PLC 在高速公路隧道監控系統中的應用

趙學武，吳學文，郭愛濤，王中平

中建八局第二建設有限公司，山東 濟南 250100

1 PLC 概述

PLC 泛指適用于工業等特殊環境下的一種數字運算操作電子系統，系統內配置有具備編程功能的存儲器設備。在系統運行過程中，PLC 系統可根據所處環境實時情況，基于程序運行準則自動下達各項控制指令，替代人工完成各項操作。同時，PLC 技術具有安全可靠、功能模塊齊全、編程難度低、組態靈活、運行速度快、抗干擾性能優異、通信能力強等特點。

在高速公路隧道監控系統中，應用PLC 技術可以對高速公道隧道內部現場數據信息進行采集，將數據與對應額定值進行對照分析，若數據測量值與相關標準不一致，PLC將開展自診斷式監控作業，檢查系統運行故障、記錄所采集數據信息，并發送報警信號，以此提高高速公路隧道現場控制力度。

2 PLC 在隧道監控系統中的主要功能

（1）交通控制。在系統運行過程中，PLC 將持續接收過往車輛中所配置的微波檢測器發送的數字信號，同時還將對隧道內所放置的各類交通安全設施、電氣設備的運行工況進行監測，如車道指示標志、交通信號燈等。隨后，采取掃描方式快速讀取所接收的各類信息數據，將信息分類存儲至相對應的單元中，并順序掃描所構建的梯形圖，獲取邏輯運算結果，準確評估高速公路隧道內的實時交通狀況。基于程序運行準則，自動判斷是否需要下達特定的控制指令。在特殊情況下，PLC 將進入輸出環節，通過電路驅動向特指定設備輸出控制指令。最后，PLC 系統可對運行過程與所采集數據、分析結果進行記錄備份，提交至高速公路隧道監管中心。

（2）照明系統控制。在隧道監控系統運行過程中，可編程邏輯控制器可根據隧道內部采光情況，適當調整照明系統的運行負荷、照明燈具光源亮度，其控制原理是提前在高速公路隧道出入口處放置光強探測器。當PLC 監測到隧道洞口處自然光強度有所提高、采光條件良好時，向照明系統下達特定控制指令，適當下調照明系統運行負荷。反之，則適當上調照明系統運行負荷。如此，可以在切實滿足高速公路隧道環境光照需求、保障交通安全的同時，降低照明系統的運行能耗，節約電能。

（3）消防控制。在隧道監控系統中，應用PLC 技術可以通過串口協議，實現火警控制器等設備與PLC 系統的有效連接。在系統運行過程中，當可編程邏輯控制器掃描到異常監測數據時，如隧道環境溫度異常提升、產生明火以及出現各類交通安全事故時，PLC 系統將自動下達特定控制指令，如啟動滅火系統或是各類消防設備。同時，在PLC系統監測到火災報警器處于手動報警狀態時，也將快速評估隧道現場環境情況，并在確定出現安全事故后，向隧道監管中心發送報警信號。

（4）通風控制。多數高速公路隧道較長，自然通風條件較差。因此，為保證隧道內部空氣有效流通，普遍選擇在隧道內部安裝一定數量的風機等設備。但是，受到環境因素影響，偶爾出現風機運行故障問題，如轉動頻率下降等，導致隧道內部空氣中的氧氣含量降低，存在一定的安全隱患。應用PLC 技術可以持續對風機等通風設備的運行數據進行采集分析，評估設備運行工況，以及隧道內部環境的通風質量。當監測到通風質量低下或是通風設備出現運行故障時，快速采取有效控制措施，將問題上傳。同時，在必要情況下，會降低通風系統的運行負荷，在保障隧道內部空氣質量與通風效果的同時，降低電能消耗量。

3 基于PLC 的隧道監控系統設計

（1）PLC 監控系統設備選型。目前，多數高速公路隧道內部環境較為復雜惡劣，空氣濕度較高，隧道通風質量不佳，過往車輛所排放的廢氣難以得到有效、快速排出。同時，受到諸多干擾源影響，在高速公路隧道監控系統運行過程中，時常出現信號傳輸不穩、監測信號與實際環境情況不符等問題，難以達到預期隧道監控目的。因此，在應用PLC 技術時，技術人員應結合高速公路隧道現場環境情況，做好設備選型工作，確保所配置傳感器、控制器等設備可以在復雜環境下保持穩定運行狀態與較高的監測精度。具體來講，在設備選型環節，應注重配置具有良好防水防塵性能的機箱，降低環境因素對設備運行質量造成的負面影響；配置組態較為靈活、具有良好適應性能的ABB控制模塊；PLC 模塊可采用歐姆龍或菲尼克斯產品；對所采購設備開展各項試驗，檢測設備的運行穩定性、抗干擾性能等。在確定設備性能符合相關標準后，方可將設備投入使用。

（2）PLC 監控設備通信方式。在監控設備通信方式選擇環節，在條件允許前提下，技術人員應采用RS-485 接口。在高速公路隧道監控系統后續運行期間內，可以根據系統運行情況及通信需求，對通信頻率進行實時調整，確保通信速率穩定保持在9600bps。同時，當PLC 系統機箱和中斷機柜之間的通信頻率穩定保持在9600bps 時，通信電纜將充分發揮線路屏蔽功能，營造閉環通信空間，確保信息傳輸的實時性與安全穩定性。此外，技術人員還應采取自由通信協議，確保各處儀表設備以及系統終端設備間均存在標準通信協議，可以在兩者之間進行信息數據傳輸。

（3）PLC 監控設備系統軟件配置。現階段，隧道監控系統普遍以Windows 系統為操作平臺與編程環境，由主、備用控制單元組成。在系統界面中，采取下拉式畫面排布方式，操作人員對系統界面中的菜單結構進行下拉處理，即可切換至菜單界面。隨后，管理人員根據工作需求，從菜單功能欄中選擇特定項目或功能圖形開展下拉操作，即可使用該功能模塊，如獲取系統實時運行信息、下達控制指令、調整關聯系統與設備的運行狀態。

4 高速公路PLC 編程

（1）交通控制程序。在應用PLC 技術時，技術人員應先在隧道監控系統中編寫交通控制程序，即可在后續系統運行過程中，自動對過往車輛的車牌信息進行監測，上傳至可編程邏輯控制器進行掃描分析，準確評估隧道內部交通情況。同時，上位機將隧道交通狀況評估結果與程序運行準則中的各類交通模式進行對照分析。隨后，系統對隧道內所分布交通安全設施與交通裝置的運行狀態與顯示信息進行調整，如交通燈、內車道標志設施等。同時，上位機將接收過往車輛檢測器發出的數字信號，如若檢測到異常現象，程序將自動向監控中心發送報警信號，這也是交通控制程序的主要使用功能。

此外，可將交通控制程序依次分為現場前端設備、隧道監控室與監控中心三個級別。在程序編程過程中，為保障程序運行穩定可靠，可以及時發現各類異常問題。因此，針對現場前端設備，技術人員應采取人工手動控制模式，對隧道監控室采取人工控制方式、工作人員操縱觸摸屏開展各項操作，監控中心則采取自動控制方式，PLC 程序基于運行準則下達各項控制指令，或采取人工異地操作方式。對于這種冗余控制方式的采取，在交通控制程序出現各類運行故障時，也可快速切換其他控制方式，確保不會對交通安全造成負面影響。例如，在上位機處于異常運行狀態時，工作人員可以手動操縱現場前端設備，或通過觸摸屏對交通安全設施與信號燈進行控制。

（2）通風控制程序。在隧道監控系統中，通風控制程序的主要職能是定期對高速公路隧道環境的一氧化碳濃度、車流量進行監測，并將監測結果上傳至PLC 程序中，通過掃描分析監測數據，程序對風機等設備下達特定的控制指令，將隧道空氣質量、一氧化碳濃度穩定控制在合理范圍內。同時，在出現火災安全事故時，程序將操縱風機等設備進行排煙處理。在通風控制程序運行過程中，持續將風機等設備的運行數據、隧道空氣環境監測數據上傳至上位機。上位機綜合分析高速公路隧道的實時通風要求，針對性調整不同風機的啟動順序、運行負荷及時間，并在風機啟動環節中提供軟啟動保護。現階段，可將通風控制程序依次分為風機配電箱、隧道配電室、隧道監控室以及監控中心。其中，在程序正常運行過程中，各級均采取自動控制方式基于程序運行準則自動下達各項控制指令。在設備檢修或是程序出現運行故障時，則切換至人工控制方式。

（3）照明控制程序。在照明控制程序編寫環節，技術人員重點開發以下使用功能：第一，強光檢測功能。隧道洞口處所配置光感探測器將持續對洞外強光的光度進行監測，并將監測數據上傳至控制程序中。隨后，上位機對監測數據進行掃描分析，如若洞外強光的光度較大，則表明隧道采光條件良好，可以適當下調照明系統的運行負荷。反之，則上調照明系統運行負荷，將隧道環境平均照度控制在一定范圍內。第二，故障自檢。當系統出現異常運行現象時，程序將自動開展故障診斷工作、鎖定具體故障點，向監控系統發送報警信號。第三，應急照明功能。在隧道出現火災等安全事故時，照明控制程序將啟動應急照明燈具，并在必要情況下切換備用電路，確保可以保持安全供電、隧道具有良好的光照條件。第四，在照明控制程序中設置人工遠程控制、人工現場控制以及自動控制三種控制方式。

5 結束語

綜上所述，隨著自動化技術體系的優化完善，PLC 技術已逐漸在高速公路隧道監控系統中得到廣泛應用，具有顯著的應用優勢。因此，技術人員必須加強對PLC 技術的研究，明確PLC 在隧道監控系統中的主要功能，掌握系統各項設計要點，以此保障高速公路的交通運輸安全。