電力隧道環(huán)境監(jiān)控及設(shè)備自動化控制系統(tǒng)

系統(tǒng)是基于REAL-TIME電纜綜合智能數(shù)據(jù)管理平臺通過電力隧道綜合監(jiān)控主機和現(xiàn)場遠程采集、控制單元對隧道內(nèi)各種環(huán)境參量的綜合采集和遠程控制。

在線監(jiān)測采集的環(huán)境參量包括：

空氣含氧量

人體有害氣體檢測（PPM級微量：一氧化碳、硫化氫）

可燃氣體監(jiān)測（如甲烷等）

煙霧環(huán)境監(jiān)測

水位采集

溫濕度采集

在線監(jiān)測運行狀態(tài)遠程控制的參量包括：

風(fēng)機運行狀態(tài)及風(fēng)機裝置遠程控制

水泵運行狀態(tài)入水泵裝置遠程控制

照明系統(tǒng)運行狀態(tài)及照明系統(tǒng)狀態(tài)遠程控制

隧道環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)概述： 

    高速公路與一般公路相比，具有線型好、交通流量大、行車速度快等特點，高速公路隧道又是高速公路路網(wǎng)的咽喉地段，如不采用的監(jiān)控管理措施，在交通量大、氣候惡劣的情況下，極易發(fā)生交通事故和交通堵塞。對于高速公路隧道的監(jiān)控方案主要考慮到隧道入口、中間段、出口處的實時圖像狀況、隧道內(nèi)的車流量和流速檢測、通風(fēng)設(shè)備工作狀態(tài)檢測、電力設(shè)備參數(shù)檢測和交通監(jiān)控、控制誘導(dǎo)等環(huán)節(jié)。高速公路隧道網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建立可實施高速公路咽喉地段交通流量金和交通運行監(jiān)視，對關(guān)鍵路段適時控制，及時發(fā)現(xiàn)各種異常情況并采取應(yīng)急措施，以確保高速公路高速、安全、舒適、經(jīng)濟地運營。在道路視頻信息給交通管理部門提供了及時的、關(guān)鍵的、可靠的信息、幫助交管部門做出突發(fā)事件應(yīng)急處理等關(guān)鍵性決策的同時，作為交通決策支持系統(tǒng)的關(guān)鍵信息源——視頻信息還必須在各決策部門中共享。

系統(tǒng)的構(gòu)成及功能：

一、現(xiàn)場控制子系統(tǒng)  該自動化系統(tǒng)采用了上的控制器，系統(tǒng)為模塊化結(jié)構(gòu)，所有硬件都是制造廠的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品或標(biāo)準(zhǔn)選件。所有模板均通過機構(gòu)的安全認證，包括：UL、CSA、CE等。

二、閉路電視監(jiān)視子系統(tǒng)
  隧道閉路電視子系統(tǒng)對隧道洞內(nèi)的交通流量、車流密度及道路使用狀況進行監(jiān)視，可及時地直觀得到關(guān)于交通阻塞等現(xiàn)場情況和原因的畫面，進一步辨認事故、火災(zāi)及其嚴(yán)重程度、事故、火災(zāi)類型及其原因；并能采集必要的交通數(shù)據(jù)資料，必要時還能對視頻圖像進行、打印以便分析及。

三、信息采集系統(tǒng)功能

1、車輛檢測器

  系統(tǒng)在隧道內(nèi)車行橫洞附近設(shè)置視頻車輛檢測器，通過全光數(shù)字遠端機傳至隧道管理站，然后進入視頻車輛檢測處理器。視頻車輛檢測器應(yīng)可以測定隧道內(nèi)車流量、車速、占有率等參數(shù)；并應(yīng)提供交通事件檢測，交通事件的定義包括所有可能導(dǎo)致隧道正常交通發(fā)生混亂的情況如: 車輛停駛、交通擁堵、車輛逆行、行人出現(xiàn)、車輛慢行、車輛違章、物品遺撒、火焰等。
2、光強檢測器，用于檢測隧道洞內(nèi)、外光照度，為隧道照明控制提供依據(jù)。

3、CO/VI檢測器，用于檢測隧道洞內(nèi)的CO濃度、煙霧濃度等環(huán)境指標(biāo)，為隧道通風(fēng)控制提供依據(jù)。

4、風(fēng)向/風(fēng)速檢測器，用于檢測隧道洞內(nèi)的風(fēng)向、風(fēng)速等環(huán)境指標(biāo)，為隧道通風(fēng)控制提供依據(jù)。

四、信息發(fā)布子系統(tǒng)
  信息發(fā)布子系統(tǒng)包括隧道內(nèi)可變情報板、洞內(nèi)車道控制標(biāo)志、電光指示標(biāo)志、電光誘導(dǎo)標(biāo)志。
五、隧道緊急電話及廣播子系統(tǒng)
  當(dāng)隧道出現(xiàn)緊急情況時，可以通過隧道緊急電話向隧道管理站報警，隧道管理站也可以利用隧道廣播系統(tǒng)進行廣播，及時疏導(dǎo)交通。
六、火災(zāi)報警子系統(tǒng)
1、系統(tǒng)采用光纖光柵火災(zāi)自動報警裝置，并在隧道消防設(shè)備旁同址設(shè)置手動報警按鈕。
2、火災(zāi)報警主機數(shù)據(jù)采用雙通道進行傳輸，一路通過數(shù)據(jù)光端機將火災(zāi)報警信息上傳至隧道管理站監(jiān)控計算機網(wǎng)絡(luò)，一路接入隧道本地控制器進行傳輸。
七、隧道聯(lián)動控制功能
  此系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對隧道區(qū)段各類設(shè)備的聯(lián)動控制，充分發(fā)揮隧道區(qū)段各類監(jiān)控設(shè)備的作用，提高系統(tǒng)的整體功效。
八、通風(fēng)控制功能
  一般情況下，隧道管理站監(jiān)控計算機網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)CO/VI、風(fēng)速風(fēng)向、交通流量等檢測數(shù)據(jù)信息通過綜合計算，實現(xiàn)風(fēng)機運行的全自動控制；如果需要，操作員也可以在隧道管理站根據(jù)CO/VI、風(fēng)速風(fēng)向、交通流量等數(shù)據(jù)信息作出判斷后，對風(fēng)機的運行進行遠程遙控。
  當(dāng)隧道管理站監(jiān)控計算機網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時，可以利用隧道光纖冗余工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)遠端風(fēng)機的控制。
當(dāng)本地控制器與隧道光纖冗余工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)失去通信后，可以實現(xiàn)本地風(fēng)機的手動控制。
  風(fēng)機的控制包括正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停機的控制。

九、照明控制功能
  隧道照明控制根據(jù)洞內(nèi)外亮度檢測器檢測到的亮度值、交通量變化及白天、黑夜等情況控制隧道內(nèi)照明，也可以通過時段進行照明控制。

隨著交通道路的不斷發(fā)展，作為其中一個重要環(huán)節(jié)的隧道，其數(shù)量也在不斷增加。由于我國復(fù)雜的地理環(huán)境以及隧道本身的特點，隧道監(jiān)控系統(tǒng)在隧道的運營、管理以及事故處理中發(fā)揮著極其重要的作用。因此，建設(shè)可靠、穩(wěn)定、、經(jīng)濟以及可擴展的合理的隧道監(jiān)控系統(tǒng)成為工程界和公路營運管理部門共同關(guān)心的話題。微電子、通信及計算機技術(shù)的發(fā)展大大提高了公路交通的信息化和智能化程度，與3C技術(shù)相結(jié)合的PLC以其的可靠性、抗干擾性和靈活的控制方式成為隧道監(jiān)控系統(tǒng)的核心控制器，PLC與開放的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)一起，共同推動著隧道監(jiān)控系統(tǒng)向智能化程度的發(fā)展。
系統(tǒng)構(gòu)成
隧道按照長度分類，分別有短隧道（L<250m）、中隧道（250m<L<1000m）、長隧道（1000m<L<3000m）和特長隧道（L>3000m）。隧道的長度越長，需要考慮的監(jiān)控設(shè)施就越多。從目前上對隧道的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)來看，長隧道和特長隧道需要監(jiān)控系統(tǒng)以保證隧道內(nèi)行車的安全和暢通。
隧道監(jiān)控系統(tǒng)按照各個子系統(tǒng)可分為：照明系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、交通誘導(dǎo)系統(tǒng)、CCTV系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)、消防控制系統(tǒng)、緊急電話系統(tǒng)及廣播系統(tǒng)等。按照設(shè)備的類型可分為：檢測設(shè)備、控制設(shè)備、顯示設(shè)備和通信設(shè)備。檢測設(shè)備如：火災(zāi)報警探頭、車輛檢測器、COVI、能見度檢測儀及風(fēng)速風(fēng)向儀等；控制設(shè)備如：交通區(qū)域控制器、照明區(qū)域控制器及通風(fēng)區(qū)域控制器等；顯示設(shè)備如：計算機工作站、大屏幕監(jiān)視器及聲光報警器等；通信設(shè)備如：交換機、集線器、串口信號傳輸設(shè)備及光端機等。
隧道監(jiān)控的難易程度不僅與隧道的長度有關(guān)，而且與隧道的交通車流量有關(guān)。依據(jù)對隧道監(jiān)控和管理的要求，又將隧道分為A、B、C、D四個等級，其中*對監(jiān)控要求高，B級次之，其余類推。當(dāng)前在工程界*認同的隧道監(jiān)控模式主要分為兩種，一種是適用于短隧道的集散式控制模式，一種是適用于長隧道的分布式現(xiàn)場總線控制模式。前者布線復(fù)雜，造價較高，由中控室對現(xiàn)場設(shè)施進行控制與管理；后者施工方便，不但造價較低，而且可靠性較高。適用于長隧道的分布式現(xiàn)場總線控制模式又可分為全分布式現(xiàn)場總線控制和集中式現(xiàn)場總線控制。全分布式現(xiàn)場總線控制模式，中控室對現(xiàn)場設(shè)施不直接進行控制，由現(xiàn)場各種設(shè)施的控制器進行控制。分布式現(xiàn)場總線控制模式從網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成來看，一般分3個層次：上層為中央計算機系統(tǒng)，即本地控制中心，中間是由各區(qū)域控制器組成的控制層，下層為各種檢測設(shè)備和控制及誘導(dǎo)設(shè)備組成的設(shè)備層。
隧道控制的核心思想就是將所有縱向及橫向的系統(tǒng)有機地結(jié)合起來，通過算法分析，實現(xiàn)智能化控制。區(qū)域控制器就是其實現(xiàn)的核心。各區(qū)域控制器負責(zé)采集現(xiàn)場檢測設(shè)備的信息，處理后傳給本地控制中心，而本地控制中心的控制命令則發(fā)給區(qū)域控制器，再由區(qū)域控制器直接控制相應(yīng)設(shè)備。在本地控制中心與區(qū)域控制器通信中斷的情況下，區(qū)域控制器仍然具備獨立控制現(xiàn)場設(shè)備的能力。因此區(qū)域控制器應(yīng)高效且高度可靠。作為區(qū)域控制器的核心控制部分，PLC應(yīng)用多，其穩(wěn)定性、實時性以及對環(huán)境很強的適應(yīng)能力，非常適用于隧道的現(xiàn)場環(huán)境。
本地控制中心一般由現(xiàn)場監(jiān)控工作站(控制計算機)、監(jiān)控系統(tǒng)軟件、主區(qū)域控制器及相應(yīng)的附屬設(shè)施構(gòu)成，用于實現(xiàn)對整個隧道監(jiān)控系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)軟件運行于現(xiàn)場監(jiān)控工作站上，并不斷與PLC控制器交換數(shù)據(jù)，實時地把所有設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)以圖表、顏色、閃爍及數(shù)值等方式顯示在操作界面上；而操作人員在操作界面的每個動作，也由監(jiān)控系統(tǒng)軟件將相關(guān)的命令、參數(shù)寫入PLC，實現(xiàn)設(shè)備的手動控制。
除現(xiàn)場控制設(shè)備，整個系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)則是保證系統(tǒng)能否高效運行的關(guān)鍵。長隧道、特長隧道以及隧道群的出現(xiàn)已經(jīng)越來越多，單洞內(nèi)的區(qū)域控制器就越來越多，這就意味著網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點在不斷增加。通信網(wǎng)絡(luò)不僅要具有較高的通信速率以保證大量數(shù)據(jù)的有效傳輸，還必須具有容錯的能力以提高通信的可靠性，即網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)故障時能夠?qū)崿F(xiàn)自恢復(fù)，同時，構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備必須滿足工業(yè)級要求，以適應(yīng)隧道內(nèi)苛刻的工作環(huán)境。系統(tǒng)還需要具有很好的可擴展性，使得設(shè)備更新與增加、功能改善與變化，都能應(yīng)用于原有系統(tǒng)。
隧道監(jiān)控的環(huán)境相對比較特殊，隧道所處的山野防雷非常重要，隧道中的控制箱經(jīng)常會遇到潮濕甚至漏水的侵?jǐn)_，而一些高原隧道面臨嚴(yán)寒和低空氣密度，特別是長大隧道中的汽車煙塵很容易附著在密封不好的控制箱中的設(shè)備上，這些煙塵具有一定的導(dǎo)電性，從而造成本地控制器等設(shè)備的早期故障或損壞。從國內(nèi)隧道監(jiān)控系統(tǒng)的實際應(yīng)用情況來看，對隧道監(jiān)控環(huán)境的認識，在一些項目中，重視成度還不夠，一些隧道控制箱遠沒有達到IP65以上的防護等級，這樣的監(jiān)控系統(tǒng)是很不安全的。
解決方案
監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)和PLC是隧道監(jiān)控系統(tǒng)的核心組成部分，它們的性能對隧道監(jiān)控系統(tǒng)會起到?jīng)Q定性的作用。根據(jù)隧道本身的特點和監(jiān)控需求選擇合適的PLC及通信網(wǎng)絡(luò)是保證隧道監(jiān)控系統(tǒng)性能的重要因素。
1.通信網(wǎng)絡(luò)
在隧道監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上，國內(nèi)在管理體制上主要采用三級管理，即監(jiān)控總中心、區(qū)域監(jiān)控分中心和監(jiān)控站。由于監(jiān)控站不直接對隧道的外場設(shè)備進行直接控制，因此工程界按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的劃分把監(jiān)控系統(tǒng)劃分為信息層、控制層和設(shè)備層。
*層為信息層，主要負責(zé)大量信息及不同廠家不同設(shè)備之間的信息傳輸，工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet為目前較常用的一種信息網(wǎng)絡(luò)，世界各大PLC生產(chǎn)廠商均支持工業(yè)以太網(wǎng)，并且他們在原有TCP/IP的基礎(chǔ)上，相繼開發(fā)出實時性更高的工業(yè)以太網(wǎng)，如Omron和Rockwell支持的Ethernet/IP，Schneider支持的Modbus-TCP/IP以及Siemens支持的ProfiNet等。由于Ethernet的信息量大，因此在隧道監(jiān)控上以太網(wǎng)主要用于各個隧道管理所與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸，包括各種交通流量信息，各傳感器數(shù)據(jù)等大量歷史數(shù)據(jù)信息。
第二層為控制層，主要采用現(xiàn)場總線組成隧道區(qū)域控制器網(wǎng)絡(luò)，其特點是由于采用了標(biāo)準(zhǔn)總線組網(wǎng)，既能滿足實時通信的要求，又具有開放協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)接口，能在總線上方便地掛接各種外場設(shè)備，有利于監(jiān)控系統(tǒng)的擴展。目前，現(xiàn)場總線有40多種，在公路監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用的現(xiàn)場總線主要有Controller Link、LonWorks、Inetrtbus、Profibus、CAN和Modbus+。它們的共同特點是高速、高可靠，適合PLC與計算機、PLC與PLC及其他設(shè)備之間的大量數(shù)據(jù)的高速通信。為使系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，控制層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多采用環(huán)網(wǎng)的方式組成，包括線纜型和光纖作為傳輸介質(zhì)，具體組網(wǎng)將在后面做出實例說明。
第三層為設(shè)備層，這一層用于PLC與現(xiàn)場設(shè)備、遠程I/O端子及現(xiàn)場儀表之間的通信，包括DeviceNet、Modbus以及Profibus/DP等，其中DeviceNet已經(jīng)成為工業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)總線而得到了廣泛的應(yīng)用，而Profibus/DP雖然沒有成為標(biāo)準(zhǔn)，但是其應(yīng)用也相當(dāng)廣泛。
值得指出的是，近年來以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用使得人們把目光投向了現(xiàn)場總線上來，工業(yè)以太網(wǎng)是否將取代現(xiàn)場總線仍然是一個爭論的話題。然而，不論是Ethernet/IP還是Modbus-TCP/IP，以太網(wǎng)在一些重要的性能指標(biāo)上仍然無法具有現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)勢。從本質(zhì)上來講，以太網(wǎng)的載波幀聽沖突監(jiān)測CSMA/CD的訪問方式，實時性并沒有現(xiàn)場總線采用的令牌總線和令牌環(huán)的訪問方式高，不論人們采用何種方式，如協(xié)議封裝、分時訪問控制等，都只能改善以太網(wǎng)的實時性，得不到本質(zhì)的改變。隧道控制的一個核心思想是必須保證隧道的安全尤其是突發(fā)事件時隧道的安全，如果突發(fā)事件的發(fā)生造成數(shù)據(jù)訪問產(chǎn)生碰撞，使得信息不能及時得到處理而導(dǎo)致重大事故，后果將不堪設(shè)想。在當(dāng)前技術(shù)還未*成熟之前，現(xiàn)場總線應(yīng)用于控制層，是一個積極和穩(wěn)妥的選擇。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，今后其取代現(xiàn)場總線而用于控制層也是很有可能的。
2.監(jiān)控分中心及上位監(jiān)控軟件
監(jiān)控分中心一般將設(shè)置多臺SCADA工作站（工控機）。分別用于交通監(jiān)控、消防報警、圖形控制、通風(fēng)照明控制、視頻監(jiān)控等，完成隧道內(nèi)各種設(shè)備的狀態(tài)顯示、自動控制、半自動控制、打印報警、分析報表等工作。同時，監(jiān)控分中心還將設(shè)置多臺服務(wù)器，為其他計算機提供支援和與監(jiān)控總中心進行通信。

圖2  Omron CS1系列
 
3.PLC的選擇
隧道監(jiān)控對PLC的性能提出了更高的要求，作為隧道監(jiān)控的核心控制器，其必須具備以下幾大功能特點：首先本身必須穩(wěn)定可靠，并具有預(yù)先處理數(shù)據(jù)和集中傳輸數(shù)據(jù)的能力，具有較高的故障保護能力；其次，區(qū)域控制器可以獨立承擔(dān)控制分區(qū)的基本控制任務(wù)，即使監(jiān)控站或者監(jiān)控中心因故障停止運行，相鄰區(qū)域的控制器也能交換交通量信息；再次，當(dāng)某區(qū)域的交通量出現(xiàn)變化時，可按預(yù)定方案和程序采取相應(yīng)的算法，對相關(guān)區(qū)域的流量做出相應(yīng)的調(diào)整。因此，其必須至少有如下功能模塊，數(shù)據(jù)采集存儲處理功能（實現(xiàn)集中和獨立工作方式，尤其是在獨立控制時能與相鄰控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換）；通信功能、容錯功能、自動診斷功能和本地操作功能（即能帶觸摸屏）。
必須綜合考慮整個監(jiān)控系統(tǒng)的性能要求和自然條件以及運營周期對設(shè)備的要求進行選擇，尤其在氣候和惡劣環(huán)境狀況條件下長、特長隧道的時候，需要選擇性能更好的雙機熱備冗余的PLC。如Schneider的Quantum系列、Rockwell的ControlLogix、Omron的CS1D系列以及Siemens的S7-417系列。
在一般的環(huán)境狀態(tài)以及中、長隧道中，多采用標(biāo)準(zhǔn)的機型作為現(xiàn)場控制器，如Schneider的Quantum140系列、Rockwell的ControlLogix、Omron的CS1系列及Siemens的S7-400系列等；它們都支持工業(yè)以太網(wǎng)和多種現(xiàn)場總線，控制方式采用遠程帶CPU的智能分布式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)開放性和兼容性強，豐富的I/O及高功能模塊，*隧道監(jiān)控系統(tǒng)對信號處理的要求。
應(yīng)用案例
下面以山西晉城至陽城高速公路隧道為例，具體說明隧道監(jiān)控系統(tǒng)的實際應(yīng)用。
晉城至陽城段高速公路，設(shè)計范圍36.029km。其中高速公路長27.47km，封閉二級公路長8.5598km。道路起點接長晉高速公路，終點與陽城市區(qū)道路相接。本路全線有隧道4座，包括五佛山隧道（514m），牛王山隧道（1880m/1860m），天壇山隧道（1008m），管道嶺隧道（1300m）。本監(jiān)控方案主要就牛王山隧道機電監(jiān)控系統(tǒng)進行說明。
整個隧道機電監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)由設(shè)在遠端的監(jiān)控通信中心和隧道內(nèi)(包括牛王山隧道變電所)的本地控制器以及相關(guān)的通信線路組成。監(jiān)控中心內(nèi)設(shè)有交通狀況模擬顯示大屏幕、工作站、監(jiān)控計算機群、打印機、服務(wù)器和CCTV視頻墻等設(shè)備，供操作人員監(jiān)視和指揮隧道內(nèi)和道路的運營情況。
在牛王山隧道監(jiān)控系統(tǒng)中，包括8套本地控制器，其中一套主控本地控制器置于牛王山隧道變電所內(nèi)，其余的本地控制器分散布置在牛王山隧道上下行的各個位置，所有本地控制器通過100Mb/s速率的以太網(wǎng)形成光纖冗余環(huán)網(wǎng)。光纖環(huán)網(wǎng)使得環(huán)路上任意兩個區(qū)域控制器間通信有兩條物理鏈路，這樣即使某處光纖出現(xiàn)斷裂故障,系統(tǒng)仍可以自動尋找到反方向的通信鏈路繼續(xù)維持通信，既增加了通信可靠性，又提供了在線不停機檢修通信的功能。牛王山隧道變電所內(nèi)的主控本地控制器也通過100Mb/s速率的光纖以太網(wǎng)與監(jiān)控通信中心相連，保證了監(jiān)控數(shù)據(jù)和指令的實時海量數(shù)據(jù)傳輸。
各PLC對照明、通風(fēng)、本地控制系統(tǒng)信息進行采集，同時按所設(shè)定的程序以及上位機的指令進行相應(yīng)的動作。采集的信息經(jīng)光纖以太環(huán)網(wǎng)傳至控制室中央計算機上，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。另外，在主控制器上還配有液晶觸摸屏，用來對給設(shè)備操作和顯示其反饋信息及檢查所轄各設(shè)備的狀態(tài)，同時它可以取代手持式編程器對PLC進行編程；而且，在隧道監(jiān)控中心的服務(wù)器上匯集了隧道各個設(shè)備實時信息，所以本地控制器不僅要能快速交換實時數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)采集，并能接受和執(zhí)行上位機的指令，通過服務(wù)器可對現(xiàn)場任一設(shè)備（照明、通風(fēng)、本地控制器）發(fā)布操作命令。在牛王山隧道變電所選用了Omron的 CS1D系列PLC作為本地控制器，如圖1所示。CS1D系列PLC具有雙CPU模塊，雙電源模塊，支持熱插拔，極大提高了主控制器的可靠性，使得整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)不停機檢修功能。在隧道內(nèi)的7臺本地控制器我們選用Omron的CS1系列PLC，其具有高速信息交換能力和良好控制功能，CS1系列PLC作為隧道內(nèi)的區(qū)域控制器。如圖2所示。在每臺PLC上安裝有RS-485/RS422或RS-232通信端口，以便與多參數(shù)智能變送器、限速控制器、可變情報板顯示控制器等儀表控制設(shè)備相連，串行通信的數(shù)據(jù)協(xié)議是隨著制造商和設(shè)備而變的。協(xié)議的差別，使得不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備間的通信非常困難，即使它們的電氣標(biāo)準(zhǔn)相同，Omron通過建立的易用于匹配所連接的設(shè)備的協(xié)議宏功能解決了這個問題，協(xié)議宏使得開發(fā)方不需要編寫專門的通信程序與第三方設(shè)備進行通信，原則上OmronPLC能和任何帶RS-232C，RS-422或RS-485接口的設(shè)備進行通信。在本控制系統(tǒng)中用于控制照明、通風(fēng)、電力及交通等設(shè)備的各個區(qū)域控制器均采用獨立的控制程序?？刂剖覂膳_中央計算機則通過Ethernet與上級控制中心。
改進與發(fā)展
當(dāng)前我國隧道監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和實施正處于一個成長期，系統(tǒng)的需求、設(shè)計、結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)的控制仍然存在不完善的地方，同時技術(shù)的發(fā)展也給監(jiān)控系統(tǒng)的改進創(chuàng)造了條件和基礎(chǔ)，也使建設(shè)合理的隧道監(jiān)控系統(tǒng)成為可能。
從系統(tǒng)的需求來看，一方面要兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠與可控，也要反映系統(tǒng)的、經(jīng)濟與可擴展，同時也要使操作便捷與維護方便；另一方面，針對不同的交通條件和功能要求確定系統(tǒng)的規(guī)模和冗余度的大小，確定系統(tǒng)的合理集成方式、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成與拓撲結(jié)構(gòu)形式以力求系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、性與經(jīng)濟性的有機結(jié)合；從系統(tǒng)的設(shè)計來看，除考慮系統(tǒng)的規(guī)模和設(shè)計方法外，也要考慮新技術(shù)的應(yīng)用，使整個系統(tǒng)既又實用；從系統(tǒng)的控制來看，當(dāng)前我國公路監(jiān)控普遍存在著只監(jiān)不控，或監(jiān)強控弱的現(xiàn)象，交通信息、環(huán)境信息得不到很好利用，對于隧道控制，要針對不同現(xiàn)象，采用不同的控制方法。
今后我國的隧道監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展是在原有基礎(chǔ)上，按照監(jiān)測與控制適當(dāng)分離，集中監(jiān)測，靈活機動的現(xiàn)場控制的總體思想，逐步改進，使得隧道監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)更趨合理。

概述

隨著我國高速公路建設(shè)里程的增長，隧道占新建設(shè)高速公路里程的比例越來越大。隧道在空間上呈封閉帶狀分布的結(jié)構(gòu)特征，給行車環(huán)境帶來了一系列變化，往往構(gòu)成高速公路交通事故的多發(fā)區(qū)，并且極易引發(fā)二次交通事故，引起高速公路堵塞，造成重大經(jīng)濟損失。隧道安全運營問題顯得越來越突出，隧道內(nèi)環(huán)境監(jiān)測與控制成為保證高速公路隧道安全及安全運行的重要手段。

本系統(tǒng)主要建設(shè)對隧道內(nèi)的綜合環(huán)境監(jiān)測與控制，主要實現(xiàn)以下幾個方面：

（１）通過在隧道內(nèi)安裝溫濕度傳感器、光線感應(yīng)器、以及積水監(jiān)測儀來對環(huán)境進行監(jiān)測，主要包括對有害氣體、能見度、風(fēng)速、水位、煙霧、明火、含氧量等進行實時監(jiān)測；

（２）對前端監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有異常時，自動給出報警提示，并能判斷到當(dāng)積水超*排水磊是否工作，當(dāng)發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)有害氣體超標(biāo)時，自動啟動和控制通風(fēng)系統(tǒng)進行及時換氣；

３）通過建立監(jiān)控中心，及時地掌握各個公路隧道內(nèi)的環(huán)境情況及各控制設(shè)施的運行狀態(tài)。集中化管理道路報警信息，實現(xiàn)對報警的統(tǒng)計和分析，實現(xiàn)環(huán)境異常與其它控制的設(shè)施的聯(lián)動控制。

高速公路隧道綜合環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)用于對公路隧道內(nèi)環(huán)境進行監(jiān)測，可以實現(xiàn)隧道內(nèi)的風(fēng)速、能見度、含氧量等進行實時監(jiān)測，通過將這些采集的數(shù)據(jù)進行分析和處理，能為減少交通事故的發(fā)生提供安全保障。系統(tǒng)在整體上由前端采集系統(tǒng)、通信傳輸系統(tǒng)和監(jiān)控中心系統(tǒng)三大部分組成。

本系統(tǒng)主要采集以下數(shù)據(jù)：

１、有害氣體

通過在隧道內(nèi)安裝在害氣體傳感器，一般安裝在隧道洞壁上，每隔500m安裝一只傳感器，傳感器通過ＷＳＮ網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸。

２、含氧量

通過在隧道中間安裝含氧量探測儀，實時掌握隧道內(nèi)的空氣情況，為駕駛?cè)藛T安全駕駛提供保障。

３、積水

通過在隧道內(nèi)安裝積水測試儀，及時掌握隧道內(nèi)是否由于天氣原因?qū)е滤淼纼?nèi)有嚴(yán)重積水等現(xiàn)象，通過積水探測儀與排水系統(tǒng)進行聯(lián)動控制，可實現(xiàn)當(dāng)積水超過標(biāo)準(zhǔn)時，排水系統(tǒng)自動開始啟動排水泵進行排水處理。

４、煙霧、明火

在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)會導(dǎo)致迅速的有害氣體增加，再加上汽車尾氣等，在隧道內(nèi)氣溫也會快速升溫，在短時間內(nèi)可能會造成爆炸。監(jiān)測隧道內(nèi)是否有煙霧、明火等顯得非常重要。通過煙霧傳感器報警后與消防系統(tǒng)及通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動后，可以快速地滅火處理及改善隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量。

控制

通過在隧道內(nèi)安裝光線傳感器感應(yīng)隧道內(nèi)的光照情況，根據(jù)每個位置的不同，所測量的光照度也不同，系統(tǒng)根據(jù)每個位置的能見度情況，自動調(diào)整每個照明燈的光線，從而來滿足隧道內(nèi)的光照滿足標(biāo)準(zhǔn)。

通過煙霧探測器實時監(jiān)測隧道內(nèi)是否發(fā)生火災(zāi)，當(dāng)有發(fā)現(xiàn)有火災(zāi)發(fā)生時，根據(jù)煙霧濃度自動開啟消防系統(tǒng)以及通風(fēng)系統(tǒng)，通過消防噴淋系統(tǒng)進行及時滅火；通風(fēng)系統(tǒng)會在隧道內(nèi)有害氣體濃度超標(biāo)，含氧量過少時自動開啟通風(fēng)系統(tǒng)，進行排氣換風(fēng)處理，從而來保證隧道內(nèi)的空氣能滿足要求。

數(shù)據(jù)傳輸

在隧道內(nèi)安裝傳感器，需要將采集的數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心，而隧道內(nèi)由于處于山中，沒有ＧＰＲＳ信號覆蓋，導(dǎo)致公路運行人員不能及時了解到隧道內(nèi)的環(huán)境及設(shè)備的狀態(tài)。通過在隧道內(nèi)增加ＷＳＮ節(jié)點，利用ＷＳＮ無線網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿淼蓝纯冢儆砂惭b在隧道口的傳輸設(shè)備將數(shù)據(jù)傳回到監(jiān)控中心。監(jiān)控中心就能及時了解到隧道內(nèi)的環(huán)境情況。

監(jiān)控中心

監(jiān)控中心將部署于公路運行中心，它的功能主要是由運行于后臺服務(wù)器上的隧道綜合環(huán)境監(jiān)測管理軟件來實現(xiàn)的。主要為用戶提供信息服務(wù)，實時采集隧道內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，隧道內(nèi)消防、照明等子系統(tǒng)的運行狀態(tài)等。

綜合環(huán)境監(jiān)測管理系統(tǒng)每十分鐘會采集隧道內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過對采集數(shù)據(jù)進行分析，從而可掌握到隧道內(nèi)的環(huán)境情況，為交通部門提供依據(jù)。通過系統(tǒng)可了解到隧道內(nèi)的照明系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)的運行情況及這些設(shè)施是否有損壞現(xiàn)象等。

隧道環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)測方案