黃俊龍

（重慶中宇工程咨詢監(jiān)理有限責(zé)任公司，重慶 400000）

隨著高速公路建設(shè)的發(fā)展，目前PLC 控制系統(tǒng)在高速公路隧道建設(shè)中的應(yīng)用越來(lái)越普遍，并且技術(shù)越來(lái)越成熟。不過(guò)，隧道監(jiān)控系統(tǒng)PLC 控制系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，各類設(shè)備較多，一旦處理不好很容易發(fā)生設(shè)備故障，影響到PLC 控制系統(tǒng)正常工作開(kāi)展。

1 高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)PLC 控制系統(tǒng)介紹

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，當(dāng)前高速公路的建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大，其中隧道建設(shè)是高速公路建設(shè)中具有挑戰(zhàn)性的環(huán)節(jié)之一，由于隧道空間空氣流通不好，光線強(qiáng)度較弱，所以發(fā)生安全事故的概率也隨之提高。對(duì)此，高速公路隧道建設(shè)環(huán)節(jié)也在不斷創(chuàng)新技術(shù)和工藝，提高隧道監(jiān)控系統(tǒng)的智能化水平，完善隧道監(jiān)控系統(tǒng)的功能。高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)包括事故報(bào)警系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

1.1 PLC 控制系統(tǒng)工作原理

高速公路隧道所處環(huán)境較為特殊，對(duì)其開(kāi)展監(jiān)控工作需要覆蓋隧道內(nèi)部及外部，實(shí)現(xiàn)連續(xù)性的全天候監(jiān)控。PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集主要利用PLC 控制系統(tǒng)、火災(zāi)傳感器、火災(zāi)報(bào)警器及其他位置傳感器，將采集而來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)合理分析，一旦發(fā)生突發(fā)事故，可以及時(shí)判斷事故發(fā)生的具體位置，方便第一時(shí)間進(jìn)行事故的現(xiàn)場(chǎng)處理。通過(guò)PLC 控制器可以實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)分析，依賴于梯形圖程序，所以PLC 控制系統(tǒng)的執(zhí)行速度較快。此外，PLC 控制系統(tǒng)能夠進(jìn)行通信，在上位機(jī)中顯示控制器現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的變量，同時(shí)根據(jù)需要也能夠?qū)?shù)據(jù)和變量顯示在觸摸屏中，從而方便相關(guān)人員了解隧道現(xiàn)場(chǎng)情況。隧道PLC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。PLC 監(jiān)控是高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的重要構(gòu)成，監(jiān)控系統(tǒng)如圖3 所示，具體可以分為兩級(jí)控制監(jiān)控中心軟件控制系統(tǒng)和隧道現(xiàn)場(chǎng)PLC 控制系統(tǒng)。PLC 控制系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)隧道現(xiàn)場(chǎng)突發(fā)緊急事故時(shí)優(yōu)勢(shì)較為顯著，可以通過(guò)軟觸點(diǎn)發(fā)出控制命令，發(fā)揮監(jiān)控系統(tǒng)的照明、火災(zāi)報(bào)警等功能。借助PLC控制系統(tǒng)可以進(jìn)行信息的采集，以既定的程序和數(shù)據(jù)庫(kù)執(zhí)行相關(guān)命令。

圖2 隧道PLC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 PLC 系統(tǒng)組成

高速公路隧道所處的電氣環(huán)境較為惡劣，對(duì)于電氣設(shè)備提出了較高的要求，這也給監(jiān)控系統(tǒng)的搭建提出了較高的要求，需要充分考慮到隧道的距離、電磁干擾等因素。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)于隧道建設(shè)都有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)論是中隧道、長(zhǎng)隧道還是特長(zhǎng)隧道都需要通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)提高行車的安全性。隧道監(jiān)控系統(tǒng)一般包括像照明系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)外，還包括CCTV 系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)和廣播系統(tǒng)等。監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備類型包括檢測(cè)設(shè)備、控制設(shè)備、顯示設(shè)備及通信設(shè)備[1]，如圖4 所示。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備類型

常見(jiàn)的檢測(cè)設(shè)備有車輛檢測(cè)器、能見(jiàn)度檢測(cè)儀等；控制設(shè)備包括照明區(qū)域控制器、通風(fēng)區(qū)域控制器；顯示設(shè)備如大屏幕監(jiān)視器、聲光報(bào)警器等；通信設(shè)備包括集線器、光端機(jī)等。在進(jìn)行高速公路隧道監(jiān)控時(shí)，隧道監(jiān)控的難度與隧道的長(zhǎng)度之間有著關(guān)系，同時(shí)也會(huì)受到車流量的影響。根據(jù)隧道監(jiān)控管理的要求，可以將隧道分為A、B、C、D 4 個(gè)等級(jí)，4 個(gè)等級(jí)中A 等級(jí)對(duì)于監(jiān)控的要求較高，D 等級(jí)相比于A、B、C 等級(jí)要求來(lái)說(shuō)較低。針對(duì)高速公路隧道的長(zhǎng)短所采取的監(jiān)控模式也有所不同，分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制模式較為適應(yīng)于長(zhǎng)隧道，成本相對(duì)來(lái)說(shuō)較低，并且操作較為方便，具有較高的可靠性。集散式控制模式較為適用于短隧道，此種控制模式成本較高。針對(duì)較長(zhǎng)距離隧道采取分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制模式，具體又可以分為全分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制及集中式現(xiàn)場(chǎng)縱向控制，各個(gè)模式有其本身優(yōu)勢(shì)，需要根據(jù)實(shí)際情況合理選擇控制模式。

在進(jìn)行隧道控制時(shí)需要將橫向系統(tǒng)及縱向系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，借助算法技術(shù)來(lái)提高控制的智能化水平。隧道控制離不開(kāi)區(qū)域控制器作用的發(fā)揮，需要借助區(qū)域控制器進(jìn)行不同區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)信息的采集，然后將采集處理后的信息匯總到本地控制中心。即使本地控制中心及區(qū)域控制器的通信方式受到阻礙，區(qū)域控制器仍然具有獨(dú)立控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的能力，體現(xiàn)了區(qū)域控制器的高可靠性。PLC 作為區(qū)域控制器的核心控制部分，憑借穩(wěn)定性、強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性等在隧道監(jiān)控中的應(yīng)用越來(lái)越普遍[2]。

2 高速公路PLC 編程

2.1 交通控制

PLC 系統(tǒng)編程中需要重視交通控制程序，這樣才能有效保障交通控制程序發(fā)揮信息讀取、數(shù)據(jù)上傳等功能。讀取車輛檢測(cè)裝置、車道指示標(biāo)志和情報(bào)板狀態(tài)信息，將所采集來(lái)的數(shù)據(jù)傳遞到上位機(jī)，按照上位機(jī)已經(jīng)設(shè)定好的交通模式作為控制依據(jù)對(duì)上述裝置進(jìn)行有效控制。若高速公路隧道路段發(fā)生交通事故，那么交通控制程序可以第一時(shí)間發(fā)出報(bào)警信號(hào)。另外，交通控制程序中的定期校時(shí)功能能夠協(xié)調(diào)時(shí)間保持一致性。具體來(lái)說(shuō)，可以實(shí)現(xiàn)三級(jí)控制，針對(duì)監(jiān)控分中心可以實(shí)施自動(dòng)和手動(dòng)控制，針對(duì)隧道監(jiān)控室控制主要采取手動(dòng)控制，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控仍然可以采取手動(dòng)控制為主要控制方式[3]。

2.2 通風(fēng)控制

通風(fēng)控制程序以檢測(cè)裝置中的數(shù)據(jù)作為重要依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制。在高速公路火災(zāi)事故發(fā)生時(shí)，通風(fēng)控制程序還能夠即時(shí)啟動(dòng)所在區(qū)域的風(fēng)機(jī)，降低火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的煙霧濃度，從而有效保障相關(guān)區(qū)域人員的安全。通風(fēng)程序所參考的數(shù)據(jù)依據(jù)包括透光率、交通量數(shù)據(jù)和一氧化碳濃度數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間、風(fēng)向和數(shù)量的合理控制。相比于傳統(tǒng)通風(fēng)控制程序，PLC 通風(fēng)控制程序的控制效果較為突出，還能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控每臺(tái)風(fēng)機(jī)的狀態(tài)。另外，通風(fēng)控制程序還具有自動(dòng)統(tǒng)計(jì)功能，根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)來(lái)優(yōu)化風(fēng)機(jī)運(yùn)行方案，協(xié)調(diào)風(fēng)機(jī)工作時(shí)間，從而有效延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)的使用壽命。通風(fēng)控制子系統(tǒng)控制方式主要可以劃分為四級(jí)，位于隧道變電所內(nèi)的風(fēng)機(jī)控制轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)可以設(shè)置為自動(dòng)，一旦控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，需要及時(shí)進(jìn)行子系統(tǒng)控制的切換，從而確保預(yù)期控制效果。進(jìn)行風(fēng)機(jī)及子系統(tǒng)維修和測(cè)試時(shí)，需要將控制模式切換為通風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān)箱手動(dòng)控制。通風(fēng)控制子系統(tǒng)的控制方式有所不同，見(jiàn)表1。

表1 通風(fēng)控制子系統(tǒng)控制方式

2.3 變電站監(jiān)視控制

將PLC 控制系統(tǒng)應(yīng)用于高速公路隧道監(jiān)控中，可以進(jìn)行變電站的監(jiān)視。對(duì)于高壓電源、低壓總開(kāi)關(guān)、發(fā)電站信號(hào)和各段低壓母線等，PLC 都可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，將采集而來(lái)的信息上傳監(jiān)控分中心，對(duì)于存在的故障會(huì)及時(shí)發(fā)出警告。在進(jìn)行風(fēng)機(jī)系統(tǒng)控制時(shí)，還會(huì)參考變電站電源情況[4]。

2.4 照明控制

照明控制與高速公路交通安全有著緊密的聯(lián)系，PLC 的照明控制程序可以實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的收集，有效控制照明系統(tǒng)，節(jié)約能源的同時(shí)還能提高高速公路行車的安全性。照明控制還能進(jìn)行隧道內(nèi)照明設(shè)備的監(jiān)視，全面搜集隧道內(nèi)光線強(qiáng)度、行車量等數(shù)據(jù)。若隧道內(nèi)的光量不足，可以及時(shí)報(bào)警。在隧道內(nèi)設(shè)置光強(qiáng)檢測(cè)儀，可以根據(jù)設(shè)定值及時(shí)檢修照明設(shè)備，在突發(fā)事故時(shí)可以及時(shí)開(kāi)啟隧道內(nèi)的全面照明設(shè)備。自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制及人工控制是高速公路隧道的主要照明控制方式、控制環(huán)節(jié)，照明系統(tǒng)會(huì)及時(shí)向監(jiān)控系統(tǒng)傳遞信號(hào)[5]。

3 高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)PLC 控制系統(tǒng)常見(jiàn)問(wèn)題

PLC 控制系統(tǒng)隨著時(shí)代的發(fā)展功能有所強(qiáng)大，但是，高速公路隧道PLC 控制系統(tǒng)的運(yùn)行仍然會(huì)受到內(nèi)外部多種因素的干擾，面臨著各類的問(wèn)題，影響到高速公路隧道行車的安全性。

3.1 開(kāi)關(guān)電源損壞

在監(jiān)控觸摸屏、中間繼電器等設(shè)備時(shí)涉及到較多的開(kāi)關(guān)電源。長(zhǎng)期運(yùn)行狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)電源模塊容易積累較多的灰塵，導(dǎo)致電源內(nèi)部模塊的滿載運(yùn)行。若不注意定時(shí)清洗開(kāi)關(guān)電源模塊濾網(wǎng)，那么開(kāi)光電源很容易受到外部電源浪涌沖擊。一旦開(kāi)光電源損壞，那么其他涉及到開(kāi)關(guān)電源的設(shè)備都會(huì)功能受損，中心監(jiān)控系統(tǒng)可能會(huì)癱瘓[6]。

3.2 信號(hào)干擾

高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的PLC 控制系統(tǒng)連接較多的設(shè)備，像照明系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等都需要通過(guò)相應(yīng)信號(hào)進(jìn)行控制，所以控制信號(hào)種類較多。若PLC 與控制設(shè)備的距離較遠(yuǎn)，加之PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，那么不同信號(hào)之間可能會(huì)形成干擾，容易造成數(shù)據(jù)的混亂及PLC控制系統(tǒng)功能的紊亂[7]。

3.3 信號(hào)防雷

在PLC 模塊中較為容易損壞的是隧道洞口外部按照設(shè)備所對(duì)應(yīng)的PLC 接入模塊，由于高速公路隧道多位于多山區(qū)域，這些區(qū)域的立桿設(shè)備容易受到雷電等自然災(zāi)害的影響，從而影響到PLC 接入模塊的正常運(yùn)行。

3.4 PLC 控制柜維護(hù)

為了有效降低施工成本，在進(jìn)行高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的PLC 系統(tǒng)建設(shè)時(shí)會(huì)縮小隧道內(nèi)部的PLC 控制柜空間，但是控制柜內(nèi)部的線路較多，維護(hù)時(shí)具有一定的挑戰(zhàn)性?？刂乒駜?nèi)部需要進(jìn)行空氣開(kāi)關(guān)、開(kāi)關(guān)電源等的設(shè)置，還要通過(guò)大量電纜來(lái)進(jìn)行設(shè)備連接與控制。在進(jìn)行PLC 控制柜維護(hù)檢測(cè)時(shí)，信號(hào)檢測(cè)和設(shè)備更換會(huì)受到狹窄空間的限制，影響到高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)PLC 控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行[8]。

4 高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)PLC 控制系統(tǒng)常見(jiàn)問(wèn)題的解決方案探討

4.1 進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源損壞方面的優(yōu)化

開(kāi)關(guān)電源受到損壞多是由于區(qū)域電流量較大，局部區(qū)域溫度升高等因素的影響，在進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源日常檢查時(shí)需要注意元件引腳處是否存在因發(fā)熱造成的脫焊等問(wèn)題，關(guān)注電阻器件的阻值異常情況。在進(jìn)行故障確定時(shí)，應(yīng)對(duì)不同部位的故障處理方式不同，若半導(dǎo)體元件受到溫度影響而發(fā)生軟故障可以利用電烙鐵等方式進(jìn)行可疑元件的加溫操作，又或者在故障發(fā)生時(shí)對(duì)于相關(guān)元件進(jìn)行降溫操作。正常情況下，開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)會(huì)發(fā)出均勻且輕微的響聲，如果響聲不穩(wěn)定那么開(kāi)關(guān)電源工作異常，如果響聲較為沉悶，則可能開(kāi)關(guān)電源短路又或者負(fù)載過(guò)重[9]。

4.2 合理設(shè)計(jì)PLC 系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

高速公路隧道PLC 控制系統(tǒng)中較為核心的部分是變電所的主PLC，為了確保控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，可以對(duì)整個(gè)通信結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于星型結(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)操作。利用星型結(jié)構(gòu)將隧道內(nèi)各個(gè)PLC 采集而來(lái)的數(shù)據(jù)傳遞到中心監(jiān)控系統(tǒng)，然后按照主監(jiān)控系統(tǒng)下達(dá)的命令進(jìn)行工作安排。監(jiān)控系統(tǒng)與各個(gè)部分的PLC 進(jìn)行通信并不需要借助主PLC 的中轉(zhuǎn)，一定程度上避免了由于變電所主PLC 故障所造成的系統(tǒng)癱瘓問(wèn)題[10]。

4.3 合理設(shè)計(jì)信號(hào)傳輸方面的優(yōu)化方案

高速公路隧道建設(shè)時(shí)需要綜合考慮多方面因素，包括因?yàn)榫嚯x問(wèn)題而造成的通信阻礙。在進(jìn)行交通信號(hào)系統(tǒng)設(shè)置時(shí)需要將其安排在隧道外部回轉(zhuǎn)車道位置。為了避免遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸中存在的問(wèn)題，需要利用數(shù)據(jù)光端機(jī)將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，以此來(lái)降低信號(hào)的干擾，信號(hào)逆變后將其傳入PLC 模塊?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)還需要妥善分離不同信號(hào)電纜，為避免信號(hào)干擾，需要將強(qiáng)弱電電纜分開(kāi)鋪設(shè)[11]。

4.4 合理設(shè)計(jì)PLC 控制柜配置方面的優(yōu)化方案

PLC 模塊可能會(huì)受到浪涌等外部因素影響，可以設(shè)置微型隔離變壓器來(lái)合理設(shè)計(jì)控制柜總電源。一旦遭遇浪涌沖擊，那么可以有效保護(hù)PLC 電源模塊及開(kāi)關(guān)電源等設(shè)備。為避免交換機(jī)、觸摸屏等的損壞影響控制系統(tǒng)，可以在控制柜中進(jìn)行電源的單獨(dú)設(shè)置從而完成供電。此外，PLC 控制柜中還要設(shè)置信號(hào)防雷器，在I/O 模塊和接線端子中設(shè)置中間繼電器，從而進(jìn)行故障的隔離，有效避免各類因素對(duì)PLC 模塊的干擾。PLC 控制柜的空間大小有限，需要逐漸縮小設(shè)備的體積，從而方便后期檢測(cè)與維修工作的開(kāi)展。當(dāng)前市場(chǎng)隧道監(jiān)控系統(tǒng)種類繁多，進(jìn)行設(shè)備選擇時(shí)還需要綜合考慮，擇優(yōu)選擇PLC 控制系統(tǒng)，從而延長(zhǎng)高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的使用壽命[12]。

5 結(jié)束語(yǔ)

開(kāi)關(guān)電源損壞、信號(hào)干擾、信號(hào)防雷和PLC 控制柜維護(hù)問(wèn)題都是較為常見(jiàn)的問(wèn)題，針對(duì)高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)PLC 控制系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，相關(guān)人員必須加以重視，了解實(shí)際情況，優(yōu)化處理方案，從而有效發(fā)揮PLC 控制系統(tǒng)在高速公路隧道監(jiān)控中的積極作用。