高速公路隧道電控監(jiān)控系統(tǒng)研究

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高速公路隧道的電力監(jiān)控系統(tǒng)與隧道監(jiān)控系統(tǒng)長期以來相互獨立，造成了重復(fù)布線、可靠性低、監(jiān)控困難、施工復(fù)雜的問題。設(shè)計了一種高速公路隧道電控聯(lián)合監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由電控器、主控單元、電控綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件三大部分組成，電控器包括照明電控器、風機電控器和消防電控器，內(nèi)部由PLC模塊和電力采集儀表組成，二者通過RS485通訊；主控單元包括通訊管理機和區(qū)域控制器，主控單元為雙套配置，通過心跳線連接在一起；電控綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件實現(xiàn)了對照明、風機以及電力的監(jiān)控。隧道監(jiān)控系統(tǒng)與電力監(jiān)控系統(tǒng)相融合，解決了兩個系統(tǒng)相互獨立所帶來的問題。高速公路隧道自2008始至今，關(guān)于電力監(jiān)控與隧道監(jiān)控系統(tǒng)（包括照明、通風、交通監(jiān)控）一直存在著可以優(yōu)化和創(chuàng)新的技術(shù)特性。優(yōu)化的著眼點在電力監(jiān)控的低壓出線回路的監(jiān)測和隧道監(jiān)控PLC控制器對照明和風機的測控問題。長期以來的工程項目普遍實施的方案，均為各自獨立，兩個系統(tǒng)分別對照明和風機電氣回路中的接觸器接點存在重復(fù)接入的問題。隨著隧道監(jiān)控系統(tǒng)和電力系統(tǒng)在公路隧道上應(yīng)用的越來越多，風機和照明監(jiān)控與電力系統(tǒng)相對獨立的問題也體現(xiàn)的越來越突出，也越來越引起了大家的重視。本文研發(fā)設(shè)計了一種高速公路隧道電控聯(lián)合監(jiān)控系統(tǒng)，利用現(xiàn)階段已有的新技術(shù)和新產(chǎn)品，對現(xiàn)有的風機和照明監(jiān)控思路及系統(tǒng)重新進行分析設(shè)計，在保證安全可靠的基礎(chǔ)上，使公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加清晰，解決風機和照明監(jiān)控的多頭管理、設(shè)備重復(fù)配置而導致的可靠性低、重復(fù)布線、施工復(fù)雜等問題。

1系統(tǒng)總體設(shè)計方案

如圖1所示，本系統(tǒng)由電控器、主控單元、電控綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件組成。電控器內(nèi)部是由自己研發(fā)的PLC模塊和電力采集儀表組成，可以對隧道內(nèi)的照明、風機等進行控制，同時也可以通過電力采集儀表采集電力參數(shù)。主控單元包括通訊管理機和區(qū)域控制器，區(qū)域控制器也是自己研發(fā)的具有PLC功能的模塊，主要用來控制隧道內(nèi)交通信號燈、車道指示器、可變情報板、洞內(nèi)照度儀，同時也會采集隧道內(nèi)的傳感器信息，例如CO/VI檢測器、TW檢測器、火災(zāi)探測器等，將這些信息通過以太網(wǎng)上傳至主控單元，主控單元會根據(jù)這些信息對照明電控器、風機電控器和消防電控器進行控制。且主控單元為雙套配置，通過心跳線連接在一起，具有完全冗余配置的功能，電控綜合監(jiān)控系統(tǒng)為同一后臺操作，無需設(shè)立多個工作站便可實現(xiàn)對照明、風機以及電力的監(jiān)控，運營維護人員只需時刻關(guān)注一臺工作站即可，降低運營維護成本。該系統(tǒng)將隧道監(jiān)控系統(tǒng)與電力監(jiān)控系統(tǒng)相融合，解決了二者相互獨立所帶來的問題。

2硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1電控器

電控器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括PLC和電力采集儀表，二者通過RS485進行通訊。左半部分為研發(fā)的PLC模塊，包括STM32F103主控芯片、數(shù)字量輸入輸出、模擬量輸入輸出、支持Modbus/Profinet協(xié)議、RS485通訊接口、RS232通訊接口、支持Modbus-RTU指令、1路隔離CAN通訊口、1路隔離K通訊口、以太網(wǎng)接口、程序下載接口、指示燈、帶后備電池的RTC時鐘、擴展接口；右半部分為電力采集儀表，包括進線端子、出線端子、LCD液晶顯示屏、RS485通訊接口。

2.2主控單元

主控單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括通訊管理機和區(qū)域控制器兩部分。通訊管理機包括獨立的以太網(wǎng)接口、RS485通訊接口、1路帶隔離的CAN接口、開合控制接口。區(qū)域控制器與電控器的PLC部分相同，包括PLC的數(shù)字量輸出、數(shù)字量輸入、模擬量輸出、模擬量輸入、以太網(wǎng)通訊接口、RS485通訊接口，通訊管理機與區(qū)域控制器通過以太網(wǎng)相連。主控單元具有完全冗余配置的功能，即CPU、電源模塊、通信模塊等均是雙套配置，兩套設(shè)備互相獨立，不共用任何部件，提高以往區(qū)域控制器僅做CPU、電源模塊冗余配置的可靠性。

3軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1程序邏輯

由監(jiān)控工作站下發(fā)指令給主控單元，主控單元接收并解析指令后將指令下發(fā)至電控器，電控器解析收到的指令后，對照明、風機、消防等設(shè)備進行控制；區(qū)域控制器對隧道內(nèi)數(shù)字量和模擬量輸入輸出接口進行采樣，將采樣結(jié)果打包發(fā)送至主控單元，再由主控單元上傳至監(jiān)控工作站。程序運行邏輯如圖4所示。

3.2人機界面設(shè)計

（1）電控綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件主界面如圖5所示，可以實現(xiàn)對照明、風機、電力監(jiān)控、主控單元和電控器的命令下發(fā)與監(jiān)控功能。（2）主控單元界面可以將隧道監(jiān)控系統(tǒng)的控制管理權(quán)下放，并顯示授權(quán)信息。此外因為主控單元實現(xiàn)完全的冗余配置，在任一臺裝置的任何一個部分出現(xiàn)故障時，工作人員可以將冗余的備用主控單元能夠迅速切換為主用單元，不影響系統(tǒng)的正常使用。主控單元界面如圖6所示。本系統(tǒng)將電力監(jiān)控系統(tǒng)與隧道監(jiān)控系統(tǒng)有效融合在一起，使得系統(tǒng)同一觸點不需重復(fù)接入，保證了檢修人員的人身安全，對于照明、風機以及消防水泵等重要負荷的開關(guān)觸點位置不需重復(fù)接入，系統(tǒng)指令下達具有唯一性，使系統(tǒng)在下發(fā)操作指令時不沖突，保證了運營人員的人身安全。且此電控制聯(lián)合控制系統(tǒng)為同一后臺操作，降低了運營維護的成本。通過本研究課題的應(yīng)用和推廣，可以帶動國產(chǎn)PLC在公路行業(yè)的應(yīng)用，促進國內(nèi)相關(guān)行業(yè)的技術(shù)進步與發(fā)展。

作者：簡明 劉志遠 單位：廣西荔玉高速公路有限公司