胡堅(jiān)良

（中興雙誠隧道養(yǎng)護(hù)管理有限公司，上海 200010）

0 引言

隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)典型的多系統(tǒng)集成工程，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上整個(gè)綜合監(jiān)控系統(tǒng)可分為三層，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，網(wǎng)絡(luò)傳輸層和中心監(jiān)控管理層，而這三層按控制對(duì)象選、用設(shè)備的不同，從功能上又可分為設(shè)備監(jiān)控、交通監(jiān)控、消防報(bào)警、電話、廣播、無線通訊、閉路電視、電力監(jiān)控等子系統(tǒng)［1］，所有現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備數(shù)據(jù)都通過網(wǎng)絡(luò)傳輸層傳輸?shù)娇刂浦行牟⒓傻街醒胗?jì)算機(jī)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的管理、聯(lián)動(dòng)等功能。本文以西藏南路越江隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)為例，提出一種隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)的集成解決方案。

1 工程背景

西藏南路越江隧道始于浦西的西藏南路、中山南路路口，終于浦東的博文路、云蓮路路口，隧道總長約2 600 m，作為一條為世博服務(wù)的隧道，連接上海2010年世博會(huì)浦東、浦西二個(gè)園區(qū)，在世博會(huì)期間為展會(huì)提供一條快捷便利的專用通道，在世博后向社會(huì)開放，因此一套性能優(yōu)良成熟可靠的綜合監(jiān)控系統(tǒng)尤為重要，為整條隧道的安全運(yùn)行提供保障。

2 解決方案

西藏南路越江隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)主要包括中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、智能交通系統(tǒng)、設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、道路視頻系統(tǒng)、廣播及無線系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)等幾個(gè)部分，中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)隧道監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)，因此在控制中心建立一套功能完備的綜合監(jiān)控軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息的采集與處理、命令及預(yù)案發(fā)布、報(bào)警聯(lián)動(dòng)、數(shù)據(jù)圖像信息實(shí)時(shí)儲(chǔ)存及歷史查詢等功能。同時(shí)整個(gè)軟件平臺(tái)針對(duì)所監(jiān)控的外場(chǎng)設(shè)備數(shù)量眾多、型號(hào)復(fù)雜、安裝位置分散的特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)采集和處理時(shí)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行系統(tǒng)劃分，從而高效實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息采集、分析和控制命令、信息、應(yīng)急及專家聯(lián)動(dòng)預(yù)案的發(fā)布等，保證整套系統(tǒng)高效安全可靠的運(yùn)行。

整個(gè)隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)基于C/S、工業(yè)以太網(wǎng)及總線技術(shù)的分層分布式系統(tǒng)，主要由通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、操作工作站、工業(yè)以太網(wǎng)光交換機(jī)、RTU（遠(yuǎn)端控制器）、ACU（區(qū)域控制器）以及現(xiàn)場(chǎng)控制器等設(shè)備組成。整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流可見圖1。

整個(gè)系統(tǒng)按照集中管理、三級(jí)控制方式進(jìn)行使用和管理，集中管理指控制中心統(tǒng)一指揮和協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)采集和處理，三級(jí)控制分別是控制中心級(jí)、各被控子系統(tǒng)級(jí)和設(shè)備級(jí)。三種控制方式以設(shè)備級(jí)為最高優(yōu)先級(jí)，各被控子系統(tǒng)次之，控制中心最低。三種控制方式相互閉鎖，以達(dá)到安全控制的目的。

前置通信服務(wù)器通過現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)光纖環(huán)網(wǎng)采集、處理各個(gè)設(shè)備的信息后將處理好的數(shù)據(jù)通過控制中心的以太網(wǎng)保存到數(shù)據(jù)服務(wù)器中，同時(shí)按控制和專家系統(tǒng)的需求將命令發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)執(zhí)行單元，從而實(shí)現(xiàn)上傳下遞的功能。

整個(gè)綜合監(jiān)控系統(tǒng)按專業(yè)設(shè)置多臺(tái)工作站，主要分為設(shè)備及交通監(jiān)控工作站、電力監(jiān)控工作站、視頻工作站、火災(zāi)報(bào)警工作站等，各個(gè)工作站實(shí)現(xiàn)分功能、分級(jí)別信息共享、協(xié)調(diào)運(yùn)作并支持大屏幕顯示功能;操作人員在各個(gè)工作站上進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及歷史數(shù)據(jù)查詢。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)采用成熟可靠的工業(yè)級(jí)光纖以太網(wǎng)，組成環(huán)網(wǎng)形式，同時(shí)利用VLAN（虛擬局域網(wǎng)）技術(shù)將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)從設(shè)備上劃成一個(gè)個(gè)網(wǎng)段，從而達(dá)到控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的流量、防止廣播風(fēng)暴的發(fā)生，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理、提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通訊質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)的利用率的目的，為整個(gè)系統(tǒng)提供一個(gè)高效穩(wěn)定可靠的傳輸網(wǎng)絡(luò)［2］。

圖1 數(shù)據(jù)流示意圖

隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)的主要工作是設(shè)備數(shù)據(jù)信息的采集、分析、命令和信息的發(fā)布，由于隧道中所涉及的設(shè)備數(shù)量眾多，設(shè)備供應(yīng)商所提供的數(shù)據(jù)接口形式多樣且很多都是廠家自定義的非標(biāo)協(xié)議，系統(tǒng)集成的關(guān)鍵就是通過各種協(xié)議、通信接口，采集不同型號(hào)和規(guī)格設(shè)備的數(shù)據(jù)并最終輸送到綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，在綜合信息平臺(tái)上顯示以及將綜合信息平臺(tái)處理后所發(fā)布的各個(gè)命令傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備和子系統(tǒng)中。

整個(gè)綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件是在工控組態(tài)軟件Wonderware Intouch的基礎(chǔ)上二次開發(fā)而成。由于intouch軟件提供了從可創(chuàng)建的圖形符號(hào)到windows通用控件的完整圖形權(quán)限，并能通過簡(jiǎn)單形狀組合成復(fù)雜形狀，通過內(nèi)置的圖形腳本屬性能方便的實(shí)現(xiàn)工程技術(shù)人員所要求的別具一格、實(shí)用高效的自動(dòng)化環(huán)境，同時(shí)該軟件支持大量的I/O、設(shè)計(jì)與Wonderware產(chǎn)品一起工作的OPC服務(wù)器以及可利用工具包創(chuàng)建支持第三方產(chǎn)品的通訊協(xié)議，所以通過該軟件能可靠的實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊以及信息顯示界面的形成，從而開發(fā)出一套符合要求的綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件，通過控制中心網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)整個(gè)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的功能。

下面介紹本系統(tǒng)集成的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

2.1 PLC 系統(tǒng)

作為一條水下隧道，通行安全非常重要，因此有大量的機(jī)電設(shè)備來保障隧道的安全，而這些設(shè)備的信號(hào)采集和控制的實(shí)現(xiàn)均通過分布在現(xiàn)場(chǎng)的ACU及RTU系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，而組成ACU及RTU系統(tǒng)中的關(guān)鍵為可編程控制器（PLC）。

根據(jù)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)、隧道內(nèi)自然環(huán)境、隧道運(yùn)營周期對(duì)設(shè)備的具體要求，PLC的選型必須考慮產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性及兼容性，具有數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)處理運(yùn)算以及傳輸、通信、容錯(cuò)、自動(dòng)診斷的能力，在故障時(shí)具有較高的故障保護(hù)能力，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)，以滿足隧道監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)信號(hào)處理的要求［3］。本系統(tǒng)選用OMRON公司CS系列PLC，遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)選用BECKHOFF公司的總線模塊，而PLC和總線模塊之間的通訊通過Profibus總線進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)I/O與ACURTU之間的數(shù)據(jù)交換。

由于組態(tài)軟件Intouch支持與OMRON PLC以太網(wǎng)方式的通訊連接，同時(shí)PLC通過串行通訊、總線通訊、開關(guān)量、模擬量等方式與被控設(shè)備連接，通信服務(wù)器經(jīng)由PLC獲取隧道中各被控設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制中心的信息交換，實(shí)現(xiàn)信息采集和系統(tǒng)控制功能。

2.2 Modbus TCP/IP 協(xié)議

MODBUS/TCP是MODBUS系列通訊協(xié)議的派生產(chǎn)品，是一種面向連接的傳輸方式，適用于主節(jié)點(diǎn)和多個(gè)從節(jié)點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)中。主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)控制網(wǎng)絡(luò)的通信，采用輪詢的方法訪問從節(jié)點(diǎn)。這種通信方式提高了數(shù)據(jù)通信的可靠性，且任何時(shí)刻在網(wǎng)絡(luò)上只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，不會(huì)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)沖突的現(xiàn)象，減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t。從理論分析看，完全能夠滿足工控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求［4］。

由于組態(tài)軟件Intouch支持Modubs TCP/IP協(xié)議，能通過以太網(wǎng)的方式與設(shè)備建立通訊連接。如廣播系統(tǒng)、模擬屏系統(tǒng)的硬件設(shè)備直接支持Modubs TCP/IP，在系統(tǒng)應(yīng)用中只需將該類設(shè)備定義為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，軟件編程人員只需在組態(tài)軟件設(shè)備配置中配置Modubs TCP/IP協(xié)議的物理參數(shù)，定義組態(tài)變量和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的數(shù)據(jù)變量。當(dāng)應(yīng)用軟件在整個(gè)系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí)，軟件所定義的端口將和所連接的設(shè)備自動(dòng)建立連接，完成通訊服務(wù)器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)采集和傳輸。

如果隧道中應(yīng)用的設(shè)備不支持Modubs TCP/IP協(xié)議，則需要根據(jù)采集數(shù)據(jù)的對(duì)象所使用的通訊協(xié)議編制一個(gè)具有網(wǎng)關(guān)服務(wù)功能的應(yīng)用軟件，通過該軟件實(shí)現(xiàn)組態(tài)軟件和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。

2.3OPC

OPC是OLE for Process Control的縮寫，是以微軟OLE、組件對(duì)象模型COM、分布式組件對(duì)象模型DCOM技術(shù)為基礎(chǔ)，為工業(yè)應(yīng)用程序提供高效的信息集成和交互功能的組件對(duì)象模型接口標(biāo)準(zhǔn)［5］。

組態(tài)軟件Intouch可以同時(shí)連接多個(gè)OPC服務(wù)器，每個(gè)OPC服務(wù)器都被作為一個(gè)外部設(shè)備。西藏南路隧道的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主機(jī)選用了海灣的消防主機(jī)，由于消防系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)封閉的系統(tǒng)，因此綜合監(jiān)控系統(tǒng)與火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的通訊采用OPC技術(shù)，在系統(tǒng)組態(tài)時(shí)將火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)作為OPC服務(wù)器，定義通訊的物理參數(shù)和相關(guān)的變量，與采集數(shù)據(jù)的硬件進(jìn)行連接，組態(tài)軟件作為OPC客戶端添加相應(yīng)數(shù)據(jù)項(xiàng)，當(dāng)應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)，組態(tài)軟件將自動(dòng)與消防火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)建立連接，自動(dòng)完成和消防火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。采用OPC規(guī)范，可減少系統(tǒng)的接口程序的開發(fā)工作，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

2.4 服務(wù)器/客戶機(jī)結(jié)構(gòu)

Intouch是由服務(wù)器和瀏覽站，實(shí)現(xiàn)基于服務(wù)器/客戶機(jī)（C/S）的體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)集成平臺(tái)。

通信服務(wù)器安裝配置服務(wù)器相關(guān)軟件I/O Server，作為服務(wù)端負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)與分析，硬件指令的收發(fā)，是現(xiàn)場(chǎng)控制執(zhí)行者，實(shí)現(xiàn)可靠有效的分散控制。

各個(gè)工作站作為客戶端登錄到通信服務(wù)器，接受用戶指令下發(fā)至服務(wù)端，同時(shí)從服務(wù)端接收經(jīng)過分析處理的數(shù)據(jù)信息和產(chǎn)生的報(bào)警信息提供給用戶。

2.5 信息顯示界面

隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)通過HMI人機(jī)圖形界面以圖形和數(shù)字的方式顯示整個(gè)隧道內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行工況及現(xiàn)場(chǎng)各種數(shù)據(jù)信息，控制中心管理人員通過HMI來實(shí)現(xiàn)各種操作。為了對(duì)各類突發(fā)事件進(jìn)行預(yù)防與快速處置，中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將針對(duì)各種情況提供相對(duì)應(yīng)的各種處理方案，軟件功能的開發(fā)者在開發(fā)應(yīng)用軟件的過程中，預(yù)先編寫相關(guān)程序，當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，控制中心管理人員只需在HMI上用鍵盤/鼠標(biāo)選擇某一預(yù)案，也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況按運(yùn)行管理?xiàng)l例人工發(fā)出命令，以控制事故規(guī)模的擴(kuò)大，減少人身傷害和提高隧道的通行能力。預(yù)案是不同系統(tǒng)在不同工作模式下的組合，是一個(gè)多系統(tǒng)集中運(yùn)行的智能控制聯(lián)動(dòng)模式。如火災(zāi)聯(lián)動(dòng)模式不僅涉及火災(zāi)報(bào)警，噴淋，還包括交通控制、視頻圖像顯示、廣播發(fā)布信息、通風(fēng)排煙、照明和給排水等，在西藏南路隧道能發(fā)生火災(zāi)時(shí)，隧道內(nèi)部的處理模式如圖2所示。

圖2 火災(zāi)工況預(yù)案

3 結(jié)束語

本隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)是PLC、組態(tài)軟件、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、OPC技術(shù)等的綜合應(yīng)用成果，系統(tǒng)通過將整個(gè)隧道內(nèi)所有設(shè)備的數(shù)據(jù)集中采集、統(tǒng)一處理、單獨(dú)存儲(chǔ)與查詢，使工作人員能在控制中心對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所有設(shè)備的狀態(tài)有直觀了解并執(zhí)行控制操作，是一個(gè)支持多種設(shè)備、多種接口，不同通訊協(xié)議的開放性系統(tǒng)。目前該隧道監(jiān)控系統(tǒng)已投入運(yùn)行，從建成為2010年的上海世博會(huì)專線運(yùn)行到后期向社會(huì)開放至今，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，有效地提高了整個(gè)隧道的運(yùn)營、管理效率，為隧道的安全運(yùn)行提供了高科技保障。

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