避免交通事故的发生，同时达到节能效果。光照度等参数的采集由PLC模拟量输入模块采集，照明回路控制由PLC程序控制输出继电器实现控制。

3.系统构成

本文以临吉高速隧道群其中的松卜岭隧道作为典型案例详细说明PLC控制系统的构成及控制方式。本着安全可靠、简单实用、技术先进的原则，依照国际自动控制领域的发展趋势，松卜岭隧道控制系统由欧姆龙CS系列的PLC作为监控系统现场区域控制机的核心部件。网络拓扑图如图1所示。

3.1 系统网络配置

系统采用工业以太网组网形成三级网络控制系统，分别是现场设备控制层、隧道变电所分中心控制层、隧道管理站监控室控制层。

现场设备控制层由OMRON CS1G-42H可编程控制器组成，称为区域控制器，区域控制器之间通过工业以太网组成冗余光纤环网。

隧道变电所分中心控制层由OMRON CS1D-65H可编程控制器组成，结合NS10-TV00B-V2触摸屏可进行本地控制。

隧道管理站监控室控制层由隧道监控计算机、交换机和监控中心数据库服务器组成。

3.2 PLC系统配置

隧道变电所PLC系统采用CS1D系列双CPU（65H）、双电源（PA207R）控制系统子站，区域控制器PLC系统采用CS1G系列单CPU(42H)双电源（S8TS）控制系统子站，并配以最新的工业以太网模块（CS1W-EIP21）和交换机实现光纤冗余环网通讯。

其中区域控制器除上述电源和CPU模块以外，根据现场实际设备需要配有开关量输入模块(CS1W-ID211)、开关量输出模块(CS1W-OC211)、模拟量输入模块(AD041-V1)，串口通讯模块(SCB41-V1)。

监控中心计算机通过开关量输出模块控制车道指示标志和交通信号灯的变化，设备将反馈信号传到开关量输入模块在监控中心计算机显示，保证给定信号和反馈信号的一致性。一氧化碳、透过率、光强度的值通过模拟量输入模块采集到PLC里，先通过内部程序把4-20mA电流值转换成数字量然后通过监控中心计算机显示出来。微波车检仪将采集到的信号通过串口通讯模块进行处理后将数值直接反映在监控中心计算机画面上。

4.程序设计

本系统的程序设计依托在OMRON CS1系列PLC基础上进行编程，其中有两个设计要点比较关键。

4.1 EIP21网络通讯

本控制系统的先进性在于各PLC之间的通讯模块（CS1W-EIP21），通过CX-ONE自带的编程软件Network Configurator，可以将各本地控制器的PLC通道地址映射到变电所主控PLC内部。这样做有两个目的，一是将一个隧道内所有PLC的设备地址和网络IP集合在主PLC中，方便查找设备地址，提高编程速度。二是结合不带网络接口模块的触摸屏NS10-TV00B-V2很方便的实现了本地控制，省去了近万元的网络模块费用，经济实惠。编程软件中PLC之间数据链接如图2所示。

4.2 协议宏通讯

及时、有效地采集道路交通信息（流量、车速、占有率、车型等）是实现交通监控的一个关键环节，是实现交通诱导和分流的重要依据。本系统采用微波车检仪采集有效数据与PLC串口模块SCB41-V1通讯，通过编程软件CX-Protocol对SCB41-V1模块进行协议宏编程，将采集数据直接传到监控计算机画面，免去了上位机二次处理数据的麻烦，消除了造成数据误差的中间环节。协议宏编程的关键是SCB41-V1的参数设置，其中波特率、传输方式、发送接收字节数等重要参数决定了是否能接收到数据并且准确的将设备采集的数据反应出来。

通讯协议的组态完成之后，就可以通过PLC编程语言加以实现。PMCR指令编程如图3。

5.结论

高速公路隧道监控工程构成复杂、数据采集量大、控制站点多，设备分布分散，而且隧道内环境恶劣，系统可靠性要求高。既要从车检仪以串行通讯方式获取大量交通数据，又要完成对风速、CO/VI、光强度的模拟量采集，还要参与车道指示标志等开关量信号的检测与连锁控制。通过采用PLC可编程控制器，实现了所有数据的采集、发布、控制，同时基于光纤冗余以太环网，使系统的稳定性、可靠性得到了很好的保证和提高。

临吉高速今年8月23日正式通车至今，整个隧道监控系统运行稳定。纵观目前隧道监控技术的发展，以PLC为核心的隧道区域控制思想仍将长期处于不可动摇的地位。

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