基于PLC虚拟实验平台的隧道控制系统设计

胡天龙 杨天明 刘厚石

摘 要：文章通过对省内多地隧道运营状况的研究，采用PLC控制技术来解决隧道的照明、通风和交通管制问题，实现隧道控制的高度自动化、智能化。为了减少项目前期预研中大中型PLC昂贵的采购费用、网络建设费用，本项目利用前期开发的PLC虚拟实验平台来进行隧道控制系统设计及调试，同时虚拟实验平台直观生动的仿真效果也提高了程序调试的效率。

关键词：隧道控制系统；PLC；虚拟实验

我国山地较多，山地公路桥隧比较大，隧道是各级路网的咽喉地段，必须要采用先进的技术手段对隧道内车流情况、通风设备工作状态、电力设备参数等进行检测，对照明系统、通风系统、交通控制系统进行科学的控制。在我国四川等地，连续隧道分布较多，隧道控制系统需要监控的往往不是单个的隧道，监控区域是几公里到几十公里的线状区域。对于这种系统，需要采用“集中管理，分散控制的”原则构建多台可编程逻辑控制器（Programmable LogicController， PLC）组成的控制网络，加上隧道内需要采集的信号和控制的点位较多，控制系统的PLC应选用大中型机，系统所需的硬件成本是非常昂贵的，这对项目的前期预研是极大的障碍[1]。为此，本项目利用基于西门子博图平台开发的PLC虚拟实验系统进行系统设计和仿真调试。

1 系統需求分析及总体结构设计

本项目是大渡河长河坝水电站库区S211线复建公路工程索子沟隧道、四家寨1}}隧道、四家寨2#隧道的控制系统设计。索子沟隧道长度为1

735 m、四家寨l}}隧道长度为978 m、四家寨2#隧道长度为2 348 m，控制系统将该三座隧道作为一个连续隧道群进行统一控制。每个单独隧道有一控制站，再由光纤工业以太网将所有控制站连接，另根据各隧道的设备的具体布设情况在隧道现场增设部分远程I/O单元（RIO）。交通数据由设于洞口的微波车辆检测器采集，通过现地控制网传送到PLC处理；交通控制由隧道口的三显示信号灯，隧道两端入洞口、隧道内设置的车道控制标志执行；隧道内风速由隧道内布设在两端洞口附近的风速探测仪监测；隧道内一氧化碳和能见度由隧道内布设在两端洞口附近的CO/VI检测器监测；通风控制和照明控制均由现地控制柜通过控制相应的箱式变电站内的供电回路来实现。通常情况下隧道内外亮度差较大，常导致驾驶员在进出隧道时眼睛产生“黑洞效应”作用，严重威胁过往司机乘客的生命财产安全；汽车排出的尾气中含有大量有害物质，在隧道内易聚集大量有害气体，对过往司机乘客朋友形成隐患；隧道由于结构特性，易出现紧急事故，导致交通受阻，所以系统中交通管制必不可少，这些问题是本设计重点研究的问题。整个系统采用集中管理、分散控制的方案，要求系统最顶层能够监控和控制整个系统，而PLC只需负责对应子系统的相关处理，故系统的整体构架是顶层设备控制中间层的设备，中间层的设备只负责对应隧道的底层控制，从而实现顶层对底层的相关控制。系统的网络拓扑结构为星形，各个PLC工作站都通过光网和中控室连接，中控室采用双机热备份冗余架构，各工作站的PLC和触摸屏站内网络采用带屏蔽网线连接[2]。系统网络拓扑结构如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1控制器的选择

由于隧道控制系统对可靠性、实时性及控制点规模均要求较高，所以各控制站应选用中大型PLC。根据市场对比和产品性能对比，本项目选用西门子S7-1500。S7-1500是替代S7-300/400的新一代PLC，其软件平台为TIA博途，可以在基于博途平台的虚拟实验系统上进行设计和调试，节约前期昂贵的设备采购费用。S7-1500作为新一代大中型PLC，比S7-300/400的各项指标有很大的提高，采用PROFINET IRT通信可以保证确定的反应时间和高精度的系统响应，最短循环时间为250μs。

2.2照明系统设计

系统照明由PLC根据传感器采集隧道内外的实际亮度而进行调节。双向隧道的照明段落划分为：入（出）口段、过渡段、中间段、过渡段和出（入）口段，照明亮度呈对称状态，所以隧道两端的灯数量和功率较中间高，且灯的布置更密。

2.3交通控制设计

系统控制的隧道较长，为提高隧道的安全性，除了在入口处安装红绿灯外，在隧道内部也设置了相应的红绿灯，按一定距离排列，同一方向上的红绿灯显示颜色一致。隧道红绿灯主要根据车流量来进行控制，显示的颜色随车流量变化而变化，车流量靠微波车辆检测计检测。此外，红绿灯也会根据出现紧急情况而相应变化，若隧道内出现行车事故或者火灾时，将根据事故等级适当调整红绿灯的变化。

2.4通风控制设计

由于隧道较长，风机的间距需设置合理，否则不能达到良好的通风效果。系统设计隧道内安装三台风机，进出口以及隧道中间各安装一台。风机的启动和调速由PLC通过变频器控制，而作为风机运行速度的根据，则是隧道内的有害气体浓度和自然风的风速风向，有害气体浓度越高或自然风的风速越低，风机运行速度则越高，风机风向和自然风向一致。另外，若隧道内发生火灾，为保障救援和逃生，在系统设计中，射流风机将以最大速率运行，为隧道内部尽可能地排出浓烟和有害气体[3]。

3 系统的软件设计 在系统中，系统软件是保证各个设备协调工作、按照预定设计功能而工作的重要保障，包括PLC程序、上位机程序和触摸屏程序3部分。系统同时支持周期性和抢占性控制过程。一般控制过程周期性运行，控制指令在每个周期内执行；紧急情况的控制指令一旦得到授权，立即执行。程序流程如图2所示。

4 利用虚拟实验系统进行仿真调试

在西门子公司推出将WINCC组态软件和PLC编程调试软件集成在一起的博途软件后，快速、低成本地开发一套能够完全脱离实际硬件来进行PLC仿真实验的系统也易于实现了。博途软件将人机界面开发及仿真（可用于PLC实验被控对象开发及仿真）和PLC编程调试功能集成到一个平台。基于博途软件开发的PLC全虚拟仿真实验系统，PLC程序的编程仿真操作及功能和实际西门子硬件PLC完全一致，博途中WINCC支持C语言等高级语言，同时可以利用各种组态素材，可以高效地完成被控对象的设计及仿真[4]。

利用基于博途平台的PLC虚拟实验系统进行隧道控制系统的前期研究和程序调试，可以节约大量的硬件采购费用，提前验证各种控制设想，为后期项目实施打下了良好基础。这种方法在采用大中型PLC的控制系统设计中有一定的推广价值。

[参考文献]

[1]重庆交通科研设计院公路隧道设计规范[M].北京：人民交通出版社，2004

[2]中交第一公路工程局公路隧道施工技术规范[M]北京：人民交通出版社，2009.

[3]刘长青.S7-1500 PLC项目设计与实践[M]北京：机械工业出版社，2016

[4]胡天龙，李世权，刘厚石.基于西门子博途平台的仿真实验系统开发[J]福建质量管理，2017 （11）：11