蔡愛民

（鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校）

基于PLC的隧道照明控制系統(tǒng)設(shè)計

蔡愛民

（鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校）

隨著經(jīng)濟建設(shè)需要，山區(qū)高速發(fā)展迅速，而隧道是整個公路的重要組成部分。對公路隧道而言，其照明系統(tǒng)將直接決定隧道能否正常通行，因此隧道照明系統(tǒng)是隧道公路建設(shè)的重要組成部分。傳統(tǒng)公路隧道照明系統(tǒng)，存在耗電量大、照明亮度不均等缺點，這不僅造成了能源浪費，也存在著極大的安全隱患。因此，為了保證高速隧道合理運營，智能化的隧道照明系統(tǒng)十分重要。本文根據(jù)隧道照明系統(tǒng)的實際工況，結(jié)合以往隧道系統(tǒng)的特點，設(shè)計了一款基于PLC的照明系統(tǒng)，以此希望改變隧道照明系統(tǒng)高能耗的問題。設(shè)計過程中主要針對照明系統(tǒng)的控制模塊，在分析照明控制系統(tǒng)各模塊功能基礎(chǔ)上設(shè)計出其控制模塊的實現(xiàn)流程。本文的研究具有一定的實用價值，為相關(guān)的工程設(shè)計提供了理論參考。

PLC；隧道照明；上位機；控制系統(tǒng)

0 引言

公路隧道照明系統(tǒng)由多個部分組合而成，有PLC、通信設(shè)備、照明設(shè)備以及上位機等，這些部件在PLC照明控制中發(fā)揮了重要作用，它們扮演著不同的角色?？刂葡到y(tǒng)是整個照明系統(tǒng)的大腦，能實現(xiàn)各部件之間的傳輸，以達到對整個系統(tǒng)的控制管理作用?？删幊炭刂破鱌LC是隧道照明控制系統(tǒng)的核心，能直接把上位機與現(xiàn)場設(shè)備聯(lián)系在一起，故稱為隧道照明控制系統(tǒng)的“橋梁”。本文設(shè)計的隧道照明控制系統(tǒng)是基于PLC實現(xiàn)的，其軟件模塊是根據(jù)硬件部分各層次主要功能設(shè)計，本文這里主要闡述了各控制模塊實現(xiàn)自身功能的流程。

1 隧道照明控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

要想確保隧道照明系統(tǒng)達到預(yù)期效果，降低維修成本，確保長期穩(wěn)定的運行，各硬件設(shè)備間需進行合理配合，因此硬件系統(tǒng)的控制模塊尤為重要，圖1為隧道照明控制系統(tǒng)原理圖。

圖1 隧道照明控制系統(tǒng)

2 上位機調(diào)試軟件模塊

上位機調(diào)試軟件模塊是所有控制模塊的樞紐，也把它作為控制系統(tǒng)的指揮中心，從特點來看它在整個系統(tǒng)中扮演著決策者的身份。上位機系統(tǒng)軟件最終要為操作系統(tǒng)服務(wù)，只有上位機模塊科學(xué)合理的設(shè)計，才能提供簡潔的操作控制界面，方便管理人員或照明技術(shù)人員對隧道燈的管理。收集分析檢測器提供的數(shù)值，由該數(shù)據(jù)判斷出當前隧道燈照明亮度是否滿足要求。如果照明亮度不符合要求，可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的算法，結(jié)合采集到的數(shù)據(jù)進行一系列復(fù)雜的運算，最終還要把計算結(jié)果輸入到PLC中，在此基礎(chǔ)上PLC會重新發(fā)出控制命令，實現(xiàn)對照明亮度的調(diào)整。除此之外，應(yīng)注意到PLC給出的指令主要用來控制回路信息，最終信息要進入現(xiàn)場控制設(shè)備中。正規(guī)流程可以簡化為檢測器收集亮度信息，然后把信息傳給PLC，經(jīng)過PLC的分析判斷是否滿足要求。若不滿足將會給現(xiàn)場控制設(shè)備重新發(fā)出指令?？偣?jié)點控制執(zhí)行相應(yīng)的操作，通過調(diào)整電壓的方式控制燈具的功率。

根據(jù)功能不同可以把上位機調(diào)試軟件分為三部分，各部分的作用也有所不同，具體來說可以分為燈具控制、顯示界面以及參數(shù)配置。

參數(shù)配置的主要功能是對上位機和下位機之間通信條件的設(shè)定，比如設(shè)定上位機與PLC的波特率、連接與斷開模式；下位機與PLC的地址設(shè)定等。所謂通訊協(xié)議指的是上位機與下位機之間的通訊協(xié)議，它的意義在于控制隧道終端設(shè)備，利用通訊協(xié)議便可實現(xiàn)對隧道照明燈亮度的控制，此外，通訊協(xié)議還可以實現(xiàn)對其他設(shè)備的控制。根據(jù)通訊協(xié)議發(fā)送的數(shù)據(jù)可以把下位機收集的參數(shù)完整地展現(xiàn)在界面上，為管理人員開展工作提供了有利條件。

燈具控制就是對操作燈具信息的設(shè)定，比如通過設(shè)定節(jié)點編號和回路編號的方式對燈具進行控制，這樣做的目的在于使整個控制流程清晰、簡潔。查詢信息、調(diào)節(jié)照明燈具功率和控制開關(guān)是操作的一些功能。

下面將要詳細介紹顯示界面的功能，顯示界面主要是展示一些數(shù)據(jù)信息，能夠直觀地告訴操作人員系統(tǒng)運行情況。比如隧道內(nèi)某一段燈具電壓、電流值的變化以及區(qū)域控制模式的變化等。用戶與控制系統(tǒng)進行交互的時候需要用到人機交互界面，它把人們獲取的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可以讀取的語言，完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，為了便于控制，本次設(shè)計中在人機交互界面設(shè)置了多個選擇按鈕，通過輸入燈具編號的方式便可完成對燈具的控制。燈具的信息實時顯示人機交互界面，界面上包含的操作按鈕具有打開、閉合的功能，不僅可以實現(xiàn)對隧道內(nèi)某一段燈具的控制，而且還能控制單個燈具。查詢燈具實時信息按鈕的主要作用是讓管理人員以及操作人員及時掌握燈具的運行狀況。

3 PLC控制模塊

根據(jù)不同的照明要求，PLC需要合理設(shè)計下位機程序，為了確保設(shè)計程序條理清晰，可以把下位機程序分為多個邏輯部分，控制多個邏輯部分便可實現(xiàn)預(yù)期的功能。這樣做的優(yōu)勢不僅表現(xiàn)為條理清晰，而且有較好的可讀取性，為日后開發(fā)人員維護、完善提供了便利。本文給出了PLC控制系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊之間的關(guān)系，根據(jù)軟件模塊結(jié)構(gòu)完成設(shè)計工作。所設(shè)計的編程思想與軟件流程圖的設(shè)計流程類似，圖2為PLC軟件模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖2 PLC控制模塊

3.1 主循環(huán)程序控制模塊

PLC工作過程中采用了循環(huán)掃描的方式，執(zhí)行完梯形圖程序以后會重新掃描并執(zhí)行。為了提高執(zhí)行速度，作為下位機的主循環(huán)程序來說應(yīng)當盡可能縮短掃描時間。本系統(tǒng)設(shè)定在單次掃描過程中只完成執(zhí)行程序的主功能，換句話說就是只接收或發(fā)送數(shù)據(jù)到系統(tǒng)其他部分的簡單功能，只有可用的數(shù)據(jù)才可以轉(zhuǎn)入到相應(yīng)的程序段，這樣一來會大大減少掃描所用的時間。數(shù)據(jù)的可用性主要是指對下位機系統(tǒng)具有執(zhí)行功能的指令，而對于那些不可用的數(shù)據(jù)，下位機系統(tǒng)將不會作出任何處理。

PLC只通過主程序完成數(shù)據(jù)的收集處理，在系統(tǒng)運行過程中會收到非主程序產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，這種情況下PLC是否發(fā)出指令主要根據(jù)數(shù)據(jù)有無關(guān)鍵信息決定。如果數(shù)據(jù)中攜帶了重要的信息，PLC會判斷出這些數(shù)據(jù)來自哪個分支程序，隨后進入到相應(yīng)的模塊中，最終根據(jù)數(shù)據(jù)源地址把數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)的設(shè)備中，完成一條指令后，會重新返回到主程序。

系統(tǒng)初始化設(shè)置是每一次主循環(huán)程序啟動時不可缺少的一個步驟，初始化設(shè)置的流程為：先對每個燈具的運行情況進行掃描，檢查燈具是否出現(xiàn)故障，比如常見的未接通問題；掃描過程中便啟動測試程序，主循環(huán)程序使用的是上升沿啟動定時程序，這樣一來PLC只需啟動一次，便可實現(xiàn)永久性循環(huán)執(zhí)行。循環(huán)工作結(jié)束以后判斷是否存在上位機控制指令，PLC把所有上位機發(fā)送的信息作為中斷分支程序處理。若收到上位機發(fā)送的指令并已經(jīng)進入到控制模塊，可以準確判斷指令屬于哪個分支程序。PLC內(nèi)部中斷作為設(shè)定的中斷，除了PLC內(nèi)部中斷以外，其余的均屬于外部中斷，圖3為控制流程圖。

圖3 主循環(huán)程序控制模塊流程

3.2 分支程序控制模塊

分支程序控制模塊的作用為判斷是否執(zhí)行接收的指令，如果數(shù)據(jù)滿足執(zhí)行條件，便開始執(zhí)行并重新回到主程序。程序以跳轉(zhuǎn)的方式進入到分支程序所包含的各個子路徑中，滿足執(zhí)行條件則根據(jù)程序的書寫順序以及控制信息攜帶的關(guān)鍵信息判斷屬于哪一個子路徑，圖4為分支程序控制模塊流程圖。

圖4 分支程序控制

（1）時間校正控制模塊

為了確保上位機與下位機的一致性，對控制系統(tǒng)提出了嚴格的要求，從以往經(jīng)驗來看在下文機執(zhí)行某一指令的時候很容易出現(xiàn)上位機下位機不一致的問題。為此在記錄上位機接收數(shù)據(jù)或者是下位機系統(tǒng)某一時刻執(zhí)行操作的時候，必須確保上下位機時間設(shè)置相同。記錄相應(yīng)的讀取信息時間點，可以為日后管理人員對燈具的管理提供幫助，時間矯正控制模塊流程圖如圖5所示。

圖5 時間校正控制

（2）調(diào)光控制模塊

調(diào)光控制模塊的主要作用是控制燈具亮度，想要實現(xiàn)這一功能必須由上位機讀取并計算傳感器提供的信息。PLC中已經(jīng)設(shè)定數(shù)值，如果發(fā)現(xiàn)燈具實際亮度信息與設(shè)定值不一致，可以自行調(diào)整亮度。給駕駛?cè)藛T提供一個舒適的環(huán)境，減少安全事故并實現(xiàn)節(jié)能的作用，調(diào)光控制模塊流程圖如圖6所示。

圖6 調(diào)光控制

（3）查詢控制模塊

查詢模塊的意義在于查看隧道某一段或者是某一個燈的照明情況，查詢指令往往通過下位機發(fā)出，并傳送到PLC中。根據(jù)燈具的編號以及地址信息發(fā)送查詢命令，燈具會提取自身的運行狀態(tài)信息并發(fā)送至PLC中，最終由上位機判斷是否執(zhí)行下一步操作指令，圖7為查詢控制模塊流程圖。

圖7 查詢控制

（4）傳感器信息采集控制模塊

設(shè)定PLC時需要借助自身程序或者是上位機，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的收集，傳感器負責信息的采集與傳輸，經(jīng)傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)由上位機軟件進行處理。此外，還可以在執(zhí)行預(yù)案過程中進行處理，其流程圖見圖8。

圖8 傳感器信息采集控制

（5）PLC預(yù)案存儲控制模塊

PLC具有的功能眾多，而與上位機進行通信是至關(guān)重要的。首先，決策信息由上位計算機傳送到PLC中，然后把控制指令發(fā)送給現(xiàn)場終端設(shè)備，從而實現(xiàn)對隧道燈具亮度的控制。從另外一方面來看，PLC發(fā)出控制命令到現(xiàn)場控制設(shè)備時，不僅可以收集燈具運行的信息，而且可以把這些信息實時反饋到上位機系統(tǒng)中，這樣一來工作人員可以根據(jù)隧道照明情況及時作出決策。這種控制方式的實現(xiàn)離不開上位機與PLC之間的通信，只有二者之間保持實時通信才可以確保信息的及時傳輸。但是在系統(tǒng)運行過程容易受到外部因素的影響，使PLC與上位機出現(xiàn)短暫中斷，這種情況下要想維持現(xiàn)場照明燈具的正常運行、實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的，PLC應(yīng)具有上位機的控制地位，在緊急情況下它可以發(fā)揮出指揮中心的作用。由于PLC與上位機失去聯(lián)系后，上位機將無法完成相應(yīng)的指令，所以必須在PLC中內(nèi)置一塊用來存儲緊急情況下執(zhí)行程序的地址空間，圖9為接收預(yù)案流程圖。

圖9 PLC預(yù)案存儲控制

3.3 定時測試程序控制模塊

為了確保上位機與PLC之間保持正常通信，必須每隔一定的時間進行測試，比如從PLC中發(fā)送測試數(shù)據(jù)到上位機中，如果上位機系統(tǒng)與PLC系統(tǒng)處于連通狀態(tài)，那么上位機會接收并正確返回測試數(shù)據(jù)，表明系統(tǒng)正常運行。如果上位機系統(tǒng)在一定的時間內(nèi)沒有收到測試數(shù)據(jù)，說明通信中斷。這種情況下系統(tǒng)會進入預(yù)案執(zhí)行狀態(tài)，為了讓維修人員及時掌握故障信息，PLC系統(tǒng)還設(shè)置了自動報警系統(tǒng)，當通信中斷時會發(fā)出報警，進而實現(xiàn)PLC代替上位機的部分功能。此外，上位機調(diào)試中也設(shè)置了PLC的連通指令，為隧道照明系統(tǒng)的正常運行提供了基礎(chǔ)保障，設(shè)置連通指令也是檢測PLC與上位機通信是否正常的另外一種方式。

定時測試程序的作用是通過設(shè)定一定的時間測試上位機是否聯(lián)通的程序，設(shè)定的時間即為發(fā)送測試數(shù)據(jù)的時間，執(zhí)行完畢后可以重新定時，定時流程圖如圖10所示。

圖10 定時測試控制

3.4 緊急預(yù)案執(zhí)行控制模塊

為了避免上位機與PLC之間出現(xiàn)通信故障給照明系統(tǒng)帶來影響，首先要在PLC中設(shè)定應(yīng)急預(yù)案，并結(jié)合車輛信息、控制算法以及亮度信息調(diào)節(jié)照明燈具亮度的變化。真正克服了計算機集散系統(tǒng)無法脫離上位計算機的缺點，當局部照明系統(tǒng)出現(xiàn)故障后并不影響整體運行，也不會出現(xiàn)隧道照明燈具癱瘓的狀況，圖11為執(zhí)行預(yù)案流程圖。

圖11 緊急預(yù)案執(zhí)行控制

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，根據(jù)實現(xiàn)控制功能的不同，把系統(tǒng)劃分成不同的控制模塊，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了基于PLC隧道照明系統(tǒng)的軟件控制流程，并給出了各層之間的通信協(xié)議。

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