基于PLC的隧道照明控制系統設計

蔡愛民

（鹽城生物工程高等職業技術學校）

基于PLC的隧道照明控制系統設計

蔡愛民

（鹽城生物工程高等職業技術學校）

隨著經濟建設需要，山區高速發展迅速，而隧道是整個公路的重要組成部分。對公路隧道而言，其照明系統將直接決定隧道能否正常通行，因此隧道照明系統是隧道公路建設的重要組成部分。傳統公路隧道照明系統，存在耗電量大、照明亮度不均等缺點，這不僅造成了能源浪費，也存在著極大的安全隱患。因此，為了保證高速隧道合理運營，智能化的隧道照明系統十分重要。本文根據隧道照明系統的實際工況，結合以往隧道系統的特點，設計了一款基于PLC的照明系統，以此希望改變隧道照明系統高能耗的問題。設計過程中主要針對照明系統的控制模塊，在分析照明控制系統各模塊功能基礎上設計出其控制模塊的實現流程。本文的研究具有一定的實用價值，為相關的工程設計提供了理論參考。

PLC；隧道照明；上位機；控制系統

0 引言

公路隧道照明系統由多個部分組合而成，有PLC、通信設備、照明設備以及上位機等，這些部件在PLC照明控制中發揮了重要作用，它們扮演著不同的角色?？刂葡到y是整個照明系統的大腦，能實現各部件之間的傳輸，以達到對整個系統的控制管理作用?？删幊炭刂破鱌LC是隧道照明控制系統的核心，能直接把上位機與現場設備聯系在一起，故稱為隧道照明控制系統的“橋梁”。本文設計的隧道照明控制系統是基于PLC實現的，其軟件模塊是根據硬件部分各層次主要功能設計，本文這里主要闡述了各控制模塊實現自身功能的流程。

1 隧道照明控制系統結構

要想確保隧道照明系統達到預期效果，降低維修成本，確保長期穩定的運行，各硬件設備間需進行合理配合，因此硬件系統的控制模塊尤為重要，圖1為隧道照明控制系統原理圖。

圖1 隧道照明控制系統

2 上位機調試軟件模塊

上位機調試軟件模塊是所有控制模塊的樞紐，也把它作為控制系統的指揮中心，從特點來看它在整個系統中扮演著決策者的身份。上位機系統軟件最終要為操作系統服務，只有上位機模塊科學合理的設計，才能提供簡潔的操作控制界面，方便管理人員或照明技術人員對隧道燈的管理。收集分析檢測器提供的數值，由該數據判斷出當前隧道燈照明亮度是否滿足要求。如果照明亮度不符合要求，可以根據預先設定的算法，結合采集到的數據進行一系列復雜的運算，最終還要把計算結果輸入到PLC中，在此基礎上PLC會重新發出控制命令，實現對照明亮度的調整。除此之外，應注意到PLC給出的指令主要用來控制回路信息，最終信息要進入現場控制設備中。正規流程可以簡化為檢測器收集亮度信息，然后把信息傳給PLC，經過PLC的分析判斷是否滿足要求。若不滿足將會給現場控制設備重新發出指令。總節點控制執行相應的操作，通過調整電壓的方式控制燈具的功率。

根據功能不同可以把上位機調試軟件分為三部分，各部分的作用也有所不同，具體來說可以分為燈具控制、顯示界面以及參數配置。

參數配置的主要功能是對上位機和下位機之間通信條件的設定，比如設定上位機與PLC的波特率、連接與斷開模式；下位機與PLC的地址設定等。所謂通訊協議指的是上位機與下位機之間的通訊協議，它的意義在于控制隧道終端設備，利用通訊協議便可實現對隧道照明燈亮度的控制，此外，通訊協議還可以實現對其他設備的控制。根據通訊協議發送的數據可以把下位機收集的參數完整地展現在界面上，為管理人員開展工作提供了有利條件。

燈具控制就是對操作燈具信息的設定，比如通過設定節點編號和回路編號的方式對燈具進行控制，這樣做的目的在于使整個控制流程清晰、簡潔。查詢信息、調節照明燈具功率和控制開關是操作的一些功能。

下面將要詳細介紹顯示界面的功能，顯示界面主要是展示一些數據信息，能夠直觀地告訴操作人員系統運行情況。比如隧道內某一段燈具電壓、電流值的變化以及區域控制模式的變化等。用戶與控制系統進行交互的時候需要用到人機交互界面，它把人們獲取的數據信息轉換成系統可以讀取的語言，完成數據的轉化，為了便于控制，本次設計中在人機交互界面設置了多個選擇按鈕，通過輸入燈具編號的方式便可完成對燈具的控制。燈具的信息實時顯示人機交互界面，界面上包含的操作按鈕具有打開、閉合的功能，不僅可以實現對隧道內某一段燈具的控制，而且還能控制單個燈具。查詢燈具實時信息按鈕的主要作用是讓管理人員以及操作人員及時掌握燈具的運行狀況。

3 PLC控制模塊

根據不同的照明要求，PLC需要合理設計下位機程序，為了確保設計程序條理清晰，可以把下位機程序分為多個邏輯部分，控制多個邏輯部分便可實現預期的功能。這樣做的優勢不僅表現為條理清晰，而且有較好的可讀取性，為日后開發人員維護、完善提供了便利。本文給出了PLC控制系統與結構設計模塊之間的關系，根據軟件模塊結構完成設計工作。所設計的編程思想與軟件流程圖的設計流程類似，圖2為PLC軟件模塊結構圖。

圖2 PLC控制模塊

3.1 主循環程序控制模塊

PLC工作過程中采用了循環掃描的方式，執行完梯形圖程序以后會重新掃描并執行。為了提高執行速度，作為下位機的主循環程序來說應當盡可能縮短掃描時間。本系統設定在單次掃描過程中只完成執行程序的主功能，換句話說就是只接收或發送數據到系統其他部分的簡單功能，只有可用的數據才可以轉入到相應的程序段，這樣一來會大大減少掃描所用的時間。數據的可用性主要是指對下位機系統具有執行功能的指令，而對于那些不可用的數據，下位機系統將不會作出任何處理。

PLC只通過主程序完成數據的收集處理，在系統運行過程中會收到非主程序產生的數據，這種情況下PLC是否發出指令主要根據數據有無關鍵信息決定。如果數據中攜帶了重要的信息，PLC會判斷出這些數據來自哪個分支程序，隨后進入到相應的模塊中，最終根據數據源地址把數據發送到相應的設備中，完成一條指令后，會重新返回到主程序。

系統初始化設置是每一次主循環程序啟動時不可缺少的一個步驟，初始化設置的流程為：先對每個燈具的運行情況進行掃描，檢查燈具是否出現故障，比如常見的未接通問題；掃描過程中便啟動測試程序，主循環程序使用的是上升沿啟動定時程序，這樣一來PLC只需啟動一次，便可實現永久性循環執行。循環工作結束以后判斷是否存在上位機控制指令，PLC把所有上位機發送的信息作為中斷分支程序處理。若收到上位機發送的指令并已經進入到控制模塊，可以準確判斷指令屬于哪個分支程序。PLC內部中斷作為設定的中斷，除了PLC內部中斷以外，其余的均屬于外部中斷，圖3為控制流程圖。

圖3 主循環程序控制模塊流程

3.2 分支程序控制模塊

分支程序控制模塊的作用為判斷是否執行接收的指令，如果數據滿足執行條件，便開始執行并重新回到主程序。程序以跳轉的方式進入到分支程序所包含的各個子路徑中，滿足執行條件則根據程序的書寫順序以及控制信息攜帶的關鍵信息判斷屬于哪一個子路徑，圖4為分支程序控制模塊流程圖。

圖4 分支程序控制

（1）時間校正控制模塊

為了確保上位機與下位機的一致性，對控制系統提出了嚴格的要求，從以往經驗來看在下文機執行某一指令的時候很容易出現上位機下位機不一致的問題。為此在記錄上位機接收數據或者是下位機系統某一時刻執行操作的時候，必須確保上下位機時間設置相同。記錄相應的讀取信息時間點，可以為日后管理人員對燈具的管理提供幫助，時間矯正控制模塊流程圖如圖5所示。

圖5 時間校正控制

（2）調光控制模塊

調光控制模塊的主要作用是控制燈具亮度，想要實現這一功能必須由上位機讀取并計算傳感器提供的信息。PLC中已經設定數值，如果發現燈具實際亮度信息與設定值不一致，可以自行調整亮度。給駕駛人員提供一個舒適的環境，減少安全事故并實現節能的作用，調光控制模塊流程圖如圖6所示。

圖6 調光控制

（3）查詢控制模塊

查詢模塊的意義在于查看隧道某一段或者是某一個燈的照明情況，查詢指令往往通過下位機發出，并傳送到PLC中。根據燈具的編號以及地址信息發送查詢命令，燈具會提取自身的運行狀態信息并發送至PLC中，最終由上位機判斷是否執行下一步操作指令，圖7為查詢控制模塊流程圖。

圖7 查詢控制

（4）傳感器信息采集控制模塊

設定PLC時需要借助自身程序或者是上位機，從而實現對現場數據的收集，傳感器負責信息的采集與傳輸，經傳感器發送的數據由上位機軟件進行處理。此外，還可以在執行預案過程中進行處理，其流程圖見圖8。

圖8 傳感器信息采集控制

（5）PLC預案存儲控制模塊

PLC具有的功能眾多，而與上位機進行通信是至關重要的。首先，決策信息由上位計算機傳送到PLC中，然后把控制指令發送給現場終端設備，從而實現對隧道燈具亮度的控制。從另外一方面來看，PLC發出控制命令到現場控制設備時，不僅可以收集燈具運行的信息，而且可以把這些信息實時反饋到上位機系統中，這樣一來工作人員可以根據隧道照明情況及時作出決策。這種控制方式的實現離不開上位機與PLC之間的通信，只有二者之間保持實時通信才可以確保信息的及時傳輸。但是在系統運行過程容易受到外部因素的影響，使PLC與上位機出現短暫中斷，這種情況下要想維持現場照明燈具的正常運行、實現節能環保的目的，PLC應具有上位機的控制地位，在緊急情況下它可以發揮出指揮中心的作用。由于PLC與上位機失去聯系后，上位機將無法完成相應的指令，所以必須在PLC中內置一塊用來存儲緊急情況下執行程序的地址空間，圖9為接收預案流程圖。

圖9 PLC預案存儲控制

3.3 定時測試程序控制模塊

為了確保上位機與PLC之間保持正常通信，必須每隔一定的時間進行測試，比如從PLC中發送測試數據到上位機中，如果上位機系統與PLC系統處于連通狀態，那么上位機會接收并正確返回測試數據，表明系統正常運行。如果上位機系統在一定的時間內沒有收到測試數據，說明通信中斷。這種情況下系統會進入預案執行狀態，為了讓維修人員及時掌握故障信息，PLC系統還設置了自動報警系統，當通信中斷時會發出報警，進而實現PLC代替上位機的部分功能。此外，上位機調試中也設置了PLC的連通指令，為隧道照明系統的正常運行提供了基礎保障，設置連通指令也是檢測PLC與上位機通信是否正常的另外一種方式。

定時測試程序的作用是通過設定一定的時間測試上位機是否聯通的程序，設定的時間即為發送測試數據的時間，執行完畢后可以重新定時，定時流程圖如圖10所示。

圖10 定時測試控制

3.4 緊急預案執行控制模塊

為了避免上位機與PLC之間出現通信故障給照明系統帶來影響，首先要在PLC中設定應急預案，并結合車輛信息、控制算法以及亮度信息調節照明燈具亮度的變化。真正克服了計算機集散系統無法脫離上位計算機的缺點，當局部照明系統出現故障后并不影響整體運行，也不會出現隧道照明燈具癱瘓的狀況，圖11為執行預案流程圖。

圖11 緊急預案執行控制

4 結束語

本文設計了控制系統的軟件結構，根據實現控制功能的不同，把系統劃分成不同的控制模塊，并在此基礎上設計了基于PLC隧道照明系統的軟件控制流程，并給出了各層之間的通信協議。

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