SCADA技術在隧道防災救援設備監控系統中的應用

周 健

（四川曠谷信息工程有限公司，成都 610083）

SCADA技術在隧道防災救援設備監控系統中的應用

周 健

（四川曠谷信息工程有限公司，成都 610083）

大型鐵路隧道里程長，發生緊急情況后救援較為困難。利用現有隧道防災救援設備（應急照明、風機、水泵等），結合遠程自動化控制技術構建鐵路隧道防災救援設備監控系統，可以實現對鐵路隧道防災救援設備運行狀態進行遠程實時監視，發現設備故障自動報警，緊急情況下可以遠程控制防災救援設備運行，實現緊急現場救援功能。文章介紹利用SCADA技術構建該系統的開發方法。

SCADA；隧道；防災救援；監控；組態軟件

隨著鐵路建設事業的快速發展，鐵路線路特別是高速鐵路呈現出特大隧道數量多、里程長的特點。大、長隧道列車運行給行車安全和旅客生命財產安全提出了巨大挑戰。災害發生時保證及時有效的利用隧道防災救援設備，最大程度地減少人民生命財產損失成為必須解決的課題。由于隧道位置通常偏遠，內部環境惡劣，不方便人工值守，人們產生了利用遠程自動化控制技術建設鐵路隧道防災救援設備監控系統的想法。本文介紹利用SCADA技術構建鐵路隧道防災救援設備監控系統的原理和方法。

1 SCADA技術簡介

數據采集與監視控制（SCADA，SupervisoryControl and Data Acquisition），又稱組態監控軟件系統。它是指一些數據采集與過程控制的專用軟件，以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及各類信號報警等各項功能為目的。重要組成部分包括遠程終端單元（RTU）、饋線終端單元（FTU）、數據傳輸鏈路、遠程監控站等。它們處在自動控制系統監控層一級，通過專用軟件平臺和開發環境，使用靈活的組態方式，為用戶提供快速構建工業自動控制系統監控功能，通用層次的軟件工具。組態軟件的應用領域很廣，可以應用于電力系統、給水系統、石油、化工等領域的數據采集與監視控制以及過程控制等諸多領域。

組態（Configuration）為模塊化任意組合。SCADA的主要特點：

（1）延續性和可擴充性。用通用組態軟件開發的應用程序，當現場（包括硬件設備或系統結構）或用戶需求發生改變時，不需做很多修改而方便地完成軟件的更新和升級；

（2）封裝性（易學易用）。通用組態軟件所能完成的功能都用一種方便用戶使用的方法包裝起來，對于用戶，不需掌握太多的編程語言技術，就能很好地完成一個復雜工程所要求的所有功能；

（3）通用性。每個用戶根據工程實際情況，利用通用組態軟件提供的底層設備（PLC、智能儀表、智能模塊、板卡、變頻器等）的I/O Driver、開放式的數據庫和畫面制作工具，就能完成一個具有動畫效果、實時數據處理、歷史數據和曲線并存、具有多媒體功能和網絡功能的工程，不受行業限制。

SCADA技術在鐵道電氣化遠動系統上的應用較早，在保證電氣化鐵路的安全可靠供電，提高鐵路運輸的調度管理水平起到了很大的作用。在鐵道電氣化SCADA系統的發展過程中，隨著計算機技術的發展，不同時期有不同的產品。我國結合鐵路發展需要利用SCADA技術進行產品應用實踐和技術創新，推動了鐵道電氣化遠動系統向更高的目標發展。

2 系統工作原理

要達到對隧道防災救援工作進行有效監控和及時救援的目的，需要平時保證隧道防災救援設備的維護保養，緊急情況下保證對設備的可靠啟動。因此，系統需要實現的主要功能：

（1）可以對鐵路隧道防災救援設備運行狀態進行遠程實時監視；（2）可以遠程對防災救援設備進行手動或自動巡檢，發現設備故障自動報警；（3）緊急情況下可以遠程控制防災救援設備運行，實現緊急現場救援功能。為滿足上述功能要求，我們利用組態軟件的特點，對系統進行如下設計。

將隧道風機系統、照明系統（含疏散照明設備）、電動防護門系統等機電系統有機聯系成一個整體，并通過SCADA系統對其進行統一監控和管理。具體而言，設備工作狀態和遠程控制信號通過現場的遠程站和主控制器進行采集和處理，工控數據通過鐵路網絡傳遞給工區級綜合維修車間和鐵路局防災救援調度指揮中心，從而在隧道內發生火災時，安全、可靠、準確、快速地實現既定的遠程聯動控制，保證防災救援的順利實施。

以隧道內風機設備為例，定義風機的運行狀態、工作電壓兩個數據采集點，定義遠程控制開、關操作兩個控制信號點，相對于監控系統而言，運行狀態點是輸入數字類型（input）,用于表示風機的運行狀態，風機工作電壓點為輸入模擬類型（input），用于監測風機工作電壓，開關信號點是輸出數字類型（output），用于遠程啟動、停止風機。如表1所示。

表1 風機監控點位信息表

系統通過可編程邏輯控制器（PLC）與風機設備相聯，PLC通過隧道內主控制器經鐵路通信網絡與遠程監控系統相聯。系統工作時，通過PLC輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新3個階段，對上述點位進行監測和控制。用戶通過遠程監控系統，可以與風機設備遠程交互，實時監測風機的運行狀態和工作電壓，發送命令遠程啟、停風機，從而實現對隧道防災救援設備進行監控的目的。

3 系統結構

根據工作原理，我們規劃出鐵路隧道防災救援設備監控系統的結構。該系統由3部分組成：（1）現場級數據采集和控制系統；（2）工區級監控系統；（3）鐵路局調度中心級監控系統。

系統結構如圖1所示。

調度中心級防災救援設備監控站通常設在鐵路局隧道防災救援調度指揮中心，實現鐵路局管轄范圍內救援通道防災救援設備的遠程監控、調度及管理等功能，緊急情況下對現場情況有直觀的信息反饋以及向工區下達救援指令等需求。

工區級防災救援設備監控主站通常設在工區級綜合維修車間，主要為工區級用戶提供所屬范圍內隧道現場設備的狀態監視、數據采集、控制和管理功能，包括日常管理、巡檢、維護以及緊急情況遠程控制現場設備等。

現場級數據采集和控制系統又分為遠程站和主控制器兩部分，都安裝在隧道的輔助坑道內。其中，主控制器負責采集被控對象數據，經過處理后上傳給上級設備監控系統，同時接收并分解上級設備監控系統下發的控制指令轉發到相應的被控對象。遠程站負責采集現場設備的狀態信息，同時將主控制器下發的指令轉發到現場設備控制柜執行。

圖1 系統結構圖

4 系統開發與集成

按系統的軟硬件構成，鐵路隧道防災救援設備監控系統包括系統硬件和系統軟件。為實現一套完整的監控系統，需要先開發軟件，然后與各硬件設備進行集成。

4.1 軟件開發

防災救援設備監控軟件分別部署于工區和調度中心。這是本系統需要重點開發的部分。

4.1.1 功能目標

（1）監測功能

以圖形動畫的形式將所轄范圍內各隧道緊急出口、避難所、平導、救援站以及主要現場設備如風機、照明、EPS、水泵建模并顯示；所有設備的運行狀態通過圖片、動畫、文字等方式進行形象的展現；所有設備的報警狀態以醒目的顏色、彈出報警框進行提醒式展現；電流、電壓等通過模擬表盤如實動態顯示。

（2）控制功能

通過圖形化界面對現場主要受控設備進行遠程開/關控制，控制方式包括遠程控制、自動巡檢、一鍵啟動防災救援模式。

（3）報警

對系統關鍵數據和現場設備關鍵信息進行實時的判斷和處理，與用戶設定的數據閥值范圍進行對比，如數據值不在設定值范圍內，則監控軟件實時發出報警。報警類型包括：設備故障、主回路電源故障、通信故障、操作超時等。

4.1.2 開發平臺

系統開發以SCADA系統為二次開發平臺，這樣可以節省大量開發時間，提升開發效率。成熟的SCADA系統大都支持各種主流工控設備和標準通信協議，并且通常應提供分布式數據管理和網絡功能。對應于原有的人機接口軟件（HMI，Human Machine Interface）概念，SCADA系統還可以使用戶能快速建立自己的HMI的軟件工具或開發環境，它是構建鐵路隧道防災救援設備監控系統的最佳選擇。

本文以Wonderware軟件為二次開發平臺舉例說明。該平臺具有3層體系結構（數據接入層，數據處理層和用戶表現層），采用構件化的開發方式，廣泛采用中間件技術，系統具有很強的可靠性、可移植性及可擴展性，具備實時數據采集與處理、報警管理、事件管理、數據存儲、報告生成、數據控制以及界面組態等功能。

4.1.3 開發方法

系統開發過程可以遵循面向對象的開發方法，主要開發步驟如下：

（1）建立總體系統層次模型，包含鐵路局、工區、線路、隧道；

（2）建立救援設備基礎類。以風機為例，在基礎類中實現風機的監測和控制邏輯功能編碼，定義報警點位和報警邏輯，制作風機的界面圖形；

（3）在設備基礎類的基礎上派生出線路級的具體設備對象實例，比如XX線路XX隧道的1#射流風機；

（4）將設備對象實例掛載到隧道對象，再將隧道對象掛載到線路對象；

（5）制作用戶圖形界面，直觀顯示線路、隧道、隧道內設備分布圖，并與上述設備對象進行監控點位數據綁定；

（6）以DDESuiteLinkClient類為基礎建立設備對象數據源，通過DA Server建立設備對象與PLC控制單元的數據連接；

（7）使用Wonderware平臺軟件自帶的inContol模擬隧道防救援設備工作環境，進行系統仿真測試。

4.2 硬件集成

本系統硬件設備較多，按照監控數據的流向，把系統硬件劃分為以下3個部分。

（1）隧道現場內的主控制器、遠程站，由控制單元、交換機、開關電源、線纜、機箱組成；

（2）工區級防災救援設備監控主站的數據庫服務器、監控工作站、網絡交換機，其中，監控工作站運行工區級防災救援監控軟件；

（3）調度中心級防災救援設備監控站的數據庫服務器、監控工作站、網絡交換機，其中，監控工作站運行調度中心級防災救援監控軟件。

5 結束語

充分運用SCADA技術，可以很好地解決鐵路隧道防災救援設備人工操作不便的問題，既可以進行日常養護管理，又可以進行緊急救援。該系統的實現重點是利用通用組態軟件提供的底層設備（PLC）作為I/O Driver，結合開放式的數據庫和畫面制作工具，完成系統監測和控制功能的開發。

目前，使用本技術開發的隧道防災救援設備監控系統已經成功應用于成渝客運專線、貴廣鐵路（貴州段、廣西段）、滬昆鐵路貴州東段等線路上，為丘陵山區鐵路運行安全和防災救援提供了有力保障，取得了良好的經濟效益和社會效益。

[1]曹 輝，馬棟萍，王 暄，等．組態軟件技術及應用[M].北京：電子工業出版社，2010.

[2]電氣自動化技術網.組態軟件的功能分[DB/OL]．http:// www.dqjsw.com.cn/diangqi/PLC/31883.html,2011.

[3]美國ICONICS公司.預測性的設施管理軟件[DB/OL].http://www.iconics.com.cn/productsView.asp/ProductId=58,2012.

責任編輯 陳 蓉

SCADA technology applied to Tunnel Monitoring System of disaster prevention and rescue equipment

ZHOU Jian
( Sichuan Crungoo Information Engineering Co.Ltd.,Chengdu 610083,China )

The large railway tunnel is in long course,and the emergency rescue is diffcult.On the basis of existing tunnel rescue equipments such as emergency lighting,fans,pumps,etc.,this article combined with the remote automation control technology to build a Railway Tunnel Monitoring System of disaster prevention and rescue equipment.The System could implement the remote real-time monitoring on the running state of railway tunnel disaster prevention and rescue equipment,automatic fault alarm,remote control of disaster prevention and rescue equipment operation in emergency case,the function of emergency rescue.The article introduced the development method of constructing the system with SCADA technology.

SCADA；tunnel；disaster prevention and rescue；monitoring；confguration software

U257.5∶TP39

A

1005-8451（2016）10-0049-04

2016-03-05

周 健，工程師。