【摘要】提出了利用组态软件和PLC来实现一个高速公路隧道监控系统，对隧道监控系统中的交通系统、通风系统、照明系统等进行了详细的研究与设计，实现了实时数据显示、设备监控、异常情况报警、历史数据查询等功能。并针对隧道可能处于的正常、特殊、火灾等情况，采取相应的预案进行分析和处理。该研究成果已经投入工程运行，经多次验证，收到良好的效果，对今后隧道监控系统的研究和实现具有一定的参考价值。
【关键词】隧道监控；组态软件；PLC
1.引言
近年来，随着我国经济的高速发展，高速公路及公路隧道建设的力度不断加大。由于隧道内车流量大、光线不充足、空气质量较差等特点，与一般路段相比发生交通事故及火灾等情况的几率要高很多，隧道内的通车安全就日益成为隧道建设的一个重要新课题。因此，对于高速公路隧道来说，建立隧道监控系统来解决因事故而产生的交通问题，减少污染，增强隧道的通行能力，保证隧道的安全营运具有非常重要的意义。
高速公路隧道监控系统的主要设计目标如下：
（1）保证隧道设备的安全运行，确保隧道行车安全、流畅；
（2）全面掌握隧道内各种设备的运行状态，并对其进行合理的控制；
（3）对隧道的各种环境参数进行实时监测，并反馈到上位机；
（4）及时发现火灾及交通事故并迅速处理，把事故造成的损失降到最低；
（5）对隧道交通、照明、通风等根据不同因素和条件进行预案控制。
2.系统结构
高速公路隧道监控系统主要是监视隧道各种设备的状况并对其进行合理控制，以及对隧道各参数（光照度、CO值、能见度、风速、风向等）进行检测和统计，以保证高速公路的行车安全和畅通。根据隧道系统各个部分控制的对象不同，隧道监控系统主要分为交通监控系统、照明监控系统、通风监控系统、闭路电视系统、火灾消防系统、紧急电话系统等。
隧道监控系统一般采用分布式控制模式，监控中心对现场设施不直接进行控制，而是由现场的区域控制器进行控制。分布式控制模式的网络结构一般分为3个层次：上层为监控中心的计算机系统，中间是由各PLC组成的控制层，下层为各种检测和控制设备组成的设备层。
隧道控制系统结构图如图2-1。
本系统上位机采用北京三维力控公司的力控Forcecontrol 6.1组态软件，下位机的区域控制器采用honeywell高性能可编程控制器（PLC），负责管理和控制相关区域的现场设备。上下位之间采用工业以太网通信。
3.系统功能
3.1 组态软件功能
系统采用组态软件来完成整个隧道的监控界面。主要负责从区域控制器收集检测信息，并对信息进行处理；对交通信号灯、车道指示器、照明设备、风机、防火门等设备进行合理控制，其中对设备的控制命令可以是监控人员手动发出的，也可以是系统根据预案自动发出的；动态显示交通状况和各种设备运行状态；对超出上限值的模拟量进行实时报警；可进行历史数据查询、报表打印等。
3.2 区域控制器功能
隧道区域控制器主要对隧道内的信息进行采集及控制，其主要功能为：
（1）收集本区段管辖的检测设备的检测信息。
（2）对收集的信息进行预处理，将存储单元中处理的信息上传给监控中心的上位机。
（3）接收上位机的各种控制命令，发给执行设备。
（4）当与上位机的通讯中断时，所有采集的信息存储在PLC中；通讯恢复后将存储在本地PLC中的信息上传至上位机。
4.监控系统软件设计
4.1 上位机软件设计
基于力控Forcecontrol 6.1组态软件的高速公路隧道监控系统上位的设计，首先要在力控工程管理器建立一个新的工程，通过标准MODBUS（TCP）协议建立相应的IO设备，并输入IP地址，以便和下位机的通讯，在数据库组态中建立组态点，并与IO设备进行链接。接下来还需要创建窗口、报表曲线、报警事件、用户管理等步骤。
监控主界面能够显示隧道内各种设备的安装位置，同时可以在静态画面中动态地显示环境检测值（车辆检测值、风速风向检测值、CO/VI检测值、光照度检测值、消防水泵等）以及各种设备的运行状况。当设备出现故障时，系统利用不同颜色来显示不同级别的报警状态，同时发出声音报警，以引起监控人员的注意。
4.1.1 交通监控系统
交通监控系统主要由交通监控工作站、车辆检测器、交通信号灯、车道指示器、紧急出口标志等设备组成，为隧道内行车的安全与畅通提供有力的保证。图4-1为交通监控系统界面。
（1）交通信号灯
交通信号灯采用红、绿、黄、转向四色显示灯，指示驾驶员按当时的运营状态正确行车。
（2）车道指示器
车道指示标志是双面显示，采用转向“←”、红“×”和绿“↓”表示，一般设置于洞口处和隧道内，用于指示隧道内每一车道或某一段车道是开放或关闭状态，指示车辆严格按车道状态正确行驶。
根据隧道可能发生的事件，系统提供了以下交通监控系统预案管理：
（1）正常情况下，隧道内所有车道全部通行；
（2）维修、事故等情况下，关闭单洞，另一洞改为双向行车模式；
（3）维修、事故等情况下，关闭隧道某一车道；
（4）管理、维修、事故等情况下，关闭单洞隧道某一路段，车辆需转向通过横洞进入另一洞通行，此时另一洞需改为双向通行；
（5）火灾情况下，关闭双洞。
4.1.2 通风监控系统
本系统由风机、CO/VI检测器和风速/风向检测器构成。计算机根据CO浓度、隧道能见度和隧道内的风速风向等因素合理开启相应的风机，为隧道创造良好的通风条件。
本监控软件静态的显示了风机在隧道中所处的位置，以及动态的显示了风机的运行状况。监控系统对射流风机的自动控制是把处在一个断面上的两台风机作为一组分别进行控制。风机叶片顺时针转表示风机正转，逆时针转表示风机反转，叶片不转动则表示风机停止运行。在监控界面上点击风机控制按钮，进入风机手动控制界面，用户根据不同情况点击正转/反转/停止状态按钮进行操作。
每台风机启动时需要短暂的延时，上一台风机达到额定转速后，再启动下一台风机，以减少对变电站供电的冲击。风机控制时如果在左转，此时右转按钮灰掉（即被屏蔽了），必须先按停止后，才能再按右转按钮启动风机。
监控系统根据隧道交通实际的运营状况、通风状况以及环境监测值等情况综合分析，来实施通风控制管理。
（1）正常通风控制
在没有火灾、堵塞等状况下，若隧道内测点CO浓度或能见度时，正常交通状况下交通活塞作用所产生的风速足够完成隧道通风，则射流风机组无需启动；若隧道内测点CO浓度或能见度，并持续10分钟时，每一组开启一台风机；若测点CO浓度或烟雾浓度，并持续10分钟，射流风机全部启动。此时风机转向应同风向是一致的。
（2）火灾状况下通风控制
若隧道发生火灾，则开启隧道内的全部风机。此时风机的转向应向距离火灾点较近的洞口吹去。
隧道通风监控系统控制界面如图4-2所示。
本隧道照明控制系统是由监控中心计算机和隧道内区域控制器、照明配电箱和照明灯具等组成。监控中心计算机、隧道区域控制器都可进行照明控制，在上下位机通信出现故障时，可直接在照明配电箱上人工操作，以保证隧道正常照明。
照明灯具由基本照明、加强照明和应急照明组成，每一段的各种灯具个数不同。根据光照度检测器检测到得洞内外亮度差值来控制开启灯组的数量，差值越大则开启的灯组数越多，反之则越少。
本隧道照明系统预案管理是根据时间和光照度相结合的模式来对照明灯具进行合理控制的。时间控制模式分为白天、傍晚、夜晚模式，光照度控制方式分为晴天、云天、阴天等模式。各种模式包括的灯组种类和数量都不同。根据工作状态的不同，以时间控制为主，光照度控制为辅的原则，白天根据不同的光照度来开启相应的灯具，傍晚和夜晚时段分别开启特定的照明灯具。在事故情况下，则打开全部照明回路，或根据需要转变为人工强制控制模式。若发生火灾，在确认不会引起二次火灾的情况下打开所有的照明回路，若火灾影响到供电线路，则断开所有照明回路。
上位机除了可以完成上述监控子系统的控制外，还可以对各模拟量超出上限进行报警，通过报警页面可以清晰的显示出报警区域、报警原因等，以便工作人员对突发事件进行迅速的处理。并且可以通过趋势曲线和专家报表，对各种数据进行实时监测以及历史查询。
4.2 下位机区域控制器设计
经过对隧道内各种机电设备、环境因素的分析，并且考虑到监控系统的可靠性，隧道区域控制器选用PLC来接收上位机的指令并将现场设备的信息发送给上位机，以便很好的对现场设备进行控制。
本系统区域控制器选用了Honeywell工业高性能PLC，其中CPU选用2MLR-CPUH、2MLR-CPUU等两种型号，分别组成冗余和单机型两种结构的控制系统，以满足不同需求。这种PLC是组合式的，它是将CPU模块、输入模块、输出模块、智能I/O模块、通讯模块、电源模块等分别做成相应的电路板或模块，然后将各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。这种组合式的PLC系统配置灵活，应用起来十分方便。PLC控制系统图如图4-3所示。
PLC控制系统的梯形图程序是采用SoftMaster软件编写的。SoftMaster是一款使用灵活、方便、功能较强的PLC编程软件。通过输入正确的IP地址后将程序写入PLC，来实现对隧道各种机电设备的控制。
5.结论
本文利用PLC和力控Forcecontrol 6.1组态软件相结合的方式来开发隧道监控系统，其中使用光纤通信来实现多个PLC之间的通信，利用工业以太网实现PLC与上位机的通信。监控系统实现了数据监测、设备状态监控、历史数据查询、报警、远程手/自动控制、预案管理等功能。本系统人机界面美观、系统运行稳定，易于安装、使用和维护。系统所提供的交通、照明、通风等多种预案为车辆的安全运行以及改善隧道内环境提供了更有利的保障。整套系统已投入运行，经过多次现场验证，取得了良好的效果。
目前高速公路隧道监控系统正朝着智能化、集成化的方向发展，未来的监控系统将更加完善。我们要不断研究新问题、采用新技术、安装新设备，为高速公路隧道的安全运行提供更加可靠的保证。
参考文献
[1]刘雪亭.国道108线明月峡隧道监控系统的研究与设计[D].电子科技大学硕士学位论文，2007.
[2]周晓梅，周旭，刘大伟.复兴东路隧道监控系统软件的设计与实现[J].上海船舶运输科学研究所学报，2006，29（1）：32～39.
[3]王志伟，杨超.高速公路隧道监控系统的现状与发展[J].现代隧道技术，2009，46（6）：8～16.
[4]徐前.基于FCS的公路隧道监控系统的研究[D].浙江大学硕士学位论文，2011.
[5]刘天鹏，肖又发.隧道监控系统软件设计与实现[J].上海船舶运输科学研究所学报，2009，32（1）：59～63.
[6]徐波，钟路，刘长江.基于PLC和组态软件的隧道监控系统设计[J].微计算机信息，2009，25（1）：29～31.
作者简介：张建军（1957—），男，陕西西安人，工学博士，主要从事电力电子与电力传动、光伏发电、交流驱动电动汽车等研究。
【摘要】提出了利用组态软件和PLC来实现一个高速公路隧道监控系统，对隧道监控系统中的交通系统、通风系统、照明系统等进行了详细的研究与设计，实现了实时数据显示、设备监控、异常情况报警、历史数据查询等功能。并针对隧道可能处于的正常、特殊、火灾等情况，采取相应的预案进行分析和处理。该研究成果已经投入工程运行，经多次验证，收到良好的效果，对今后隧道监控系统的研究和实现具有一定的参考价值。
【关键词】隧道监控；组态软件；PLC
1.引言
近年来，随着我国经济的高速发展，高速公路及公路隧道建设的力度不断加大。由于隧道内车流量大、光线不充足、空气质量较差等特点，与一般路段相比发生交通事故及火灾等情况的几率要高很多，隧道内的通车安全就日益成为隧道建设的一个重要新课题。因此，对于高速公路隧道来说，建立隧道监控系统来解决因事故而产生的交通问题，减少污染，增强隧道的通行能力，保证隧道的安全营运具有非常重要的意义。
高速公路隧道监控系统的主要设计目标如下：
（1）保证隧道设备的安全运行，确保隧道行车安全、流畅；
（2）全面掌握隧道内各种设备的运行状态，并对其进行合理的控制；
（3）对隧道的各种环境参数进行实时监测，并反馈到上位机；
（4）及时发现火灾及交通事故并迅速处理，把事故造成的损失降到最低；
（5）对隧道交通、照明、通风等根据不同因素和条件进行预案控制。
2.系统结构
高速公路隧道监控系统主要是监视隧道各种设备的状况并对其进行合理控制，以及对隧道各参数（光照度、CO值、能见度、风速、风向等）进行检测和统计，以保证高速公路的行车安全和畅通。根据隧道系统各个部分控制的对象不同，隧道监控系统主要分为交通监控系统、照明监控系统、通风监控系统、闭路电视系统、火灾消防系统、紧急电话系统等。
隧道监控系统一般采用分布式控制模式，监控中心对现场设施不直接进行控制，而是由现场的区域控制器进行控制。分布式控制模式的网络结构一般分为3个层次：上层为监控中心的计算机系统，中间是由各PLC组成的控制层，下层为各种检测和控制设备组成的设备层。
隧道控制系统结构图如图2-1。
本系统上位机采用北京三维力控公司的力控Forcecontrol 6.1组态软件，下位机的区域控制器采用honeywell高性能可编程控制器（PLC），负责管理和控制相关区域的现场设备。上下位之间采用工业以太网通信。
3.系统功能
3.1 组态软件功能
系统采用组态软件来完成整个隧道的监控界面。主要负责从区域控制器收集检测信息，并对信息进行处理；对交通信号灯、车道指示器、照明设备、风机、防火门等设备进行合理控制，其中对设备的控制命令可以是监控人员手动发出的，也可以是系统根据预案自动发出的；动态显示交通状况和各种设备运行状态；对超出上限值的模拟量进行实时报警；可进行历史数据查询、报表打印等。
3.2 区域控制器功能
隧道区域控制器主要对隧道内的信息进行采集及控制，其主要功能为：
（1）收集本区段管辖的检测设备的检测信息。
（2）对收集的信息进行预处理，将存储单元中处理的信息上传给监控中心的上位机。
（3）接收上位机的各种控制命令，发给执行设备。
（4）当与上位机的通讯中断时，所有采集的信息存储在PLC中；通讯恢复后将存储在本地PLC中的信息上传至上位机。
4.监控系统软件设计
4.1 上位机软件设计
基于力控Forcecontrol 6.1组态软件的高速公路隧道监控系统上位的设计，首先要在力控工程管理器建立一个新的工程，通过标准MODBUS（TCP）协议建立相应的IO设备，并输入IP地址，以便和下位机的通讯，在数据库组态中建立组态点，并与IO设备进行链接。接下来还需要创建窗口、报表曲线、报警事件、用户管理等步骤。
监控主界面能够显示隧道内各种设备的安装位置，同时可以在静态画面中动态地显示环境检测值（车辆检测值、风速风向检测值、CO/VI检测值、光照度检测值、消防水泵等）以及各种设备的运行状况。当设备出现故障时，系统利用不同颜色来显示不同级别的报警状态，同时发出声音报警，以引起监控人员的注意。
4.1.1 交通监控系统
交通监控系统主要由交通监控工作站、车辆检测器、交通信号灯、车道指示器、紧急出口标志等设备组成，为隧道内行车的安全与畅通提供有力的保证。图4-1为交通监控系统界面。
（1）交通信号灯
交通信号灯采用红、绿、黄、转向四色显示灯，指示驾驶员按当时的运营状态正确行车。
（2）车道指示器
车道指示标志是双面显示，采用转向“←”、红“×”和绿“↓”表示，一般设置于洞口处和隧道内，用于指示隧道内每一车道或某一段车道是开放或关闭状态，指示车辆严格按车道状态正确行驶。
根据隧道可能发生的事件，系统提供了以下交通监控系统预案管理：
（1）正常情况下，隧道内所有车道全部通行；
（2）维修、事故等情况下，关闭单洞，另一洞改为双向行车模式；
（3）维修、事故等情况下，关闭隧道某一车道；
（4）管理、维修、事故等情况下，关闭单洞隧道某一路段，车辆需转向通过横洞进入另一洞通行，此时另一洞需改为双向通行；
（5）火灾情况下，关闭双洞。
4.1.2 通风监控系统
本系统由风机、CO/VI检测器和风速/风向检测器构成。计算机根据CO浓度、隧道能见度和隧道内的风速风向等因素合理开启相应的风机，为隧道创造良好的通风条件。
本监控软件静态的显示了风机在隧道中所处的位置，以及动态的显示了风机的运行状况。监控系统对射流风机的自动控制是把处在一个断面上的两台风机作为一组分别进行控制。风机叶片顺时针转表示风机正转，逆时针转表示风机反转，叶片不转动则表示风机停止运行。在监控界面上点击风机控制按钮，进入风机手动控制界面，用户根据不同情况点击正转/反转/停止状态按钮进行操作。
每台风机启动时需要短暂的延时，上一台风机达到额定转速后，再启动下一台风机，以减少对变电站供电的冲击。风机控制时如果在左转，此时右转按钮灰掉（即被屏蔽了），必须先按停止后，才能再按右转按钮启动风机。
监控系统根据隧道交通实际的运营状况、通风状况以及环境监测值等情况综合分析，来实施通风控制管理。
（1）正常通风控制
在没有火灾、堵塞等状况下，若隧道内测点CO浓度或能见度时，正常交通状况下交通活塞作用所产生的风速足够完成隧道通风，则射流风机组无需启动；若隧道内测点CO浓度或能见度，并持续10分钟时，每一组开启一台风机；若测点CO浓度或烟雾浓度，并持续10分钟，射流风机全部启动。此时风机转向应同风向是一致的。
（2）火灾状况下通风控制
若隧道发生火灾，则开启隧道内的全部风机。此时风机的转向应向距离火灾点较近的洞口吹去。
隧道通风监控系统控制界面如图4-2所示。
本隧道照明控制系统是由监控中心计算机和隧道内区域控制器、照明配电箱和照明灯具等组成。监控中心计算机、隧道区域控制器都可进行照明控制，在上下位机通信出现故障时，可直接在照明配电箱上人工操作，以保证隧道正常照明。
照明灯具由基本照明、加强照明和应急照明组成，每一段的各种灯具个数不同。根据光照度检测器检测到得洞内外亮度差值来控制开启灯组的数量，差值越大则开启的灯组数越多，反之则越少。
本隧道照明系统预案管理是根据时间和光照度相结合的模式来对照明灯具进行合理控制的。时间控制模式分为白天、傍晚、夜晚模式，光照度控制方式分为晴天、云天、阴天等模式。各种模式包括的灯组种类和数量都不同。根据工作状态的不同，以时间控制为主，光照度控制为辅的原则，白天根据不同的光照度来开启相应的灯具，傍晚和夜晚时段分别开启特定的照明灯具。在事故情况下，则打开全部照明回路，或根据需要转变为人工强制控制模式。若发生火灾，在确认不会引起二次火灾的情况下打开所有的照明回路，若火灾影响到供电线路，则断开所有照明回路。
上位机除了可以完成上述监控子系统的控制外，还可以对各模拟量超出上限进行报警，通过报警页面可以清晰的显示出报警区域、报警原因等，以便工作人员对突发事件进行迅速的处理。并且可以通过趋势曲线和专家报表，对各种数据进行实时监测以及历史查询。
4.2 下位机区域控制器设计
经过对隧道内各种机电设备、环境因素的分析，并且考虑到监控系统的可靠性，隧道区域控制器选用PLC来接收上位机的指令并将现场设备的信息发送给上位机，以便很好的对现场设备进行控制。
本系统区域控制器选用了Honeywell工业高性能PLC，其中CPU选用2MLR-CPUH、2MLR-CPUU等两种型号，分别组成冗余和单机型两种结构的控制系统，以满足不同需求。这种PLC是组合式的，它是将CPU模块、输入模块、输出模块、智能I/O模块、通讯模块、电源模块等分别做成相应的电路板或模块，然后将各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。这种组合式的PLC系统配置灵活，应用起来十分方便。PLC控制系统图如图4-3所示。
PLC控制系统的梯形图程序是采用SoftMaster软件编写的。SoftMaster是一款使用灵活、方便、功能较强的PLC编程软件。通过输入正确的IP地址后将程序写入PLC，来实现对隧道各种机电设备的控制。
5.结论
本文利用PLC和力控Forcecontrol 6.1组态软件相结合的方式来开发隧道监控系统，其中使用光纤通信来实现多个PLC之间的通信，利用工业以太网实现PLC与上位机的通信。监控系统实现了数据监测、设备状态监控、历史数据查询、报警、远程手/自动控制、预案管理等功能。本系统人机界面美观、系统运行稳定，易于安装、使用和维护。系统所提供的交通、照明、通风等多种预案为车辆的安全运行以及改善隧道内环境提供了更有利的保障。整套系统已投入运行，经过多次现场验证，取得了良好的效果。
目前高速公路隧道监控系统正朝着智能化、集成化的方向发展，未来的监控系统将更加完善。我们要不断研究新问题、采用新技术、安装新设备，为高速公路隧道的安全运行提供更加可靠的保证。
参考文献
[1]刘雪亭.国道108线明月峡隧道监控系统的研究与设计[D].电子科技大学硕士学位论文，2007.
[2]周晓梅，周旭，刘大伟.复兴东路隧道监控系统软件的设计与实现[J].上海船舶运输科学研究所学报，2006，29（1）：32～39.
[3]王志伟，杨超.高速公路隧道监控系统的现状与发展[J].现代隧道技术，2009，46（6）：8～16.
[4]徐前.基于FCS的公路隧道监控系统的研究[D].浙江大学硕士学位论文，2011.
[5]刘天鹏，肖又发.隧道监控系统软件设计与实现[J].上海船舶运输科学研究所学报，2009，32（1）：59～63.
[6]徐波，钟路，刘长江.基于PLC和组态软件的隧道监控系统设计[J].微计算机信息，2009，25（1）：29～31.
作者简介：张建军（1957—），男，陕西西安人，工学博士，主要从事电力电子与电力传动、光伏发电、交流驱动电动汽车等研究。