工業測控執行器與PLC協同控制在高速公路隧道機電系統中的應用

摘要 隧道控制系統一直是高速隧道機電系統的重點，特別是發生特殊情況時，隧道遠程控制系統顯得尤為重要。好的控制方案在成本控制、施工過程和運營管理過程中都更受歡迎。該文探討了幾種隧道機電控制系統實際應用方案，介紹了優化設計的思路，并在江西大廣高速某項目隧道機電控制系統中應用了工業測控執行器+PLC協同控制的方案，取得了較好的效果。

關鍵詞 工業測控執行器；PLC；隧道機電

中圖分類號 U495 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）21-0020-03

0 引言

高速公路隧道子系統主要包括隧道通風、隧道照明、交通誘導、CCTV、消防報警、電話廣播、LED系統等。其中通風、照明、車行橫洞防火門、消防水泵、車道指示器、交通信號燈、風速風向、CO/VI、光強照度等設備，都需要接入隧道監控系統，實現本地及后臺遠程操作。考慮特殊情況的發生，如網絡故障的可能性，需要把本地控制的優先級提高到遠程控制之上。在各種通信傳輸和監控的方案對比時，設計和施工方案需要因地制宜綜合考慮各方面因素，選擇更優方案實施。該文通過分析各種隧道組網傳輸控制的方案并對比其優缺點，闡述了方案優化的過程和思路，并在江西大廣高速某項目隧道機電控制系統中進行了應用，取得了良好效果。

1 方案分析

常規的隧道機電控制方案是隧道配電房設置主控PLC（主控制器），隧道內設置本地PLC（區域控制器），組環后實現PLC下位機之間聯動，經光網絡傳輸至隧管所，由監控室后臺軟件控制（如圖1）。實現采集隧道內檢測設備上傳的信息，如隧道內外光強照度值、微波車檢數據、CO/VI濃度值、風速風向等，主要是模擬量信號。同時上傳控制設備的反饋信息，如車道指示器、交通信號燈、橫洞防火門、軸流風機控制箱、低壓柜開關狀態等。在本地PLC對采集和反饋的信息內進行預處理后，存儲在本地存儲單元中，根據需要響應后臺并將存儲單元中處理好的信息上傳給隧管所計算機。在隧管所下發控制命令時，PLC將控制命令和設備運行狀態進行對比，并發出對下端控制設備如橫洞防火門、車道指示器、交通信號燈等的控制信號，主要是開關量信號。

圖1 全PLC控制模式隧道控制器網絡結構圖

此方案隧道內所有前端設備直連本地PLC，優點是PLC設備性能穩定，每臺前端設備單獨布線，對應功能清晰明了，因此故障便于排查，缺點是需要大量多芯控制纜，且排查出線纜故障后更換困難。

針對該方案的缺點，可以設計一種全工業測控執行器控制的方案以節約控制線纜，很大程度上彌補了這個弊端（如圖2）。工業測控執行器安裝布設在被控制設備附近，被控制設備直接跟測控執行器相連，每個工業測控執行器設置單獨IP，以光通信方式就近接入隧道監控網絡（隧道CCTV），跟隨隧道監控環網實現組環網，并通過隧道監控交換機上傳至隧管所，實現隧管所后臺隧道監控管理平臺統一控制。

圖2 全工業測控執行器模式隧道控制器網絡結構圖

該方案優點是安裝方便，支持壁掛式。現場布線簡單方便，就近取電，光纜傳輸，支持級聯，與被控設備直連，配置單獨IP實現遠程監控。測控器無需編程，出廠預置通用性強，同類功能配件可模塊化更換，易維護。缺點是該方案雖可實現遠程控制，但因工業測控執行器沒有可交互操作界面，雖可用App，但不易實現本地控制，所以該方案使用較少。

針對前兩種方案的優缺點進行優化，PLC+工業測控器總線方案（如圖3）則可摒除前兩者缺點，用測控執行器通過總線接口與就近的PLC連接，PLC下位機之間和方案1一樣通過以太網組成光纖自愈環[1]。

該方案中，本地PLC控制器只是作為一個串口采集設備在用。

圖3 PLC+工業測控器總線模式隧道控制器網絡結構圖

該方案的優點是設備分散布置，使得被控制設備如CO/VI、交通信號燈、車道指示器、車行橫洞門等能夠就近直接接入工業測控執行器。執行器再分區域接入到PLC區域控制器，PLC之間采用以太網光纖環網接入到隧管所。缺點是系統多了一個層級，即在被控設備和PLC之間多了一層工業測控執行器，網絡傳輸多了一層故障點。

基于上述情況，并綜合前三種方案的優點，該文在江西大廣高速該隧道機電項目中提出了新的通信傳輸及控制方案，即本地工業測控執行器+PLC協同控制的模式（如圖4）。

圖4 本地工業測控執行器+PLC協同模式隧道本地控制器網絡結構圖

該方案以工業測控執行器壁掛安裝布設在被控制設備附近，與被控制設備直連，每個執行器設置與隧道監控攝像機同段內且獨立的IP，以光通信方式就近接入隧道監控環形網絡。考慮本地控制的優先級，并為實現隧道本地控制，在隧道兩端（短隧道一端）設置變電所主控PLC，并接入軸流風機、低壓柜隧道照明、消防水泵控制柜、洞外交通信號燈、光強、微波車檢器等設備，通過PLC可視化屏幕實現了交互及現場控制。經隧道監控交換機上傳至隧管所，實現隧道監控管理平臺統一監控。

因為PLC和工業測控執行器分屬不同廠家，設備通信端口及協議并不統一，可以在隧道監控交換機上掛載一臺通訊協議轉換器，實現PLC和執行器的協議轉換，達到信息互通、數據互聯的目的。

2 應用方案分析

工業測控執行器+PLC協同控制方案可以明顯減少維護的難度，相較于PLC需要定制化編程的特點，維護人員無須每次故障都聯系專業人員前往現場編程，采集點位信息等工作。

該方案的優點：

（1）極大地節約了線纜用量。可就近接入監控網絡，節省了隧道內PLC組網的光電纜，特別是節約了被控設備多芯控制纜的用量，并且工業測控執行器價格相對較低，節約采購成本。

（2）使用出廠設置好、模塊化的工業測控執行器，減少了較復雜的PLC程序的二次開發調試。節省了相應成本，并使后期維護相對簡單。

（3）體積小，易安裝，壁掛安裝、設備控制箱內固定安裝均可，可實現降本增效。

（4）每個工業測控執行器獨立就近接入隧道監控網絡，線路故障不影響區域控制或者整個系統，因光電纜較短，易于排查維護。

該方案的缺點：

工業測控執行器在本地沒有可視化交互界面，控制不便，與變電所PLC對接又有端口、協議不統一的問題，需雙方研發技術人員更深層次的協調配合，方能達到協同控制的目標。

3 結束語

工業測控執行器+PLC協同控制方案也許不是目前技術能達到的最優方案，未來也會有更優方案出現。比如安裝在變電所的工業測控執行器實現可視化交互功能，集合自動識別隧道內的從設備和控制變電所設備功能，從而替代變電所PLC，不需要廠家之間協議對接，實現更加便捷地施工和維護。隨著通信傳輸和工業控制設備技術的更新迭代和網絡通信傳輸技術的不斷進步，隧道機電系統監控技術也會不斷優化，更好地為高速公路智能化建設、智慧化管理的建設服務，更好地服務司乘大眾。

參考文獻

[1]陳浩，幺進祥.智能工業測控執行器在高速公路隧道控制系統中的應用[J].中國交通信息化，2022（S1）：407-409+428.