西門子PLC在隧道監(jiān)控中的應(yīng)用

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隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人民生活水平的大幅度提高，馬路交通建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，技術(shù)進(jìn)步達(dá)到新的水平，馬路隧道建設(shè)不僅在山區(qū)和丘陵地區(qū)馬路建設(shè)中，而且在東部江河橋隧跨越方案比選中，也有很大發(fā)展。進(jìn)入八十年代，我國馬路隧道發(fā)展的速度加快，2000年我國隧道通車?yán)锍桃堰_(dá)628km/1684座，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到2023年底，我國建成的千米以上的馬路隧道已有140余座。我國的隧道運(yùn)營設(shè)施裝備水平也逐漸提高，目前我國1km以上馬路隧道有監(jiān)控、通信、檢測設(shè)備者就占19%。

一、系統(tǒng)概述

三福羅盤基隧道為兩條平行的隧道。每座隧道為雙車道單向行駛，設(shè)計(jì)時(shí)速40km/h。其中東側(cè)隧道長1480.18m，西側(cè)隧道長1501.83m。交通監(jiān)控系統(tǒng)由隧道中央控制系統(tǒng)和交通監(jiān)控外場設(shè)備構(gòu)成。（見圖1監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)鋱D）1、中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)2臺(tái)交通監(jiān)控工作站(A、B)、2臺(tái)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（A、B）、工程師（通訊）工作站以及模擬顯示屏系統(tǒng)。系統(tǒng)采用10/100M自適應(yīng)交換式SWITCHHUB，形成中控室以太環(huán)網(wǎng)，通信協(xié)議為TCP/IP，并在client/server結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上建立大型、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。并可通過路由器與遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)相連。

中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)控各系統(tǒng)的工作，存儲(chǔ)運(yùn)行記錄，供值班人員調(diào)用、顯示、打印。2、監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)級以太網(wǎng)光端機(jī)OSM和區(qū)域控制器組成光纖冗余環(huán)網(wǎng)。區(qū)域控制器采用西門子公司的S7-300系列PLC，其通訊模塊支持開放式網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)采用光纖，具有抗干擾能力強(qiáng)、容錯(cuò)性好、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

區(qū)域控制器包括系統(tǒng)的處理器模塊、各開關(guān)量、模擬量輸入輸出模塊、各通信模塊。處理器模塊負(fù)責(zé)控制其他各模塊，并能實(shí)現(xiàn)就地控制。各通信模塊負(fù)責(zé)區(qū)域控制器與以太網(wǎng)及其它智能設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。

各區(qū)域控制器負(fù)責(zé)現(xiàn)場各子系統(tǒng)及其檢測器的數(shù)據(jù)采集，并上傳至中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題時(shí)，區(qū)域控制器可自動(dòng)升級，對所轄范圍進(jìn)行管理，以確保設(shè)備的正常運(yùn)作。在隧道現(xiàn)場分別設(shè)區(qū)域控制器ACU共8臺(tái)，通過工控以太網(wǎng)光端機(jī)，聽從TCP/IP通訊協(xié)議，以光纖雙環(huán)網(wǎng)方式相連接，構(gòu)成監(jiān)控現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。

區(qū)域控制器通過PLC對隧道現(xiàn)場的信號指示燈、照明控制柜、風(fēng)機(jī)控制柜、消防控制柜、CO/VI檢測儀、風(fēng)速檢測儀、照度監(jiān)測儀等設(shè)備和儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，實(shí)現(xiàn)對各子系統(tǒng)的遙控、遙訊、遙測等功能，從而使全隧道設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能、節(jié)能調(diào)度自動(dòng)化。

隧道內(nèi)各種設(shè)備的布置參見附圖1隧道布置圖。

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顯示屏服務(wù)器Ａ服務(wù)器Ｂ工作站A工作站B工程師工作站投影屏顯示屏控制器交換機(jī)中控室隧道ＯＳＭＯＳＭ光纖冗余以太環(huán)網(wǎng)ＯＳＭＯＳＭＯＳＭ以太網(wǎng)光端機(jī)以太網(wǎng)接口區(qū)域控制器１以太網(wǎng)接口區(qū)域控制器２以太網(wǎng)接口區(qū)域控制器３以太網(wǎng)接口區(qū)域控制器４以太網(wǎng)接口區(qū)域控制器５以太網(wǎng)接口區(qū)域控制器６以太網(wǎng)接口區(qū)域控制器７以太網(wǎng)接口區(qū)域控制器８圖1監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)鋱D二、區(qū)域控制器1、系統(tǒng)組成區(qū)域控制器主要以PLC控制器為框架構(gòu)成，該系統(tǒng)中使用西門子S7－300系列PLC，其配置見圖2。2、系統(tǒng)功能電Ｃ以通Ｒ通開輸開輸模輸?交通控制功能Ｓ源Ｐ太信４信關(guān)入關(guān)出擬入?yún)^(qū)域控制器連續(xù)檢測隧道內(nèi)的交Ｕ網(wǎng)８量量量５通數(shù)據(jù)，自動(dòng)分析隧道的交通狀況，結(jié)合其它系統(tǒng)提供的隧道狀況（如火災(zāi)、事故等），控制車道信號燈、交ＣＯ照風(fēng)信照風(fēng)消光車可ＶＩ度速號明機(jī)防端輛變通燈等以控制車輛通行，并在情報(bào)板監(jiān)監(jiān)監(jiān)燈控控控機(jī)監(jiān)情測測測上顯示相關(guān)信息，以利于司機(jī)了解隧控制制制測報(bào)儀儀儀制器板道狀況。?照明控制功能圖2PLC模塊配置圖區(qū)域控制器檢測隧道外的照度和隧道口的輝度數(shù)據(jù)，控制隧道口的照敞亮度呈梯級逐漸變化。同時(shí)根據(jù)時(shí)間和照度結(jié)合來控制隧道照明燈的開啟數(shù)量，使隧道內(nèi)的照敞亮度接近隧道外亮度，并可以省電。?通風(fēng)控制功能區(qū)域控制器檢測隧道內(nèi)的一氧化碳（CO）和能見度（VI）的數(shù)值，判斷隧道內(nèi)的空氣狀況，用以啟動(dòng)隧道頂部風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)接受中央控制系統(tǒng)發(fā)出的消防報(bào)警信號，來啟動(dòng)風(fēng)機(jī)派煙。?數(shù)據(jù)通訊功能

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通過西門子PLC的以太網(wǎng)模塊組成現(xiàn)場控制級以太網(wǎng)，各區(qū)域控制器在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，協(xié)同控制，同時(shí)將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳給中央控制系統(tǒng)進(jìn)行顯示、儲(chǔ)存、處理，并接收中央控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程遙控信號。?手動(dòng)控制功能

系統(tǒng)還設(shè)有手動(dòng)控制，可由監(jiān)控員在監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)上開關(guān)任意交通信號燈或交通燈等，并能手動(dòng)輸入信息由情報(bào)板顯示，以適應(yīng)特別狀況。為提高系統(tǒng)的可靠性，區(qū)域控制器設(shè)手動(dòng)控制按鈕和指示燈，一一對應(yīng)隧道的交通燈、車道燈，使系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)或監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)可降級使用，操作員可現(xiàn)場操作交通燈、車道燈。

區(qū)域控制器接線圖見附圖2。

三、光纖環(huán)網(wǎng)

光纖環(huán)網(wǎng)主要由西門子PLC以太網(wǎng)模塊、光纖和西門子OSM以太網(wǎng)光端機(jī)組成冗余工業(yè)以太網(wǎng)。

工業(yè)以太網(wǎng)使為工業(yè)應(yīng)用而專門設(shè)計(jì)的，它是一種遵循國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3（以太網(wǎng)）的開放式、多供應(yīng)商、高性能的區(qū)域和單元級網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)以太網(wǎng)將自動(dòng)化系統(tǒng)相互連接，而且還將自動(dòng)化系統(tǒng)連接到PC機(jī)和工作站上。它能以高達(dá)100Mbit/s的速度實(shí)現(xiàn)廣泛的、開放的網(wǎng)絡(luò)解決方案。目前，以太網(wǎng)憑其超過80％的市場份額，在世界范圍內(nèi)的局域網(wǎng)（LAN）市場上基于主導(dǎo)地位。

以太網(wǎng)具有如下重要特點(diǎn)：

?啟動(dòng)快速，由于簡化了網(wǎng)絡(luò)連接方法。

?靈活性大，由于現(xiàn)有設(shè)備可以不受影響地隨時(shí)擴(kuò)展。?可靠性高，由于采用了冗余地網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

?無限地通信性能，由于使用交換技術(shù)可根據(jù)用戶需求提供可收縮地性能。?覆蓋極為廣泛地應(yīng)用，可從辦公室到生產(chǎn)現(xiàn)場。

?投資可靠，由于該系統(tǒng)正不斷得到進(jìn)一步開發(fā)，而且完全向下兼容。

通訊處理器CP343是西門子提供的以太網(wǎng)模塊，其作用相當(dāng)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡，將PLC以TCP/IP協(xié)議接入工業(yè)以太網(wǎng)中。這種連接是全雙工連接并可依靠自適應(yīng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換，提供RJ45和AUI兩種連接方式，10/100Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率,能快速傳輸大量數(shù)據(jù)，通過工業(yè)以太網(wǎng)可以獨(dú)立處理數(shù)據(jù)的傳輸。

通訊處理器CP343的優(yōu)點(diǎn)：

?通過UDP連接或群播功能可達(dá)到多用戶。

?利用NTP(網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議)提供時(shí)鐘同步(使用CP443-1和CP443-1IT)。?可選擇KeepAlive功能。

?使用10/100Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)可將SIMATICS7集成到繁雜的成套裝置內(nèi)。使用S5兼容通訊可將SIMATICS7集成到現(xiàn)有裝置內(nèi)。

?借助于TCP/IP的WAP功能，通過電話網(wǎng)絡(luò)(例如ISDN)，CP也能遠(yuǎn)距離編程和對設(shè)備進(jìn)行初始調(diào)試。

?一種模塊就能用于不同應(yīng)用：PG/PC，操作和監(jiān)視系統(tǒng)(OP通訊的多路轉(zhuǎn)換；最多可連接16個(gè)OP)以及SIMATICS5/S7。

?使用NCMS7(已集成在STEP7中)可提供范圍廣泛的診斷功能，包括顯示CP的操作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)通用診斷和統(tǒng)計(jì)功能，提供連接診斷和LAN控制器統(tǒng)計(jì)及診斷緩沖器。

西門子通過帶光纖接口的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)OSM來建立10M/100M的光纖工業(yè)以太網(wǎng)。集成到OSM模塊內(nèi)的冗余管理器可以建立冗余環(huán)型結(jié)構(gòu)，發(fā)生故障后，盡快對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重構(gòu)，其最

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快網(wǎng)絡(luò)重建時(shí)間為0.3秒。冗余網(wǎng)絡(luò)提高了網(wǎng)絡(luò)的整體安全性，減小了設(shè)備的停機(jī)時(shí)間。為了達(dá)到所要求的快速反應(yīng)時(shí)間。

OSM特點(diǎn)：

?經(jīng)過分段(將一個(gè)網(wǎng)絡(luò)分割成幾個(gè)子網(wǎng)絡(luò)/段)和將這些網(wǎng)絡(luò)段連接到一個(gè)OSM，可在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)負(fù)載解耦，從而提高網(wǎng)絡(luò)性能。

?用交換機(jī)技術(shù)和快速介質(zhì)冗余技術(shù)，集成在OSM內(nèi)的冗余管理程序支持建立冗余工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)結(jié)構(gòu)(最大重構(gòu)時(shí)間為0.3秒)。

?建立一個(gè)光纖環(huán)需要OSM的2對光纖端口。環(huán)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸速率為100Mbit/s，每個(gè)環(huán)中最多可用50個(gè)OSM。

?除了2對或3對環(huán)端口外，OSM還有另外6個(gè)或5個(gè)端口(可任選ITP或RJ45接口，OSMITP53無RJ45接口)，它們可與終端設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)段相連接。?通過集成的后備功能，可以冗余地將幾個(gè)環(huán)彼此連接在一起。光纖冗余以太網(wǎng)OSMPORT1PORT24芯光纖OSMPORT1PORT2圖5光纖配線示意圖四、軟件設(shè)計(jì)使用西門子STEP7編程軟件編制程序，采用模塊化設(shè)計(jì)，包括主程序、串口通訊子程序、網(wǎng)絡(luò)通訊子程序、開燈子程序、開風(fēng)機(jī)子程序。開信號燈子程序等。

開始參數(shù)初始化通訊連接輸入信號檢測處理當(dāng)前時(shí)間和照度值開燈Y調(diào)用開燈子程序開燈N處理COVI值處理當(dāng)前交通流量NN開風(fēng)機(jī)Y調(diào)用開風(fēng)機(jī)子程序開風(fēng)機(jī)開信號燈Y調(diào)用開風(fēng)機(jī)子程序開風(fēng)機(jī)終止圖6程序流程框圖4

五、程序文本（部分）

三福高