PLC联网群控技术的开发与应用－隧道交通监控系统 - 潘学礼工控博客工控论坛

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发表人：偶尔路过

发表时间：2009/6/28 19:53:00

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本栏论题：

PLC联网群控技术的开发与应用－隧道交通监控系统 [5703]

    [摘要]主要介绍川东高速公路(广-邻)华蓥山隧道PLC交通监控系统的构成、作用和应用效果。
    [关键词]可编程控制器(PLC) PLC本地测控终端Modbus
    Plus(MB+)网络
    一、引言
    　　近年来出现的利用PLC网络技术来实现分布式采样已成为一种共识，即在被控点附近设置采样单元一套，就近完成被控点的状态采样和控制输出，各采样单元间通过工业控制网络相连构成监控系统的下位机系统。该网络可根据用户需求构成冗余网络，在技术上充分满足了现场采样的需求。在监控系统的上位机，采用图形化的监控终端来完成受控设备的集中控制、数据分析、统一调度和管理。在上位机与下位机之间的通讯，可选择工业控制网以构成当地监控系统，或选择电话通讯线路等以构成远程监控系统。而PLC在网络技术及系统控制领域中也具有相当的优势，就国外各大公司而言，Schneider、AB、GE公司等已把PLC联网动手术应用于许多大型的工程项目中，做最底层的控制、联锁、通讯。
    　　在高速公路隧道交通监控系统中，随着自动化监控系统功能要求的不断提高，要求综合自动化控制技术的不断改善和提高。由于隧道的长度和交通控制的复杂度增加，在发生交通事故后，隧道的交通控制应依据交通现场的情况而控制，中央控制室上位机对现场的情况有时不能及时了解，因此需要通过隧道内的下位机PLC控制单元直接对整个交通监控系统进行直接控制。而一般隧道监控系统中的PLC下位机系统只是一个执行机构，响应上位机系统的操作或只对PLC本单元的操作，不可能实现对整个隧道交通进行控制；并且在一般的隧道交通监控系统中PLC的自动化控制功能没有完全发挥出来，也没有将工业控制网络的高速传输性能充分发挥出来。这种隧道交通监控系统在很多情况下不能满足隧道内现场交通控制的要求。而采用PLC联网群控技术可解决这一问题。
    　　隧道交通监控系统PLC联网群控技术是指利用集成方法，将智能型计算机技术、高性能的网络通信技术、信息处理技术、综合自动化控制技术与交通控制有机结合，通过对隧道附近的交通状况、交通设备的监视、谐调、自动控制各种交通控制设备的一种隧道交通监控技术，在这种隧道交通监控系统中，各下位机PLC本地测控终端都配备有本地人机操作界面，以便通过本地测控终端对整个隧道交通进行监视并控制，改善隧道内交通状态。这种隧道交通监控系统能对隧道附近区域的效能状况实施监控，预防并及时感知和排除隧道内的各种交通事故，以保证高速公路上隧道内外的交通安全和畅通。

    二、系统概述
    　　华蓥山隧道位于四川省广安市境内的广安至邻水的高速公路上。华蓥山隧道全长4706米，是中国现已开通的最长的一条双洞双车道的高速公路隧道。广邻高速公路华蓥山隧道交通监控系统是对广邻高速公路上的华蓥山隧道及其附近区域的运营状况实施监控，预防并及时感知和排除隧道内的各种交通事故，以保证高速公路上的行车安全和畅通。系统主要是对交通参数进行检测和统计及监视交通状况，并对隧道的各种交通设施进行集中监控和管理。
    　　华蓥山隧道交通监控系统是利用PLC工业控制技术和网络通讯技术，以实现变隧道交通监控系统的综合控制系统。本系统分为下位机与上位机两个部分，其中：下位机采用Schneider公司的Campact系列的PLC产品，并采用该公司的Concept2.2下位机编程组态软件进行系统开发，该软件支持梯形图、功能块图，结构化文本语言等多编程语言进行系统开发。而上位机则配备工业控制用主机、网卡等相关设备，做为图形化监视控制终端，在WINDOWS　2000做软件环境下，采用VC＋＋编程软件，自行开发监控软件，用于实现隧道内外所有设备的统一监控。下位机PLC本地测控终端系统由工业控制ModBus Plus（MB＋）网络协议组成本地控制网，通过交换机软件以太网与中心监控系统（上位机）相连，交通监控系统通过中心监控系统的控制计算机或各PLC单元自带的MAGELIS（人机界面）操作系统，对整个隧道的交通状况及各种交通设备进行全面的监视、谐调、控制。
    　　隧道交通监控系统下位机PLC控制器自带有两个RS232串口，一个用于联接MAGELIS（人机操作界面），另一个作为预留，可用于下位机程序的编制下载、调试和系统维护；一个MODBUS　PLUS网络通讯口，用于与整个交通监控系统的本地工业控制（MB＋）网络相连。操作员可在上位机图形监控终端或通过本地MAGELIS（人机操作界面）对整个隧道的交通诱导设备等进行监控与控制管理。

    三、方案比选
    　　结合华蓥山隧道工程现场运行的方便，我们提出如下三个交通监控系统方案以供比选：
    　　方案(一)：利用PLC网络技术来实现分布式采样，即在被控点附近设置采样单元一套，就近完成被控点的状态采样和控制输出，主要为响就控制信号输出和信息采集，各采样单元间通过工业控制网络相连构成监控系统的下位机系统。另设图形化监控终端一套构成监控系统的上位机，通过工业控制网络通讯，控制各采样单元之间控制信号；实现对隧道内设备、交通状况的监控。
    　　方案(二)：利用PLC网络技术来实现分布式，即在被控点附近设置采样单元一套，就近完成被控点的状态采样和控制输出，并完成该采样单元内部各控制信号的互锁；各采样单元间通过工业控制网络相连构成监控系统的下位机系统。另设图形化监控终端一套构成监控系统的上位机，通过工业控制网络通讯，谐调并控制各采样单元之间控制信号；实现对隧道内设备、交通状况的监控。
    　　方案(三)：利用PLC网络技术来实现分布式采样，即在被控点附近设置采样单元一套，就近完成被控点的状态采样和控制输出，并完成该采样单元内部各控制信号的互锁；并增加各采样单元间的通讯功能，即在各采样单元之间，通过工业控制网络通讯，进行相互谐调、控制；各采样单元组成下位机系统。另外，设图形化监控终端一套构成监控系统的上位机，通过工业控制网络通讯，谐调并控制各采样单元之间控制信号；实现对隧道内设备、交通状况的监控。
    　　以上三个方案中，方案(一)仅仅只是利用PLC网络技术来实现分布式采样，再将各PLC控制单元通过工业控制网与图形上位机系统联接，完成信号的采集，传送、处理。这样的系统下，不能实现整个隧道的群控。
    　　方案(二)在方案(一)的基础上，增加了上位机对下位机各PLC控制单元的谐调功能，也即具有群控功能，但PLC的功能及高速MB+网络的通讯功能没有完全发挥出来。并且可编程控制器性能也没有充分发挥出来。
    　　方案(三)在方案(二)的基础上，充分利用高速的工业控制网（MB＋网）通讯技术及PLC的自动化控制性能，增加了各采样单元间的通讯功能，即使下位机各PLC控制单元之间能相互谐调控制（也就是所说的群控）。这样不但充分发挥可编程控制器高性能的自动化控制优势，而且发挥出了工业控制网（MB+网）的高速通讯性能，使得隧道监控系统自动化程度更高，稳定性更好；这样的采用群控技术的隧道交通监控系统特别适应当今要求越来越高的高速公路综合自动化交通控制系统的需求。

    四、系统配置
    　　整个华蓥山隧道交通监控系统如下图。





    　　华蓥山隧道交通监控系统方案，技术指标要求及隧道的具体情况，经设备比选，我们最终选定了Schneider公司的Compact系列PLC产品来构成系统的下位机。该PLC的特点是：以性能可靠、稳定而著称的专为基础设计生产的PLC系列。作为同行业中在价格和性能方面的佼佼者，该系列PLC具有简单、结实的特点；特别适应于室外、隧道内等恶劣环境下的自动化控制；同时又针对行业的发展趋势增加了很新的特点。该系列PLC具有兼容性好，处理速度快，具有可擦写的存储器，完整的I/O选项，具有远程I/O能力；具有无与伦比的网络连接能力，特别是应用于MODBUS　PLUS网络的站间通讯（Peer Cop）技术，其快速、准确、可靠的性能充分满足群控功能要求。同时其具有强大的编程功能，PLC组态软件Concept2.2支持梯形图（LD）、功能块图（FBD）、结构化文本（ST）等多PLC编程语言，保证了系统的各类控制功能的需求。
    　　在华蓥山隧道交通监控系统中，我们所需监控的数据包括以下三类，离散量输入（DI），包括开关的位置状态，操动机构状态，故障状态等；离散量输出（DO），如开关的分、合闸控制；模拟量输入（AI），指CO、VI（能见度）等测量值。以华蓥山隧道群控系统交通监控系统的一个PLC本地交通测控分站为例，其内所需的采样点容量大致如下：





    　　在模块构成上，我们所选用的各模块规格及技术指标如下：





    　　隧道交通监控系统要地工业控制网：我们选用了法国施耐德公司的MODBUS　PLUS工业控制网络，传输媒体为多模光纤。我们采用MODBUS　PLUS是对等的光纤令牌网，其通讯速率达1兆字节，最大通讯距离可达13公里。
    　　交通监控系统的上位机，即中央监控交通监控系统，我们选用工业控制机和WINDOWS　2000做为基础的硬件平台和软件平台，以构成图形化的监控终端，该终端通过网卡或远程通信线路与下位机进行数据传输，同时用VC＋＋编程软件进行系统开发，其内部设置了动态实时数据库、历史记录数据库、监控对象数据库等多种关系型数据库。在系统的上位机，即中央监控系统，我们选用工业控制机和WINDOWS　2000做为基础的硬件平台和软件平台，以构成图形化的监控终端，该终端通过网卡或远程通信线路与下位机进行数据传输，同时用VC＋＋编程软件进行系统开发，在系统内部设置了动态实时数据库、历史记录数据库、监控对象数据库等多种关系型数据库。

    五、系统功能
    信息采集
    　　该功能主要由下位机来完成，各PLC采样单元通过扫描来采集交通控制柜内各AI、DI点所连接的设备(如车道指示器、交通信号灯、可变情报板等)当前所处的状态和各类报警信息，其采样扫描周期小于10ms。
    编码传输
    　　用于将下位机系统所采集到各类信息进行编码并经通讯网络传至上位机系统和MAGELIS（本地测控终端人机操作界面）操作系统，以供进一步处理。
    设备控制
    　　该功能是上位机系统或由PLC控制单元的MAGELIS（人机操作界面）操作系统根据隧道内外的交通状况、天气状况而对隧道内各交通控制设备进行远程谐调控制，经网络传送到下位机；由下位机系统负责执行各种操作命令并采集命令执行期间的操作信息返回给上位机系统或本PLC控制单元的MAGELIS操作系统。其控制方式有单个对象控制和模式控制两种，采用选择、确认、执行三步来操作，当操作被禁止时，系统将给出提示信息提醒操作员注意。值得一提的是，在华蓥山隧道监控系统中，各下位机PLC控制单元能根据隧道内的交通状况而对整个系统进行控制。当某一PLC控制单元在进行控制时，其它PLC控制单元能监测到，并作出相应的处理，同时显示具体哪个PLC控制单元在进行控制，提示操作员工注意本PLC控制单元的操作。
    状态监视
    　　在上位机系统的显示器上开窗口以图形化的显示出隧道内所有交通控制设备的状态及隧道内交通状况的画面。以实时监视隧道内各交通控制设备的当前状态、当前隧道内的交通状况。MAGELIS（人机操作界面）也可用于隧道内本交通、照明、通风控制单元所控制设备当前状态的监视。
    故障报警
    在系统检测到故障信息后立即弹出故障窗口，以闪烁的方式显示出相应的故障信息、故障点和故障时间；同时，自动将该故障信息存入故障信息数据库。
    文档生成
    　　该功能用于对系统内各项信息进行归纳、分析和整理，并生成所需的各项报表，如操作记录，报警记录，是报、月报和年报等。
    数据统计与分析
    该功能用于将系统内测量的模拟信息记录到模拟量历史数据库中，同时可根据用户的需要，将记录在数据库中的数据信息进行统计与分析，以生成实时趋势图和历史趋势图。

    六、技术特征
    　　利用PLC实现隧道交通监控系统的主要特征如下：
    ·分布式的采样单元实现数据的就近采样。
    ·信息的自动采集和逻辑编程控制输出，可实现系统的动态实时监控。
    ·网络间的数据传输用于实现设备的联动联锁控制，极大的简化了上位机的控制操作，方便隧道内本地操作。
    ·各PLC测控终端配上MAGELIS（人机界面）操作系统，可监视系统的状态，并在必要的情况下可对整个系统进行控制。
    ·PLC测控终端模块化，体积小，重量轻，工作安全可靠，并具有在线自检和程序掉电保护功能。高可靠性、模块化设计、网络式结构、自检功能、软件编程及自动化程度高、版本易升级等优点。
    ·施耐德公司的可编程控制器Compact系列，具有高可靠性、稳定性及无与伦比的网络连接能力，特别适应于室外、隧道内等恶劣环境下的自动化控制。
    ·冗余的工业控制光纤环网（MB＋网）可保证数据的可靠和有效传输。
    ·图形监控终端用于实现图形化、数字化的集中监控，并可根据用户需求自动生成各类报表。
    ·内置的RS232通讯口可用于现场的编程、调试和维护。

    七、主要技术指标
    ·远程命令传送时间≤2.5秒
    ·远程信息变位传关时间≤2.5秒
    ·远程控制正确率≥99.9%(不允许误动)
    ·远程信息响应正确率≥99.9%
    ·防护等级：IP55
    ·工作温度：0~60℃
    ·存储温度：－40~＋85℃（IEC68－2－14）
    ·相对湿度：0%~95% 　不凝露
    ·海拔高度：0~4500