基于PLCnext技术的高速公路隧道智能监控系统

段志宏， 韩永胜， 靳光永

(1.云南交投集团投资有限公司，云南 昆明 650228；2.菲尼克斯(南京)智能制造技术工程有限公司，江苏 南京 210000)

现代科学技术的进步为高速公路的智能化提供了快速发展的基础，技术的创新和融合为智慧高速的建设提供了有力的支撑。隧道作为高速公路的重要组成的部分，其监控系统在保障车辆安全运行、公路维护方面起着至关重要的作用。系统由信息采集子系统、交通控制及诱导子系统、通风控制子系统、照明控制子系统、闭路电视监视子系统和火灾报警子系统组成[1-2]。车辆的增多给隧道的安全运行带来了压力，人们的生命财产受到了巨大威胁[3]。

为保障行车安全，提高驾乘人员的舒适度，智慧高速在信息化、网络化、多功能化和智能化方面有了更高的要求[4]。传统公路隧道监控系统一般采用现场总线，比如德国菲尼克斯公司的Interbus、西门子公司的Pfofibus DP等，子系统多独立控制。隧道监控在国外相对比较成熟，在国内起步较晚，还存在着诸多不足。主要体现在以下几方面。

① 数据方面：系统间难以全面共享数据[5]、甚至部分系统间没有通信。基础数据重复输入，数据不能实现深层次应用[6]。

② 安全方面：系统网络规模的增加、智能制造技术的发展对隧道安全、网络安全、系统融合和免维护等有了更高的要求，传统监控除了在技术实现上存在困难，其经济成本也很高。

③ 信息服务：传统的隧道监控主要是对机电设备的监测和控制功能的实现，智慧高速则以管理和服务为导向，强调对数据的应用和发布[7]。

本文提出的隧道智能监控系统基于菲尼克斯PLCnext技术平台，该平台提供软件和硬件设备，为解决传统隧道监控存在的问题提供了技术基础。控制层采用基于以太网的Profinet技术；控制器内置OPC UA(Unified Architecture，统一架构)Server，可跨平台实现控制器之间以及控制器和上位系统的通信。数据集成到Proficloud云平台实现不同系统间的信息共享，同时可进行数据可视化和实现信息服务功能；通过内置的防火墙功能保障系统网络安全；利用平台支持高级语言的特性，进行算法集成和App定制，实现系统的智能化控制。该系统相比于传统隧道监控系统，无须增加任何硬件设备，降低了成本。隧道智能监控系统的实现为推动智慧高速的进一步发展和建设提供了技术支撑。

1 传统的隧道监控系统网络

高速公路隧道监控系统作为隧道信息集成与检测系统的核心，主要用来监视系统环境、火灾情况和交通信息情况，实时监测和远程管理相关信息，指导交通以保证行车安全、提高通行能力、保证人员健康以及提供必要的信息[8-9]。基于总线技术的传统监控多采用冗余光纤环网结构。冗余配置在一定程度上保证了控制层网络的可靠性，但传统控制器在信息层、网络化、多功能化等方面的实现存在困难。将现有系统集成到生产层、办公层等需要额外配置硬件。随着以太网技术的快速发展，基于以太网的Profinet技术应用越来越广泛。它能够满足过程控制、工厂自动化和运动控制实时通信要求，同时可以很好地向信息层集成。下面以Profinet技术为例介绍传统公路隧道监控系统。

基于Profinet技术的菲尼克斯传统控制器构建的隧道监控系统网络拓扑如图1所示。系统分为信息层和控制层，控制层隧道内子系统采用ILC 191控制器，配备现地HMI，区域控制采用AXC 3050冗余控制器。

图1 传统隧道监控系统网络拓扑图

控制层采用环网冗余结构，当网络中某处发生故障时，可及时恢复控制，但在以下方面存在不足。

① 各子系统和HMI(Human Machine Interface，人机接口)或者SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition，数据采集与监视控制)通信，由于硬件设备不同，通信协议不统一。

② 根据现场运维需要，照明、通风和交通控制子系统需配置HMI设备，增加了硬件和维护成本。

③ 照明、通风子系统需要消耗大量能源，为实现能源节约需要对控制算法进行优化。而传统控制采用IEC61131-3标准的编程语言，在算法方面较难实现。

④ 控制器无内置数据库，隧道系统中如车流量、光照强度等信息本身无法记录存储，需借助第三方硬件平台和数据库。

⑤ 信息层和控制层网络存在着网络风暴、非法访问和被攻击的风险，易引起网络的不稳定。

2 基于PLCnext的隧道智能监控系统

由于传统控制器在实现隧道监控系统的信息化、网络化、多功能化和智能化方面存在不足，为解决上述问题，保障隧道安全、网络安全和实现系统融合，提出了基于菲尼克斯PLCnext技术的整体解决方案。平台由PLCnext Control(开放式控制平台)、PLCnext Engineer(工程软件)、PLCnext Store(自动化软件商店)、PLCnext Community(社区)和Proficloud(云解决方案)组成。

2.1 PLCnext技术特点

PLCnext技术平台不仅具备传统PLC的稳定性与可靠性，同时兼具智能设备的开放性和灵活性，其架构如图2所示。其采用实时Linux系统，用户可选择传统PLC的IEC61131-3编程语言和高级语言(如C++、C#)或模型语言(如Matlab Simulink)进行混合开发，支持众多开源软件和工具、云服务等。

图2 PLCnext技术平台架构图

平台集成了丰富的接口和协议，如MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议)、OPC UA、IEC60870-5-104等，在高度联网的自动化系统中进行开放通信。可直接连接到基于云的服务和数据库来实现新的物联网业务[10]，为隧道监控系统的信息化和网络化提供了保障。

2.2 高速隧道智能监控系统

基于PLCnext技术的公路隧道智能监控系统网络拓扑如图3所示。系统由AXC F 2152区域控制器、AXC F 1152子系统控制器和Proficloud云平台组成。系统网络架构与传统监控网络架构相似，控制器均为基于PLCnext技术平台的新型控制器。

和传统监控系统相比具有以下特点。

① 控制器内置OPC UA Server，无须授权安装，便捷实现系统间通信，OPC UA解决了不依赖于设备厂商的通信问题，是下一代的OPC 标准，提供一个完整、安全和可靠的跨平台的架构。

② 控制器内置WebServer，减少了现场HMI设备，结合云平台实现了现场数据多维度的可视化，降低了成本且便于维护。

③ 平台支持高级语言，轻松集成照明、通风等子系统控制算法；结合控制器内置数据库，实现软件调度、预防性维护等功能，为隧道智能监控提供实现方法[11-12]。

图3 高速隧道智能监控系统网络拓扑图

④ 控制器内置数据库，可实现对单个隧道内车辆信息、环境信息和报警信息等记录存储，方便历史查询。

⑤ 控制器内置防火墙功能，通过Web设置通信规则，提高了系统各控制器之间以及和SCADA通信的安全性，实现了网络的安全稳定。

⑥ 区域控制器和各子系统控制器的数据连接到云平台，实现数据的共享；利用云服务向运维人员和司机等推送相关信息，为系统的信息化和多功能化提供了基础。

⑦ 支持丰富的通信协议，增强了系统的扩展性和兼容性，便捷实现远程通信，实现系统的网络化。

3 高速隧道智能监控系统的实现

根据平台特点和相比传统控制器的优势，在以下几方面实现对高速公路隧道的智能监控。

(1) 系统组态和通信配置。

PLCnext技术平台的控制器采用PLCnext Engineer编程软件。系统的硬件组态和通信变量的配置如图4所示。左侧部分为项目结构图，包括硬件配置和HMI WebServer应用程序，右侧部分为通过OPC UA协议通信的变量配置。

控制器通过OPC UA和HMI通信时，变量只需勾选OPC属性选项，配置简单。多个子系统的信息可轻松集成在同一个上位系统中。

(2) 通信安全集成。

隧道智能监控系统的网络随着智慧高速的发展有了新的需求，随着网络规模变大，对网络的安全稳定有了更高的要求。通过控制器集成的防火墙功能对网络通信规则进行设置(如图5所示)。设置控制器和SCADA系统只可以进行OPC UA通信，防止控制器受到其他非法访问。

图4 系统组态和通信变量配置

图5 防火墙配置

通过设置不同的规则，避免了控制器之间和信息层网络对控制造成干扰，保证网络的稳定性。

(3) 算法集成。

降本增效是智能监控的重要目的。在隧道监控的照明子系统和通风子系统中通过高级语言对相应的算法进行优化，同时通过闭路电视监视系统，智能感知隧道运行工况，实现整体控制策略优化，最终达到节约能源的目的。

高级语言在PLCnext平台实现方式：首先在Eclipse中用C++编写能源管理(Energy_managemet)的算法；其次将算法生成编程软件所需的.pcwlx库文件并导入，导入后的库文件如图6所示；然后就可按照传统编程使用导入的算法库文件。

(4) App功能实现和应用。

由于控制器支持APP功能，可根据需求实现像智能终端的APP一样进行操作。在交通控制及诱导子系统中实现了对车流量数据报警的记录功能。例用Python语言开发了数据报警APP，通过控制器Web中的PLCnext APPs功能进行安装。车流量报警APP的Python语言实现如图7所示，实现了对车流量的实时监控。

图6 导入库文件

图7 APP功能实现

报警信息通过控制器内置的数据库进行存储。通过APP实现的车流量数据报警记录如图8所示，记录了不同时刻的车流量数据统计和报警状态。

图8 车流量数据报警记录表

系统正常运行时，控制器将采集的数据按照固定的时间间隔生成报警记录表。数据表包括时间戳、车流量、状态和统计次数等。设备运行过程中由于发生过失电，出现统计次数不准确的情况。经分析发现，APP部署在Linux系统上，控制器通过远程接口调用。由于存储容量的限制，故每隔30天生成一张报警记录表，同时清空数据库，采用记录表循环覆盖的方式进行存储。当车流量数据在30天以内有报警信息，则“统计次数”列有数值记录；若长时间(超过30天)处于正常范围内，则报警表中的“统计次数”数据一直没有触发记录，控制器恢复上电后，读取数据库中的“统计次数”数值时，由于此列数值为空，引发了数值不准确的情况，在控制器中将此数值的属性修改为保持型，可使问题得到解决。

将数据报警APP安装到不同子系统控制器中，实现数据报警记录，无须重复开发，提高编程效率，缩短系统的调试周期。将报警数据上传到云平台，进行消息推送，实现隧道智能监控的信息化服务。

(5) 数据可视化。

利用控制器内置的eHMI功能和易于集成到Proficloud的特点，隧道监控可实现多维度可视化。通过Web查看隧道照明子系统如图9所示，画面展示了对隧道的指示灯控制。在移动设备终端通过Web可随时随地对隧道智能监控系统的任意子系统运行状况进行查看，提高了运维效率。

图9 隧道照明画面的Web访问

数据集成到云平台，利用云端Dashboard将数据通过多种形式展现。通过云平台实现对数据的可视化如图10所示，主要包括交通诱导及控制子系统车流量信息、通风系统设备信息等。对云端数据的访问可根据用户的不同而设定不同的权限，以保证数据的安全和系统的稳定。

图10 Proficloud云平台数据

通过Proficloud云平台的数据共享，能够实现：

① 隧道间的联动控制。交通控制功能，如车道关闭等。

② 便捷的系统维护。运维人员可通过移动终端随时随地查看系统状况。

③ 通过信息化功能向车主提供智能服务、消息推送等，实现系统的多功能化[13]。

4 结束语

基于PLCnext平台的高速公路隧道智能监控系统，在无须增加任何硬件设备的前提下，解决了传统隧道监控系统在实现信息化、网络化、多功能化和智能化方面的问题。充分利用平台控制器的特性，为智慧高速的隧道智能监控提供了完整的解决方案。提高了通信的便捷性和网络的安全稳定性，便捷实现开源算法的集成和自定义APP的开发。在云上衍生出相关的其他服务，更好地实现了高速隧道系统的智能监控，为智慧高速的发展和建设提供解决方案。