高速公路隧道監控系統PLC 控制系統常見問題及解決方案

黃俊龍

（重慶中宇工程咨詢監理有限責任公司，重慶 400000）

隨著高速公路建設的發展，目前PLC 控制系統在高速公路隧道建設中的應用越來越普遍，并且技術越來越成熟。不過，隧道監控系統PLC 控制系統的運行環境較為惡劣，各類設備較多，一旦處理不好很容易發生設備故障，影響到PLC 控制系統正常工作開展。

1 高速公路隧道監控系統PLC 控制系統介紹

隨著我國經濟的發展，當前高速公路的建設規模越來越大，其中隧道建設是高速公路建設中具有挑戰性的環節之一，由于隧道空間空氣流通不好，光線強度較弱，所以發生安全事故的概率也隨之提高。對此，高速公路隧道建設環節也在不斷創新技術和工藝，提高隧道監控系統的智能化水平，完善隧道監控系統的功能。高速公路隧道監控系統包括事故報警系統、火災報警系統、消防聯動系統、通風系統和照明系統，如圖1 所示。

圖1 高速公路隧道監控系統構成示意圖

1.1 PLC 控制系統工作原理

高速公路隧道所處環境較為特殊，對其開展監控工作需要覆蓋隧道內部及外部，實現連續性的全天候監控。PLC 控制系統進行現場數據的采集主要利用PLC 控制系統、火災傳感器、火災報警器及其他位置傳感器，將采集而來的現場數據合理分析，一旦發生突發事故，可以及時判斷事故發生的具體位置，方便第一時間進行事故的現場處理。通過PLC 控制器可以實現邏輯運算、數據分析，依賴于梯形圖程序，所以PLC 控制系統的執行速度較快。此外，PLC 控制系統能夠進行通信，在上位機中顯示控制器現場檢測的變量，同時根據需要也能夠將數據和變量顯示在觸摸屏中，從而方便相關人員了解隧道現場情況。隧道PLC 拓撲結構圖如圖2 所示。PLC 監控是高速公路隧道監控系統的重要構成，監控系統如圖3 所示，具體可以分為兩級控制監控中心軟件控制系統和隧道現場PLC 控制系統。PLC 控制系統在應對隧道現場突發緊急事故時優勢較為顯著，可以通過軟觸點發出控制命令，發揮監控系統的照明、火災報警等功能。借助PLC控制系統可以進行信息的采集，以既定的程序和數據庫執行相關命令。

圖2 隧道PLC 拓撲結構圖

圖3 監控系統結構

1.2 PLC 系統組成

高速公路隧道所處的電氣環境較為惡劣，對于電氣設備提出了較高的要求，這也給監控系統的搭建提出了較高的要求，需要充分考慮到隧道的距離、電磁干擾等因素。當前國內外對于隧道建設都有相關標準，無論是中隧道、長隧道還是特長隧道都需要通過監控系統來提高行車的安全性。隧道監控系統一般包括像照明系統、通風系統外，還包括CCTV 系統、火災報警系統和廣播系統等。監控系統的設備類型包括檢測設備、控制設備、顯示設備及通信設備[1]，如圖4 所示。

圖4 監控系統的設備類型

常見的檢測設備有車輛檢測器、能見度檢測儀等；控制設備包括照明區域控制器、通風區域控制器；顯示設備如大屏幕監視器、聲光報警器等；通信設備包括集線器、光端機等。在進行高速公路隧道監控時，隧道監控的難度與隧道的長度之間有著關系，同時也會受到車流量的影響。根據隧道監控管理的要求，可以將隧道分為A、B、C、D 4 個等級，4 個等級中A 等級對于監控的要求較高，D 等級相比于A、B、C 等級要求來說較低。針對高速公路隧道的長短所采取的監控模式也有所不同，分布式現場總線控制模式較為適應于長隧道，成本相對來說較低，并且操作較為方便，具有較高的可靠性。集散式控制模式較為適用于短隧道，此種控制模式成本較高。針對較長距離隧道采取分布式現場總線控制模式，具體又可以分為全分布式現場總線控制及集中式現場縱向控制，各個模式有其本身優勢，需要根據實際情況合理選擇控制模式。

在進行隧道控制時需要將橫向系統及縱向系統進行有機結合，借助算法技術來提高控制的智能化水平。隧道控制離不開區域控制器作用的發揮，需要借助區域控制器進行不同區域現場信息的采集，然后將采集處理后的信息匯總到本地控制中心。即使本地控制中心及區域控制器的通信方式受到阻礙，區域控制器仍然具有獨立控制現場設備的能力，體現了區域控制器的高可靠性。PLC 作為區域控制器的核心控制部分，憑借穩定性、強環境適應性等在隧道監控中的應用越來越普遍[2]。

2 高速公路PLC 編程

2.1 交通控制

PLC 系統編程中需要重視交通控制程序，這樣才能有效保障交通控制程序發揮信息讀取、數據上傳等功能。讀取車輛檢測裝置、車道指示標志和情報板狀態信息，將所采集來的數據傳遞到上位機，按照上位機已經設定好的交通模式作為控制依據對上述裝置進行有效控制。若高速公路隧道路段發生交通事故，那么交通控制程序可以第一時間發出報警信號。另外，交通控制程序中的定期校時功能能夠協調時間保持一致性。具體來說，可以實現三級控制，針對監控分中心可以實施自動和手動控制，針對隧道監控室控制主要采取手動控制，對于現場設備的監控仍然可以采取手動控制為主要控制方式[3]。

2.2 通風控制

通風控制程序以檢測裝置中的數據作為重要依據，從而實現對風機運行狀態的控制。在高速公路火災事故發生時，通風控制程序還能夠即時啟動所在區域的風機，降低火災現場的煙霧濃度，從而有效保障相關區域人員的安全。通風程序所參考的數據依據包括透光率、交通量數據和一氧化碳濃度數據，從而實現對風機運行時間、風向和數量的合理控制。相比于傳統通風控制程序，PLC 通風控制程序的控制效果較為突出，還能夠實時監控每臺風機的狀態。另外，通風控制程序還具有自動統計功能，根據相應數據結果統計來優化風機運行方案，協調風機工作時間，從而有效延長風機的使用壽命。通風控制子系統控制方式主要可以劃分為四級，位于隧道變電所內的風機控制轉換開關可以設置為自動，一旦控制系統出現故障，需要及時進行子系統控制的切換，從而確保預期控制效果。進行風機及子系統維修和測試時，需要將控制模式切換為通風機開關箱手動控制。通風控制子系統的控制方式有所不同，見表1。

表1 通風控制子系統控制方式

2.3 變電站監視控制

將PLC 控制系統應用于高速公路隧道監控中，可以進行變電站的監視。對于高壓電源、低壓總開關、發電站信號和各段低壓母線等，PLC 都可以進行實時監控，將采集而來的信息上傳監控分中心，對于存在的故障會及時發出警告。在進行風機系統控制時，還會參考變電站電源情況[4]。

2.4 照明控制

照明控制與高速公路交通安全有著緊密的聯系，PLC 的照明控制程序可以實現信息數據的收集，有效控制照明系統，節約能源的同時還能提高高速公路行車的安全性。照明控制還能進行隧道內照明設備的監視，全面搜集隧道內光線強度、行車量等數據。若隧道內的光量不足，可以及時報警。在隧道內設置光強檢測儀，可以根據設定值及時檢修照明設備，在突發事故時可以及時開啟隧道內的全面照明設備。自動控制、遠程控制及人工控制是高速公路隧道的主要照明控制方式、控制環節，照明系統會及時向監控系統傳遞信號[5]。

3 高速公路隧道監控系統PLC 控制系統常見問題

PLC 控制系統隨著時代的發展功能有所強大，但是，高速公路隧道PLC 控制系統的運行仍然會受到內外部多種因素的干擾，面臨著各類的問題，影響到高速公路隧道行車的安全性。

3.1 開關電源損壞

在監控觸摸屏、中間繼電器等設備時涉及到較多的開關電源。長期運行狀態下，開關電源模塊容易積累較多的灰塵，導致電源內部模塊的滿載運行。若不注意定時清洗開關電源模塊濾網，那么開光電源很容易受到外部電源浪涌沖擊。一旦開光電源損壞，那么其他涉及到開關電源的設備都會功能受損，中心監控系統可能會癱瘓[6]。

3.2 信號干擾

高速公路隧道監控系統中的PLC 控制系統連接較多的設備，像照明系統、供電系統等都需要通過相應信號進行控制，所以控制信號種類較多。若PLC 與控制設備的距離較遠，加之PLC 控制系統設計不合理，那么不同信號之間可能會形成干擾，容易造成數據的混亂及PLC控制系統功能的紊亂[7]。

3.3 信號防雷

在PLC 模塊中較為容易損壞的是隧道洞口外部按照設備所對應的PLC 接入模塊，由于高速公路隧道多位于多山區域，這些區域的立桿設備容易受到雷電等自然災害的影響，從而影響到PLC 接入模塊的正常運行。

3.4 PLC 控制柜維護

為了有效降低施工成本，在進行高速公路隧道監控系統中的PLC 系統建設時會縮小隧道內部的PLC 控制柜空間，但是控制柜內部的線路較多，維護時具有一定的挑戰性。控制柜內部需要進行空氣開關、開關電源等的設置，還要通過大量電纜來進行設備連接與控制。在進行PLC 控制柜維護檢測時，信號檢測和設備更換會受到狹窄空間的限制，影響到高速公路隧道監控系統PLC 控制系統的正常運行[8]。

4 高速公路隧道監控系統PLC 控制系統常見問題的解決方案探討

4.1 進行開關電源損壞方面的優化

開關電源受到損壞多是由于區域電流量較大，局部區域溫度升高等因素的影響，在進行開關電源日常檢查時需要注意元件引腳處是否存在因發熱造成的脫焊等問題，關注電阻器件的阻值異常情況。在進行故障確定時，應對不同部位的故障處理方式不同，若半導體元件受到溫度影響而發生軟故障可以利用電烙鐵等方式進行可疑元件的加溫操作，又或者在故障發生時對于相關元件進行降溫操作。正常情況下，開關電源工作時會發出均勻且輕微的響聲，如果響聲不穩定那么開關電源工作異常，如果響聲較為沉悶，則可能開關電源短路又或者負載過重[9]。

4.2 合理設計PLC 系統通信結構優化方案

高速公路隧道PLC 控制系統中較為核心的部分是變電所的主PLC，為了確保控制系統的正常運行，可以對整個通信結構進行優化，對于星型結構進行組網操作。利用星型結構將隧道內各個PLC 采集而來的數據傳遞到中心監控系統，然后按照主監控系統下達的命令進行工作安排。監控系統與各個部分的PLC 進行通信并不需要借助主PLC 的中轉，一定程度上避免了由于變電所主PLC 故障所造成的系統癱瘓問題[10]。

4.3 合理設計信號傳輸方面的優化方案

高速公路隧道建設時需要綜合考慮多方面因素，包括因為距離問題而造成的通信阻礙。在進行交通信號系統設置時需要將其安排在隧道外部回轉車道位置。為了避免遠距離信號傳輸中存在的問題，需要利用數據光端機將電信號轉化為光信號進行遠距離傳輸，以此來降低信號的干擾，信號逆變后將其傳入PLC 模塊?？刂葡到y設計環節還需要妥善分離不同信號電纜，為避免信號干擾，需要將強弱電電纜分開鋪設[11]。

4.4 合理設計PLC 控制柜配置方面的優化方案

PLC 模塊可能會受到浪涌等外部因素影響，可以設置微型隔離變壓器來合理設計控制柜總電源。一旦遭遇浪涌沖擊，那么可以有效保護PLC 電源模塊及開關電源等設備。為避免交換機、觸摸屏等的損壞影響控制系統，可以在控制柜中進行電源的單獨設置從而完成供電。此外，PLC 控制柜中還要設置信號防雷器，在I/O 模塊和接線端子中設置中間繼電器，從而進行故障的隔離，有效避免各類因素對PLC 模塊的干擾。PLC 控制柜的空間大小有限，需要逐漸縮小設備的體積，從而方便后期檢測與維修工作的開展。當前市場隧道監控系統種類繁多，進行設備選擇時還需要綜合考慮，擇優選擇PLC 控制系統，從而延長高速公路隧道監控系統的使用壽命[12]。

5 結束語

開關電源損壞、信號干擾、信號防雷和PLC 控制柜維護問題都是較為常見的問題，針對高速公路隧道監控系統PLC 控制系統中存在的問題，相關人員必須加以重視，了解實際情況，優化處理方案，從而有效發揮PLC 控制系統在高速公路隧道監控中的積極作用。