基于高速公路隧道PLC控制系統優化技術

楊恪

摘要：近些年隨著我國經濟的快速發展以及基礎設施建設的提升，高速公路里程不斷增加，高速公路隧道也越來越多。隧道工程中包括很多子系統， PLC控制系統是其最為重要的內容之一，能夠有效確保各個系統之間的協同工作以及整個隧道的正常運行。但是高速公路隧道的環境相對復雜，連接設備的類型較多，引發PLC控制系統故障的因素較多，例如信號干擾、開關電源損壞、雷電影響等等，嚴重影響到隧道運行的安全性和穩定性。本文主要分析高速公路隧道PLC控制系統中存在的問題，在此基礎上對其進行優化升級，對于確保高速公路隧道的正常運行具有重要作用。

關鍵詞：高速公路隧道;PLC控制系統;優化技術

中圖分類號：U45

0 引言

對于現代高速公路來說，隧道是提升公路等級、提升運輸便捷性和安全性的重要工程之一，隧道使用的安全性以及運營管理的可靠性是最為重要的內容。從現階段來看，高速公路隧道更多是通過PLC作為區域性控制器，通過PLC對隧道內部相應設備實施信息采集以及控制，一旦PLC控制系統發生某些問題就會對整個隧道控制系統造成嚴重影響，從而影響到隧道的正常運營。因此對于高速公路隧道PLC控制存在的問題進行分析、對其進行優化升級，對于確保隧道安全、可靠運行具有非常重要的意義。

1 高速公路隧道PLC控制系統概述

PLC系統具有比較強的抗干擾能力，具有較高的可靠性，同時編程較為簡單，因此可以應用在高速公路隧道控制中。實際應用時主要是在隧道洞口變電所內部設置主PLC，并且在隧道內部間隔一定距離就設置1整套PLC系統[1]。變電所內部的主PLC可以利用網絡從隧道內部各個PLC獲取相應數據，同時將數據集中傳輸到隧道監控中心進行分析處理。監控中心對數據進行分析后將控制指令傳輸到隧道內部PLC，控制各子系統的運行[2]。PLC的拓撲結構如圖1所示。

高速公路隧道PLC包括很多的系統模塊，主要有CPU模塊、電源模塊、數字量以及模擬量I/O模塊、通信模塊、擴展模塊等等。另外，PLC控制柜是整個系統最重要的部分，主要包括電源、空氣開關、工業以太網交換機、觸摸屏以及接線端子等等部分。

2 高速公路隧道PLC存在的問題分析

隨著技術水平的快速提升，PLC控制系統也有了較大發展。但是以往PLC控制系統在高速公路隧道中的應用更加關注的是技術指標以及功能方面，對于PLC控制系統的可靠性、穩定性重視程度不足。高速公路隧道PLC控制系統面臨著較為惡劣的運行環境，同時PLC控制系統連接著多種類型設備，所以容易引發各種問題，影響著高速公路隧道的正常運行。

（1）開關電源損壞方面的問題分析

開關電源主要應用在監控觸摸屏、工業以太網交換機、中間繼電器等設備的供電方面，但是開關電源模塊內灰塵過多、開關電源內部模塊經常處于滿載運行狀態、沒有定期清洗開關電源模塊濾網（濾網過臟容易造成堆積溫度不能及時散出）、受到外部電源浪涌沖擊等等都會造成開關電源的損壞。一旦開關電源損壞就會引發工業以太網交換機以及觸摸屏的損壞，從而造成中心監控系統無法有效控制隧道內部設備的正常運行。

（2）信號干擾方面的問題

高速公路隧道PLC控制系統連接著很多設備，包括中心監控系統、照明系統、供電系統、通風系統、消防系統等等。這些設備都需要通過相應信號進行控制，這就造成了控制信號類型較多。某些設備和PLC的距離相對較遠，PLC控制系統設計不科學就會造成信號電纜承載多種信號傳輸（220V AC以及24V DC），這就容易造成不同信號之間的干擾，從而造成采樣數據的錯誤，最終造成PLC模塊發生故障[3]。

（3）信號防雷方面的問題

從相應參考文獻中能夠得知高速公路所損壞的PLC模塊中最多的就是隧道洞口外部安裝設備所對應的PLC接入模塊。高速公路隧道往往都處在山區，這些區域相對偏遠空曠，所以安裝的立桿設備容易受到雷電等災害影響，雷電會通過信號電纜造成PLC接入模塊的損壞。

（4）PLC控制柜維護方面的問題

高速公路隧道建設過程中為了有效控制施工成本，整個空間相對緊湊，所以隧道內部的PLC控制柜空間相對狹小，但是整個控制柜內部線路相對較多，維護相對困難。控制柜內部要布置多種設備，例如空氣開關、開關電源、工業以太網交換機、觸摸屏、PLC，同時也要設置大量的電纜用于設備連接以及設備控制。對于PLC控制柜進行維護時，受到空間的限制很難進行信號的檢測以及設備的更換，不利于保證隧道PLC控制系統的正常運行。

3 基于高速公路隧道PLC控制系統優化方案

高速公路隧道PLC控制系統對于確保隧道各種設備正常運行具有非常重要的作用，所以需要針對上述PLC存在的問題進行相應的優化升級，提升PLC系統運行的穩定性、可靠性。

（1）開關電源損壞方面的優化

開關電源主電路部分電流大、溫升高，應重點檢查有無元件引腳因發熱造成的脫焊，電阻器件有無阻值變大等異常。對于一些半導體元件因溫度變化而發生的軟故障，可以采用對可疑元件加溫（如用電烙鐵頭靠近）使故障再現，或在故障出現時對可疑元件降溫（如涂抹無水酒精等）使故障消失等方法，以確定故障點。開關電源正常工作時應發出均勻輕微的吱吱響聲。如果加電后聽不到任何反應，通常開關電源沒有起振;如果響聲斷續不穩則說明開關電源工作不穩定或負載變化較大;如果響聲較低沉，說明負載過重或短路。

（2）PLC系統通信結構優化方案

從圖1可知，高速公路隧道PLC控制系統通信結構最為核心的部分就是變電所中的主PLC，其能夠連接中心監控軟件和隧道內部各個分PLC。一旦主PLC出現某些問題，整個控制系統就無法有效運行。所以為了避免出現通信方面的問題，可以對整個通信結構實施優化，通過星型結構進行組網，如圖2所示。

采用此種結構方式，隧道內部各個PLC以及變電所的主PLC都可以將采集到的的數據直接傳遞給中心監控系統，同時也可以直接接收主監控系統下達的指令進行工作。監控系統可以和不同的PLC直接進行通信，并不需要經過主PLC的中轉，這就解決了變電所主PLC故障而造成整個隧道無法進行有效控制的問題[4]。

（3）信號傳輸方面的優化方案

隧道建設過程中，受到各種因素的影響會造成PLC控制柜和設備的距離較遠，例如交通信號系統要設置到隧道外部回轉車道的位置。正是由于設備和控制部分相距較遠，信號傳輸過程中容易受到外部因素影響，造成數據采集以及設備控制準確性不足。針對此問題可以在通過增設數據光端機的方式來解決信號傳輸問題。通過數據光端機可以將電信號轉變成為光信號進行遠距離傳輸，這樣能夠降低信號的干擾，之后在PLC控制柜中進行信號的逆變，然后將其傳入到PLC模塊。另外，在整個控制系統設計過程中要盡可能將不同的信號電纜分開，施工過程中也要將強弱電電纜分開鋪設，避免信號的干擾[5]。

（4）PLC控制柜配置方面的優化方案

第一，為了防止PLC模塊受到浪涌沖擊等外部因素的影響，可以在PLC控制柜總電源進線位置增設微型的隔離變壓器。若是受到嚴重浪涌沖擊等影響也只會造成隔離變壓器的損壞，能夠有效防止對PLC電源模塊和開關電源等設備的影響。

第二，對于隧道PLC控制網絡來說，一旦交換機以及觸摸屏等損壞，不但需要較長時間的修復，同時也會造成整個控制系統無法運行，所以要在控制柜中單獨設置電源進行供電。

第三，為了避免受到雷擊影響，要在PLC控制柜中增設信號防雷器。另外，也要在I/O模塊和接線端子中設置中間繼電器，其能夠有效隔離某些故障（例如短路等）所造成的電流影響，防止PLC模塊損壞。

第四，要逐漸縮小設備的體積。PLC控制柜中占用空間最多的就是中間繼電器，隨著I/O模塊的增加，中間繼電器數量也在增加，所以要盡可能采用纖薄型繼電器，能夠有效節省空間[6]。

4 結束語

高速公路隧道PLC控制系統控制著其他各個系統的正常工作，所以一定要確保PLC控制系統的穩定運行，否則容易造成整個隧道系統的癱瘓。但是受到隧道環境的影響，PLC控制系統也容易出現故障，需要對其進行必要的優化，保證其穩定運行。本文主要分析了高速公路隧道PLC控制系統存在的問題，在此基礎上提出了相應的優化對策。通過本文的介紹能夠對提升隧道PLC控制系統穩定性、可靠性提供一定參考和幫助，對于推動高速公路發展具有現實意義。

參考文獻

[1]趙曉輝. 高速公路隧道PLC控制系統優化技術研究[J]. 機電工程技術， 2019（08）：15-17

[2]陳柏君. 淺析隧道機電設備控制系統升級改造[J]. 中國新技術新產品， 2019（06）：18-19

[3]藺鳳琴;周杰;趙海山;顧仲熙;石俊龍;李立剛. CSP隧道爐過程控制系統升級改造[J]. 工業加熱， 2019（02）：88-91

[4]張慶. 基于聲發射技術的隧道安全控制系統設計[J]. 建筑技術， 2018（12）：18-19

[5]宋永超. 水噴霧系統對隧道火災煙氣控制影響分析[J]. 鐵道建筑技術， 2018（11）：15-17

[6]楊肖寧. 隧道機電設備控制系統升級改造技術研究[J]. 機電信息， 2018（08）：18-19