可编程控制器在草城沟隧道监控中的应用

赵 睿

（山西省交通科学研究院，山西 太原030006）

1 项目概况

草城沟隧道位于岢岚至临县高速公路境内，岢临高速是山西省西纵高速公路的重要组成部分，起点与山西省高速公路网规划中第四横的忻州至保德高速公路的岢岚枢纽相接，终点与山西省高速公路网规划中第五横的太原到佳县高速公路的临县枢纽相接。草城沟隧道采用双洞分离、单向行驶设计，左洞全长2 916 m，右洞全长2 955 m，在隧道内及隧道出入口端设置了门架式可变情报板、彩色遥控摄像机、交通信号灯、彩色固定摄像机、车道控制标志、光强检测器及CO/VI等监控设备，基于可编程控制器进行组网控制，并在岢岚停车区设置草城沟隧道管理站，管理草城沟隧道的全部监控业务及机电设备的运行状态。

2 可编程控制器通信原理及硬件配置

可编程控制器（PLC）完成控制任务是在其硬件的支持下，通过执行反映控制要求的用户程序来完成，其基本原理是建立在计算机工作原理基础上的。从广义上讲，PLC实质上也是一种计算机控制系统，只不过它具有比计算机更强的与工业过程相连的接口，具有更适用于控制要求的编程语言。由于它是作为继电控制盘的替代物，其核心为计算机芯片，因此与继电器控制逻辑的工作原理有很大差别。继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果一个继电器的线圈通电或断电，该继电器的所有触点（包括它的常开触点或常闭触点）不论在继电器线路的哪个位置上，都会立即同时动作。然而PLC的CPU则采用顺序逐条地扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括它的常开触点或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。为了消除两者之间由于运行方式不同而造成的这种差异，考虑到继电器控制装置中各类触点的动作时间一般在100 ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100 ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式——扫描技术。这样，对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置在I/O的处理结果上就基本一致了。

可编程控制器（PLC）是一种以微处理器为核心的用作数字控制的特殊计算机，实质上是一种专用于工业控制的计算机，其硬件配置与一般微机装置类似，PLC的具体结构多种多样，但其基本结构相同。PLC主要由中央处理单元（CPU）、编程器、输入单元、输出单元、电源及智能输入输出单元构成。中央处理单元是PLC的主要部分，是系统的控制中枢，其主要功能是接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并诊断用户程序的语法错误。存储器主要用于存放系统程序、用户程序以及工作数据。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器；存放应用软件的存储器称为用户程序存储器；存放工作数据的存储器称为数据存储器。常见的存储器类型有RAM、ROM、E．PROM、EEPROM；输入/输出模块是PLC与现场I/O设备或其他外设之间的联接部件。PLC通过输入模块把工业设备或生产过程的状态或信息读入主机，通过用户程序的运算与操作，把结果通过输出模块给执行机构。编程器是一种通过它上面的键盘输入（或调试）程序的一种专门的装置，它的主要任务就是输入程序、调试程序和监控程序的执行。它主要由显示部分、键盘部分、通信接口组成，其工作方式主要有编程、监控两种，有些编程器还有命令、加载工作方式等。智能接口模块是一个独立的计算机系统，从模块的组成结构看，它有自己的CPU、系统程序、存储器以及接口电路等，它通过系统总线相联接，进行数据交换，并在CPU模块的协调管理下独立地进行工作。

3 草城沟隧道可编程控制器系统结构

3.1 系统构成

岢临高速草城沟隧道左右洞内各设置8台可编程控制器（PLC），布置间隔约为800 m，在隧道入口变电所内设置1台主PLC负责监视控制各个远程控制器及外围设备，主PLC与洞内8台PLC分别挂接在工业以太网交换机上，并通过一根4芯的专用光缆组成光纤自愈环网，以备其中一条链路数据上传隧道管理站通道发生故障时，其数据也可通过另一条链路通道上传，充分保证数据传输的安全、可靠性，满足隧道内设备数据传输的需求，实现管理上的连续性和便捷性。隧道内的PLC根据附近的各种信息采集设备和交通控制设备的I/O数量，为相应PLC配置相应模块，实现隧道监控的数据采集和交通控制。洞口变电所内设置1块触摸屏，触摸屏连接在主PLC上，主PLC连接的工业以太网交换机通过以太网光端机与隧道管理站内的以太网光端机相连，进入隧道管理站计算机网络进行处理、分析与存储，实现隧道监控信息的传输，并接收隧道管理站内的控制指令。PLC系统结构见图1。

图1 草城沟隧道PLC控制系统构成图

3.2 系统管理体制

在草城沟隧道监控系统中，监控系统采集的各种数据输入到PLC系统，经过工业以太网络传输至隧道管理站内计算机控制系统，进行数据处理、转发、分析，对交通控制系统、隧道内通风及照明控制系统、火灾报警系统、紧急电话系统及其他各子系统进行相应的控制管理。隧道内监控采用3级控制模式：隧道管理站内交通监控计算机控制系统为第一级；隧道洞口变电所内连接主PLC的触摸屏控制为第二级；隧道内布置的PLC本地控制为第三级，在正常运行时由隧道管理站控制。当隧道变电所中主PLC与隧道管理站通信全部中断时，由主PLC根据分布式网络采集的现场设备数据进行自动或手动控制，或以维持整个隧道基本运行功能和安全为主执行预先设定的通风、照明和信号的自动控制。当主PLC故障时，可由分布于隧道内的PLC进行本地控制，进而保证系统的持续运行。

4 可编程控制器技术指标分析

可编程控制器（PLC）的技术指标很多，但最主要的不外乎以下5个基本技术指标：CPU类型、存储器容量、编程语言、扫描速度和I/O点数。

4.1 存储器容量

存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。系统程序在机器出厂时由厂家将其写入ROM中，用户不能访问，不能更改。其容量大小也都已确定，不能改动。存放用户程序的存储器可用EPROM，其容量取决于被控对象的控制复杂性。存放中间数据的存储器一般用RAM存储。控制越复杂，存储量要求越多。一般小型机的存储量1 K到几K，大型机几千K，甚至可达1～2 M，用户可根据需要选择机型。

在逻辑控制系统中，所需内存量的计算公式为：所需内存量=逻辑变量数×10，其中逻辑变量即输入点数和输出点数之和。

4.2 扫描周期

PLC可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备，它一直在周而复始地循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。典型的PLC在一个周期中完成6个扫描过程：自监视扫描过程、与编程器进行信息交换的扫描过程、与数字处理器进行信息交换的过程、与网络进行通信的扫描过程、用户程序扫描过程、输入输出服务扫描过程。

4.3 编程语言

PLC在语言上与计算机差异较大。它既不同于高级语言，也不同于汇编语言。但PLC语言面向一般工程技术人员，应用场合是工业过程。最常用的编程语言有语句表和梯形图，除此之外还有一些例如控制系统流程图、逻辑方程式、布尔编程表达式以及高级语言等。采用何种语言，用户可以根据具体情况加以选择。

4.4 I/O总点数

也就是I/O的能力，即输入或输出的点数总数量。PLC的产品不同I/O能力也不同。一般小型PLC在256点以下（无模拟量），中型PLC在256～2 048点（模拟量64～128路）之间，而大型机在2 048点以上（模拟量128路以上）。

5 总结

由于草城沟隧道采用了由可编程控制器组成的隧道监控自动化控制方案，隧道监控系统充分发挥了灵活组态优势，整个监控系统的信息资源得到完全共享，便于系统集成和隧道内相关设备的日常维护。通常隧道内的环境是比较恶劣的，因此在这样的环境下，采用PLC环网控制技术是比较合适的。