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1、NEWSOFT 广州新软 全国领先fIE系统提供商 西汉高速隧道群PLC联网群控技术的应用 随着计算机技术的发展，PLC的性能和功能得到了很大 的改善和拓展，具有高可靠性、高抗干扰能力、通信与网络 功能强以及机电一体化的特点，使得P L C更适应在公路隧道 这样的特殊环境中应用。利用PL C通信和网络功能，可以方 便地利用工业以太网、Modbus Plus(MB+)网络实现PLC与 计算机、PLC与PLC、PLC与风机控制变频器、信号灯等现 场设备的链接。PL c系统还能极大地节省配线、方便安装、 简化系统维护。因此，基于PLC网络的隧道测控系统正在得 到广泛的应用。 一般隧道监控系统中的PL
2、C下位机系统只是一个响应上 位机系统操作或只对P L C本单元操作的执行机构，对整个隧 道交通的智能控制不够完善，并且在一般隧道交通监控系统 中PLC的自动化控制功能、工业控制网络的高速传输性能都 没有充分发挥出来。所以一般隧道交通监控系统在很多情况 下不能满足隧道内现场实时交通控制的要求，而采用PL C联 网群控技术可有效地解决这一问题。 隧道交通监控系统P L C联网群控技术是指利用集成方 法，将智能型计算机技术、高性能的网络通信技术、信息处 理技术、综合自动化控制技术与交通控制有机结合，通过对 隧道附近的交通状况以及交通设备的监视与谐调，实现自动 控制各种交通设备的一种隧道交通监控技术。
3、 系统概述 西汉高速公路是国家高速公路网北京至昆明高速公路 在陕西境内的重要一段。全线隧道130余座，隧道总长约110 公里，其中朱家垭、良心、关岭、青龙垭、酉水等十余处隧 道组成的近13公里的隧道群位于秦岭山脉与汉中盆地的连 接处。隧道群内朱家垭、良心隧道为单洞36公里的特长隧 陕西西汉高速公路有限责任公司高昊 道，关岭、青龙垭隧道为单洞超过1公里的长隧道，其余为 中短隧道。结合此路段隧道群的地理环境及隧道交通监控系 统的特殊性，在本项目中采用PL C实现分布式采样，即在被 控点附近设置采样单元(区域控制器)一套，并在长隧道的 变电所内各设置有图形化人机操作界面的主控PL C一套。从 而在隧
4、道内就近实现通风、照明、交通诱导系统的状态采样 和控制输出，并监控隧道及其附近区域的运营状况，对交通 参数进行检测和统计，同时对隧道的各种交通设施进行集中 监控和管理，预防并及时感知、排除隧道内的各种交通事 故，保证了高速公路行车的安全和畅通。 监控系统的下位机系统由各隧道内采样单元、主控 PL C间通过工业以太网构成。下位机采用光缆为介质构成 冗余环网，在技术上充分满足了现场采样的需求。监控系 统的上位机设置在隧道管理站内，采用图形化的监控终端 来完成受控设备的集中控制、数据分析、统一调度和管 理。隧道群内下位机系统与上位机系统通过以光缆为介质 构成的工业控制网进行通信，从而组成本地监控系统
5、，实 现PLC联网群控。 朱家垭隧道群交通监控系统就是利用PL C联网群控技 术，构成隧道交通监控的综合控制系统，分为下位机与上位 机两个部分。下位机部分采用施耐德公司的Unity Quantum 系列的PLC产品，采用该公司的UNITY PRO下位机编程 组态软件进行系统开发。并且PLC控制器自带有作为预留的 USB口和一个MODBUS PLUS网络通信口，其中USB口可 用于下位机程序的编制下载、调试和系统维护。上位机部分 配备工业控制主机、网卡等相关设备，作为图形化监视控 制终端。操作员在上位机图形监控终端或通过本地主控PLc X B T G T5330(人机操作界面)便可对整个隧道的交
6、通诱导 设备等进行监控与控制管理。此外，下位机与中心监控系统 201008中国交通信息化93 WWW CHINATS CN (上位机)可通过工业交换机相连。 方案比选 婧 根据隧道群工程现场运行方便性的要求，我们提出3个 交通监控系统方案以供比选。 方案一 利用PL C网络技术在被控点附近设置一套采样单元来实 现分布式采样，就近完成被控点的状态、信息采样与控制信 号输出，并且各采样单元间通过工业控制网络相连，构成了 监控系统的下位机。另外，利用工业控制网络通信，设一套 图形化监控终端构成监控系统的上位机，这样控制了各采样 单元之间控制信号，实现对隧道内设备状态、交通状况的监 控。 方案二 利用
7、PL C网络技术在被控点附近设置一套采样单元来实 现分布式采样，就近完成被控点的状态采样和控制输出，并 完成该采样单元内部各控制信号的互锁；各采样单元通过工 业控制网络相连，构成了监控系统的下位机。另外，利用工 业控制网络通信，设一套图形化监控终端构成监控系统的上 位机，这样谐调并控制各采样单元之间控制信号，实现对隧 道内设备状态、交通状况的监控。 方案三 利用PL C网络技术在被控点附近设置一套采样单元来实 现分布式采样，就近完成被控点的状态采样和控制输出，并 完成该采样单元内部各控制信号的互锁；并增加各采样单元 相互谐调、控制的通信功能，通过工业控制网络各采样单元 组成监控系统的下位机。另
8、外，利用工业控制网络通讯，设 一套图形化监控终端构成监控系统的上位机，这样谐调并控 制各采样单元之间控制信号，实现对隧道内设备状态、交通 状况的监控。 以上三个方案中，方案一仅仅利用PL C网络技术实现分 布式采样，再将各PL C控制单元通过工业控制网与图形上位 机系统联接，完成信号的采集、传送、处理。这样的系统不 能实现整个隧道的群控。 方案二在方案一的基础上，增加了上位机对下位机各 PLC控制单元的谐调功能，具有了群控功能，但PLC的性能 及高速MB+网络的通信功能没有完全发挥出来。 94中国交通信息化2010，08 WWW CHjNAjTS CN 方案三在方案二的基础上，充分利用高速工业
9、以太网通 信技术及PLC自动化控制的性能，增加了各采样单元间的通 信功能，实现了群控。这样不但充分发挥可编程控制器自动 化控制优势，也发挥出了工业以太网高速通信的性能，使得 隧道监控系统自动化程度更高，稳定性更好。采用方案三群 控技术的隧道交通监控系统，特别适应当今高速公路综合自 动化交通控制系统的发展需求。 系统配置 结合隧道群交通监控系统方案、技术指标要求及隧道的 具体情况，在朱家垭隧道群交通监控系统中，选用施耐德公 司的Unity Quantum系列的PLC产品，并利用快速、准确、 可靠的MODBUS PLUS网络的站间通信(Peer Cop)技术构 成下位机系统，充分满足群控功能要求。
10、同时施耐德的PLC产 品具有强大的编程功能，PLC组态软件UNITY PRO支持梯形 图(LD)、功能块图(FBD)、结构化文本(ST)等多PLC 编程语言，保证了系统的各类控制功能的需求。 在该交通监控系统中，所需监控的数据包括以下三类： 离散量输入(DI)，如开关的位置状态，操动机构状态，故 障状态；离散量输出(DO)，如开关的分、合闸控制；模拟 量输入(AI)，如C0、VI(能见度)、风速、光照度的测 量值。 朱家垭隧道群交通监控系统具体选用的模块的规格及技 术指标如表1所示 表1各模块规格及技术指标表 l40cPs12420 QUANTUM电源，115230 VAC，冗余，llAMP
11、140CPU67160 uNITY HSBY CPU 67160，热备冗余CPU 140NOE77101 QUANTUM ETHERNET 10100M网络模板 140DD184100 开关量DC输入，16点，1O一60 VDC，8组隔离 l40DRA84000 继电器输出，l6点，NO，2A点 140AC103000 模拟量输入，单极性，8通道，420MA或卜5VDc，l2位 以上模块虽然能够实现照明控制、交通诱导、消防系 统协助控制等功能，但由于本系统中射流风机采用变频器控 制的方式，开关量模块无法控制风机的变频启动，也无法详 尽地采集到电机转数等参数。因此，在本系统中采用了施 耐德的TS
12、XETG100 EthernetModbus网关，利用Modbus Plus(MB+)网络将多台风机控制变频器以总线形式接人工业 以太网交换机，实现PL C或上位机系统通过以太网实现风机 的变频启停控制。 系统功能 信息采集 该功能主要由下位机来完成，各P L C采样单元通过扫描 交通控制柜内各A I、D I点，采集其所连接设备(如车道指示 器、交通信号灯、可变情报板)当前所处的状态和各类报警信 息，采样扫描周期小于10ms。 编码传输 用于将下位机系统所采集到各类信息进行编码并经通信 网络传至上位机系统和XBTG T5330(本地测控终端人机操 作界面)操作系统，以供进一步处理。 设备控制
13、该功能是上位机系统或由主控P L C控制单元的 XBTGT5330(人机操作界面)操作系统根据隧道内外的交 通状况、天气状况而对隧道内各交通控制设备进行远程谐调 控制，经网络传送到下位机；再由下位机系统负责执行各种 操作命令，并采集命令执行期间的操作信息返回给上位机系 统或本主控PL C控制单元的XBTGT5330操作系统。设备控 制方式有单个对象控制和模式控制两种，采用选择、确认、 执行三步来操作，当操作被禁止时，系统将给出提示信息提 醒操作员注意。 特别地，在朱家垭隧道群监控系统中，各下位机PL C控 制单元能根据隧道内的交通状况而对整个系统进行控制。当 某一PL C控制单元在进行控制时，
14、其他PL C控制单元能监测 到，并做出相应的处理以及显示具体哪个PL C控制单元在进 行控制，同时提示操作员工注意本PLC控制单元的操作。 状态监视 在上位机系统的显示器上以图形化形式显示隧道内所 有交通控制设备的状态以及隧道内交通状况的画面，实时监 视隧道内各交通控制设备的当前状态、当前隧道内的交通状 况。同时，XBTGT5330(人机操作界面)也可以对隧道内交 通、照明、通风控制单元所控制设备的当前状态进行监视。 技术特征 P L C联网群控技术实现隧道交通监控系统的主要特征 如下： NEWSOFT 广州新软 全国领先Ells系统提供商 分布式的采样单元实现数据的就近采样。 信息的自动采集
15、和逻辑编程控制输出，实现系统的动 态实时监控。 网络问的数据传输用于实现设备的联动联锁控制，极 大地简化了上位机的控制操作，方便了隧道内本地操作。 各主控PLcN控终端配上xBTGT5330(人机界面) 操作系统，可监视系统的状态，并在必要的情况下可对整个 系统进行控制。 5pL C测控终端模块化、体积小、重量轻、工作安全可 靠，并具有在线自检和程序掉电保护功能以及高可靠性、便 于组网、方便编程、自动化程度高、版本易升级等优点。 PLC具有高可靠性、稳定性以及无与伦比的网络连接能 力，特别适应于室外、隧道内等恶劣环境下的自动化控制。 冗余的光纤环网可保证数据的可靠和有效传输。 隧道测控系统采用
16、二层网络结构，第一层为管理层 (即信息层)，采用EthernetN域网，承担管理、决策和 控制任务；第二层为控制层，采用PL C的光纤环型网络， 实施现场数据采集、数据传输和设备的控制。现场PLC网 络由主PL C通过以太网模块与局域网连接，利用以太网通 信，实现了区域控制器的现场控制与信号传输的全数字 化。该系统结构采用全分散化，由现场的控制器直接控制 设备；上层通信网络采用以太网通信，可方便地实现数据 共享。并且，此网络结构体现了FCS控制控制系统的优势， 当环型网络上仅有一处发生故障时，数据仍可正常传输， 系统仍可正常工作；当有多点故障时，现场PLC可独立工 作，等待系统恢复正常后再接受指令，大大增强了控制系 统运行的可靠性。 图形监控终端实现图形化、数字化的集中监控。 内置的USB通信121可用于现场的编程、调试和维护。 结束语 本文通过对西汉高速公路部分路段隧道群交通监控系统 自动化控制模式、联网方式的分析，结合实际情况，通过多 种方案的比对，深入分析了如何选用现有成熟技术、成熟产 品来实现更安全、更人性化、更便于维护 升
