摘要 隧道控制系統(tǒng)一直是高速隧道機電系統(tǒng)的重點，特別是發(fā)生特殊情況時，隧道遠程控制系統(tǒng)顯得尤為重要。好的控制方案在成本控制、施工過程和運營管理過程中都更受歡迎。該文探討了幾種隧道機電控制系統(tǒng)實際應(yīng)用方案，介紹了優(yōu)化設(shè)計的思路，并在江西大廣高速某項目隧道機電控制系統(tǒng)中應(yīng)用了工業(yè)測控執(zhí)行器+PLC協(xié)同控制的方案，取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞 工業(yè)測控執(zhí)行器；PLC；隧道機電

中圖分類號 U495 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）21-0020-03

0 引言

高速公路隧道子系統(tǒng)主要包括隧道通風、隧道照明、交通誘導(dǎo)、CCTV、消防報警、電話廣播、LED系統(tǒng)等。其中通風、照明、車行橫洞防火門、消防水泵、車道指示器、交通信號燈、風速風向、CO/VI、光強照度等設(shè)備，都需要接入隧道監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)本地及后臺遠程操作。考慮特殊情況的發(fā)生，如網(wǎng)絡(luò)故障的可能性，需要把本地控制的優(yōu)先級提高到遠程控制之上。在各種通信傳輸和監(jiān)控的方案對比時，設(shè)計和施工方案需要因地制宜綜合考慮各方面因素，選擇更優(yōu)方案實施。該文通過分析各種隧道組網(wǎng)傳輸控制的方案并對比其優(yōu)缺點，闡述了方案優(yōu)化的過程和思路，并在江西大廣高速某項目隧道機電控制系統(tǒng)中進行了應(yīng)用，取得了良好效果。

1 方案分析

常規(guī)的隧道機電控制方案是隧道配電房設(shè)置主控PLC（主控制器），隧道內(nèi)設(shè)置本地PLC（區(qū)域控制器），組環(huán)后實現(xiàn)PLC下位機之間聯(lián)動，經(jīng)光網(wǎng)絡(luò)傳輸至隧管所，由監(jiān)控室后臺軟件控制（如圖1）。實現(xiàn)采集隧道內(nèi)檢測設(shè)備上傳的信息，如隧道內(nèi)外光強照度值、微波車檢數(shù)據(jù)、CO/VI濃度值、風速風向等，主要是模擬量信號。同時上傳控制設(shè)備的反饋信息，如車道指示器、交通信號燈、橫洞防火門、軸流風機控制箱、低壓柜開關(guān)狀態(tài)等。在本地PLC對采集和反饋的信息內(nèi)進行預(yù)處理后，存儲在本地存儲單元中，根據(jù)需要響應(yīng)后臺并將存儲單元中處理好的信息上傳給隧管所計算機。在隧管所下發(fā)控制命令時，PLC將控制命令和設(shè)備運行狀態(tài)進行對比，并發(fā)出對下端控制設(shè)備如橫洞防火門、車道指示器、交通信號燈等的控制信號，主要是開關(guān)量信號。

圖1 全PLC控制模式隧道控制器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

此方案隧道內(nèi)所有前端設(shè)備直連本地PLC，優(yōu)點是PLC設(shè)備性能穩(wěn)定，每臺前端設(shè)備單獨布線，對應(yīng)功能清晰明了，因此故障便于排查，缺點是需要大量多芯控制纜，且排查出線纜故障后更換困難。

針對該方案的缺點，可以設(shè)計一種全工業(yè)測控執(zhí)行器控制的方案以節(jié)約控制線纜，很大程度上彌補了這個弊端（如圖2）。工業(yè)測控執(zhí)行器安裝布設(shè)在被控制設(shè)備附近，被控制設(shè)備直接跟測控執(zhí)行器相連，每個工業(yè)測控執(zhí)行器設(shè)置單獨IP，以光通信方式就近接入隧道監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)（隧道CCTV），跟隨隧道監(jiān)控環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)組環(huán)網(wǎng)，并通過隧道監(jiān)控交換機上傳至隧管所，實現(xiàn)隧管所后臺隧道監(jiān)控管理平臺統(tǒng)一控制。

圖2 全工業(yè)測控執(zhí)行器模式隧道控制器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

該方案優(yōu)點是安裝方便，支持壁掛式。現(xiàn)場布線簡單方便，就近取電，光纜傳輸，支持級聯(lián)，與被控設(shè)備直連，配置單獨IP實現(xiàn)遠程監(jiān)控。測控器無需編程，出廠預(yù)置通用性強，同類功能配件可模塊化更換，易維護。缺點是該方案雖可實現(xiàn)遠程控制，但因工業(yè)測控執(zhí)行器沒有可交互操作界面，雖可用App，但不易實現(xiàn)本地控制，所以該方案使用較少。

針對前兩種方案的優(yōu)缺點進行優(yōu)化，PLC+工業(yè)測控器總線方案（如圖3）則可摒除前兩者缺點，用測控執(zhí)行器通過總線接口與就近的PLC連接，PLC下位機之間和方案1一樣通過以太網(wǎng)組成光纖自愈環(huán)[1]。

該方案中，本地PLC控制器只是作為一個串口采集設(shè)備在用。

圖3 PLC+工業(yè)測控器總線模式隧道控制器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

該方案的優(yōu)點是設(shè)備分散布置，使得被控制設(shè)備如CO/VI、交通信號燈、車道指示器、車行橫洞門等能夠就近直接接入工業(yè)測控執(zhí)行器。執(zhí)行器再分區(qū)域接入到PLC區(qū)域控制器，PLC之間采用以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)接入到隧管所。缺點是系統(tǒng)多了一個層級，即在被控設(shè)備和PLC之間多了一層工業(yè)測控執(zhí)行器，網(wǎng)絡(luò)傳輸多了一層故障點。

基于上述情況，并綜合前三種方案的優(yōu)點，該文在江西大廣高速該隧道機電項目中提出了新的通信傳輸及控制方案，即本地工業(yè)測控執(zhí)行器+PLC協(xié)同控制的模式（如圖4）。

圖4 本地工業(yè)測控執(zhí)行器+PLC協(xié)同模式隧道本地控制器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

該方案以工業(yè)測控執(zhí)行器壁掛安裝布設(shè)在被控制設(shè)備附近，與被控制設(shè)備直連，每個執(zhí)行器設(shè)置與隧道監(jiān)控攝像機同段內(nèi)且獨立的IP，以光通信方式就近接入隧道監(jiān)控環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。考慮本地控制的優(yōu)先級，并為實現(xiàn)隧道本地控制，在隧道兩端（短隧道一端）設(shè)置變電所主控PLC，并接入軸流風機、低壓柜隧道照明、消防水泵控制柜、洞外交通信號燈、光強、微波車檢器等設(shè)備，通過PLC可視化屏幕實現(xiàn)了交互及現(xiàn)場控制。經(jīng)隧道監(jiān)控交換機上傳至隧管所，實現(xiàn)隧道監(jiān)控管理平臺統(tǒng)一監(jiān)控。

因為PLC和工業(yè)測控執(zhí)行器分屬不同廠家，設(shè)備通信端口及協(xié)議并不統(tǒng)一，可以在隧道監(jiān)控交換機上掛載一臺通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)PLC和執(zhí)行器的協(xié)議轉(zhuǎn)換，達到信息互通、數(shù)據(jù)互聯(lián)的目的。

2 應(yīng)用方案分析

工業(yè)測控執(zhí)行器+PLC協(xié)同控制方案可以明顯減少維護的難度，相較于PLC需要定制化編程的特點，維護人員無須每次故障都聯(lián)系專業(yè)人員前往現(xiàn)場編程，采集點位信息等工作。

該方案的優(yōu)點：

（1）極大地節(jié)約了線纜用量?？删徒尤氡O(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省了隧道內(nèi)PLC組網(wǎng)的光電纜，特別是節(jié)約了被控設(shè)備多芯控制纜的用量，并且工業(yè)測控執(zhí)行器價格相對較低，節(jié)約采購成本。

（2）使用出廠設(shè)置好、模塊化的工業(yè)測控執(zhí)行器，減少了較復(fù)雜的PLC程序的二次開發(fā)調(diào)試。節(jié)省了相應(yīng)成本，并使后期維護相對簡單。

（3）體積小，易安裝，壁掛安裝、設(shè)備控制箱內(nèi)固定安裝均可，可實現(xiàn)降本增效。

（4）每個工業(yè)測控執(zhí)行器獨立就近接入隧道監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，線路故障不影響區(qū)域控制或者整個系統(tǒng)，因光電纜較短，易于排查維護。

該方案的缺點：

工業(yè)測控執(zhí)行器在本地沒有可視化交互界面，控制不便，與變電所PLC對接又有端口、協(xié)議不統(tǒng)一的問題，需雙方研發(fā)技術(shù)人員更深層次的協(xié)調(diào)配合，方能達到協(xié)同控制的目標。

3 結(jié)束語

工業(yè)測控執(zhí)行器+PLC協(xié)同控制方案也許不是目前技術(shù)能達到的最優(yōu)方案，未來也會有更優(yōu)方案出現(xiàn)。比如安裝在變電所的工業(yè)測控執(zhí)行器實現(xiàn)可視化交互功能，集合自動識別隧道內(nèi)的從設(shè)備和控制變電所設(shè)備功能，從而替代變電所PLC，不需要廠家之間協(xié)議對接，實現(xiàn)更加便捷地施工和維護。隨著通信傳輸和工業(yè)控制設(shè)備技術(shù)的更新迭代和網(wǎng)絡(luò)通信傳輸技術(shù)的不斷進步，隧道機電系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)也會不斷優(yōu)化，更好地為高速公路智能化建設(shè)、智慧化管理的建設(shè)服務(wù)，更好地服務(wù)司乘大眾。

參考文獻

[1]陳浩，幺進祥.智能工業(yè)測控執(zhí)行器在高速公路隧道控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國交通信息化，2022（S1）：407-409+428.