OMRON PLC在北京八達嶺隧道控制系統(tǒng)改造中的典型應用

[摘要]本文針對歐姆龍CS1系列PLC在北京八達嶺隧道群監(jiān)控系統(tǒng)改造中的應用，介紹了隧道機電設備進行分散控制、集中管理等內容。系統(tǒng)通過對隧道內外環(huán)境和機電設備進行監(jiān)控，既能滿足高速公路隧道對交通、照明和通風等系統(tǒng)的控制要求，又達到整個系統(tǒng)的協(xié)調和節(jié)能目的。本系統(tǒng)充分利用了OMRON PLC的Controller Link總線方式組成光纖冗余環(huán)網(wǎng)代替RS485總線，提高了系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定、抗干擾性。

[關鍵詞] 隧道區(qū)域控制器；OMRON; Controller Link總線方式；光纖冗余環(huán)網(wǎng)　

Abstract:This essay introduces OMRON series Programmable Logic Controller be used in rebuilding monitor system of BADALING’s tunnels of BeiJing .Which introduces decentralization control and centralize manage be used in the tunnels. The system is bit for the control of traffic and lighting and ventilation as well as reaches the aim of correspond and saving energy.The Controller Link of OMRON PLC replaced RS485 .It advanced stability and anti-jamming and reliability.

Key Words：Tunnel RTU，OMRON, Controller Link, Circle net

1.概述

八達嶺高速公路起點位于北京市區(qū)馬甸橋，終點位于市界。途經(jīng)北京市海淀區(qū)、昌平縣和延慶縣，全長約69.665公里，沿線共設有10座隧道，分布在路段的左右兩線上構成隧道群，總長度6139米。隧道是單向3車道，于1998年投入使用，當時隧道控制系統(tǒng)完全引進德國BOSCH公司控制系統(tǒng)，隧道設備接入本地控制器（單板機組成），系統(tǒng)采用RS485總線，從站通過主站與監(jiān)控中心計算機相連。

經(jīng)過近十年的運營，隧道內現(xiàn)有設施的使用狀態(tài)已無法達到原隧道機電系統(tǒng)設計的功能需求，影響到隧道正常的運營管理。目前，隧道缺少日常的交通統(tǒng)計分析，火災檢測和CO檢測系統(tǒng)無法達到自動檢測的功能要求，主要依靠攝像機和人控檢測的方式發(fā)現(xiàn)異常狀況，風機也無法實現(xiàn)自動啟動，給道路運營以及隧道安全造成了極大的影響。高速公路運營管理部門經(jīng)過招標對隧道機電及監(jiān)控系統(tǒng)進行改造。北京云星宇交通工程有限公司有幸承擔本次改造項目，于2005年底開始改造并于2006年底完成。隧道區(qū)域控制器主要采用OMRON CS1系列PLC模塊集成。系統(tǒng)采用Controller Link總線方式組成光纖冗余環(huán)網(wǎng)，傳輸速率2Mbps，上位監(jiān)控軟件采用組態(tài)軟件開發(fā)。系統(tǒng)改造后達到理想的效果，并得到業(yè)內的好評和肯定。

2.系統(tǒng)硬件結構：

硬件結構如下圖所示：

系統(tǒng)采用Controller Link工業(yè)現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)組網(wǎng)，是典型的四級控制系統(tǒng)，即現(xiàn)場設備層、現(xiàn)場控制層、中心控制層、上級管理層。
現(xiàn)場設備層：主要由執(zhí)行機構交通燈、風機、照明和CO、能見度傳感器等。
現(xiàn)場控制層：由OMRON CS1系列可編程控制器組成，稱為區(qū)域控制器，區(qū)域控制器之間通過Controller Link工業(yè)現(xiàn)場總線組成冗余光纖環(huán)網(wǎng)。
中心控制層：由雙機熱備服務器、通信計算機和兩臺監(jiān)控計算機組成。
上級管理層：由監(jiān)控總中心數(shù)據(jù)服務器，終端計算機組成，可以進行web發(fā)布。

3.隧道區(qū)域控制功能

隧道監(jiān)控系統(tǒng)由通風照明控制系統(tǒng)、交通檢測與控制系統(tǒng)、火災檢測與報警系統(tǒng)、閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)、緊急電話系統(tǒng)、有線廣播系統(tǒng)等組成，其監(jiān)控信息通過通信系統(tǒng)上傳到監(jiān)控分中心。監(jiān)控系統(tǒng)中各類計算機互相通信、共享資源，與PLC網(wǎng)絡拓撲采用星形結構，經(jīng)PLC系統(tǒng)可自動分散控制隧道設施正常運行。

由于隧道集中監(jiān)控系統(tǒng)傳輸距離長，控制規(guī)模較大，采用四級控制較為靈活、安全、高效。四級控制即總中心計算機系統(tǒng)控制、監(jiān)控分中心計算機系統(tǒng)控制、隧道PLC網(wǎng)絡控制、現(xiàn)場手動控制。隧道監(jiān)控系統(tǒng)一般情況下是在監(jiān)控分中心主控計算機的控制下，交由控制器自動控制運行。隧道PLC網(wǎng)絡在計算機的控制下，運行各自局部設施的自動控制。監(jiān)控中心控制計算機采集來自分中心及隧道控制單元、各類檢測報警單元的運行數(shù)據(jù)，并給相應的控制單元發(fā)送命令，以執(zhí)行相應任務。

正常情況下監(jiān)控中心系統(tǒng)處于自動運行狀態(tài)，一旦監(jiān)控計算機出現(xiàn)故障，PLC系統(tǒng)會自動代替監(jiān)控計算機，完成對隧道設施的基本控制功能。最后一級是設備的手動控制和現(xiàn)場的緊急控制。

3.1 隧道正常運營的控制

各分控系統(tǒng)對現(xiàn)場設備及信息進行實時監(jiān)測，預處理后上傳至監(jiān)控分中心，并得到確認。在待命確認狀態(tài)下，分控系統(tǒng)則根據(jù)運行程序對隧道照明、通風交通等實施基本控制。監(jiān)控計算機則對上傳的數(shù)據(jù)信息運算處理，按一定模塊存檔、制表及顯示，并根據(jù)所制定的控制模式提出決策建議，發(fā)布控制命令供操作人員修改確認執(zhí)行。應用軟件隨機生成隧道動態(tài)運行工況模擬圖及各類數(shù)據(jù)信息圖表。系統(tǒng)控制方式如下：

（1）安全控制：隧道火災事故報警均24小時在線工作，經(jīng)PLC系統(tǒng)向監(jiān)控室發(fā)出報警信號，并在顯示器模擬顯示，有聲光報警提示。
（2）交通信號控制：經(jīng)隧道現(xiàn)場PLC系統(tǒng)對車輛檢測信息及各類顯示標志狀態(tài)信息進行實時檢測，由分控系統(tǒng)預處理后，上傳給監(jiān)控室監(jiān)控計算機，運算處理后得出車流量、車速、區(qū)段占有率等數(shù)據(jù)，從而控制隧道信號燈、車道指示器、可變情報板。
（3）隧道照明控制：選擇時序或手動控制方式，向分控系統(tǒng)發(fā)出控制命令，按照不同亮度等級啟動/關閉相應照明配電回路。
（4）隧道通風控制：由監(jiān)控計算機對隧道CO、VI檢測數(shù)據(jù)、風速風向、交通狀態(tài)、火災報警狀態(tài)的數(shù)據(jù)運算處理，向分控系統(tǒng)發(fā)出啟動/關閉相應位置的風機和相應的通風級別指令。
（5）隧道閉路電視監(jiān)視控制：監(jiān)控分中心監(jiān)控計算機根據(jù)隧道安全檢測系統(tǒng)及交通信號系統(tǒng)的信息，決策出啟動/遙控相應位置的攝像機，并做特殊放大顯示。

3.2 隧道運營異常的控制

（1）在火災手動報警、火災自動報警、緊急電話報警發(fā)生后，火災報警按最優(yōu)先原則通知火災報警計算機，向其發(fā)送火災地點及特征信息。監(jiān)控計算機向隧道閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)送指令，把事故地段的畫面切換到主監(jiān)視器上，經(jīng)確認后監(jiān)控計算機立即依此提出相應的交通控制方案和通風控制方案，快速清除火災地段車輛，將通風、照明模式轉為火災模式。
（2）在隧道交通擁擠或事故情況下，隧道車輛檢測器發(fā)出某區(qū)段交通阻塞的報警信號，監(jiān)控計算機同時提出相應的交通控制方案，并向隧道閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)出指令，把事故地段的畫面切換到圖像計算機上監(jiān)視并錄像。在隧道CO、VI超標的情況下,隧道監(jiān)控軟件會自動彈出提示信息并根據(jù)預先設置好的預案，經(jīng)過自動判斷提示執(zhí)行滿足條件的預案，監(jiān)控人員經(jīng)過視頻確認，可以對預案進行調整，確認后，系統(tǒng)會開啟風機，照明，發(fā)布提示信息，開封閉車道等。
（3）為確保隧道運營的安全，最大限度地降低誤報警率，計算機在所有異常情況下控制指令的發(fā)出，原則上都必須經(jīng)操作人員確認，由人工鍵入命令后發(fā)出。
（4）根據(jù)控制模式，針對各種異常情況，計算機將提出相應的各種控制方案，操作人員可通過鍵盤/鼠標選擇某一種方案，發(fā)布正確命令，以控制事故的蔓延。
（5）操作人員鍵入的命令、發(fā)生事故的地點、時間和性質等參數(shù)將存入計算機，可隨時調用、打印和顯示。
（6）操作人員可通過電話向上級及消防、搶救單位求援。

3.3 系統(tǒng)信息的采集、傳輸和運行周期

隧道監(jiān)控原始信息來自于各類檢測設備，如火災報警、緊急電話、車輛檢測器、CO/VI檢測器、光強檢測器、設備狀態(tài)反饋信號等。上述信息經(jīng)隧道現(xiàn)場設置的PLC及Controller link光纖冗余總線環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)酵ㄐ殴?jié)點站，并經(jīng)通信系統(tǒng)上傳監(jiān)控中心。控制信息經(jīng)上述通道反向傳輸至設備。

運行周期和表示：

報警：所有報警從發(fā)生到顯示在5秒以內；
事件：10％在5秒之內，其余在10秒之內；
命令：從發(fā)生至執(zhí)行2秒之內；
模擬量顯示：在15秒之內；
圖像：一般表示或更換一個圖像在5秒之內。

根據(jù)招標文件要求，省中心具有路網(wǎng)信息匯集、路網(wǎng)信息處理、路網(wǎng)交通協(xié)調、交通控制、信息顯示功能。

4.結論

隧道監(jiān)控系統(tǒng)采用以太網(wǎng)、Controller Link總線網(wǎng)，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、靈活性得到很好的保證和提高。采用光纖冗余環(huán)網(wǎng)，使系統(tǒng)的安全性、干擾能力增強；整個系統(tǒng)的有用信息得到完全共享,便于系統(tǒng)集成和相關設備遠程維護。這種監(jiān)控方式較好地發(fā)揮了工業(yè)PC和PLC的各自優(yōu)勢,充分利用了工業(yè)PC在信息管理和處理上的強大能力及PLC在現(xiàn)場控制中的靈活性。

作者資料

許志斌：男，工程師，本科，西安金路交通工程科技發(fā)展有限責任公司，E-mail：XUZHIBIN168@163.com
幺進祥：男，工程師，本科，北京云星宇交通工程有限公司技術開發(fā)部，工作電話：010-83681820-122，移動電話：13641254699，E-mail：jinxiangyao@163．Com
通信地址：北京豐臺區(qū)海鷹路1號院4號樓5層，郵編：100070
趙永忠：男，高級工程師，博士，北京云星宇交通工程有限公司技術開發(fā)部，工作電話：010-83681820-188