高速公路隧道电控监控系统研究

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高速公路隧道的电力监控系统与隧道监控系统长期以来相互独立，造成了重复布线、可靠性低、监控困难、施工复杂的问题。设计了一种高速公路隧道电控联合监控系统，该系统由电控器、主控单元、电控综合监控系统软件三大部分组成，电控器包括照明电控器、风机电控器和消防电控器，内部由PLC模块和电力采集仪表组成，二者通过RS485通讯；主控单元包括通讯管理机和区域控制器，主控单元为双套配置，通过心跳线连接在一起；电控综合监控系统软件实现了对照明、风机以及电力的监控。隧道监控系统与电力监控系统相融合，解决了两个系统相互独立所带来的问题。高速公路隧道自2008始至今，关于电力监控与隧道监控系统（包括照明、通风、交通监控）一直存在着可以优化和创新的技术特性。优化的着眼点在电力监控的低压出线回路的监测和隧道监控PLC控制器对照明和风机的测控问题。长期以来的工程项目普遍实施的方案，均为各自独立，两个系统分别对照明和风机电气回路中的接触器接点存在重复接入的问题。随着隧道监控系统和电力系统在公路隧道上应用的越来越多，风机和照明监控与电力系统相对独立的问题也体现的越来越突出，也越来越引起了大家的重视。本文研发设计了一种高速公路隧道电控联合监控系统，利用现阶段已有的新技术和新产品，对现有的风机和照明监控思路及系统重新进行分析设计，在保证安全可靠的基础上，使公路隧道监控系统的结构更加清晰，解决风机和照明监控的多头管理、设备重复配置而导致的可靠性低、重复布线、施工复杂等问题。

1系统总体设计方案

如图1所示，本系统由电控器、主控单元、电控综合监控系统软件组成。电控器内部是由自己研发的PLC模块和电力采集仪表组成，可以对隧道内的照明、风机等进行控制，同时也可以通过电力采集仪表采集电力参数。主控单元包括通讯管理机和区域控制器，区域控制器也是自己研发的具有PLC功能的模块，主要用来控制隧道内交通信号灯、车道指示器、可变情报板、洞内照度仪，同时也会采集隧道内的传感器信息，例如CO/VI检测器、TW检测器、火灾探测器等，将这些信息通过以太网上传至主控单元，主控单元会根据这些信息对照明电控器、风机电控器和消防电控器进行控制。且主控单元为双套配置，通过心跳线连接在一起，具有完全冗余配置的功能，电控综合监控系统为同一后台操作，无需设立多个工作站便可实现对照明、风机以及电力的监控，运营维护人员只需时刻关注一台工作站即可，降低运营维护成本。该系统将隧道监控系统与电力监控系统相融合，解决了二者相互独立所带来的问题。

2硬件系统设计

2.1电控器

电控器内部结构如图2所示，包括PLC和电力采集仪表，二者通过RS485进行通讯。左半部分为研发的PLC模块，包括STM32F103主控芯片、数字量输入输出、模拟量输入输出、支持Modbus/Profinet协议、RS485通讯接口、RS232通讯接口、支持Modbus-RTU指令、1路隔离CAN通讯口、1路隔离K通讯口、以太网接口、程序下载接口、指示灯、带后备电池的RTC时钟、扩展接口；右半部分为电力采集仪表，包括进线端子、出线端子、LCD液晶显示屏、RS485通讯接口。

2.2主控单元

主控单元内部结构如图3所示，包括通讯管理机和区域控制器两部分。通讯管理机包括独立的以太网接口、RS485通讯接口、1路带隔离的CAN接口、开合控制接口。区域控制器与电控器的PLC部分相同，包括PLC的数字量输出、数字量输入、模拟量输出、模拟量输入、以太网通讯接口、RS485通讯接口，通讯管理机与区域控制器通过以太网相连。主控单元具有完全冗余配置的功能，即CPU、电源模块、通信模块等均是双套配置，两套设备互相独立，不共用任何部件，提高以往区域控制器仅做CPU、电源模块冗余配置的可靠性。

3软件系统设计

3.1程序逻辑

由监控工作站下发指令给主控单元，主控单元接收并解析指令后将指令下发至电控器，电控器解析收到的指令后，对照明、风机、消防等设备进行控制；区域控制器对隧道内数字量和模拟量输入输出接口进行采样，将采样结果打包发送至主控单元，再由主控单元上传至监控工作站。程序运行逻辑如图4所示。

3.2人机界面设计

（1）电控综合监控系统软件主界面如图5所示，可以实现对照明、风机、电力监控、主控单元和电控器的命令下发与监控功能。（2）主控单元界面可以将隧道监控系统的控制管理权下放，并显示授权信息。此外因为主控单元实现完全的冗余配置，在任一台装置的任何一个部分出现故障时，工作人员可以将冗余的备用主控单元能够迅速切换为主用单元，不影响系统的正常使用。主控单元界面如图6所示。本系统将电力监控系统与隧道监控系统有效融合在一起，使得系统同一触点不需重复接入，保证了检修人员的人身安全，对于照明、风机以及消防水泵等重要负荷的开关触点位置不需重复接入，系统指令下达具有唯一性，使系统在下发操作指令时不冲突，保证了运营人员的人身安全。且此电控制联合控制系统为同一后台操作，降低了运营维护的成本。通过本研究课题的应用和推广，可以带动国产PLC在公路行业的应用，促进国内相关行业的技术进步与发展。

作者：简明 刘志远 单位：广西荔玉高速公路有限公司