基于KINGSCADA的隧道機電管理系統

田 震，楊 華，杜 超

(貴陽電氣設備控制有限公司，貴州 貴陽 550002)

0 引言

自動化監控是工程管理尤為重要的領域之一[1-2]。由于高速公路管轄距離遠，隧道眾多，距離運營中心遠，因此維護不便，管理成本高。目前新建的高速公路雖然有設備遠程監控、電力監控和視頻系統，但各個系統相互獨立，并未整合到一個統一的平臺上，而且功能側重實時監控，運維管理功能普遍缺失[3-4]。

為此，以亞控公司的KINGSCADA軟件為平臺開發了高速公路隧道機電管理系統，將設備遠程監控、電力監控和視頻系統等統一到該平臺上，并增加了運維管理模塊。KINGSCADA是一款面向中、高端市場的SCADA產品，它具有集成化管理、模塊式開發、可視化操作、智能化診斷及控制，KINGSCADA具有良好的開放性，支持Activex控件、OPC、DDE、API[5-8]。通過標準的協議規范，第三方軟件可以輕松的實現和KINGSCADA的數據交互。另外，該產品構建了一個開放性數據平臺，可以將任何控制系統、遠程終端系統、數據庫、歷史庫以及企業其他系統進行融合，能夠最大限度地幫助企業搭建智能監控管理平臺。

1 系統架構

1.1 系統的總體架構

高速公路隧道機電管理系統能實現遠程監控高速公路隧道的照明、風機和各種傳感器，以及高速公路隧道配電系統的電力監控和視頻監控，并具有整個機電系統的運維管理功能。系統將信息技術、電控技術等有效地綜合應用于整個隧道的監控系統，研發出安全、高效智能化高速公路監控系統，提高管理的信息化程度，保證隧道的安全高效營運，整個系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

1.2 系統硬件構架

如圖2所示，高速公路隧道機電管理系統是一個以光纖通信為骨干網，基于TCP/IP的分布式測控網絡，開發中心測控軟件系統，在每條路的控制中心通過網絡實現對每個隧道的電力、消防、車道指示器、情報板、照明、風機和各類傳感器等設備實現遙測和遙控。該中心測控軟件系統將實現地理信息、圖像、實時數據、存儲數據、多媒體信息等一體化平臺。

圖2 系統TCP/IP以太網通信架構和現場總線構架圖

隧道控制網絡主要由服務器、以太網交換機、光纜及相應軟件組成，圖1中的每臺以太網交換機分布在每一個隧道，將各個隧道的現場的控制系統和服務器及監控電腦聯通。

現場控制系統可收集、處理和存儲隧道內外場設備的檢測數據，監視外場設備工作狀態；上傳給路段分中心，并接收路段分中心控制室命令對外場設備進行控制。現場控制系統還具有現場自動控制的功能，在維修、測試、片區中心控制室設備故障、通信故障等情況下可由現場監控系統代替監控片區中心進行控制。該控制網絡采用單模光纜，每個本地控制器通過以太網交換機的光纖接口連接構成以太網單模光纖冗余環結構，即環網上任何一點被截斷，通信傳輸依然可以保持，保證了現場總線避免外界干擾，傳輸通暢，并提高了數據傳輸的可靠性。該網絡應為對等網，任意節點故障不會影響干網運行。

系統以Modbus現場總線技術、TCP/IP通訊技術、無線網絡為基礎來構建的新型智能配電控制系統，采用了大量以代表先進技術發展方向的智能型元器件(智能型網絡儀表、網絡 I/O、智能型斷路器等)的網絡集成式全分布控制設備。

2 系統功能模塊詳述

2.1 隧道機電實時監控模塊

實時采集PLC的監控數據，包括環境參數、消防參數等數據，能實時監測照明、風機、車道指示器、情報板、交調站、消防等設備的運行、故障情況并能遠程控制；能實時監測各種傳感器和電力儀表數據；能調用顯示存儲現場監控視頻。在變電所內設置主控站 PLC，通過以太網卡與交換機實現數據交換，隧道內分別設置PLC 從站(本地控制器)，通過以太網模塊組成工業以太網。變電所(箱式變電站)內的本地控制器主要對通風、照明、電力監控等進行控制，隧道內的本地控制器負責收集、處理和儲存各外場設備的檢測數據，監視外場設備工作狀態，并接收隧道監控分中心控制室或變電所工作站的命令對外場設備進行控制。每一個本地控制器又都是獨立的控制系統，都可獨立操作。為保證隧道運行的可靠性，每個隧道的本地控制器之間采用具有備用通道的環型結構冗余光纖網絡的邏輯拓撲結構。本地控制器與外場設備的連接應有可靠的電磁隔離和抗干擾能力。隧道本地控制器通過現場的以太網交換機再通過單模光纖傳到隧道監控路段分中心控制室，控制器實物圖及機電系統控制界面如圖3和圖4所示。

圖3 本地控制器

圖4 隧道機電實時監控界面

2.2 GIS地圖和視頻模塊

調用百度地圖API，將隧道的經緯度數據標記在地圖圖4隧道機電實時監控界面上，展示公司所屬隧道的分布情況，在每個隧道標記點旁邊實時顯示關鍵數據和報警情況。點擊標記點可以跳轉到對應監控畫面。采用千兆以太網來實現隧道的高清圖像傳輸，其優點是IP寬帶技術構造簡單， 管理簡單，便于維護，擴展性、兼容性好，可為各種業務提供通道。該方案是路段內閉路電視傳輸系統采用三層千兆以太網，在隧道管理救援站配置一臺提供企業核心層解決的高性能多義務千兆路由交換機，依據隧道內設置的站點交換機與變電所主交換機組成千兆以太網上傳至管理分中心進行管理上墻監視以及上傳上級管理分中心。攝像機攝取的現場視頻信號，釆用光纖收發器+單模光纖的方式傳送至隧道內附近的視頻工業以太網交換機，在值守點內設置視頻交換機與隧道內交換機組成環網，并可與圖像工作站連接實現本地監控，在本地進行事件檢測及IPSAN錄像，事件檢測數據由管理救援站集中管理。將隧道值守點的視頻交換機匯聚的圖像上傳至管理分中心進行切換電視墻及大屏顯示、上傳上級管理分中心等，GIS地圖與視頻界面如圖5所示。

圖5 GIS和視頻界面

2.3 電力監控模塊

電力監控系統對變電所的10 kV進出線、變壓器、低壓進線開關以及380 V配電線路的運行工況及各項參數進行監視、測量；對380 V出線斷路器進行狀態檢測，即實現遙信、遙測、 遙控、遙視功能。其監控界面如圖6所示。

圖6 電力監控界面

2.4 輔助模塊

輔助模塊主要涵蓋了生成數據報表、手機APP遠程操控及運維管理等功能。

其中，報表類型包括電力參數、環境監測參數、設備操作記錄和運行記錄及運行時間統計等，可以根據日期時間及報表類型及其他條件進行查詢，支持報表導出為EXCEL和打印。用各種形式圖表來表現和分析顯示參數變化趨勢和統計結果，能用餅圖、柱狀圖和exharts等多種形式來進行數據可視化。其界面如圖7所示。

圖7 數據報表功能

如圖8所示，通過手機APP可完成信息的遠程查看和信息推送，實現了“遙信、遙測、遙控、遙調”等“四遙”功能。

圖8 手機APP界面

運維管理功能主要體現在以下兩方面：具有備品備件功能，采購備品備件的數據全部錄入到數據庫中，可以進行查詢、錄入、修改和刪除相關信息；具有維修保養計劃和維護功能，當易損件的壽命即將到達理論值時，定期提醒，運維管理人員可以將維修記錄錄入到數據庫中，供其他運維管理人員查看，系統可以生成工單并能導出、打印。管理界面如圖9所示。

圖9 運維管理界面

3 小結

系統運行一段時間以來，取得了良好的效果。主要體現在如下方面：

1)提高設備運行維護主動性：實現信息系統資源的集中監控，監視各設備的運行狀態和工作任務的完成情況，可實現自動啟動工作任務，大幅度減小系統管理人員的工作壓力；

2)提高運營單位對設備監測水平和信息化管理水平，實現對信息化系統的運行監控，達到更有效的管理，保障整個系統穩定、高效、不間斷運轉；

3)實現了便捷的信息推送，在管理維護者手機上執行APP“遙信、遙測”信息推送，就地現場管理軟件上“遙控、遙調”信息推送，實現“遙信、遙測、遙控、遙調”等“四遙”功能。

綜上所述，基于KINGSCADA的隧道機電管理系統具備一定工程參考價值，其較強的普適性可以為其他領域的自動化管理系統提供借鑒。