基于霍尼韋爾PLC和力控組態軟件的高速公路隧道監控系統設計與實現

張建軍 陳光景 張金萍

(西安石油大學電子工程學院 西安 710065)

0 引 言

隨著我國經濟的快速發展，公路及公路隧道的建設項目與日俱增，隧道安全運營問題顯得越來越突出。高速公路隧道是高速公路網的咽喉地段，如果不采用先進的監控管理措施，在交通量大、氣候惡劣的情況下，極易發生交通事故和交通堵塞。在高速公路隧道內設置完善的監控設施、改善洞內環境、減少污染和事故、增強隧道的通行能力、延長隧道的使用期限，對保證隧道的安全運營具有重要意義。

由于電子技術突飛猛進的發展，特別是組態軟件和可編程控制器的應用，使得隧道交通監控系統可以實時監視隧道交通狀況，對交通參數進行檢測和統計，并對隧道的各種交通設施進行監控和管理，實現了隧道機電設備的遠程控制，縮短了系統的響應時間，提高了系統的開放性和準確性，監控聯動模式進一步豐富和科學化。

1 高速公路隧道監控系統的構成

高速公路隧道監控系統主要監視隧道交通狀況，對交通參數進行檢測和統計，并對隧道內的各種交通設施進行監控和管理，以保證高速公路的行車安全和暢通。根據隧道系統各個部分控制的對象不同，可以將隧道監控系統分為計算機控制系統、交通監控系統、照明控制系統、通風控制系統、消防控制系統、緊急電話系統、供配電系統等子系統。按照設備的類型可分為:檢測設備、控制設備、顯示設備和通訊設備。檢測設備如:火災報警探頭、車輛檢測器、COVI 檢測儀、風速風向儀等;控制設備如:交通區域控制器、照明區域控制器、通風區域控制器等;顯示設備如:計算機工作站、大屏幕監視器、聲光報警器等;通訊設備如:交換機、集線器、串口信號傳輸設備、光端機等。其控制系統結構如圖1 所示。

本系統根據隧道監控的需求分析及控制任務，為提高隧道內機電設備的自動化控制水平，進行了監控系統的硬件和軟件設計。其分布式網絡拓撲圖如圖2所示。

圖1 監控系統結構圖

圖2 監控系統分布式網絡拓撲圖

2 監控系統硬件設計

2.1 監控系統的硬件組成及控制方式

本監控系統下位機PLC 選用霍尼韋爾MasterLogic－200 系列可編程控制器，CPU 型號分為2MLI－CPUU 和2MLR－CPUH 兩種，后者性能更強，可作為冗余系統使用。本系統被控對象如下:車檢器，檢測量有車速、車流量、占有率;照明燈，被控量有開關控制、手自動控制;風機，被控量有啟?？刂啤⑹肿詣涌刂?交通信號燈和車道指示器，被控量有紅黃綠開關控制以及車道顯示標志控制;傳感器，檢測量有洞外亮度、CO 濃度、能見度、風速風向。所有的被控量和檢測量都通過上位機進行實時監控、狀態顯示以及數據采集，然后通過下位機進行自動控制。

控制方式按三級控制模式設計，分為隧道監控室級、區域控制端級、設備手動控制級，如圖3 所示。每一級都有自己的控制范圍與權限，因此在控制方案與模式上各不相同。

圖3 三級控制模式

2.2 PLC 選型

下位機的硬件選擇霍尼韋爾PLC 作為控制系統的核心，可以提供強大的控制、網絡和組態功能，以及良好的擴展能力和通信能力，容易實現分布式的系統結構，霍尼韋爾MasterLogic－200 系列PLC 的CPU 模塊的選擇主要考慮存儲容量、運行速度、I/O 模塊的擴展能力、開放式網絡和協議以及可靠性等指標。綜合分析所要控制的對象及其要求，選用2MLR－CPUH 型CPU，因為其可提供完全冗余系統，主CPU 和備用CPU 中間連接有專用高速1Gigabit 光纖，可以保證數據和程序的內存區域的高效同步，而且速度快，大容量內存(25M)，靈活的插槽分配以及最大I/O 底座數量可達31 個的超大容量，可靈活地混合和搭配不同的語言，支持LD(梯形圖)、SFC(順序功能圖)、ST(結構化語句)、FB(功能塊)、IL(指令序列)5種編程語言。電源模塊選用2MLR－AC23，176/264VAC 輸入，5VDC/8.5A 輸出，主要為CPU 及I/O 模塊供電。I/O模塊的選擇主要根據控制對象的類型，同時還要留有10%～15% 的余量，選用16 點數字輸入模塊2MLI－D22A:DI16 ×24VDC，16 點數字輸出模塊2MLQ－RY2A:DQ16 ×24VDC，8 通道模擬輸入模塊2MLF－AD8A:電壓/電流輸入?？焖僖蕴W模塊選用2MLL－EFMT，帶有RJ－45 接口，支持100/10Mbps，因為上位機與PLC 的通信協議采用TCP/IP 協議，所以用雙絞線將以太網模塊和PC 的RJ－45 接口相連，即可實現上位機與PLC 之間的通信。PLC 硬件組態如圖4 所示，所有模塊都安裝在地板上。

圖4 硬件組態

3 監控系統軟件設計

監控系統軟件主要包括上位機力控組態軟件和下位機PLC－SoftMaster－200 編程軟件。系統軟件流程圖如圖5 所示。

3.1 上位機軟件設計

上位機管理及監控系統采用力控ForceControl6.1 組態軟件實現軟件編程，力控組態軟件是運行在Windows98/NT/2000/XP 環境下的一種組態軟件，是對現場生產數據進行采集與過程控制的專用軟件，最大的特點是能以靈活多樣的“組態方式”而不是編程方式來進行系統集成，它提供了良好的用戶開發界面和簡捷的工程實現方法，只要將其預設置的各種軟件模塊進行簡單的“組態”，便可以非常容易地實現和完成監控層的各項功能，比如在分布式網絡應用中，所有應用(例如趨勢曲線、報警等)對遠程數據的引用方法與引用本地數據完全相同，通過“組態”的方式可以大大縮短自動化工程師的系統集成的時間，提高了集成效率。

圖5 軟件流程圖

力控監控組態軟件能同時和國內外各種工業控制廠家的設備進行網絡通訊，它可以與高可靠的工控計算機和網絡系統結合，達到集中管理和監控的目的，同時還可以方便的向控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，實現與“第三方”的軟、硬件系統進行集成。

3.1.1 創建工程監控界面

監控界面主要是對隧道內機電設備的一種動畫演示，主要包括照明界面、通風界面、交通界面、車檢界面、趨勢曲線、事件、報警、報表以及用戶管理等9 個窗口界面，可是實時監控隧道內所有照明燈、風機、交通燈的開關控制以及亮度、CO/VI 濃度、風速風向等傳感器的數據變化。新安嶺隧道監控系統交通界面如圖6 所示。

圖6 新安嶺隧道交通監控界面

3.1.2 建立數據庫組態

實時數據庫是力控組態軟件系統的數據處理核心，構建分布式應用系統的基礎，它負責實時數據處理、歷史數據存儲、統計數據處理、報警處理、數據服務請求處理等。

創建數據庫點并進行數據庫庫點與PLC 設備的數據連接，數據庫點分為數字I/O 點、模擬I/O 點、累計點、控制點、運算點和組合點，本系統中的照明燈的開關控制量與反饋量、風機的啟?？刂屏颗c反饋量、交通信號的狀態控制量與反饋量等屬于數字I/O 點，洞外亮度、CO/VI 濃度、風速等屬于模擬I/O 點。在創建新點時，首先要確認點類型和變量名，對其進行參數設置，然后把已創建的點與I/O 設備進行數據連接。數據庫組態如圖7 所示。

3.1.3 配置I/O 設備

I/O 驅動程序負責力控組態軟件與控制設備的通信，它將I/O 設備寄存器中的數據讀出后，傳送到力控組態軟件的實時數據庫，最后界面運行系統會在畫面上動態顯示。本系統采用標準MODBUS(TCP)驅動程序，打開IoManager，選擇標準MODBUS，雙擊添加設備驅動，然后再設備名稱、更新周期、超時時間項目上添加設備名稱PLC等設置，周期和超時時間默認設置即可，設備地址與PLC中設置的IP 地址一一對應，即完成I/O 設備的配置，如圖8 所示。

圖7 數據庫組態

3.1.4 動畫連接

動畫連接是將監控界面中的圖形對象與數據庫變量之間建立連接，使圖形在畫面上隨著PLC 數據的變化而發生變化。建立動畫連接之后，在界面運行系統中，圖形對象將根據變量或表達式的數據變化而該百年顏色、大小、狀態燈外觀，并實時刷新，這樣便可以將現場設備真實的狀態實時的反映到計算機的監控畫面中，從而達到計算機監控的目的。

圖8 I/O 配置

3.1.5 動作腳本

在監控界面窗口中，窗口內圖形或者動畫的規定動作必須要有腳本程序來支撐，可以寫入窗口腳本、應用程序腳本以及數據改變腳本，窗口腳本可以在窗口打開、關閉時執行或者在運行期間周期執行，應用程序腳本可以在整個應用啟動時執行、關閉時執行或者運行期間周期執行，而數據改變腳本在當數據發生變化時執行。

3.2 下位機軟件設計

霍尼韋爾MasterLogic－200 系列PLC 采用SoftMaster－200 作為編程軟件，兼容 Windows2000/XP。通過SoftMaster－200 用戶可以進行系統配置和程序的編寫、調試、仿真、在線診斷PLC 硬件配置狀態、控制PLC 的運行狀態和I/O 通道的狀態等。根據隧道監控設備的要求，下位程序使用SoftMaster－200 的梯形圖方法進行編程。首先通過CPU 的USB 接口連接PC 機，在SoftMaster－200 軟件中對PLC 進行配置網絡地址并寫入，建立PC 機與PLC 之間的通信，然后新建工程，配置I/O設備信息，創建全局變量和本地變量，編程梯形圖程序。程序編程完成后，即可通過RJ－45 接口建立網絡連接并將程序寫入PLC 進行運行調試。

4 隧道監控系統的控制功能

通過上位機與下位機的結合，就建立了完整的隧道監控系統，可以在監控中心實時監控隧道內的交通狀況，并通過網絡通信遠程控制機電設備。系統有自動控制和人工干預控制兩種方式。正常情況下，系統處于自動控制狀態。在異常情況下，由交通控制管理人員根據隧道內實際情況，通過設在隧道控制室的交通控制計算機控制隧道交通、指揮調度車輛行駛。系統能連續檢測隧道內的出、入口的交通數據。并按日、周、月打印統計報表。交通監控系統當隧道正常交通狀態和有交通事故、火災以及施工等特殊情況時的交通控制，系統可通過車輛檢測器、火災報警子系統、緊急電話子系統、閉路電視子系統等警告的信息，對信號系統發布指令，合理地控制交通，以達到減少事故，充分有效地使用隧道的目的。系統能不間斷地定時檢測系統內各設備的工作狀態，及時發現故障并顯示、報警。

監控系統中各執行設備的啟動和顯示變換都要按一定的程序運行，要以采集的信息和數據為依據，經過設在隧道監控監控室的中心計算機處理后再按預先編制程序發出指令。當收到的信息數據超過(或低于)預先設置的閥值時，就會自動發出有關執行設備啟動或變換顯示的指令，控制各執行設備來指揮行車和改善隧道內的行車環境。中心計算機還可以對所有的信息、指令進行儲存、查詢的管理。

5 結 論

本監控系統為國家高速公路十堰至天水聯絡線陜西境鄂陜界至安康AD－D03 合同段設計，經過一年的調試，已在安陜西康白河管理所監控中心正常運行。該系統依靠先進的傳感器技術、計算機技術、信息技術全面掌握道路網上詳盡的、實時的甚至將要發生的道路交通信息、事件、勢態等情報，并在監控中心進行加工處理，不但實現了交通的控制、誘導和管理，而且能及時向各類道路使用者發送誘導信息，有效地管理了隧道交通，實現了動態交通分配，減少了交通阻塞，提高了隧道道路安全和通行能力。交通隧道監控系統引入組態軟件和PLC 已經是以后交通隧道管理的必然趨勢。

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