1  引言
    隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，通暢高效的交通系統(tǒng)成為經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展的基本需求，從而高速公路亦得以蓬勃發(fā)展。作為高速公路路段中相對事故率較高的隧道區(qū)域，為保證行車安全，提高行車效率，通常在長隧道或特長隧道內(nèi)設(shè)置隧道監(jiān)控系統(tǒng)，集中監(jiān)控隧道內(nèi)通風(fēng)、照明以及行車情況，在必要時候發(fā)布誘導(dǎo)和指導(dǎo)性信息。而隧道內(nèi)通風(fēng)、照明、以及交通誘導(dǎo)設(shè)備均分散于整個隧道區(qū)域，因此集成隧道內(nèi)各要素信息，方便隧道監(jiān)控人員的集中監(jiān)控與管理，成為隧道監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置的主要目的。

2  隧道監(jiān)控系統(tǒng)的主要內(nèi)容和控制要求
    保證隧道行車的通暢、安全，根本上說就是要求保證一個良好的行車環(huán)境，以及必要時候能夠?qū)νㄐ械能囕v做出合理的誘導(dǎo)。故通常在長隧道或特長隧道內(nèi)設(shè)置一定保證環(huán)境和便于交通誘導(dǎo)的機(jī)電設(shè)施，按功能劃分可分為交通檢測與誘導(dǎo)設(shè)施、通風(fēng)檢測與控制設(shè)施和照明檢測與控制設(shè)施，相應(yīng)為控制這些設(shè)施，使其服務(wù)于隧道行車，分別設(shè)置交通檢測控制系統(tǒng)，通風(fēng)檢測控制系統(tǒng)，和照明檢測控制系統(tǒng)。
2.1 交通檢測控制系統(tǒng)
    交通導(dǎo)控制系統(tǒng)主要作用在于控制交通誘導(dǎo)設(shè)施，如車道指示器，交通信號燈，可變情報(bào)板，可變限速標(biāo)志等，用來誘導(dǎo)隧道內(nèi)車輛行駛在單一車道上，通過可變情報(bào)板上面發(fā)布相關(guān)行車信息，通過可變限速標(biāo)志設(shè)定隧道車輛的通行速度，并在必要時候（如，隧道內(nèi)塞車、能見度值過低、一氧化碳含量太高等等）封閉隧道。車道指示器、交通信號燈顯示信息通過PLC程序控制輸出繼電器來控制，可變情報(bào)板和可變限速標(biāo)志的顯示值通過PLC的串行通訊接口輸出來控制改變。此外，對于隧道內(nèi)設(shè)置的車輛通行情況檢測器（即車輛監(jiān)測器，可以檢測車速，車流量，車道占有率等等參數(shù)）檢測的隧道車輛通行數(shù)據(jù)，同樣由PLC擴(kuò)展串行通訊接口編程獲取，存于PLC內(nèi)存儲器中。
2.2 通風(fēng)檢測控制系統(tǒng)
    為監(jiān)控隧道內(nèi)行車環(huán)境，隧道內(nèi)設(shè)置有風(fēng)速儀、一氧化碳和能見度檢測儀。通風(fēng)控制系統(tǒng)即在實(shí)時檢測這些環(huán)境參數(shù)的基礎(chǔ)上，控制隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)的開啟，以使各項(xiàng)空氣指標(biāo)符合安全行車標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到既保障安全行車、同時節(jié)約能源的目的。各空氣指標(biāo)數(shù)據(jù)由PLC模擬量輸入模塊采集，風(fēng)機(jī)的啟停通過PLC的開關(guān)量輸出模塊程序控制中間繼電器實(shí)現(xiàn)控制。
2.3 照明檢測控制系統(tǒng)
    照明檢測控制系統(tǒng)的目標(biāo)是在不斷監(jiān)測隧道洞外、隧道洞內(nèi)光照度的前提下，調(diào)節(jié)隧道進(jìn)出洞口加強(qiáng)段等照明回路，達(dá)到合適的隧道內(nèi)光照度。避免使車輛駕駛員白天進(jìn)入隧道和夜間離開隧道產(chǎn)生“黑洞效應(yīng)”；避免使車輛駕駛員白天離開隧道和夜間進(jìn)入隧道產(chǎn)生“眩光效應(yīng)”（或稱“白洞效應(yīng)”），讓駕駛員輕松適應(yīng)進(jìn)出隧道的光照度變化，減少交通事故，同時考慮節(jié)約能源。光照度等參數(shù)的采集由PLC模擬量輸入模塊完成，照明回路的控制則由PLC程序控制輸出繼電器來實(shí)現(xiàn)。

3  系統(tǒng)構(gòu)成
    高速公路隧道區(qū)域作為一個相對封閉區(qū)域，通風(fēng)不暢，汽車尾氣沉積，油污污染，高低壓線纜布線的空間限制導(dǎo)致電磁干擾等等因素，使其成為一個非常惡劣的電氣環(huán)境，對應(yīng)用的電氣設(shè)備的適應(yīng)性提出很高的要求；而且隧道距離長，設(shè)備布設(shè)分散，也為監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建造成一定難度。
SIEMENS S7-300是模塊化的中小型PLC系統(tǒng)，其大范圍的各種功能模塊可以非常好的滿足和適應(yīng)自動控制任務(wù)，簡單實(shí)用的模塊化和分散式結(jié)構(gòu)使得其應(yīng)用十分靈活，當(dāng)控制任務(wù)增加時，可自由擴(kuò)展。高電磁兼容性和強(qiáng)抗振動、抗沖擊性使得其具有很高的工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性。并且基于以SIEMENS公司為主開發(fā)的PROFIBUS現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，S7-300 PLC還具有組網(wǎng)便捷的優(yōu)勢。易于實(shí)現(xiàn)分布，易于用戶掌握，易于組建分布式現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn)使得S7-300成為各種中小規(guī)模控制任務(wù)的方便又經(jīng)濟(jì)的解決方案。
鑒于以上原因，S7-300系列大量應(yīng)用于隧道監(jiān)控系統(tǒng)中，作為監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場區(qū)域控制機(jī)的核心部件。
3.1  PLC配置設(shè)計(jì)
    根據(jù)隧道長度，設(shè)備分布情況，以長1000米、2個行車道的隧道為例，隧道內(nèi)每間隔250米設(shè)車道指示器（正反面各有紅叉綠箭頭）2套（2車道），隧道進(jìn)洞口各設(shè)可變情報(bào)板、可變限速標(biāo)志和交通信號燈各1套，每個隧道洞內(nèi)設(shè)一氧化碳和能見度檢測儀（VICO），光照度儀（LO），風(fēng)速儀（TW）各2套，車輛檢測器各4套，通風(fēng)風(fēng)機(jī)4組（1組為2臺風(fēng)機(jī)）。另外隧道供配電系統(tǒng)為隧道兩頭設(shè)變電所，從兩端分別對隧道供電，故照明回路的電力供應(yīng)分別從兩端變電所供出，在兩個變電所內(nèi)分別設(shè)照明區(qū)域控制機(jī)1套，控制照明回路數(shù)為19路。據(jù)此統(tǒng)計(jì)隧道進(jìn)口端的區(qū)域控制機(jī)（簡稱RTU1/RUT4）的配置（略）；隧道出口端的區(qū)域控制機(jī)（簡稱RTU2/RUT5）的配置點(diǎn)數(shù)（略）；變電所內(nèi)的照明區(qū)域控制機(jī)（簡稱RTU3/RUT6）的配置點(diǎn)數(shù)（略）。
    考慮系統(tǒng)的完整性、可操作性及點(diǎn)數(shù)冗余量，各區(qū)域控制機(jī)PLC系統(tǒng)硬件配置如圖1、2、3所示。

 圖1  RTU1/RTU4硬件系統(tǒng)構(gòu)成圖

圖2  RTU2/RTU5硬件系統(tǒng)構(gòu)成圖

 圖3  RTU3/RTU6硬件系統(tǒng)構(gòu)成圖

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3.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置設(shè)計(jì)
    PROFIBUS是國際性的開放式的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，即EN50 170歐洲標(biāo)準(zhǔn)；且現(xiàn)已成為IEEE國際標(biāo)準(zhǔn)和中國國家GB標(biāo)準(zhǔn)，具有傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)、可靠性高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。鑒于隧道電磁環(huán)境的現(xiàn)狀，系統(tǒng)采用抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離大的光纖接口PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)。即每個區(qū)域控制器上設(shè)置PROFIBUS現(xiàn)場總線光纜OLM模塊構(gòu)筑整個系統(tǒng)的冗余環(huán)形光纜總線，為現(xiàn)場區(qū)域控制機(jī)之間，以及區(qū)域控制機(jī)與上位控制管理系統(tǒng)之間構(gòu)筑了一個高可靠性的數(shù)據(jù)高速公路，即使在火災(zāi)、災(zāi)難、鼠害等極端情況下，也可保證整個系統(tǒng)的完整性和可靠性。PROFIBUS光纖冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見示意圖4所示。

圖4  PROFIBUS冗余環(huán)形光纖總線

4  程序設(shè)計(jì)
4.1 設(shè)計(jì)思路
    本程序采用SIEMENS STEP 7作為編程軟件。根據(jù)各區(qū)域控制機(jī)所連接設(shè)備以及相應(yīng)設(shè)備的工作方式特點(diǎn)，采用模塊化編程的程序設(shè)計(jì)方法。各區(qū)域控制機(jī)內(nèi)PLC程序框架如圖5所示。設(shè)計(jì)過程如下：

圖5  程序框架圖

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    （1）首先將項(xiàng)目劃分為若干子任務(wù)。每一個子任務(wù)在程序中對應(yīng)一個功能塊（FB）或功能（FC）。功能塊含有某個系統(tǒng)的一些設(shè)備和任務(wù)的邏輯指令，相當(dāng)于一個子程序。由組織塊（OB1）中的指令控制這些功能快的執(zhí)行。
    （2）規(guī)范并設(shè)定各輸入/輸出量，確定其類型和地址。為方便程序的編寫和調(diào)試，增加程序的可讀性。這里使用符號地址編程，即在程序中以符號名識別專門的絕對地址。程序中所有的變量、塊和數(shù)據(jù)類型等都可以使用符號。符號名可以是不超過24個字符的字串，可以有80個字符的符號說明。其中輸入/輸出地址均采用符號地址，而其他地址則視情況選擇使用，以避免符號過多。輸入/輸出符號地址表如表1所示。

表1  建立符號地址表

    （3）建立可讀/寫的全局?jǐn)?shù)據(jù)塊（DB），用于保存全局使用的數(shù)據(jù)。其中，DB1用于保存與上位機(jī)交互的數(shù)據(jù)，DB2用于區(qū)域控制機(jī)之間的交互數(shù)據(jù)，等等。程序中每一個FC或FB或OB都可以讀寫一個全局共享數(shù)據(jù)塊DB。
    （4）為各程序模塊分配中間變量，定時器以及計(jì)數(shù)器等資源。
    （5）根據(jù)風(fēng)機(jī)、照明回路、車道指示器等設(shè)備的工作方式，確定各輸出信號與輸入信號的邏輯關(guān)系，并轉(zhuǎn)化成梯形圖實(shí)現(xiàn)。
    （6）根據(jù)可變情報(bào)板、可變限速標(biāo)志、車輛檢測器設(shè)備的通訊協(xié)議，通過串行通訊模塊CP340，采用ASCII通訊方式編寫通訊代碼，發(fā)送符合協(xié)議的指令信息幀，查詢或發(fā)布信息，從設(shè)備會傳的信息幀中提取有效數(shù)據(jù)，并定期檢查通訊狀態(tài)。
    （7）編寫PLC之間的數(shù)據(jù)交換程序模塊，確定需要交互的數(shù)據(jù)，分配此數(shù)據(jù)的存儲空間，并定期刷新。
    （8）編制、調(diào)試、連接所要求控制任務(wù)的各部分功能（塊）。
    （9）規(guī)劃從組織塊OB1中調(diào)用各部分功能（塊）的程序執(zhí)行功能。
    （10）現(xiàn)場安裝接線各外部輸入/輸出點(diǎn)，整定、調(diào)試程序，試運(yùn)行，運(yùn)行。
4.2 注意事項(xiàng)
    （1）在硬件配置中設(shè)置CPU參數(shù)，主要包括啟動特點(diǎn)、性能、循環(huán)中斷、診斷/時鐘、保護(hù)等。
    （2）通過硬件組態(tài)工具設(shè)置模擬量模塊的參數(shù)。本配置中，風(fēng)速儀、照度儀、VICO檢測儀均為4線制4～20mA輸入信號，如果系統(tǒng)包括車道指示器的電流變送器，則為2線制4～20mA輸入信號。
    （3）在硬件配置中設(shè)定各區(qū)域機(jī)中PLC的PROFIBUS地址和MPI地址，確認(rèn)各站具有唯一的地址。在需要交互數(shù)據(jù)的站與站之間建立數(shù)據(jù)連接，并將各站與上位機(jī)之間均建立連接，本配置中，站與站之間建立FDL連接（相對快速的連接），站與上位機(jī)之間建立S7連接（SIEMENS公司自主PROFIBUS應(yīng)用層協(xié)議，適用于S7 300系列PLC與上位軟件之間的信息交換）。
    （4）在用戶程序使用之前，符號必須在符號表下建立，并且用戶程序的符號必須唯一。也就是說，一個符號或地址在符號表中只能出現(xiàn)一次。
    （5）除OB1以外操作系統(tǒng)還可以調(diào)用其他的組織塊以響應(yīng)某些事件。在本程序中，通過定時循環(huán)中斷OB35設(shè)定每隔5秒采樣一次風(fēng)速、照度、COVI等模擬量數(shù)據(jù)。OB35根據(jù)程序設(shè)定的時間間隔反復(fù)執(zhí)行，時間間隔在CPU模塊參數(shù)中設(shè)定。
    （6）確定各部分狀態(tài)的先后次序及連鎖關(guān)系，使各動作間嚴(yán)格確保相互約束和定時關(guān)系，以提高程序的可靠性。
    （7）靈活運(yùn)用各邏輯指令，完成各部分功能的同時力求程序簡潔。

5  結(jié)束語
    高速公路的隧道監(jiān)控工程是一個系統(tǒng)工程，構(gòu)成復(fù)雜、數(shù)據(jù)采集量大，控制站點(diǎn)多，設(shè)備分布分散，而且隧道環(huán)境惡劣，系統(tǒng)可靠性要求高。既需要從車輛檢測器以串行通訊方式獲取大量交通數(shù)據(jù)，同時也需要以串行通訊方式向可變情報(bào)板發(fā)送大量信息，另外還要完成對風(fēng)速、VICO、照度的模擬量的采集以及照明回路、車道燈等開關(guān)量信號的檢測與連鎖控制。通過采用PLC可編程序控制器，實(shí)現(xiàn)了所有數(shù)據(jù)采集發(fā)布以及控制功能，并提供優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，整個系統(tǒng)性能優(yōu)良。