基于PLCnext技術的高速公路隧道智能監控系統

段志宏， 韓永勝， 靳光永

(1.云南交投集團投資有限公司，云南 昆明 650228；2.菲尼克斯(南京)智能制造技術工程有限公司，江蘇 南京 210000)

現代科學技術的進步為高速公路的智能化提供了快速發展的基礎，技術的創新和融合為智慧高速的建設提供了有力的支撐。隧道作為高速公路的重要組成的部分，其監控系統在保障車輛安全運行、公路維護方面起著至關重要的作用。系統由信息采集子系統、交通控制及誘導子系統、通風控制子系統、照明控制子系統、閉路電視監視子系統和火災報警子系統組成[1-2]。車輛的增多給隧道的安全運行帶來了壓力，人們的生命財產受到了巨大威脅[3]。

為保障行車安全，提高駕乘人員的舒適度，智慧高速在信息化、網絡化、多功能化和智能化方面有了更高的要求[4]。傳統公路隧道監控系統一般采用現場總線，比如德國菲尼克斯公司的Interbus、西門子公司的Pfofibus DP等，子系統多獨立控制。隧道監控在國外相對比較成熟，在國內起步較晚，還存在著諸多不足。主要體現在以下幾方面。

① 數據方面：系統間難以全面共享數據[5]、甚至部分系統間沒有通信。基礎數據重復輸入，數據不能實現深層次應用[6]。

② 安全方面：系統網絡規模的增加、智能制造技術的發展對隧道安全、網絡安全、系統融合和免維護等有了更高的要求，傳統監控除了在技術實現上存在困難，其經濟成本也很高。

③ 信息服務：傳統的隧道監控主要是對機電設備的監測和控制功能的實現，智慧高速則以管理和服務為導向，強調對數據的應用和發布[7]。

本文提出的隧道智能監控系統基于菲尼克斯PLCnext技術平臺，該平臺提供軟件和硬件設備，為解決傳統隧道監控存在的問題提供了技術基礎。控制層采用基于以太網的Profinet技術；控制器內置OPC UA(Unified Architecture，統一架構)Server，可跨平臺實現控制器之間以及控制器和上位系統的通信。數據集成到Proficloud云平臺實現不同系統間的信息共享，同時可進行數據可視化和實現信息服務功能；通過內置的防火墻功能保障系統網絡安全；利用平臺支持高級語言的特性，進行算法集成和App定制，實現系統的智能化控制。該系統相比于傳統隧道監控系統，無須增加任何硬件設備，降低了成本。隧道智能監控系統的實現為推動智慧高速的進一步發展和建設提供了技術支撐。

1 傳統的隧道監控系統網絡

高速公路隧道監控系統作為隧道信息集成與檢測系統的核心，主要用來監視系統環境、火災情況和交通信息情況，實時監測和遠程管理相關信息，指導交通以保證行車安全、提高通行能力、保證人員健康以及提供必要的信息[8-9]。基于總線技術的傳統監控多采用冗余光纖環網結構。冗余配置在一定程度上保證了控制層網絡的可靠性，但傳統控制器在信息層、網絡化、多功能化等方面的實現存在困難。將現有系統集成到生產層、辦公層等需要額外配置硬件。隨著以太網技術的快速發展，基于以太網的Profinet技術應用越來越廣泛。它能夠滿足過程控制、工廠自動化和運動控制實時通信要求，同時可以很好地向信息層集成。下面以Profinet技術為例介紹傳統公路隧道監控系統。

基于Profinet技術的菲尼克斯傳統控制器構建的隧道監控系統網絡拓撲如圖1所示。系統分為信息層和控制層，控制層隧道內子系統采用ILC 191控制器，配備現地HMI，區域控制采用AXC 3050冗余控制器。

圖1 傳統隧道監控系統網絡拓撲圖

控制層采用環網冗余結構，當網絡中某處發生故障時，可及時恢復控制，但在以下方面存在不足。

① 各子系統和HMI(Human Machine Interface，人機接口)或者SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition，數據采集與監視控制)通信，由于硬件設備不同，通信協議不統一。

② 根據現場運維需要，照明、通風和交通控制子系統需配置HMI設備，增加了硬件和維護成本。

③ 照明、通風子系統需要消耗大量能源，為實現能源節約需要對控制算法進行優化。而傳統控制采用IEC61131-3標準的編程語言，在算法方面較難實現。

④ 控制器無內置數據庫，隧道系統中如車流量、光照強度等信息本身無法記錄存儲，需借助第三方硬件平臺和數據庫。

⑤ 信息層和控制層網絡存在著網絡風暴、非法訪問和被攻擊的風險，易引起網絡的不穩定。

2 基于PLCnext的隧道智能監控系統

由于傳統控制器在實現隧道監控系統的信息化、網絡化、多功能化和智能化方面存在不足，為解決上述問題，保障隧道安全、網絡安全和實現系統融合，提出了基于菲尼克斯PLCnext技術的整體解決方案。平臺由PLCnext Control(開放式控制平臺)、PLCnext Engineer(工程軟件)、PLCnext Store(自動化軟件商店)、PLCnext Community(社區)和Proficloud(云解決方案)組成。

2.1 PLCnext技術特點

PLCnext技術平臺不僅具備傳統PLC的穩定性與可靠性，同時兼具智能設備的開放性和靈活性，其架構如圖2所示。其采用實時Linux系統，用戶可選擇傳統PLC的IEC61131-3編程語言和高級語言(如C++、C#)或模型語言(如Matlab Simulink)進行混合開發，支持眾多開源軟件和工具、云服務等。

圖2 PLCnext技術平臺架構圖

平臺集成了豐富的接口和協議，如MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協議)、OPC UA、IEC60870-5-104等，在高度聯網的自動化系統中進行開放通信。可直接連接到基于云的服務和數據庫來實現新的物聯網業務[10]，為隧道監控系統的信息化和網絡化提供了保障。

2.2 高速隧道智能監控系統

基于PLCnext技術的公路隧道智能監控系統網絡拓撲如圖3所示。系統由AXC F 2152區域控制器、AXC F 1152子系統控制器和Proficloud云平臺組成。系統網絡架構與傳統監控網絡架構相似，控制器均為基于PLCnext技術平臺的新型控制器。

和傳統監控系統相比具有以下特點。

① 控制器內置OPC UA Server，無須授權安裝，便捷實現系統間通信，OPC UA解決了不依賴于設備廠商的通信問題，是下一代的OPC 標準，提供一個完整、安全和可靠的跨平臺的架構。

② 控制器內置WebServer，減少了現場HMI設備，結合云平臺實現了現場數據多維度的可視化，降低了成本且便于維護。

③ 平臺支持高級語言，輕松集成照明、通風等子系統控制算法；結合控制器內置數據庫，實現軟件調度、預防性維護等功能，為隧道智能監控提供實現方法[11-12]。

圖3 高速隧道智能監控系統網絡拓撲圖

④ 控制器內置數據庫，可實現對單個隧道內車輛信息、環境信息和報警信息等記錄存儲，方便歷史查詢。

⑤ 控制器內置防火墻功能，通過Web設置通信規則，提高了系統各控制器之間以及和SCADA通信的安全性，實現了網絡的安全穩定。

⑥ 區域控制器和各子系統控制器的數據連接到云平臺，實現數據的共享；利用云服務向運維人員和司機等推送相關信息，為系統的信息化和多功能化提供了基礎。

⑦ 支持豐富的通信協議，增強了系統的擴展性和兼容性，便捷實現遠程通信，實現系統的網絡化。

3 高速隧道智能監控系統的實現

根據平臺特點和相比傳統控制器的優勢，在以下幾方面實現對高速公路隧道的智能監控。

(1) 系統組態和通信配置。

PLCnext技術平臺的控制器采用PLCnext Engineer編程軟件。系統的硬件組態和通信變量的配置如圖4所示。左側部分為項目結構圖，包括硬件配置和HMI WebServer應用程序，右側部分為通過OPC UA協議通信的變量配置。

控制器通過OPC UA和HMI通信時，變量只需勾選OPC屬性選項，配置簡單。多個子系統的信息可輕松集成在同一個上位系統中。

(2) 通信安全集成。

隧道智能監控系統的網絡隨著智慧高速的發展有了新的需求，隨著網絡規模變大，對網絡的安全穩定有了更高的要求。通過控制器集成的防火墻功能對網絡通信規則進行設置(如圖5所示)。設置控制器和SCADA系統只可以進行OPC UA通信，防止控制器受到其他非法訪問。

圖4 系統組態和通信變量配置

圖5 防火墻配置

通過設置不同的規則，避免了控制器之間和信息層網絡對控制造成干擾，保證網絡的穩定性。

(3) 算法集成。

降本增效是智能監控的重要目的。在隧道監控的照明子系統和通風子系統中通過高級語言對相應的算法進行優化，同時通過閉路電視監視系統，智能感知隧道運行工況，實現整體控制策略優化，最終達到節約能源的目的。

高級語言在PLCnext平臺實現方式：首先在Eclipse中用C++編寫能源管理(Energy_managemet)的算法；其次將算法生成編程軟件所需的.pcwlx庫文件并導入，導入后的庫文件如圖6所示；然后就可按照傳統編程使用導入的算法庫文件。

(4) App功能實現和應用。

由于控制器支持APP功能，可根據需求實現像智能終端的APP一樣進行操作。在交通控制及誘導子系統中實現了對車流量數據報警的記錄功能。例用Python語言開發了數據報警APP，通過控制器Web中的PLCnext APPs功能進行安裝。車流量報警APP的Python語言實現如圖7所示，實現了對車流量的實時監控。

圖6 導入庫文件

圖7 APP功能實現

報警信息通過控制器內置的數據庫進行存儲。通過APP實現的車流量數據報警記錄如圖8所示，記錄了不同時刻的車流量數據統計和報警狀態。

圖8 車流量數據報警記錄表

系統正常運行時，控制器將采集的數據按照固定的時間間隔生成報警記錄表。數據表包括時間戳、車流量、狀態和統計次數等。設備運行過程中由于發生過失電，出現統計次數不準確的情況。經分析發現，APP部署在Linux系統上，控制器通過遠程接口調用。由于存儲容量的限制，故每隔30天生成一張報警記錄表，同時清空數據庫，采用記錄表循環覆蓋的方式進行存儲。當車流量數據在30天以內有報警信息，則“統計次數”列有數值記錄；若長時間(超過30天)處于正常范圍內，則報警表中的“統計次數”數據一直沒有觸發記錄，控制器恢復上電后，讀取數據庫中的“統計次數”數值時，由于此列數值為空，引發了數值不準確的情況，在控制器中將此數值的屬性修改為保持型，可使問題得到解決。

將數據報警APP安裝到不同子系統控制器中，實現數據報警記錄，無須重復開發，提高編程效率，縮短系統的調試周期。將報警數據上傳到云平臺，進行消息推送，實現隧道智能監控的信息化服務。

(5) 數據可視化。

利用控制器內置的eHMI功能和易于集成到Proficloud的特點，隧道監控可實現多維度可視化。通過Web查看隧道照明子系統如圖9所示，畫面展示了對隧道的指示燈控制。在移動設備終端通過Web可隨時隨地對隧道智能監控系統的任意子系統運行狀況進行查看，提高了運維效率。

圖9 隧道照明畫面的Web訪問

數據集成到云平臺，利用云端Dashboard將數據通過多種形式展現。通過云平臺實現對數據的可視化如圖10所示，主要包括交通誘導及控制子系統車流量信息、通風系統設備信息等。對云端數據的訪問可根據用戶的不同而設定不同的權限，以保證數據的安全和系統的穩定。

圖10 Proficloud云平臺數據

通過Proficloud云平臺的數據共享，能夠實現：

① 隧道間的聯動控制。交通控制功能，如車道關閉等。

② 便捷的系統維護。運維人員可通過移動終端隨時隨地查看系統狀況。

③ 通過信息化功能向車主提供智能服務、消息推送等，實現系統的多功能化[13]。

4 結束語

基于PLCnext平臺的高速公路隧道智能監控系統，在無須增加任何硬件設備的前提下，解決了傳統隧道監控系統在實現信息化、網絡化、多功能化和智能化方面的問題。充分利用平臺控制器的特性，為智慧高速的隧道智能監控提供了完整的解決方案。提高了通信的便捷性和網絡的安全穩定性，便捷實現開源算法的集成和自定義APP的開發。在云上衍生出相關的其他服務，更好地實現了高速隧道系統的智能監控，為智慧高速的發展和建設提供解決方案。