隧道机电设备控制系统升级改造技术研究

杨肖宁

（深圳市粤通建设工程有限公司，广东深圳518019）

1 国内隧道监控系统存在的问题

目前，国内隧道监控系统的开发设计还存在以下这些问题：

（1）设计与具体情况结合不紧密，与运营需求相脱节，没有对整个隧道机电系统从整体上来考虑，割裂地应用每个子系统，难以发挥整体优势，直接导致系统功能不足，利用率较低。

（2）监控系统智能化水平低，有些隧道控制系统的自动控制功能丧失，系统经常处于远程手动状态。

（3）很多高速公路由农电网供电，由于这种电网供电的质量不高，导致时常发生供电中断的现象，可能会影响正常通车，严重时会引发交通事故。

（4）隧道照明高亮度低耗能技术应用不受重视，通风控制不科学，造成能源的浪费。

（5）区域控制器过分依赖可编程逻辑控制器（PLC，下同），虽然简化了系统的开发，但也会造成资源的浪费，导致系统的建设费用较高。

2 隧道机电设备监控系统概述

快速公路隧道机电设备监控系统是保证隧道内车辆通行安全和通畅的关键，一套完善的隧道控制系统可使隧道中各种机电设备最大限度地发挥作用。下面结合南坪快速路隧道机电控制系统的升级改造技术进行设计和研究。

2.1 南坪快速路隧道机电控制系统简介

如图1所示，南坪快速路隧道内机电控制系统由现场情报板、车道指示器、交通信号灯、环境监测设备、通风风机等现场机电设备连接至PLC控制系统各模块（由底板、CPU模块、数字及模拟输入/输出模块、通信模块及各继电器、连接线等组成），经双环网通信网络系统（采用百兆工业交换机）一路通过监控室的千兆工业交换机连接到监控室交通控制集成软件后台，通过交通控制软件客户端实现远程控制，另一路连接到变电所触摸屏PLC，实现界面可视化的手动远程控制，作为集成软件故障时的备用控制系统。

2.2 系统软硬件升级改造过程中出现的技术难题

由于南坪快速路车流量较大，隧道内环境较为恶劣，经过多年运行，现场机电设备普遍老化，设施局部损坏严重，影响了项目运行安全。业主委托我公司对机电控制系统的软硬件按原设计进行了升级改造。在南坪快速路隧道机电自动控制系统软硬件升级改造过程中先后出现了以下问题：

（1）安装工作完成后，监控室服务器无法连接各PLC；

图1 南坪快速路机电控制系统连接简图（隧道内）

（2）通信问题解决后，变电所触摸屏出现数据传输干扰、主机传输错误等报错；

（3）监控室交通控制集成软件无法实现远程控制，且现场车流量、环境参数等检测数据无法显示。

由于现场设备较多且包含知识较为复杂、全面，为了解决上述难题，确保升级改造工作顺利按照进度完成，我公司及时对现场设备进行了排查，并与原系统进行反复对比，从硬件安装和软件设置两方面对设备逐个进行检查，最终找出了故障原因，并提出方案，成功解决了问题。详细情况如下：

（1）在排查完通信网络正常后在服务器上ping每个设备的IP，发现所有PLC均无法连接，并且现场PLC通信模块ETN21通信指示灯显示故障；且经调查，在升级改造中现场PLC均有断电，测量未更换的PLC中CPU模块的干电池电压均不达标，断电后CPU记忆数据丢失；通过欧姆龙CX-Programmer编程软件连接现场通信故障PLC，发现PLC的IP地址未正确设置（含NODE码IP与网络IP）。对全部PLC的ETN21通信模块的IP地址正确设置后（随后对CPU的干电池进行了更换），服务器与现场设备连接正常。

（2）在PLC通信正常后，变电所触摸屏PLC频频报错，内容如下：

现场工作人员以及欧姆龙售后技术人员经过翻查触摸屏PLC（NS10）使用说明书，核对报错信息，发现故障原因为有数据干扰或主机通信命令无效，推荐解决方案如下：检查线缆并进行连续性测试，若有必要，重新布置线缆。现场人员准备申购连接线缆并更换时（专用线缆500～800元/m），笔者对现场故障PLC连接线缆与外场PLC系统（与隧道内PLC系统对应，PLC各模块型号以及连接和通信等工作模式相同）的线缆进行替代试验，发现线缆正常，及时否决了更换线缆的解决方案。

通过对外场PLC系统和欧姆龙PLC通信相关资料的翻译等研究工作，发现现场PLC（CS等系列）在触摸屏（NS系列）中集成生成可视化操作界面，需要通过欧姆龙CX-Integrator软件对每个PLC（包括现场PLC与触摸屏PLC）设置统一的FINS静态路由表并导入，包括由路由表中本地网络中数字确定的IP段和SIOU确定的PLC以太网模块（ENT21）所在底板单元号等信息。按照上述方法对每个PLC操作后，NS10触摸屏PLC不再报错，远程控制正常。

（3）在对PLC设置静态路由表后，监控室的交通控制软件远程控制功能仍未恢复正常，且现场车流量、环境参数等检测数据在交通控制软件上无法显示。参考交通控制软件使用维护说明书，结合对数据库以及PLC程序的研究，并对现场PLC各模块的安装进行逐一比对，最终发现原因有以下三点：

1）在后台运行中转程序中，部分参数选择不正确；

2）现场模块的安装单元号与PLC程序中单元号不符，尤其是CPU模块与输入/输出模块的安装单元号的差错，直接导致了不能远程控制以及监测数据无法显示；

3）部分PLC程序导入有误。针对以上三个原因，及时调整，交通控制软件的远程控制及各检测数据的显示恢复正常。

3 结语

为了消除隧道环境给交通带来的种种不利因素，建立行之有效的隧道机电设备控制系统显得非常重要。本文依托南坪快速路机电控制系统软硬件升级改造的项目工程，对改造技术难点进行了分析研究，并对改造系统进行了系统性的运行和调试，系统运行稳定可靠，实现了隧道机电设备的管理和控制功能，证明了该系统解决方案的先进性与合理性。本文所做的工作对隧道监控系统的研究和应用具有一定的理论和实践意义。