電力隧道環(huán)境監(jiān)控及設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)

系統(tǒng)是基于REAL-TIME電纜綜合智能數(shù)據(jù)管理平臺(tái)通過電力隧道綜合監(jiān)控主機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程采集、控制單元對(duì)隧道內(nèi)各種環(huán)境參量的綜合采集和遠(yuǎn)程控制。

在線監(jiān)測(cè)采集的環(huán)境參量包括：

空氣含氧量

人體有害氣體檢測(cè)（PPM級(jí)微量：一氧化碳、硫化氫）

可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)（如甲烷等）

煙霧環(huán)境監(jiān)測(cè)

水位采集

溫濕度采集

在線監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程控制的參量包括：

風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及風(fēng)機(jī)裝置遠(yuǎn)程控制

水泵運(yùn)行狀態(tài)入水泵裝置遠(yuǎn)程控制

照明系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及照明系統(tǒng)狀態(tài)遠(yuǎn)程控制

隧道環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)概述： 

    高速公路與一般公路相比，具有線型好、交通流量大、行車速度快等特點(diǎn)，高速公路隧道又是高速公路路網(wǎng)的咽喉地段，如不采用的監(jiān)控管理措施，在交通量大、氣候惡劣的情況下，極易發(fā)生交通事故和交通堵塞。對(duì)于高速公路隧道的監(jiān)控方案主要考慮到隧道入口、中間段、出口處的實(shí)時(shí)圖像狀況、隧道內(nèi)的車流量和流速檢測(cè)、通風(fēng)設(shè)備工作狀態(tài)檢測(cè)、電力設(shè)備參數(shù)檢測(cè)和交通監(jiān)控、控制誘導(dǎo)等環(huán)節(jié)。高速公路隧道網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建立可實(shí)施高速公路咽喉地段交通流量金和交通運(yùn)行監(jiān)視，對(duì)關(guān)鍵路段適時(shí)控制，及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種異常情況并采取應(yīng)急措施，以確保高速公路高速、安全、舒適、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)營。在道路視頻信息給交通管理部門提供了及時(shí)的、關(guān)鍵的、可靠的信息、幫助交管部門做出突發(fā)事件應(yīng)急處理等關(guān)鍵性決策的同時(shí)，作為交通決策支持系統(tǒng)的關(guān)鍵信息源——視頻信息還必須在各決策部門中共享。

系統(tǒng)的構(gòu)成及功能：

一、現(xiàn)場(chǎng)控制子系統(tǒng)  該自動(dòng)化系統(tǒng)采用了上的控制器，系統(tǒng)為模塊化結(jié)構(gòu)，所有硬件都是制造廠的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品或標(biāo)準(zhǔn)選件。所有模板均通過機(jī)構(gòu)的安全認(rèn)證，包括：UL、CSA、CE等。

二、閉路電視監(jiān)視子系統(tǒng)
  隧道閉路電視子系統(tǒng)對(duì)隧道洞內(nèi)的交通流量、車流密度及道路使用狀況進(jìn)行監(jiān)視，可及時(shí)地直觀得到關(guān)于交通阻塞等現(xiàn)場(chǎng)情況和原因的畫面，進(jìn)一步辨認(rèn)事故、火災(zāi)及其嚴(yán)重程度、事故、火災(zāi)類型及其原因；并能采集必要的交通數(shù)據(jù)資料，必要時(shí)還能對(duì)視頻圖像進(jìn)行、打印以便分析及。

三、信息采集系統(tǒng)功能

1、車輛檢測(cè)器

  系統(tǒng)在隧道內(nèi)車行橫洞附近設(shè)置視頻車輛檢測(cè)器，通過全光數(shù)字遠(yuǎn)端機(jī)傳至隧道管理站，然后進(jìn)入視頻車輛檢測(cè)處理器。視頻車輛檢測(cè)器應(yīng)可以測(cè)定隧道內(nèi)車流量、車速、占有率等參數(shù)；并應(yīng)提供交通事件檢測(cè)，交通事件的定義包括所有可能導(dǎo)致隧道正常交通發(fā)生混亂的情況如: 車輛停駛、交通擁堵、車輛逆行、行人出現(xiàn)、車輛慢行、車輛違章、物品遺撒、火焰等。
2、光強(qiáng)檢測(cè)器，用于檢測(cè)隧道洞內(nèi)、外光照度，為隧道照明控制提供依據(jù)。

3、CO/VI檢測(cè)器，用于檢測(cè)隧道洞內(nèi)的CO濃度、煙霧濃度等環(huán)境指標(biāo)，為隧道通風(fēng)控制提供依據(jù)。

4、風(fēng)向/風(fēng)速檢測(cè)器，用于檢測(cè)隧道洞內(nèi)的風(fēng)向、風(fēng)速等環(huán)境指標(biāo)，為隧道通風(fēng)控制提供依據(jù)。

四、信息發(fā)布子系統(tǒng)
  信息發(fā)布子系統(tǒng)包括隧道內(nèi)可變情報(bào)板、洞內(nèi)車道控制標(biāo)志、電光指示標(biāo)志、電光誘導(dǎo)標(biāo)志。
五、隧道緊急電話及廣播子系統(tǒng)
  當(dāng)隧道出現(xiàn)緊急情況時(shí)，可以通過隧道緊急電話向隧道管理站報(bào)警，隧道管理站也可以利用隧道廣播系統(tǒng)進(jìn)行廣播，及時(shí)疏導(dǎo)交通。
六、火災(zāi)報(bào)警子系統(tǒng)
1、系統(tǒng)采用光纖光柵火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警裝置，并在隧道消防設(shè)備旁同址設(shè)置手動(dòng)報(bào)警按鈕。
2、火災(zāi)報(bào)警主機(jī)數(shù)據(jù)采用雙通道進(jìn)行傳輸，一路通過數(shù)據(jù)光端機(jī)將火災(zāi)報(bào)警信息上傳至隧道管理站監(jiān)控計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，一路接入隧道本地控制器進(jìn)行傳輸。
七、隧道聯(lián)動(dòng)控制功能
  此系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)隧道區(qū)段各類設(shè)備的聯(lián)動(dòng)控制，充分發(fā)揮隧道區(qū)段各類監(jiān)控設(shè)備的作用，提高系統(tǒng)的整體功效。
八、通風(fēng)控制功能
  一般情況下，隧道管理站監(jiān)控計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)CO/VI、風(fēng)速風(fēng)向、交通流量等檢測(cè)數(shù)據(jù)信息通過綜合計(jì)算，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的全自動(dòng)控制；如果需要，操作員也可以在隧道管理站根據(jù)CO/VI、風(fēng)速風(fēng)向、交通流量等數(shù)據(jù)信息作出判斷后，對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控。
  當(dāng)隧道管理站監(jiān)控計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，可以利用隧道光纖冗余工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端風(fēng)機(jī)的控制。
當(dāng)本地控制器與隧道光纖冗余工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)失去通信后，可以實(shí)現(xiàn)本地風(fēng)機(jī)的手動(dòng)控制。
  風(fēng)機(jī)的控制包括正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停機(jī)的控制。

九、照明控制功能
  隧道照明控制根據(jù)洞內(nèi)外亮度檢測(cè)器檢測(cè)到的亮度值、交通量變化及白天、黑夜等情況控制隧道內(nèi)照明，也可以通過時(shí)段進(jìn)行照明控制。

隨著交通道路的不斷發(fā)展，作為其中一個(gè)重要環(huán)節(jié)的隧道，其數(shù)量也在不斷增加。由于我國復(fù)雜的地理環(huán)境以及隧道本身的特點(diǎn)，隧道監(jiān)控系統(tǒng)在隧道的運(yùn)營、管理以及事故處理中發(fā)揮著極其重要的作用。因此，建設(shè)可靠、穩(wěn)定、、經(jīng)濟(jì)以及可擴(kuò)展的合理的隧道監(jiān)控系統(tǒng)成為工程界和公路營運(yùn)管理部門共同關(guān)心的話題。微電子、通信及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展大大提高了公路交通的信息化和智能化程度，與3C技術(shù)相結(jié)合的PLC以其的可靠性、抗干擾性和靈活的控制方式成為隧道監(jiān)控系統(tǒng)的核心控制器，PLC與開放的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)一起，共同推動(dòng)著隧道監(jiān)控系統(tǒng)向智能化程度的發(fā)展。
系統(tǒng)構(gòu)成
隧道按照長度分類，分別有短隧道（L<250m）、中隧道（250m<L<1000m）、長隧道（1000m<L<3000m）和特長隧道（L>3000m）。隧道的長度越長，需要考慮的監(jiān)控設(shè)施就越多。從目前上對(duì)隧道的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來看，長隧道和特長隧道需要監(jiān)控系統(tǒng)以保證隧道內(nèi)行車的安全和暢通。
隧道監(jiān)控系統(tǒng)按照各個(gè)子系統(tǒng)可分為：照明系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、交通誘導(dǎo)系統(tǒng)、CCTV系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、消防控制系統(tǒng)、緊急電話系統(tǒng)及廣播系統(tǒng)等。按照設(shè)備的類型可分為：檢測(cè)設(shè)備、控制設(shè)備、顯示設(shè)備和通信設(shè)備。檢測(cè)設(shè)備如：火災(zāi)報(bào)警探頭、車輛檢測(cè)器、COVI、能見度檢測(cè)儀及風(fēng)速風(fēng)向儀等；控制設(shè)備如：交通區(qū)域控制器、照明區(qū)域控制器及通風(fēng)區(qū)域控制器等；顯示設(shè)備如：計(jì)算機(jī)工作站、大屏幕監(jiān)視器及聲光報(bào)警器等；通信設(shè)備如：交換機(jī)、集線器、串口信號(hào)傳輸設(shè)備及光端機(jī)等。
隧道監(jiān)控的難易程度不僅與隧道的長度有關(guān)，而且與隧道的交通車流量有關(guān)。依據(jù)對(duì)隧道監(jiān)控和管理的要求，又將隧道分為A、B、C、D四個(gè)等級(jí)，其中*對(duì)監(jiān)控要求高，B級(jí)次之，其余類推。當(dāng)前在工程界*認(rèn)同的隧道監(jiān)控模式主要分為兩種，一種是適用于短隧道的集散式控制模式，一種是適用于長隧道的分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制模式。前者布線復(fù)雜，造價(jià)較高，由中控室對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施進(jìn)行控制與管理；后者施工方便，不但造價(jià)較低，而且可靠性較高。適用于長隧道的分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制模式又可分為全分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制和集中式現(xiàn)場(chǎng)總線控制。全分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制模式，中控室對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施不直接進(jìn)行控制，由現(xiàn)場(chǎng)各種設(shè)施的控制器進(jìn)行控制。分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制模式從網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成來看，一般分3個(gè)層次：上層為中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，即本地控制中心，中間是由各區(qū)域控制器組成的控制層，下層為各種檢測(cè)設(shè)備和控制及誘導(dǎo)設(shè)備組成的設(shè)備層。
隧道控制的核心思想就是將所有縱向及橫向的系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來，通過算法分析，實(shí)現(xiàn)智能化控制。區(qū)域控制器就是其實(shí)現(xiàn)的核心。各區(qū)域控制器負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備的信息，處理后傳給本地控制中心，而本地控制中心的控制命令則發(fā)給區(qū)域控制器，再由區(qū)域控制器直接控制相應(yīng)設(shè)備。在本地控制中心與區(qū)域控制器通信中斷的情況下，區(qū)域控制器仍然具備獨(dú)立控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的能力。因此區(qū)域控制器應(yīng)高效且高度可靠。作為區(qū)域控制器的核心控制部分，PLC應(yīng)用多，其穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性以及對(duì)環(huán)境很強(qiáng)的適應(yīng)能力，非常適用于隧道的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。
本地控制中心一般由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控工作站(控制計(jì)算機(jī))、監(jiān)控系統(tǒng)軟件、主區(qū)域控制器及相應(yīng)的附屬設(shè)施構(gòu)成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)隧道監(jiān)控系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)軟件運(yùn)行于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控工作站上，并不斷與PLC控制器交換數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)地把所有設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)以圖表、顏色、閃爍及數(shù)值等方式顯示在操作界面上；而操作人員在操作界面的每個(gè)動(dòng)作，也由監(jiān)控系統(tǒng)軟件將相關(guān)的命令、參數(shù)寫入PLC，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的手動(dòng)控制。
除現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)則是保證系統(tǒng)能否高效運(yùn)行的關(guān)鍵。長隧道、特長隧道以及隧道群的出現(xiàn)已經(jīng)越來越多，單洞內(nèi)的區(qū)域控制器就越來越多，這就意味著網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點(diǎn)在不斷增加。通信網(wǎng)絡(luò)不僅要具有較高的通信速率以保證大量數(shù)據(jù)的有效傳輸，還必須具有容錯(cuò)的能力以提高通信的可靠性，即網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)故障時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)自恢復(fù)，同時(shí)，構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備必須滿足工業(yè)級(jí)要求，以適應(yīng)隧道內(nèi)苛刻的工作環(huán)境。系統(tǒng)還需要具有很好的可擴(kuò)展性，使得設(shè)備更新與增加、功能改善與變化，都能應(yīng)用于原有系統(tǒng)。
隧道監(jiān)控的環(huán)境相對(duì)比較特殊，隧道所處的山野防雷非常重要，隧道中的控制箱經(jīng)常會(huì)遇到潮濕甚至漏水的侵?jǐn)_，而一些高原隧道面臨嚴(yán)寒和低空氣密度，特別是長大隧道中的汽車煙塵很容易附著在密封不好的控制箱中的設(shè)備上，這些煙塵具有一定的導(dǎo)電性，從而造成本地控制器等設(shè)備的早期故障或損壞。從國內(nèi)隧道監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況來看，對(duì)隧道監(jiān)控環(huán)境的認(rèn)識(shí)，在一些項(xiàng)目中，重視成度還不夠，一些隧道控制箱遠(yuǎn)沒有達(dá)到IP65以上的防護(hù)等級(jí)，這樣的監(jiān)控系統(tǒng)是很不安全的。
解決方案
監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)和PLC是隧道監(jiān)控系統(tǒng)的核心組成部分，它們的性能對(duì)隧道監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)起到?jīng)Q定性的作用。根據(jù)隧道本身的特點(diǎn)和監(jiān)控需求選擇合適的PLC及通信網(wǎng)絡(luò)是保證隧道監(jiān)控系統(tǒng)性能的重要因素。
1.通信網(wǎng)絡(luò)
在隧道監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上，國內(nèi)在管理體制上主要采用三級(jí)管理，即監(jiān)控總中心、區(qū)域監(jiān)控分中心和監(jiān)控站。由于監(jiān)控站不直接對(duì)隧道的外場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行直接控制，因此工程界按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的劃分把監(jiān)控系統(tǒng)劃分為信息層、控制層和設(shè)備層。
*層為信息層，主要負(fù)責(zé)大量信息及不同廠家不同設(shè)備之間的信息傳輸，工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet為目前較常用的一種信息網(wǎng)絡(luò)，世界各大PLC生產(chǎn)廠商均支持工業(yè)以太網(wǎng)，并且他們?cè)谠蠺CP/IP的基礎(chǔ)上，相繼開發(fā)出實(shí)時(shí)性更高的工業(yè)以太網(wǎng)，如Omron和Rockwell支持的Ethernet/IP，Schneider支持的Modbus-TCP/IP以及Siemens支持的ProfiNet等。由于Ethernet的信息量大，因此在隧道監(jiān)控上以太網(wǎng)主要用于各個(gè)隧道管理所與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸，包括各種交通流量信息，各傳感器數(shù)據(jù)等大量歷史數(shù)據(jù)信息。
第二層為控制層，主要采用現(xiàn)場(chǎng)總線組成隧道區(qū)域控制器網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是由于采用了標(biāo)準(zhǔn)總線組網(wǎng)，既能滿足實(shí)時(shí)通信的要求，又具有開放協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)接口，能在總線上方便地掛接各種外場(chǎng)設(shè)備，有利于監(jiān)控系統(tǒng)的擴(kuò)展。目前，現(xiàn)場(chǎng)總線有40多種，在公路監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線主要有Controller Link、LonWorks、Inetrtbus、Profibus、CAN和Modbus+。它們的共同特點(diǎn)是高速、高可靠，適合PLC與計(jì)算機(jī)、PLC與PLC及其他設(shè)備之間的大量數(shù)據(jù)的高速通信。為使系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，控制層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多采用環(huán)網(wǎng)的方式組成，包括線纜型和光纖作為傳輸介質(zhì)，具體組網(wǎng)將在后面做出實(shí)例說明。
第三層為設(shè)備層，這一層用于PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、遠(yuǎn)程I/O端子及現(xiàn)場(chǎng)儀表之間的通信，包括DeviceNet、Modbus以及Profibus/DP等，其中DeviceNet已經(jīng)成為工業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)總線而得到了廣泛的應(yīng)用，而Profibus/DP雖然沒有成為標(biāo)準(zhǔn)，但是其應(yīng)用也相當(dāng)廣泛。
值得指出的是，近年來以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用使得人們把目光投向了現(xiàn)場(chǎng)總線上來，工業(yè)以太網(wǎng)是否將取代現(xiàn)場(chǎng)總線仍然是一個(gè)爭(zhēng)論的話題。然而，不論是Ethernet/IP還是Modbus-TCP/IP，以太網(wǎng)在一些重要的性能指標(biāo)上仍然無法具有現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。從本質(zhì)上來講，以太網(wǎng)的載波幀聽沖突監(jiān)測(cè)CSMA/CD的訪問方式，實(shí)時(shí)性并沒有現(xiàn)場(chǎng)總線采用的令牌總線和令牌環(huán)的訪問方式高，不論人們采用何種方式，如協(xié)議封裝、分時(shí)訪問控制等，都只能改善以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性，得不到本質(zhì)的改變。隧道控制的一個(gè)核心思想是必須保證隧道的安全尤其是突發(fā)事件時(shí)隧道的安全，如果突發(fā)事件的發(fā)生造成數(shù)據(jù)訪問產(chǎn)生碰撞，使得信息不能及時(shí)得到處理而導(dǎo)致重大事故，后果將不堪設(shè)想。在當(dāng)前技術(shù)還未*成熟之前，現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用于控制層，是一個(gè)積極和穩(wěn)妥的選擇。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，今后其取代現(xiàn)場(chǎng)總線而用于控制層也是很有可能的。
2.監(jiān)控分中心及上位監(jiān)控軟件
監(jiān)控分中心一般將設(shè)置多臺(tái)SCADA工作站（工控機(jī)）。分別用于交通監(jiān)控、消防報(bào)警、圖形控制、通風(fēng)照明控制、視頻監(jiān)控等，完成隧道內(nèi)各種設(shè)備的狀態(tài)顯示、自動(dòng)控制、半自動(dòng)控制、打印報(bào)警、分析報(bào)表等工作。同時(shí)，監(jiān)控分中心還將設(shè)置多臺(tái)服務(wù)器，為其他計(jì)算機(jī)提供支援和與監(jiān)控總中心進(jìn)行通信。

圖2  Omron CS1系列
 
3.PLC的選擇
隧道監(jiān)控對(duì)PLC的性能提出了更高的要求，作為隧道監(jiān)控的核心控制器，其必須具備以下幾大功能特點(diǎn)：首先本身必須穩(wěn)定可靠，并具有預(yù)先處理數(shù)據(jù)和集中傳輸數(shù)據(jù)的能力，具有較高的故障保護(hù)能力；其次，區(qū)域控制器可以獨(dú)立承擔(dān)控制分區(qū)的基本控制任務(wù)，即使監(jiān)控站或者監(jiān)控中心因故障停止運(yùn)行，相鄰區(qū)域的控制器也能交換交通量信息；再次，當(dāng)某區(qū)域的交通量出現(xiàn)變化時(shí)，可按預(yù)定方案和程序采取相應(yīng)的算法，對(duì)相關(guān)區(qū)域的流量做出相應(yīng)的調(diào)整。因此，其必須至少有如下功能模塊，數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)處理功能（實(shí)現(xiàn)集中和獨(dú)立工作方式，尤其是在獨(dú)立控制時(shí)能與相鄰控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換）；通信功能、容錯(cuò)功能、自動(dòng)診斷功能和本地操作功能（即能帶觸摸屏）。
必須綜合考慮整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的性能要求和自然條件以及運(yùn)營周期對(duì)設(shè)備的要求進(jìn)行選擇，尤其在氣候和惡劣環(huán)境狀況條件下長、特長隧道的時(shí)候，需要選擇性能更好的雙機(jī)熱備冗余的PLC。如Schneider的Quantum系列、Rockwell的ControlLogix、Omron的CS1D系列以及Siemens的S7-417系列。
在一般的環(huán)境狀態(tài)以及中、長隧道中，多采用標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)型作為現(xiàn)場(chǎng)控制器，如Schneider的Quantum140系列、Rockwell的ControlLogix、Omron的CS1系列及Siemens的S7-400系列等；它們都支持工業(yè)以太網(wǎng)和多種現(xiàn)場(chǎng)總線，控制方式采用遠(yuǎn)程帶CPU的智能分布式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)開放性和兼容性強(qiáng)，豐富的I/O及高功能模塊，*隧道監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)信號(hào)處理的要求。
應(yīng)用案例
下面以山西晉城至陽城高速公路隧道為例，具體說明隧道監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。
晉城至陽城段高速公路，設(shè)計(jì)范圍36.029km。其中高速公路長27.47km，封閉二級(jí)公路長8.5598km。道路起點(diǎn)接長晉高速公路，終點(diǎn)與陽城市區(qū)道路相接。本路全線有隧道4座，包括五佛山隧道（514m），牛王山隧道（1880m/1860m），天壇山隧道（1008m），管道嶺隧道（1300m）。本監(jiān)控方案主要就牛王山隧道機(jī)電監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行說明。
整個(gè)隧道機(jī)電監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)由設(shè)在遠(yuǎn)端的監(jiān)控通信中心和隧道內(nèi)(包括牛王山隧道變電所)的本地控制器以及相關(guān)的通信線路組成。監(jiān)控中心內(nèi)設(shè)有交通狀況模擬顯示大屏幕、工作站、監(jiān)控計(jì)算機(jī)群、打印機(jī)、服務(wù)器和CCTV視頻墻等設(shè)備，供操作人員監(jiān)視和指揮隧道內(nèi)和道路的運(yùn)營情況。
在牛王山隧道監(jiān)控系統(tǒng)中，包括8套本地控制器，其中一套主控本地控制器置于牛王山隧道變電所內(nèi)，其余的本地控制器分散布置在牛王山隧道上下行的各個(gè)位置，所有本地控制器通過100Mb/s速率的以太網(wǎng)形成光纖冗余環(huán)網(wǎng)。光纖環(huán)網(wǎng)使得環(huán)路上任意兩個(gè)區(qū)域控制器間通信有兩條物理鏈路，這樣即使某處光纖出現(xiàn)斷裂故障,系統(tǒng)仍可以自動(dòng)尋找到反方向的通信鏈路繼續(xù)維持通信，既增加了通信可靠性，又提供了在線不停機(jī)檢修通信的功能。牛王山隧道變電所內(nèi)的主控本地控制器也通過100Mb/s速率的光纖以太網(wǎng)與監(jiān)控通信中心相連，保證了監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和指令的實(shí)時(shí)海量數(shù)據(jù)傳輸。
各PLC對(duì)照明、通風(fēng)、本地控制系統(tǒng)信息進(jìn)行采集，同時(shí)按所設(shè)定的程序以及上位機(jī)的指令進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。采集的信息經(jīng)光纖以太環(huán)網(wǎng)傳至控制室中央計(jì)算機(jī)上，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。另外，在主控制器上還配有液晶觸摸屏，用來對(duì)給設(shè)備操作和顯示其反饋信息及檢查所轄各設(shè)備的狀態(tài)，同時(shí)它可以取代手持式編程器對(duì)PLC進(jìn)行編程；而且，在隧道監(jiān)控中心的服務(wù)器上匯集了隧道各個(gè)設(shè)備實(shí)時(shí)信息，所以本地控制器不僅要能快速交換實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并能接受和執(zhí)行上位機(jī)的指令，通過服務(wù)器可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)任一設(shè)備（照明、通風(fēng)、本地控制器）發(fā)布操作命令。在牛王山隧道變電所選用了Omron的 CS1D系列PLC作為本地控制器，如圖1所示。CS1D系列PLC具有雙CPU模塊，雙電源模塊，支持熱插拔，極大提高了主控制器的可靠性，使得整個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不停機(jī)檢修功能。在隧道內(nèi)的7臺(tái)本地控制器我們選用Omron的CS1系列PLC，其具有高速信息交換能力和良好控制功能，CS1系列PLC作為隧道內(nèi)的區(qū)域控制器。如圖2所示。在每臺(tái)PLC上安裝有RS-485/RS422或RS-232通信端口，以便與多參數(shù)智能變送器、限速控制器、可變情報(bào)板顯示控制器等儀表控制設(shè)備相連，串行通信的數(shù)據(jù)協(xié)議是隨著制造商和設(shè)備而變的。協(xié)議的差別，使得不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備間的通信非常困難，即使它們的電氣標(biāo)準(zhǔn)相同，Omron通過建立的易用于匹配所連接的設(shè)備的協(xié)議宏功能解決了這個(gè)問題，協(xié)議宏使得開發(fā)方不需要編寫專門的通信程序與第三方設(shè)備進(jìn)行通信，原則上OmronPLC能和任何帶RS-232C，RS-422或RS-485接口的設(shè)備進(jìn)行通信。在本控制系統(tǒng)中用于控制照明、通風(fēng)、電力及交通等設(shè)備的各個(gè)區(qū)域控制器均采用獨(dú)立的控制程序?？刂剖覂膳_(tái)中央計(jì)算機(jī)則通過Ethernet與上級(jí)控制中心。
改進(jìn)與發(fā)展
當(dāng)前我國隧道監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施正處于一個(gè)成長期，系統(tǒng)的需求、設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)的控制仍然存在不完善的地方，同時(shí)技術(shù)的發(fā)展也給監(jiān)控系統(tǒng)的改進(jìn)創(chuàng)造了條件和基礎(chǔ)，也使建設(shè)合理的隧道監(jiān)控系統(tǒng)成為可能。
從系統(tǒng)的需求來看，一方面要兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠與可控，也要反映系統(tǒng)的、經(jīng)濟(jì)與可擴(kuò)展，同時(shí)也要使操作便捷與維護(hù)方便；另一方面，針對(duì)不同的交通條件和功能要求確定系統(tǒng)的規(guī)模和冗余度的大小，確定系統(tǒng)的合理集成方式、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式以力求系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、性與經(jīng)濟(jì)性的有機(jī)結(jié)合；從系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來看，除考慮系統(tǒng)的規(guī)模和設(shè)計(jì)方法外，也要考慮新技術(shù)的應(yīng)用，使整個(gè)系統(tǒng)既又實(shí)用；從系統(tǒng)的控制來看，當(dāng)前我國公路監(jiān)控普遍存在著只監(jiān)不控，或監(jiān)強(qiáng)控弱的現(xiàn)象，交通信息、環(huán)境信息得不到很好利用，對(duì)于隧道控制，要針對(duì)不同現(xiàn)象，采用不同的控制方法。
今后我國的隧道監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展是在原有基礎(chǔ)上，按照監(jiān)測(cè)與控制適當(dāng)分離，集中監(jiān)測(cè)，靈活機(jī)動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)控制的總體思想，逐步改進(jìn)，使得隧道監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)更趨合理。

概述

隨著我國高速公路建設(shè)里程的增長，隧道占新建設(shè)高速公路里程的比例越來越大。隧道在空間上呈封閉帶狀分布的結(jié)構(gòu)特征，給行車環(huán)境帶來了一系列變化，往往構(gòu)成高速公路交通事故的多發(fā)區(qū)，并且極易引發(fā)二次交通事故，引起高速公路堵塞，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。隧道安全運(yùn)營問題顯得越來越突出，隧道內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制成為保證高速公路隧道安全及安全運(yùn)行的重要手段。

本系統(tǒng)主要建設(shè)對(duì)隧道內(nèi)的綜合環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制，主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面：

（１）通過在隧道內(nèi)安裝溫濕度傳感器、光線感應(yīng)器、以及積水監(jiān)測(cè)儀來對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要包括對(duì)有害氣體、能見度、風(fēng)速、水位、煙霧、明火、含氧量等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；

（２）對(duì)前端監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有異常時(shí)，自動(dòng)給出報(bào)警提示，并能判斷到當(dāng)積水超*排水磊是否工作，當(dāng)發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)有害氣體超標(biāo)時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)和控制通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)換氣；

３）通過建立監(jiān)控中心，及時(shí)地掌握各個(gè)公路隧道內(nèi)的環(huán)境情況及各控制設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)。集中化管理道路報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)警的統(tǒng)計(jì)和分析，實(shí)現(xiàn)環(huán)境異常與其它控制的設(shè)施的聯(lián)動(dòng)控制。

高速公路隧道綜合環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于對(duì)公路隧道內(nèi)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)的風(fēng)速、能見度、含氧量等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過將這些采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，能為減少交通事故的發(fā)生提供安全保障。系統(tǒng)在整體上由前端采集系統(tǒng)、通信傳輸系統(tǒng)和監(jiān)控中心系統(tǒng)三大部分組成。

本系統(tǒng)主要采集以下數(shù)據(jù)：

１、有害氣體

通過在隧道內(nèi)安裝在害氣體傳感器，一般安裝在隧道洞壁上，每隔500m安裝一只傳感器，傳感器通過ＷＳＮ網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

２、含氧量

通過在隧道中間安裝含氧量探測(cè)儀，實(shí)時(shí)掌握隧道內(nèi)的空氣情況，為駕駛?cè)藛T安全駕駛提供保障。

３、積水

通過在隧道內(nèi)安裝積水測(cè)試儀，及時(shí)掌握隧道內(nèi)是否由于天氣原因?qū)е滤淼纼?nèi)有嚴(yán)重積水等現(xiàn)象，通過積水探測(cè)儀與排水系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，可實(shí)現(xiàn)當(dāng)積水超過標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，排水系統(tǒng)自動(dòng)開始啟動(dòng)排水泵進(jìn)行排水處理。

４、煙霧、明火

在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)會(huì)導(dǎo)致迅速的有害氣體增加，再加上汽車尾氣等，在隧道內(nèi)氣溫也會(huì)快速升溫，在短時(shí)間內(nèi)可能會(huì)造成爆炸。監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)是否有煙霧、明火等顯得非常重要。通過煙霧傳感器報(bào)警后與消防系統(tǒng)及通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)后，可以快速地滅火處理及改善隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量。

控制

通過在隧道內(nèi)安裝光線傳感器感應(yīng)隧道內(nèi)的光照情況，根據(jù)每個(gè)位置的不同，所測(cè)量的光照度也不同，系統(tǒng)根據(jù)每個(gè)位置的能見度情況，自動(dòng)調(diào)整每個(gè)照明燈的光線，從而來滿足隧道內(nèi)的光照滿足標(biāo)準(zhǔn)。

通過煙霧探測(cè)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)是否發(fā)生火災(zāi)，當(dāng)有發(fā)現(xiàn)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，根據(jù)煙霧濃度自動(dòng)開啟消防系統(tǒng)以及通風(fēng)系統(tǒng)，通過消防噴淋系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)滅火；通風(fēng)系統(tǒng)會(huì)在隧道內(nèi)有害氣體濃度超標(biāo)，含氧量過少時(shí)自動(dòng)開啟通風(fēng)系統(tǒng)，進(jìn)行排氣換風(fēng)處理，從而來保證隧道內(nèi)的空氣能滿足要求。

數(shù)據(jù)傳輸

在隧道內(nèi)安裝傳感器，需要將采集的數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心，而隧道內(nèi)由于處于山中，沒有ＧＰＲＳ信號(hào)覆蓋，導(dǎo)致公路運(yùn)行人員不能及時(shí)了解到隧道內(nèi)的環(huán)境及設(shè)備的狀態(tài)。通過在隧道內(nèi)增加ＷＳＮ節(jié)點(diǎn)，利用ＷＳＮ無線網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿淼蓝纯?，再由安裝在隧道口的傳輸設(shè)備將數(shù)據(jù)傳回到監(jiān)控中心。監(jiān)控中心就能及時(shí)了解到隧道內(nèi)的環(huán)境情況。

監(jiān)控中心

監(jiān)控中心將部署于公路運(yùn)行中心，它的功能主要是由運(yùn)行于后臺(tái)服務(wù)器上的隧道綜合環(huán)境監(jiān)測(cè)管理軟件來實(shí)現(xiàn)的。主要為用戶提供信息服務(wù)，實(shí)時(shí)采集隧道內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，隧道內(nèi)消防、照明等子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)等。

綜合環(huán)境監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)每十分鐘會(huì)采集隧道內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而可掌握到隧道內(nèi)的環(huán)境情況，為交通部門提供依據(jù)。通過系統(tǒng)可了解到隧道內(nèi)的照明系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行情況及這些設(shè)施是否有損壞現(xiàn)象等。

隧道環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方案