平锁高速公路隧道监控实践

发布时间：2007-09-03 作者：聂 锐

       平锁高速公路是国道主干线衡阳-南宁-昆明公路中位于云南省境内昆明至罗村口公路中的重要路段，是云南连接广西出海通边的主要通道。它全长61.31公里，大部分路段地处南盘江及其支流甸溪河沿岸，地势陡峭，地质复杂，沿线古滑坡体和膨胀土较多，设有隧道4道4787米，特大桥7座1837.06米，大桥55座15264.89米，中桥48座3817.66米，其中鹰嘴岩一号隧道上行线长1830米，下行线长1820米，桥梁和隧道占线路总长的23%；东接在建的衡昆国道主干线罗村口至砚山高速公路，西接昆河公路和拟建的二河国道主干线石林至蒙自高速公路。途经文山、红河两州的砚山、开远和弥勒三县（市）。平锁高速公路建成通车使云南出海通边时间缩短一小时，对云南乃至大西南经济社会发展起着十分重要的作用。

       以下就平锁高速公路隧道监控系统的应用实践作一介绍。

一、概述

       公路隧道是公路发展的到一定水平和时期后的必然结果，当公路穿过山脉、河流，以及为了节约空间而使公路穿越城市地下时，就产生了公路隧道。早期的公路隧道没有监控或采用人工控制监控，随着自动控制技术的发展，特别是现代自动化、通讯技术的发展，现代高速公路的长大隧道都采用了自动化的监控技术，隧道监控技术是伴随着自动化技术的发展而发展起来的。

       从目前国际上对隧道的设计标准来看，长隧道和特长隧道需要监控系统以保证隧道内行车的安全和通畅。隧道监控系统按照各个子系统分可分为：照明系统、通风系统、交通诱导系统、CCTV系统、火灾报警系统、消防控制系统、紧急电话系统、广播系统等。

        按照设备的类型分可分为：检测设备、控制设备、显示设备和通讯设备。检测设备如：火灾报警探头、车辆检测器、COVI、能见度检测仪、风速风向仪等；控制设备如交通区域控制器、照明区域控制器、通风区域控制器等；显示设备如：计算机工作站、大屏幕监视器、声光报警器等；通讯设备如：交换机、集线器、串口信号传输设备、光端机等。

       当前在工程界一致认同的隧道监控模式主要分为两种，一种是适用于短隧道的集散式控制模式，一种是适用于长隧道的分布式现场总线控制模式。前者布线复杂，造价较高，由中控室对现场设施进行控制与管理，后者施工方便，不但造价较低，而且可靠性较高，其又可分为全分布式现场总线控制和集中式现场总线控制。全分布式现场总线控制模式，中控室对现场设施不直接进行控制，由现场各种设施的控制器进行控制。分布式现场总线控制模式从网络构成来看，一般分3个层次：上层为中央计算机系统，即本地控制中心，中间为区域控制器，下层为各种检测设备和控制及诱导设备。

       隧道控制的核心思想就是将所有纵向及横向的系统有机地结合起来，通过算法分析，最终实现智能化控制。区域控制器就是其实现的核心。各区域控制器负责采集现场检测设备的信息，处理后传给本地控制中心，而本地控制中心的控制命令则发给区域控制器，再由区域控制器直接控制相应设备。在本地控制中心与区域控制器通讯中断的情况下，区域控制器仍然具备独立控制现场设备的能力。因此区域控制器应高效且高度可靠。作为区域控制器的核心控制部分，PLC应用最多，它的稳定性、实时性以及对环境很强的适应能力，非常适用于隧道的现场环境。

二、本地控制器选择

       隧道本地控制器是隧道监控的关键设备和核心产品，它承担着隧道内各种设备（风机、灯具、检测设备、供电设施等）数据检测收集、分析、运算、判别传输和指令的发出、执行等功能，对隧道内的交通状况、运行环境、设备状态的监视和控制，确保各种隧道设备（风机、灯具、检测设备、供电设施）安全有效运行，并起到平滑交通、保证安全、减少污染和降低运营成本、节约能源的目的。因此本地控制器的选型非常重要，为了在成本节约的条件下保证性能质量，平锁路项目业主、设计院、和项目承包人三方组织对本地控制器产品进行了考察，最终对选定性价比和开放性较高的厂家－欧姆龙公司产品。

       欧姆龙公司是世界PLC的五大生产厂家之一，其PLC产品分为大、中、小三大系列，供几十个机型。针对隧道监控系统的特定要求，我们这次选择了欧姆龙的CS1D系列双机冗余型PLC，CS1系列单CPU单电源机型和经济型的CJ1系列PLC。

       CS1D作为欧姆龙公司最高档的PLC机型，其双机冗余的特性有效的增强了系统的高可靠性、高稳定性，成为降低系统风险的最合适的选择。它不仅可以实现CPU冗余，而且还可以实现电源单元的双重供电、双Controller Link网通信、双以太网通信，并且可以实现单元的在线更换，这些冗余能力的选择可适应从机器控制到过程控制的任一系统的需求。在平锁路项目监控系统中，作为主控的本地控制器，除完成变电站及隧道的区域控制外，还负责对其他区域控制器的控制管理及与监控中心上位机连接的作用。因此我们选择了CS1D用作主控本地控制器。

       值得指出的是，与其他品牌冗余PLC在两个机架之间通过光线连接相比，欧姆龙的冗余系统是在一个底板上实现CPU、电源以及网络的冗余，实验证明该种方式的可靠程度更高。

       CS1/CS1D系列PLC作为欧姆龙性价比最高的PLC系统，其应用范围广泛。它采用32位RISC精简指令系统，运算速度快，其基本指令的执行速度≤0.02us；控制点数可达128000点，控制方式采用远程带CPU的智能分布式结构，支持工业以太网和多种现场总线，系统开放性和兼容性强，丰富的I/O及高功能模块，完全满足隧道监控系统对信号处理的要求。

       在隧道内的一般区域控制器，我们选择了欧姆龙公司更为经济的CJ系列PLC。该系列PLC采用了与CS1系列相同的RISC系统内核，具有更快的处理速度、更小的尺寸、更迅速的数据传送等特点，同时与CS1一样，支持工业以太网以及多种现场总线，这种精小型PLC在隧道中的应用也相当广泛，且编程与CS1系列相同。

       欧姆龙致力于PLC的研发，其不同型号的产品升级平滑，兼容性好，尤其是在隧道监控系统运行一定周期后的系统升级显得尤为有利。

三、网络的选择

        隧道监控系统，分布性强，干扰强，环境较差。网络系统对隧道监控安全、可靠、有效的运行非常重要。我们分析了隧道监控网络应用的现状及欧姆龙公司的工业自动化网络体系。

       在隧道监控系统的结构上，国内公路监控系统在管理体制上主要是三级管理，即管理中心、管理分中心和管理所。由于管理所不直接对隧道的设备进行控制，因此工程界按照系统结构的划分把监控系统划分为信息层、控制层、和设备层。针对这三层网络，世界上主流的自动化厂家都有相应的产品，如表一所示。
　　 　
表（一） 三层网络构成一览表

       第一层为信息层，主要负责大量信息及不同厂家不同设备之间的信息传输，工业以太网Ethernet为目前较常用的一种信息网络，世界各大PLC生产厂商均支持工业以太网。但是，由于Ethernet的实时性不及工业现场总线，如果直接参与实时控制不能够实时的收发各种控制数据。为此各自动化厂商近年推出了实时的工业以太网，欧姆龙和罗克维尔产品为Ethernet/IP，施奈德采用Modbus-TCP/IP，西门子的为ProfiNet等。在隧道监控上以太网主要用于各个隧道管理所与监控中心的数据传输，包括各种交通流量信息，各传感器数据等大量历史数据信息。

       第二层为控制层，主要采用现场总线组成隧道区域控制器网络，其特点是由于采用了标准总线组网，既能满足实时通信的要求，又具有开放协议的标准接口，能在总线上方便的挂接各种外场设备，有利于监控系统的未来扩展。目前，现场总线有40多种，在公路监控系统中应用的现场总线主要有Controller Link、LonWorks、Inetrtbus、Profibus、Can和Modbus。他们的共同特点是高速、高可靠，适合PLC与计算机、PLC与PLC及其它设备之间的大量数据的高速通讯。随着各自动化厂商近年推出了实时的工业以太网，传输速率都在100M左右，目前控制层采用以太网也越来越普及，但以太网为总线型或星型结构，需要通过光纤交换机将其转换为光纤冗余环网结构，从而进一步提高系统可靠性。

       第三层为设备层，这一层用于PLC与现场设备、远程I/O端子及现场仪表之间的通讯，它们有DeviceNet、Modbus以及Profibus/DP等，其中DeviceNet已经成为工业界的标准总线而得到了广泛的应用，Profibus/DP应用也相当广泛。欧姆龙公司PLC不仅可以支持DeviceNet，而且也支持Profibus/DP和Modbus总线。同时由欧姆龙公司自行研发的CompoBus/D，CompoBus/S总线，也符合DeviceNet通信规约，广泛应用于各种现场设备的控制。

       在平锁路的实践中，我们信息层、控制层都采用了Ethernet，着使得系统结构更为简洁，设备层采用了DeviceNet。三层网络之间的通讯编程，我们采用了欧姆龙编程软件包中集成的FinsGateway，这是一个非常方便的驱动，他使得信息层、控制层、设备层三层网络间无缝连接，从而使得组网通信编程变得极其简单。

       除了以上三层网络，隧道监控实际还有一种应用很多的通讯方式，即RS-232/RS-485串行通讯接口。欧姆龙PLC支持的串行通讯协议宏，能够自定义通讯协议，使用期来非常方便。现场各种车检器、情报板等与PLC之间的通讯编程都通过协议宏来解决。

三、整体方案

       平锁路监控系统整体方案结构为，白家田、鹰嘴岩隧道群、飞鱼泽隧道PLC采用了欧姆龙CS1D系列主控和CS1/CJ1系列分控。白家田、鹰嘴岩隧道群，左洞隧道内总共有11台区域控制器，右洞隧道内总共有14台区域控制器。这些区域控制器承担着隧道内各种照明、通风、交通诱导设备、指示设备、车检器、CO/VI设备等的测控任务。主控采用CS1D，以提高可靠性，0号PLC采用CS1系列，其余隧道内安等距离分布的本地控制器，采用CJ1系列PLC。所有本地控制器通过100Mbps以太网接口与MOXA的光线交换机连接，通过光线交换机连接成光纤冗余环网，并与监控中心相连，当光纤冗余环形以太网局部线路损坏，信号会自动从另一方向环回，从而保证通讯的连续性。为了提高可操作性，在变电室还配备了欧姆龙NS系列的彩色触摸屏，用于人机交互。 整个控制系统的结构见附图一。

 
附图（一）系统结构图

      目前平锁高速公路已建成通车，整个监控系统运行正常，达到了我们设计目标的要求和性能。

四、改进与发展

       当时我国隧道监控系统的设计和实施正处于一个成长的时期，系统的需求、设计、结构以及系统的控制仍然存在不完善的地方，同时技术的发展也给监控系统的改进创造了条件和基础，也使建设合理的隧道监控系统成为可能。

       从系统的需求来看，一方面要兼顾系统的稳定、可靠与可控，也要反映系统的先进、经济与可扩展，同时也要使操作便捷与维护方便；另一方面，针对不同的交通条件和功能要求确定系统的规模和冗余度的大小，确定系统的合理集成方式、系统网络的构成与拓扑结构形式以力求系统的可靠性、稳定性、先进性与经济性的有机结合。

       从系统的设计来看，除考虑系统的规模和设计方法外，也要考虑新技术的应用，使整个系统既先进又实用。

       从系统的结构来看，当前我国普遍采用三级隧道管理和分布式现场总线控制方式，事实上，主从式结构的现场总线如Profibus，由于系统的可靠性受主控制器的制约，并不适用于全分布式现场总线控制，采用对等的自愈网络是今后的一个发展趋势，同时针对未来网络技术应具有开放性、互操作性、通信介质不受限制、操作系统结构全面、拓扑多样化、通信协议具有可移植性等特点，今后的发展将是采用基于Web站点与工业以太网相结合的方法，通过互联网实现远程控制。

       从系统的控制来看，当前我国公路监控普遍存在着只监不控，或监强控弱的现象，交通信息、环境信息得不到很好利用，对于隧道控制，要针对不同现象，采用不同的控制方法。

       今后我国的隧道监控系统的发展是，在原有基础上，按照监测与控制适当分离、最大限度的集中监测、灵活机动的现场控制的总体思想，逐步改进，使得隧道监控系统的建设更趋合理。随着高速公路隧道建设的发展，节能已成为重要问题提到议事日程上来，监控系统如何能根据交通量、隧道的长短、地质特征、环境特征有效的控制灯具、风机的节能，是我们下一步应该重点考虑的主要问题。

[参考文献]
　　[1]　胡剑波  PLC在隧道自动化中的应用        《工业仪表与自动化装置》
　　[2]　韩直    公路监控系统的需求与发展        《国际交通配套与智能化》