高速公路隧道電控監控系統研究

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高速公路隧道的電力監控系統與隧道監控系統長期以來相互獨立，造成了重復布線、可靠性低、監控困難、施工復雜的問題。設計了一種高速公路隧道電控聯合監控系統，該系統由電控器、主控單元、電控綜合監控系統軟件三大部分組成，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；電控綜合監控系統軟件實現了對照明、風機以及電力的監控。隧道監控系統與電力監控系統相融合，解決了兩個系統相互獨立所帶來的問題。高速公路隧道自2008始至今，關于電力監控與隧道監控系統（包括照明、通風、交通監控）一直存在著可以優化和創新的技術特性。優化的著眼點在電力監控的低壓出線回路的監測和隧道監控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，兩個系統分別對照明和風機電氣回路中的接觸器接點存在重復接入的問題。隨著隧道監控系統和電力系統在公路隧道上應用的越來越多，風機和照明監控與電力系統相對獨立的問題也體現的越來越突出，也越來越引起了大家的重視。本文研發設計了一種高速公路隧道電控聯合監控系統，利用現階段已有的新技術和新產品，對現有的風機和照明監控思路及系統重新進行分析設計，在保證安全可靠的基礎上，使公路隧道監控系統的結構更加清晰，解決風機和照明監控的多頭管理、設備重復配置而導致的可靠性低、重復布線、施工復雜等問題。

1系統總體設計方案

如圖1所示，本系統由電控器、主控單元、電控綜合監控系統軟件組成。電控器內部是由自己研發的PLC模塊和電力采集儀表組成，可以對隧道內的照明、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。主控單元包括通訊管理機和區域控制器，區域控制器也是自己研發的具有PLC功能的模塊，主要用來控制隧道內交通信號燈、車道指示器、可變情報板、洞內照度儀，同時也會采集隧道內的傳感器信息，例如CO/VI檢測器、TW檢測器、火災探測器等，將這些信息通過以太網上傳至主控單元，主控單元會根據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，電控綜合監控系統為同一后臺操作，無需設立多個工作站便可實現對照明、風機以及電力的監控，運營維護人員只需時刻關注一臺工作站即可，降低運營維護成本。該系統將隧道監控系統與電力監控系統相融合，解決了二者相互獨立所帶來的問題。

2硬件系統設計

2.1電控器

電控器內部結構如圖2所示，包括PLC和電力采集儀表，二者通過RS485進行通訊。左半部分為研發的PLC模塊，包括STM32F103主控芯片、數字量輸入輸出、模擬量輸入輸出、支持Modbus/Profinet協議、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

主控單元內部結構如圖3所示，包括通訊管理機和區域控制器兩部分。通訊管理機包括獨立的以太網接口、RS485通訊接口、1路帶隔離的CAN接口、開合控制接口。區域控制器與電控器的PLC部分相同，包括PLC的數字量輸出、數字量輸入、模擬量輸出、模擬量輸入、以太網通訊接口、RS485通訊接口，通訊管理機與區域控制器通過以太網相連。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，兩套設備互相獨立，不共用任何部件，提高以往區域控制器僅做CPU、電源模塊冗余配置的可靠性。

3軟件系統設計

3.1程序邏輯

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

3.2人機界面設計

（1）電控綜合監控系統軟件主界面如圖5所示，可以實現對照明、風機、電力監控、主控單元和電控器的命令下發與監控功能。（2）主控單元界面可以將隧道監控系統的控制管理權下放，并顯示授權信息。此外因為主控單元實現完全的冗余配置，在任一臺裝置的任何一個部分出現故障時，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，不影響系統的正常使用。主控單元界面如圖6所示。本系統將電力監控系統與隧道監控系統有效融合在一起，使得系統同一觸點不需重復接入，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觸點位置不需重復接入，系統指令下達具有唯一性，使系統在下發操作指令時不沖突，保證了運營人員的人身安全。且此電控制聯合控制系統為同一后臺操作，降低了運營維護的成本。通過本研究課題的應用和推廣，可以帶動國產PLC在公路行業的應用，促進國內相關行業的技術進步與發展。

作者：簡明 劉志遠 單位：廣西荔玉高速公路有限公司