基于PLC及组态软件的隧道监控系统

摘要：由于PLC及组态软件具有稳定、可靠、灵活等特点，目前已逐步渗透应用到高速公路隧道监控系统中，做到相关设备的遥控、遥信、遥测功能要求做到准确、可靠、及时；增强系统的自动化、智能化，提高系统的稳定性，减轻对人工的依耐性；达到系统节能，智能的目的。本文通过对目前某高速公路网线隧道监控系统问题分析，进行了高速公路网线隧道监控系统改造优化的探索研究，收到良好效果。

关键词：隧道监控系统；PLC；组态软件

　　引言

某高速公路是国家高速公路网路线的重要组成部分，目前该路段车流量日益增加，监控工作的负担日益沉重，现有交通监控系统尤其是隧道监控系统已逐渐不能满足当前监控工作的要求，需要对监控系统进行改造优化。基于PLC及组态软件具有稳定、可靠、灵活等特点，本文将对该高速公路网线隧道监控系统的改造优化进行探索研究。

一、目前高速公路网线隧道监控系统存在的问题

隧道监控系统问题在电力监控方面表现以下两方面：

1、现场隧道内通风、照明系统均未接入本地控制器，本地控制器中亦无相关控制程序，故本地控制站及监控中心不具备通风、照明系统的监控功能，及智能联动功能；

2、本地控制器没有采集隧道口机房UPS、柴发的数据，且本地控制器内并无针对该信号的联动处理措施；

隧道监控系统问题在在交通监控方面表现为以下几方面：

 1、部分本地控制器模块已损坏需要维修或更换；

 2、隧道内本地控制器间通讯故障，隧道内左、右洞环网通信中断；

 3、主本地控制器作为隧道口工作站性能较弱且通信方式为串口通信方式，通讯故障率高，传输速度慢；

 4、火灾报警信号频繁误报，通信网络故障率高；

 5、CO/VI、LO/LI、车检器硬件部分损坏，普遍没有信号上传，且本地控制器并无针对该信号的联动处理措施；

 6、LS/TS、HD：交通信号灯、车道指示标志部分损坏，还存在部分控制点控制不到位的现象，且洞口亮度不足，需更换新产品；现场HD均不亮，且本地控制器内并无针对该信号的联动处理措施；

 7、其中洞内情报板面板均已损坏，洞口情报板通信不畅，经常有控制不到位象，通信速度慢，丢包现象严重；

 兼顾目前隧道监控系统出现的问题，综合高速公路网线隧道的特点，从以下方面进行优化设计。

二、 隧道监控系统组态网络结构的设计

高速公路网线隧道数量多、设备种类多、分布复杂，下面从以下几点来分析系统网络架构的设计:

1系统网络架构

该高速公路隧道监控系统信息管理分为三级，即局总中心——分监控中心）—— 隧道监控外场设备。局监控总中心不在本次设计范围内。系统软件采用组态网络结构: ( 1) 组态软件分层式网络结构完全支持 C/S 模式，突破地域，能够极大地保证数据的完整性和系统的稳定性； ( 2) 组态软件具有柔性的三层网络架构，即数据采集层、应用服务层、数据展示层，无论是规模大小，都能够采用柔性的分布式网络架构进行部署，全线整个布局由隧道控制服务器、客户端构成，通过光纤、交换机环网进行数据交互，各个隧道外场设备的数据和图像直接传输至附近的收费站，由收费站的以太网交换机上传至分监控中心，数据采集使用组态I/OServer系统，实时采集隧道外场设备数据信息，操作员可以通过客户端向服务器发送请求监视和控制隧道内的所有设备，并且数据采集与控制都集中在一台通信计算机上实现，这样不但可以实现数据共享、数据的统计和查询，而且能大大减少数据传输的压力。监控系统总体框架配置图见图1。

2 系统稳定性和安全性

隧道数量多、数据交换量大，数据实时采集，都会影响系统的稳定性和安全性，为了保证系统的平稳运行及安全使用，对硬件和软件部分的技术要求不可忽视，首先从设备选择、产品技术服务、设备维修响应能力等各方面均应严格要求; 其次系统采用组态软件进行数据处理，组态软件采用了并发处理机制及事物处理技术，能够进行多进程并发处理，均衡内部事务。组态软件还采用流缓冲技术，当通讯发生故障时数据能够进行缓存，保证了数据的完整性和系统的稳定性。

图1 系统结构示意图

3 系统可扩展性和维护

系统设计时充分考虑今后的发展需要，系统具有可扩展性及升级换代，首先组态软件具有广泛的对外接口，融入整个企业信息系统中，扩展更多领域的应用，其次组态软件开发的系统界面易操作，维护简单，能很快准确地发现存在问题的地方，给用户维护性提供了保障。

三、 通讯过程中的关键技术及出现的问题和解决方法

下位机 PLC 与上位机通讯是通过组态软件的IO Server 作为通讯服务器负责和现场设备进行通讯，IO Server 服务器能够自定义采集数据块大小、采集频率，具有实时性，并且支持在线监视功能及网络传输性能监测。通讯过程中难免会碰到一系列的问题，但是只要在一些关键技术上运用得当，并注意一些规则、细则方面的应用，问题就会迎难而解，下面从三个方面阐述实现通讯过程所需要的关键技术及出现的问题和解决方法。

1 建立通讯链路需要的关键技术

通讯链路是 PLC 设备通过串口或以太网等方式与组态的数据采集系统进行数据信息交换的外部数字的连接，数据块是设备中一段连续的地址空间，都是相互关联，不可分割的，建立通讯链路过程中需要注意以下三个方面:

( 1) 每条通讯链路可以有 1 个或者多个 PLC设备，但是每个 PLC 设备对应一个 IP 地址，IP 地址不能重复。

( 2) 通讯设备的端口号不能重复，在建立通讯链路时这个往往很容易被疏忽，一旦重复则会影响数据传输。

( 3) 定义 PLC 设备地址及通讯参数时，设备地址请与 PLC 保持一致，地址格式为: IP 地址: 本机节点: 网 络 通 讯 方 式: 端 口: 设 备 号。比 如:10. 46. 42. 201∶ 19∶ 1∶ 9 600∶ 1。这里要注意设备号的设置不能其它的 PLC 设备相同，如果相同会导致通讯出现问题。

2 利用 IO Server 监控整个通讯网络的关键技术

IO Server 监视器是对 IO Server 数据采集的一个监视，监视器记录和显示了 IO Server 采集数据的详细情况，如数据块的使用情况，具体变量值的变化等等，是一个很好的网络调试工具。如果充分利用 IO Server 来监控整个通讯网络，很快对 PLC通讯状态、网路状态、计算机故障进行在线监测和快速定位，能够准确快速地处理故障。使用 IO Server 监视器: ( 1) 添加需要监视的 IO Server 的 IP地址及端口号，注意端口号必须对应 IO Server 工程建立的端口号; ( 2) 要选择监控的链路节点，设置显示时间为5 s，点击工具栏中的“开始”按钮，就可以开始对 IO Server 中的数据进行监视了，在图表显示框中显示框中查看变量信息，如变量值、变量类型、质量戳和时间戳等( 见图2) 。

图2 数据监控示意图

3 通讯过程中出现的问题及处理技术

设备通讯是监控系统的核心部分，在系统调试过程中，经常发现有某部分 PLC 设备与监控软件无法正常通讯的问题，导致一些隧道设备无法控制。故障原因主要出现在 PLC 设备的参数设置上，上位机监控软件与下位机通讯协议有差异，参数设置上要求比较严格。出现无法通讯的解决方法如下:

( 1) PLC 设备的网络模块的节点号的设置。网络节点号必须设置成为 PLC 设备 IP 地址的最后一个地址码，不然同样会导致通讯故障问题，比如:PLC 设备 IP 地址为: 192. 168. 1. 133，那么 PLC 的网络模块的节点号必须拨码为: 133，这跟上位机监控软件通讯协议有密切关系。

( 2) 同 PLC 设备的 IO 变量对应的寄存器地址尽量不要相同，除非有特别的需求。

( 3) 上面的串口线连接 PLC 与 PC 机，设置 I/O 表设备参数，在网络模块 CS1W － EIP21 中正确设置 IP 地址、子网掩码、网关，然后把 DIP 开关 No．5 设置为 OFF。另外，CPU 单元拨码开关全部默认，冗余单元 DPL01 处的拨码开关2 拨到 ON 处即可。

四、组态图形模型的应用及方案联动的应用

 1 图形模型的应用

 图形模型是对现实中某些事物的抽象，从组态软件的角度看，图形模型就是一组具有一定通用性、可重用的工程元素的组合。图形模型事先根据下位机设备提供的协议来编写程序，每一类设备建立一个图形模型，比如车道指示灯、交通信号灯、风机。一旦建立好模型就可以重复使用，使工作量降低到原来的30% ～60%，部分图形模型见图3。

图 3 模型示意图

 在图形模型的编程过程中: ( 1) 要根据下位机提供的通讯协议，如设备的控制字和反馈字值来定义模型内部的功能，使图形模型与设备控制反馈协议具有一致性; ( 2) 要充分考虑到图形模型要实现的功能及与外部设备通讯的接口，比如:公共变量、私有变量、IO 离散变量接口等等; ( 3)要处理图形模型内部一些 BUG 问题，如发了控制命令后实际设备的反馈延时问题，网络连接断开后的处理，设备出现故障如何处理等问题。各个类型的图形模型编写好之后，工作量已经完成了一半，接下来是把设备加载到实际的隧道控制界面上，并做一些简单的变量设置即可，下面为3#隧道工程画面( 见图 4) :

图 43#隧道示意图

2 方案的应用

方案就是预设好一个隧道各类可控设备的状态，在事故发生的时候，可以执行预定方案，能达到一种合理的诱导状态，保障隧道交通正常运行。由于事故本身的多样性，所以制定相应的执行方式也多种多样，因此在组态软件中方案的应用采用两种控制方法: 自动控制方式和手动控制方式。自动控制方式是通过组态 IO Server 服务器实时监视和采集 CO/VI 的值，根据预设的阈值，自动判断执行哪一套预案，比如检测出 CO 超标，则就会执行预定好的 CO 方案，方案可以根据 CO 超标的大小控制启动风机台数; 手动控制方式是系统通过检测 CO/VI 的值超标时，在界面提示并报警，监控员根据 CO/VI 的超标值人为选择执行哪个方案，完全是人工控制。当自动执行方案与手动执行方案冲突时，手动执行方案优先。

结语

为确保按时完成隧道监控系统的改造优化工作，对工程进度进行合理安排、科学组织，本工程所有设备在试运行期间运行稳定、可靠，系统操作简单、维护工作量少，运行状况良好。本系统采用组态分布式网络功能，并开发了大量的设备模型及联动控制等功能，应用于该段隧道监控系统一段时间后，下位机 PLC与上位机监控系统通讯稳定，系统操作方便，极大提高了隧道的监控能力。

参考文献

［1］亚控最新组态软件 KingSCADA3.0 概述[J]．自动化信息，2009(3) ．

［2］《公路隧道施工技术规范》JTJ 042-94

［3]汪志锋.工控组态软件［M］．北京: 电子工业出版社，2007．

 [4]娄英俊，黎兴源.隧道交通监控系统 PLC 联网群控技术［J］.电气时代，2005( 1) ．