PLC 在高速公路隧道监控系统中的应用

赵学武，吴学文，郭爱涛，王中平

中建八局第二建设有限公司，山东 济南 250100

1 PLC 概述

PLC 泛指适用于工业等特殊环境下的一种数字运算操作电子系统，系统内配置有具备编程功能的存储器设备。在系统运行过程中，PLC 系统可根据所处环境实时情况，基于程序运行准则自动下达各项控制指令，替代人工完成各项操作。同时，PLC 技术具有安全可靠、功能模块齐全、编程难度低、组态灵活、运行速度快、抗干扰性能优异、通信能力强等特点。

在高速公路隧道监控系统中，应用PLC 技术可以对高速公道隧道内部现场数据信息进行采集，将数据与对应额定值进行对照分析，若数据测量值与相关标准不一致，PLC将开展自诊断式监控作业，检查系统运行故障、记录所采集数据信息，并发送报警信号，以此提高高速公路隧道现场控制力度。

2 PLC 在隧道监控系统中的主要功能

（1）交通控制。在系统运行过程中，PLC 将持续接收过往车辆中所配置的微波检测器发送的数字信号，同时还将对隧道内所放置的各类交通安全设施、电气设备的运行工况进行监测，如车道指示标志、交通信号灯等。随后，采取扫描方式快速读取所接收的各类信息数据，将信息分类存储至相对应的单元中，并顺序扫描所构建的梯形图，获取逻辑运算结果，准确评估高速公路隧道内的实时交通状况。基于程序运行准则，自动判断是否需要下达特定的控制指令。在特殊情况下，PLC 将进入输出环节，通过电路驱动向特指定设备输出控制指令。最后，PLC 系统可对运行过程与所采集数据、分析结果进行记录备份，提交至高速公路隧道监管中心。

（2）照明系统控制。在隧道监控系统运行过程中，可编程逻辑控制器可根据隧道内部采光情况，适当调整照明系统的运行负荷、照明灯具光源亮度，其控制原理是提前在高速公路隧道出入口处放置光强探测器。当PLC 监测到隧道洞口处自然光强度有所提高、采光条件良好时，向照明系统下达特定控制指令，适当下调照明系统运行负荷。反之，则适当上调照明系统运行负荷。如此，可以在切实满足高速公路隧道环境光照需求、保障交通安全的同时，降低照明系统的运行能耗，节约电能。

（3）消防控制。在隧道监控系统中，应用PLC 技术可以通过串口协议，实现火警控制器等设备与PLC 系统的有效连接。在系统运行过程中，当可编程逻辑控制器扫描到异常监测数据时，如隧道环境温度异常提升、产生明火以及出现各类交通安全事故时，PLC 系统将自动下达特定控制指令，如启动灭火系统或是各类消防设备。同时，在PLC系统监测到火灾报警器处于手动报警状态时，也将快速评估隧道现场环境情况，并在确定出现安全事故后，向隧道监管中心发送报警信号。

（4）通风控制。多数高速公路隧道较长，自然通风条件较差。因此，为保证隧道内部空气有效流通，普遍选择在隧道内部安装一定数量的风机等设备。但是，受到环境因素影响，偶尔出现风机运行故障问题，如转动频率下降等，导致隧道内部空气中的氧气含量降低，存在一定的安全隐患。应用PLC 技术可以持续对风机等通风设备的运行数据进行采集分析，评估设备运行工况，以及隧道内部环境的通风质量。当监测到通风质量低下或是通风设备出现运行故障时，快速采取有效控制措施，将问题上传。同时，在必要情况下，会降低通风系统的运行负荷，在保障隧道内部空气质量与通风效果的同时，降低电能消耗量。

3 基于PLC 的隧道监控系统设计

（1）PLC 监控系统设备选型。目前，多数高速公路隧道内部环境较为复杂恶劣，空气湿度较高，隧道通风质量不佳，过往车辆所排放的废气难以得到有效、快速排出。同时，受到诸多干扰源影响，在高速公路隧道监控系统运行过程中，时常出现信号传输不稳、监测信号与实际环境情况不符等问题，难以达到预期隧道监控目的。因此，在应用PLC 技术时，技术人员应结合高速公路隧道现场环境情况，做好设备选型工作，确保所配置传感器、控制器等设备可以在复杂环境下保持稳定运行状态与较高的监测精度。具体来讲，在设备选型环节，应注重配置具有良好防水防尘性能的机箱，降低环境因素对设备运行质量造成的负面影响；配置组态较为灵活、具有良好适应性能的ABB控制模块；PLC 模块可采用欧姆龙或菲尼克斯产品；对所采购设备开展各项试验，检测设备的运行稳定性、抗干扰性能等。在确定设备性能符合相关标准后，方可将设备投入使用。

（2）PLC 监控设备通信方式。在监控设备通信方式选择环节，在条件允许前提下，技术人员应采用RS-485 接口。在高速公路隧道监控系统后续运行期间内，可以根据系统运行情况及通信需求，对通信频率进行实时调整，确保通信速率稳定保持在9600bps。同时，当PLC 系统机箱和中断机柜之间的通信频率稳定保持在9600bps 时，通信电缆将充分发挥线路屏蔽功能，营造闭环通信空间，确保信息传输的实时性与安全稳定性。此外，技术人员还应采取自由通信协议，确保各处仪表设备以及系统终端设备间均存在标准通信协议，可以在两者之间进行信息数据传输。

（3）PLC 监控设备系统软件配置。现阶段，隧道监控系统普遍以Windows 系统为操作平台与编程环境，由主、备用控制单元组成。在系统界面中，采取下拉式画面排布方式，操作人员对系统界面中的菜单结构进行下拉处理，即可切换至菜单界面。随后，管理人员根据工作需求，从菜单功能栏中选择特定项目或功能图形开展下拉操作，即可使用该功能模块，如获取系统实时运行信息、下达控制指令、调整关联系统与设备的运行状态。

4 高速公路PLC 编程

（1）交通控制程序。在应用PLC 技术时，技术人员应先在隧道监控系统中编写交通控制程序，即可在后续系统运行过程中，自动对过往车辆的车牌信息进行监测，上传至可编程逻辑控制器进行扫描分析，准确评估隧道内部交通情况。同时，上位机将隧道交通状况评估结果与程序运行准则中的各类交通模式进行对照分析。随后，系统对隧道内所分布交通安全设施与交通装置的运行状态与显示信息进行调整，如交通灯、内车道标志设施等。同时，上位机将接收过往车辆检测器发出的数字信号，如若检测到异常现象，程序将自动向监控中心发送报警信号，这也是交通控制程序的主要使用功能。

此外，可将交通控制程序依次分为现场前端设备、隧道监控室与监控中心三个级别。在程序编程过程中，为保障程序运行稳定可靠，可以及时发现各类异常问题。因此，针对现场前端设备，技术人员应采取人工手动控制模式，对隧道监控室采取人工控制方式、工作人员操纵触摸屏开展各项操作，监控中心则采取自动控制方式，PLC 程序基于运行准则下达各项控制指令，或采取人工异地操作方式。对于这种冗余控制方式的采取，在交通控制程序出现各类运行故障时，也可快速切换其他控制方式，确保不会对交通安全造成负面影响。例如，在上位机处于异常运行状态时，工作人员可以手动操纵现场前端设备，或通过触摸屏对交通安全设施与信号灯进行控制。

（2）通风控制程序。在隧道监控系统中，通风控制程序的主要职能是定期对高速公路隧道环境的一氧化碳浓度、车流量进行监测，并将监测结果上传至PLC 程序中，通过扫描分析监测数据，程序对风机等设备下达特定的控制指令，将隧道空气质量、一氧化碳浓度稳定控制在合理范围内。同时，在出现火灾安全事故时，程序将操纵风机等设备进行排烟处理。在通风控制程序运行过程中，持续将风机等设备的运行数据、隧道空气环境监测数据上传至上位机。上位机综合分析高速公路隧道的实时通风要求，针对性调整不同风机的启动顺序、运行负荷及时间，并在风机启动环节中提供软启动保护。现阶段，可将通风控制程序依次分为风机配电箱、隧道配电室、隧道监控室以及监控中心。其中，在程序正常运行过程中，各级均采取自动控制方式基于程序运行准则自动下达各项控制指令。在设备检修或是程序出现运行故障时，则切换至人工控制方式。

（3）照明控制程序。在照明控制程序编写环节，技术人员重点开发以下使用功能：第一，强光检测功能。隧道洞口处所配置光感探测器将持续对洞外强光的光度进行监测，并将监测数据上传至控制程序中。随后，上位机对监测数据进行扫描分析，如若洞外强光的光度较大，则表明隧道采光条件良好，可以适当下调照明系统的运行负荷。反之，则上调照明系统运行负荷，将隧道环境平均照度控制在一定范围内。第二，故障自检。当系统出现异常运行现象时，程序将自动开展故障诊断工作、锁定具体故障点，向监控系统发送报警信号。第三，应急照明功能。在隧道出现火灾等安全事故时，照明控制程序将启动应急照明灯具，并在必要情况下切换备用电路，确保可以保持安全供电、隧道具有良好的光照条件。第四，在照明控制程序中设置人工远程控制、人工现场控制以及自动控制三种控制方式。

5 结束语

综上所述，随着自动化技术体系的优化完善，PLC 技术已逐渐在高速公路隧道监控系统中得到广泛应用，具有显著的应用优势。因此，技术人员必须加强对PLC 技术的研究，明确PLC 在隧道监控系统中的主要功能，掌握系统各项设计要点，以此保障高速公路的交通运输安全。