可編程控制器在草城溝隧道監(jiān)控中的應(yīng)用

趙 睿

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原030006）

1 項目概況

草城溝隧道位于岢嵐至臨縣高速公路境內(nèi)，岢臨高速是山西省西縱高速公路的重要組成部分，起點與山西省高速公路網(wǎng)規(guī)劃中第四橫的忻州至保德高速公路的岢嵐樞紐相接，終點與山西省高速公路網(wǎng)規(guī)劃中第五橫的太原到佳縣高速公路的臨縣樞紐相接。草城溝隧道采用雙洞分離、單向行駛設(shè)計，左洞全長2 916 m，右洞全長2 955 m，在隧道內(nèi)及隧道出入口端設(shè)置了門架式可變情報板、彩色遙控攝像機、交通信號燈、彩色固定攝像機、車道控制標志、光強檢測器及CO/VI等監(jiān)控設(shè)備，基于可編程控制器進行組網(wǎng)控制，并在岢嵐停車區(qū)設(shè)置草城溝隧道管理站，管理草城溝隧道的全部監(jiān)控業(yè)務(wù)及機電設(shè)備的運行狀態(tài)。

2 可編程控制器通信原理及硬件配置

可編程控制器（PLC）完成控制任務(wù)是在其硬件的支持下，通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來完成，其基本原理是建立在計算機工作原理基礎(chǔ)上的。從廣義上講，PLC實質(zhì)上也是一種計算機控制系統(tǒng)，只不過它具有比計算機更強的與工業(yè)過程相連的接口，具有更適用于控制要求的編程語言。由于它是作為繼電控制盤的替代物，其核心為計算機芯片，因此與繼電器控制邏輯的工作原理有很大差別。繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運行的方式，即如果一個繼電器的線圈通電或斷電，該繼電器的所有觸點（包括它的常開觸點或常閉觸點）不論在繼電器線路的哪個位置上，都會立即同時動作。然而PLC的CPU則采用順序逐條地掃描用戶程序的運行方式，即如果一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點（包括它的常開觸點或常閉觸點）不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。為了消除兩者之間由于運行方式不同而造成的這種差異，考慮到繼電器控制裝置中各類觸點的動作時間一般在100 ms以上，而PLC掃描用戶程序的時間一般均小于100 ms，因此，PLC采用了一種不同于一般微型計算機的運行方式——掃描技術(shù)。這樣，對于I/O響應(yīng)要求不高的場合，PLC與繼電器控制裝置在I/O的處理結(jié)果上就基本一致了。

可編程控制器（PLC）是一種以微處理器為核心的用作數(shù)字控制的特殊計算機，實質(zhì)上是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件配置與一般微機裝置類似，PLC的具體結(jié)構(gòu)多種多樣，但其基本結(jié)構(gòu)相同。PLC主要由中央處理單元（CPU）、編程器、輸入單元、輸出單元、電源及智能輸入輸出單元構(gòu)成。中央處理單元是PLC的主要部分，是系統(tǒng)的控制中樞，其主要功能是接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并診斷用戶程序的語法錯誤。存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序以及工作數(shù)據(jù)。存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器；存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器；存放工作數(shù)據(jù)的存儲器稱為數(shù)據(jù)存儲器。常見的存儲器類型有RAM、ROM、E．PROM、EEPROM；輸入/輸出模塊是PLC與現(xiàn)場I/O設(shè)備或其他外設(shè)之間的聯(lián)接部件。PLC通過輸入模塊把工業(yè)設(shè)備或生產(chǎn)過程的狀態(tài)或信息讀入主機，通過用戶程序的運算與操作，把結(jié)果通過輸出模塊給執(zhí)行機構(gòu)。編程器是一種通過它上面的鍵盤輸入（或調(diào)試）程序的一種專門的裝置，它的主要任務(wù)就是輸入程序、調(diào)試程序和監(jiān)控程序的執(zhí)行。它主要由顯示部分、鍵盤部分、通信接口組成，其工作方式主要有編程、監(jiān)控兩種，有些編程器還有命令、加載工作方式等。智能接口模塊是一個獨立的計算機系統(tǒng)，從模塊的組成結(jié)構(gòu)看，它有自己的CPU、系統(tǒng)程序、存儲器以及接口電路等，它通過系統(tǒng)總線相聯(lián)接，進行數(shù)據(jù)交換，并在CPU模塊的協(xié)調(diào)管理下獨立地進行工作。

3 草城溝隧道可編程控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

岢臨高速草城溝隧道左右洞內(nèi)各設(shè)置8臺可編程控制器（PLC），布置間隔約為800 m，在隧道入口變電所內(nèi)設(shè)置1臺主PLC負責(zé)監(jiān)視控制各個遠程控制器及外圍設(shè)備，主PLC與洞內(nèi)8臺PLC分別掛接在工業(yè)以太網(wǎng)交換機上，并通過一根4芯的專用光纜組成光纖自愈環(huán)網(wǎng)，以備其中一條鏈路數(shù)據(jù)上傳隧道管理站通道發(fā)生故障時，其數(shù)據(jù)也可通過另一條鏈路通道上傳，充分保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩⒖煽啃裕瑵M足隧道內(nèi)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅瑢崿F(xiàn)管理上的連續(xù)性和便捷性。隧道內(nèi)的PLC根據(jù)附近的各種信息采集設(shè)備和交通控制設(shè)備的I/O數(shù)量，為相應(yīng)PLC配置相應(yīng)模塊，實現(xiàn)隧道監(jiān)控的數(shù)據(jù)采集和交通控制。洞口變電所內(nèi)設(shè)置1塊觸摸屏，觸摸屏連接在主PLC上，主PLC連接的工業(yè)以太網(wǎng)交換機通過以太網(wǎng)光端機與隧道管理站內(nèi)的以太網(wǎng)光端機相連，進入隧道管理站計算機網(wǎng)絡(luò)進行處理、分析與存儲，實現(xiàn)隧道監(jiān)控信息的傳輸，并接收隧道管理站內(nèi)的控制指令。PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 草城溝隧道PLC控制系統(tǒng)構(gòu)成圖

3.2 系統(tǒng)管理體制

在草城溝隧道監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控系統(tǒng)采集的各種數(shù)據(jù)輸入到PLC系統(tǒng)，經(jīng)過工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)傳輸至隧道管理站內(nèi)計算機控制系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)發(fā)、分析，對交通控制系統(tǒng)、隧道內(nèi)通風(fēng)及照明控制系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)、緊急電話系統(tǒng)及其他各子系統(tǒng)進行相應(yīng)的控制管理。隧道內(nèi)監(jiān)控采用3級控制模式：隧道管理站內(nèi)交通監(jiān)控計算機控制系統(tǒng)為第一級；隧道洞口變電所內(nèi)連接主PLC的觸摸屏控制為第二級；隧道內(nèi)布置的PLC本地控制為第三級，在正常運行時由隧道管理站控制。當隧道變電所中主PLC與隧道管理站通信全部中斷時，由主PLC根據(jù)分布式網(wǎng)絡(luò)采集的現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)進行自動或手動控制，或以維持整個隧道基本運行功能和安全為主執(zhí)行預(yù)先設(shè)定的通風(fēng)、照明和信號的自動控制。當主PLC故障時，可由分布于隧道內(nèi)的PLC進行本地控制，進而保證系統(tǒng)的持續(xù)運行。

4 可編程控制器技術(shù)指標分析

可編程控制器（PLC）的技術(shù)指標很多，但最主要的不外乎以下5個基本技術(shù)指標：CPU類型、存儲器容量、編程語言、掃描速度和I/O點數(shù)。

4.1 存儲器容量

存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序及工作數(shù)據(jù)。系統(tǒng)程序在機器出廠時由廠家將其寫入ROM中，用戶不能訪問，不能更改。其容量大小也都已確定，不能改動。存放用戶程序的存儲器可用EPROM，其容量取決于被控對象的控制復(fù)雜性。存放中間數(shù)據(jù)的存儲器一般用RAM存儲。控制越復(fù)雜，存儲量要求越多。一般小型機的存儲量1 K到幾K，大型機幾千K，甚至可達1～2 M，用戶可根據(jù)需要選擇機型。

在邏輯控制系統(tǒng)中，所需內(nèi)存量的計算公式為：所需內(nèi)存量=邏輯變量數(shù)×10，其中邏輯變量即輸入點數(shù)和輸出點數(shù)之和。

4.2 掃描周期

PLC可被看成是在系統(tǒng)軟件支持下的一種掃描設(shè)備，它一直在周而復(fù)始地循環(huán)掃描并執(zhí)行由系統(tǒng)軟件規(guī)定好的任務(wù)。典型的PLC在一個周期中完成6個掃描過程：自監(jiān)視掃描過程、與編程器進行信息交換的掃描過程、與數(shù)字處理器進行信息交換的過程、與網(wǎng)絡(luò)進行通信的掃描過程、用戶程序掃描過程、輸入輸出服務(wù)掃描過程。

4.3 編程語言

PLC在語言上與計算機差異較大。它既不同于高級語言，也不同于匯編語言。但PLC語言面向一般工程技術(shù)人員，應(yīng)用場合是工業(yè)過程。最常用的編程語言有語句表和梯形圖，除此之外還有一些例如控制系統(tǒng)流程圖、邏輯方程式、布爾編程表達式以及高級語言等。采用何種語言，用戶可以根據(jù)具體情況加以選擇。

4.4 I/O總點數(shù)

也就是I/O的能力，即輸入或輸出的點數(shù)總數(shù)量。PLC的產(chǎn)品不同I/O能力也不同。一般小型PLC在256點以下（無模擬量），中型PLC在256～2 048點（模擬量64～128路）之間，而大型機在2 048點以上（模擬量128路以上）。

5 總結(jié)

由于草城溝隧道采用了由可編程控制器組成的隧道監(jiān)控自動化控制方案，隧道監(jiān)控系統(tǒng)充分發(fā)揮了靈活組態(tài)優(yōu)勢，整個監(jiān)控系統(tǒng)的信息資源得到完全共享，便于系統(tǒng)集成和隧道內(nèi)相關(guān)設(shè)備的日常維護。通常隧道內(nèi)的環(huán)境是比較惡劣的，因此在這樣的環(huán)境下，采用PLC環(huán)網(wǎng)控制技術(shù)是比較合適的。