梨 子 坪 隧 道

機

電

監(jiān)

控

方

案

長沙豐禾智能科技有限公司

一 概述 

本方案主要就張家界高速公路項目梨子坪隧道的系統(tǒng)交通區(qū)域控制機及通風照明等子系統(tǒng)的監(jiān)控投標方案進行了說明。

隧道監(jiān)控系統(tǒng)包括隧道內(nèi)的交通控制、通風控制、照明控制幾大部分組成。其中隧道內(nèi)交通控制、通風控制、照明控制子

系統(tǒng)主要是由PLC（也稱作區(qū)域控制器或本

地控制器）來控制。本地控制器系統(tǒng)可收集、處理和存各隧道內(nèi)外場設備的檢測數(shù)據(jù)，監(jiān)視外場設備工作狀態(tài)，上傳給監(jiān)控分中心，并接收監(jiān)控分中心命令對外場設備進行控制。另外本地控制器系統(tǒng)還具有本地自動控制的功能，在維修、測試、監(jiān)控分中心、隧道管理所設備故障、通信故障等情況下可由本地控制系統(tǒng)代替監(jiān)控分中心進行控制。

二 系統(tǒng)設計原則

區(qū)域控制器網(wǎng)絡是隧道監(jiān)控的核心部分，對其合理的設計，是隧道監(jiān)控能否高效、可靠運行的關鍵。目前，PLC生產(chǎn)廠商很多，同一個廠商，PLC的品種系列也很多，如果選型配置不當，就不能充分發(fā)揮PLC系統(tǒng)的控制功能，甚至使得PLC自控系統(tǒng)成為一種擺設。網(wǎng)絡的正確選型對隧道的監(jiān)控系統(tǒng)也會起到非常重要的作用。

根據(jù)對以上網(wǎng)絡系統(tǒng)的分析，結合本隧道機電監(jiān)控的具體要求，我們確立了以下幾點原則：

可編程控制器（簡稱PLC）的選型應充分考慮其先進性和性價比。PLC選型應考慮選擇系統(tǒng)架構先進、中文操作界面、供貨周期短、備品備件充足，售后服務到位的生產(chǎn)商?？紤]到用戶的技術水平，PLC系統(tǒng)應結構簡潔、使用方便、特別是程序編制方法應簡單易學。

基于綜合考慮，我們選用中國知名自動化公司的PLC作為隧道區(qū)域控制機、交通控制器、通風控制器和照明控制器。具有以下特點：

n 針對智能交通等公用工程特點設計開發(fā)，采用工業(yè)以太網(wǎng)及CANBUS等現(xiàn)場總線通訊方式，系統(tǒng)技術先進，性價比高；

n 沿用集散控制系統(tǒng)的高可靠性、模塊化設計和完善的制造工藝，具有極高的可靠性和完善的系統(tǒng)功能；

n 控制系統(tǒng)采用模塊化結構和現(xiàn)場總線通訊方式，配置靈活、易于擴展，即可集中安裝，也可現(xiàn)場分散安裝；

n 22.5mm/45mm的統(tǒng)一厚度，所有模塊均能通過總線連接器直接安裝在DIN導軌上面，接線端子可以直接連接外部線纜（0.5～1.5mm2），無需增加轉接端子，節(jié)省安裝空間；

選用浙大中控產(chǎn)品的優(yōu)勢在于：

n 系統(tǒng)的可靠性，浙大中控在工業(yè)自動化領域已經(jīng)發(fā)展了10年，浙大中控品牌的自動化產(chǎn)品在國內(nèi)石油化工、電廠、污水治理等自控領域牢牢占有半壁江山，工業(yè)級產(chǎn)品的制造工藝保證系統(tǒng)穩(wěn)定；

n 技術的先進性，新開發(fā)的系統(tǒng)沒有兼容以往舊系統(tǒng)的問題，采用目前業(yè)界最先進的以太網(wǎng)網(wǎng)絡架構，能夠支持UTP、光纖甚至無線傳輸。

n 價格的合理性，系統(tǒng)性價比高，投資回報周期短；

n 全中文產(chǎn)品說明書、軟件組態(tài)界面，人性化操作方式；

n 細致周到的用戶培訓，項目完工后，將對操作人員提供全面、細致、周到的培訓；

n 可靠的售后服務，作為本土企業(yè)可以提供快速的售后維護（全天24小時響應）；

n 建立備品備件庫存，針對隧道機電監(jiān)控系統(tǒng)容易發(fā)生損壞的系統(tǒng)部件提供備品備件，保障系統(tǒng)不見斷運行。

三 監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)劃

整個隧道機電監(jiān)控網(wǎng)絡由隧道管理站和隧道內(nèi)的區(qū)域控制器以及相關的通信線路組成，本地控制器分散布置在隧道內(nèi)的各個位置，分別負責其所轄隧道區(qū)段外場設備的數(shù)據(jù)收集和管理控制。每套區(qū)域控制器（PLC）分別對各自所轄區(qū)域的交通誘導設備、交通檢測設備和照明檢測設備以及通風、照明等信息分別單獨進行采集和控制，同時按所設定的程序以及上位機的指令進行相應的動作。采集的信息經(jīng)以太光纖環(huán)網(wǎng)傳送至隧道監(jiān)控室的服務器上，實現(xiàn)上位冗余聯(lián)網(wǎng)。

分別為每臺PLC控制器配置一套工業(yè)以太網(wǎng)交換機，交換機配置雙光口雙電口。各個PLC控制器，通過位于CPU上的10M/100M以太網(wǎng)接口與交換機電口相聯(lián)。各個交換機之間采用雙環(huán)光纜組成100Mbps速率的光纖冗余環(huán)網(wǎng)。中央控制器室設備同樣通過以太網(wǎng)交換機接入光纖冗余環(huán)網(wǎng)。由此可見，隧道內(nèi)第一層網(wǎng)絡是100Mbps速率的光纖冗余環(huán)網(wǎng)。

監(jiān)控網(wǎng)絡的第二層為通過CANBUS現(xiàn)場總線（傳輸媒介為專用通信屏蔽電纜）連接CPU與各個I/O模塊的本地I/O結構。CANBUS現(xiàn)場總線具有通信速率高（1Mbps），接線方便（2線制）和抗干擾性好的特點。

監(jiān)控網(wǎng)絡第三層為設備層。各種交通監(jiān)控設施（如車檢器、車道指示器、交通信號燈、情報板、限速標志等），環(huán)境檢測設施（如風速風向儀、光強檢測儀、CO/VI監(jiān)測儀等）就近接入隧道區(qū)域控制器實現(xiàn)實時通信。通訊的接口分別按照要求可以是模擬量輸入，開關量的輸入輸出，以太網(wǎng)，以及基于RS-232/485的串口通訊。PLC通過易于建立的用于匹配所連接的設備協(xié)議的協(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備進行通信，原則上PLC能和任何帶RS-232C，RS-422或RS-485接口的設備進行通信。在本控制系統(tǒng)中用于控制照明、通風、電力、交通等設備的各個區(qū)域控制器均采用獨立的控制程序。

四 本地控制器功能

按照功能劃分，整個監(jiān)控系統(tǒng)應從邏輯上分為如下幾個子系統(tǒng)：交通監(jiān)控子系統(tǒng)，照明控制子系統(tǒng)，通風控制和水泵控制子系統(tǒng)等4個子系統(tǒng)。4個子系統(tǒng)功能統(tǒng)一由各個隧道內(nèi)本地控制器聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)全程監(jiān)控。

隧道管理站內(nèi)設有主控區(qū)域控制器, 負責將監(jiān)控中心下發(fā)的命令接收并轉譯，協(xié)調(diào)區(qū)域控制器網(wǎng)絡執(zhí)行交通、照明、通風、火災等方案聯(lián)動輸出。

4.1交通監(jiān)控子系統(tǒng)

交通控制子系統(tǒng)為整個隧道監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能，實現(xiàn)隧道通行的自動和手動控制。交通控制子系統(tǒng)應具有如下基本功能：

4.1.1 由PLC讀取車輛檢測器的數(shù)據(jù)（交通量、平均車速、占有率等），傳送至監(jiān)控中心計算機。

4.1.2 基本交通控制功能：隧道入口設置可變情報板，可變限速標志和四顯交通燈誘導交通。四顯交通燈為紅，黃，綠，通行四顯信號信號，該信號燈與本車道車道控制標志及另一車道反向顯示的車道控制標志有邏輯聯(lián)鎖關系。同時洞口設置車輛檢測器實時采集通行車輛的車型,速度并統(tǒng)計交通流量信息，進行13種模式的交通控制。

根據(jù)交通控制原理、各隧道的交通誘導設備的配置情況和本投標人的工程實施經(jīng)驗，在正常交通情況下可以按照以下13種穩(wěn)定狀態(tài)控制各交通設施的運行：

4.1.3應急交通處理功能：當隧道內(nèi)出現(xiàn)交通堵塞、交通事故、火災、CO濃度超過300ppm（20分鐘），VI濃度大于0.012 m時，應能自動或手動關閉（轉為紅燈，以下同）隧道入口處信號燈和洞內(nèi)車道控制標志。

4.1.4當交通量基本平衡，且單向交通量超過限制交通量的1/2時；當交通量嚴重不平衡，雙向交通量之和小于限制交通量，但單一方向交通量大于限制交通量的60%時，控制臺應發(fā)出聲光報警，經(jīng)操作人員確認并清除報警信號后，入口信號燈應能自動周期地開關。確定信號開關周期時，應以控制進遂車輛不超過限制交通量為度。

4.1.5 應能按照操作員的意圖手動開放或關閉任一架車道控制標志，操作結果應符合聯(lián)鎖關系（操作過程應有菜單提示）。應能經(jīng)簡單操作，快速地開放包括該車架車道控制標志在內(nèi)的該車道下流方面的全部車道控制標志，關閉包括該架車道控制標志在內(nèi)的該車道上流方面的全部車道控制標志。

4.1.6檢測出隧道內(nèi)發(fā)生火災，并經(jīng)值班人員確認后，應能自動關閉火災區(qū)上流方面的全部車道控制標志，同時自動關閉兩端隧道入口信號燈，入口車道指示標志。

4.1.7可變限速標志應能與隧道內(nèi)行駛車輛的平均速度及車道占用情況相適應，以便平衡隧道出入的交通流，避免或緩解隧道內(nèi)擁擠堵塞情況。

4.1.8 當操作員手動控制時，應能按操作員的意圖靈活轉換可變限速標志的顯示，手動控制優(yōu)先。

4.2 照明控制子系統(tǒng)

隧道照明控制子系統(tǒng)根據(jù)洞口內(nèi)外的安裝的光強度檢測器檢測到的洞內(nèi)外光強數(shù)據(jù)、交通量變化以及白天、黑夜等情況，控制隧道的照明系統(tǒng)，調(diào)節(jié)出入口以及洞內(nèi)的照明，保證行車的安全，以及在滿足照明要求的情況下達到節(jié)能運行的目的，同時對洞內(nèi)照明以及照明控制設備的狀況進行監(jiān)視。

隧道照明控制子系統(tǒng)由控制室計算機、隧道內(nèi)區(qū)域控制器、照明控制柜、隧道內(nèi)燈具、連接電纜等組成。控制室計算機、區(qū)域控制器都可進行照明控制，在隧道至監(jiān)控中心的通信出現(xiàn)故障時，可直接在本地控制器上操作，以保證隧道正常運營。

照明系統(tǒng)設計在隧道內(nèi)設置照明控制柜等設備，能完成本地的人工和自動控制，并且預留監(jiān)控裝置遙控、遙信的條件，提供控制每路照明的繼電器接點，監(jiān)控系統(tǒng)在隧道內(nèi)設有區(qū)域控制器，直接與照明控制柜的繼電器接點相連，以保證對照明的遙控。

照明系統(tǒng)具有洞內(nèi)燈泡亮度不足的報警功能，即能夠通過洞內(nèi)光強儀采集數(shù)據(jù)與設定值比較后提示維護部門更換燈具。

照明應根據(jù)需要亮度采用分級控制，共分6級：

1級：基本照明,常開,不需控制

2級：基本照明+左側基本照明

3級：基本照明+左側基本照明+右側基本照明

4級：基本照明+左側基本照明+右側基本照明+左側加強照明

5級：基本照明+左側基本照明+右側基本照明+左側加強照明+右側加強照明

6級：所有照明全部開啟(5級照明+應急照明)

另外，在遇到火災報警處理時，應自動開啟6級照明方便交通撤離。

4.3 通風控制子系統(tǒng)

通風控制子系統(tǒng)根據(jù)檢測到的透過率、CO濃度數(shù)據(jù)、交通量數(shù)據(jù)，控制風機的運行臺數(shù)、風向和運行時間，實現(xiàn)節(jié)能運行和保持風機較佳壽命的控制運行；并在發(fā)生火災時，根據(jù)不同地點，進行相應的火災排煙處理，以保證隧道的安全及運行環(huán)境的舒適性。

監(jiān)控中心與隧道通風設施的接口要求：

監(jiān)控系統(tǒng)對風機的控制采用區(qū)域控制的方式。

監(jiān)控系統(tǒng)對每臺風機有正轉、反轉、停機控制，由監(jiān)控系統(tǒng)提供相應繼電器及至風機控制裝置的連接電纜。

通風系統(tǒng)應將每臺風機的狀態(tài)（正轉、反轉、停機）、自動手動狀態(tài)顯示、總故障信號傳給監(jiān)控系統(tǒng)，通風系統(tǒng)提供繼電器干接點，與監(jiān)控系統(tǒng)的連接電纜由監(jiān)控負責。

通風控制子系統(tǒng)控制方式要求有如下四級：

    ——監(jiān)控室：自動控制、人工遠程控制

    ——隧道區(qū)域控制器 ：自動控制、人工控制

    ——通風機開關箱：人工手動控制

正常情況下將隧道內(nèi)的風機控制轉換開關置于“自動”位，由監(jiān)控室實現(xiàn)通風控制子系統(tǒng)的監(jiān)控，自動完成子系統(tǒng)的各項功能。系統(tǒng)在故障或需要時經(jīng)過轉換應在前三級的任一級上維持系統(tǒng)的正常運行。在對通風設備和通風控制子系統(tǒng)需要進行維修和測試時則可以采取隧道內(nèi)人工、通風機開關箱處人工控制的方式。

控制方式的優(yōu)先權為：人工高于自動，人工方式時是按三級順序優(yōu)先級由低到高，自動方式時是隧道區(qū)域控制優(yōu)先于監(jiān)控室控制。

風機自動控制模式有兩種：一種是在一些特定情況下選用某種預先編制的控制程序通過人工確認后進行風機自動控制，另一種是根據(jù)CO和透過率檢測器檢測到的實際數(shù)據(jù)與環(huán)境指標的標準值比較，來實時調(diào)節(jié)風機的運轉。

4.3.1系統(tǒng)構成

本通風控制子系統(tǒng)由監(jiān)控室服務器、隧道區(qū)域控制的PLC、通風控制柜、隧道內(nèi)風機、CO和透過率檢測器、連接電纜、電源電纜等組成。

CO檢測器和透過率檢測器設在隧道內(nèi)，用于檢測隧道內(nèi)CO濃度和能見度情況，由區(qū)域控制器采集數(shù)據(jù)，監(jiān)控系統(tǒng)將檢測數(shù)據(jù)與標準值進行比較，控制風機的啟停。

通風系統(tǒng)設計在隧道內(nèi)設通風控制柜，能完成本地的人工控制，并且預留遙控遙信條件。每兩臺風機為一組,設一風機控制柜。風機控制柜控制信號由距離就近的區(qū)域控制器控制，通過區(qū)域控制器軟件聯(lián)網(wǎng)協(xié)調(diào)控制。

對監(jiān)控系統(tǒng)自動控制風機來看是將一個斷面上的兩臺風機作為一組進行控制，由通風系統(tǒng)返回每臺風機的狀態(tài)信號，即風機的正轉、反轉、停止、故障等信號，輸入輸出之間有電磁隔離措施。

4.3.2控制原則

隧道通風控制子系統(tǒng)對通風的控制原則應遵照JTJ026.90《公路隧道通風照明設計規(guī)范》和相應的國際標準。本項目工程內(nèi)隧道均采用射流風機縱向通風方式。

1．保持隧道內(nèi)環(huán)境指標在標準范圍內(nèi)。

——隧道內(nèi)CO正常運營時允許濃度：CO濃度<150ppm為正常，150ppm<CO濃度<300ppm，需要啟動風機，直到CO濃度正常；交通阻滯（隧道內(nèi)各車道均以怠速行駛，平均車速為10Km/h）時可為300ppm，經(jīng)歷時間不超過20min。當發(fā)生火災或交通事故時，CO濃度突然增加超過300ppm，這時同時啟動各組風機直到CO濃度達到正常值。若所有風機同時啟動后并經(jīng)過一定時間（15分鐘）CO濃度仍然大于300ppm，則考慮關閉隧道。

——隧道內(nèi)煙霧允許濃度為7.0′10-3(m-1)

——隧道內(nèi)風速正常運營時推薦為10m/s

2．CO濃度由低—高、透過率檢測值由好—壞分為幾個級別，投入的風機數(shù)量和運轉時間在隧道正常運營時由此確定。隧道內(nèi)能見度測量范圍為0—15 1/km，分為4級， 〉3，〉5，〉7，〉10，當能見度<5時為正常，當5<能見度<10需要啟動風機，直到能見度恢復正常，當能見度>10時關閉隧道。

風機有運行時間統(tǒng)計功能，風機的運行根據(jù)CO濃度、透過率值、交通量狀況、火災報警等綜合情況進行控制，具體原則是：

——根據(jù)隧道營運過程中的交通狀況，適時調(diào)整通風量，在保證交通安全的前提下，以最經(jīng)濟的動力給隧道提供滿足營運條件的通風量。

——隧道內(nèi)某一位置的CO或透過率值先達到風機啟動值，則最靠近此檢測器的風機首先啟動。

——累計運行時間最短的風機首先啟動，以便平衡各臺風機的勞逸程度，延長風機的使用壽命。

——因風機起動瞬間沖擊電流很大，故各臺風機的啟動有短暫的延時，以減少對變電所供電的沖擊。

——風機的啟閉次數(shù)不應過頻，防止風機出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象

4.4 水泵控制子系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，本隧道水泵控制子系統(tǒng)主要對兩個消防水泵和一個排污泵以及2個消防水池和1個污水集水池進行聯(lián)動控制。

三個水池各安裝2個液位傳感器，對高/低水位進行監(jiān)測，根據(jù)水池水量情況來控制水泵的開關以及臺數(shù)。具體控制要求如下：

4.4.1 消防水泵控制：消防水泵一用一備，根據(jù)軟件統(tǒng)計平衡兩個水泵使用時間，以延長水泵壽命。消防低位水池從上體溪流或打井取水，根據(jù)高低液位傳感器顯示情況隨時保持水池水滿。當消防高位水池低液位傳感器報警時，水泵開啟從消防低位水池中抽水至消防高位水池，直到消防高位水池高液位傳感器發(fā)出警告或消防低位水池低液位傳感器發(fā)出報警為止。如果隧道內(nèi)發(fā)生火災，消防水栓持續(xù)對外供水時，兩臺消防水泵同時開啟補水至消防高位水池，當?shù)臀凰氐牡鸵何粋鞲衅靼l(fā)出報警時停止水泵。

4.4.2 排污水泵控制：根據(jù)污水集水池液位傳感器來聯(lián)鎖啟停排污泵。當污水集水池中高液位傳感器報警時，排污泵開啟，直至污水集水池中低液位傳感器發(fā)出警告為止。

五 監(jiān)控系統(tǒng)技術指標

本方案選用的PLC，具有如下技術特點，保證了隧道監(jiān)控系統(tǒng)的可靠，穩(wěn)定運行。

5.1 區(qū)域控制器PLC指標

——高速的32位CPU芯片；

——運行環(huán)境溫度：-25-70℃，運行環(huán)境濕度：95％，允許短時間結露

——電源電壓：93-264VAC；

——基本指令處理速度：0.01us；

——I/O點數(shù)：2048點（包括遠程I/O）；

——具有兩個10M/100M以太網(wǎng)標準通訊控制器和驅動接口；

——串口通訊模塊：RS232/RS485/RS422/支持MODBUS協(xié)議、自由口編程

——安裝底板：高強度鋼導軌，模塊化結構，方便擴展；

——控制方式：存儲程序方式；

——程序存儲器容量：4M，內(nèi)存：4M（可擴展）；

——擴展存儲器容量：64M；

——CPU自帶CANBUS現(xiàn)場總線接口和RS232/RS485/RJ45編程外設口

——具有協(xié)議宏功能，能自由與各種第三方串口設備通信；

——CPU內(nèi)置隧道中常用的設備品牌通用協(xié)議。

——狀態(tài)顯示：運行，停止，故障，電池，I/O狀態(tài)；

——CPU帶時鐘功能：診斷信息帶日期和時間標記；

——具有硬件及軟件中斷功能：定時中斷、掉電中斷、I/O中斷，外部中斷；

——具有自診斷功能：CPU故障、I/O校驗錯誤、上位機連接出錯、存儲器故障等；

——支持工業(yè)和商業(yè)以太網(wǎng)、控制器網(wǎng)、設備網(wǎng)多網(wǎng)配置；

——指令系統(tǒng)包括：邏輯指令、控制指令、定時計數(shù)指令、數(shù)據(jù)控制處理指令、增減符號運算指令、調(diào)試處理故障診斷指令、塊指令、特殊指令、字符串處理指令；

——模塊化編程，最大256個任務編程

5.2 數(shù)字輸入模塊（DI）

l 輸入點數(shù)：8、16、32點，光電隔離；

l 輸入電壓：24VDC；

l 輸入電纜最長長度：600米（無屏蔽），1000米（屏蔽）；

l 運行環(huán)境溫度：-25-70℃

l 運行環(huán)境溫度：95％，允許短時間結露；

l 海拔高度：2000米；

l 隔離測試：1000VDC；

l 連接方式：拆卸式端子，防插錯結構；

5.3 繼電器輸出模塊（DO）

l 輸出點數(shù)：8、16、32點，電隔離；

l 運行環(huán)境溫度：-25-70℃；

l 運行環(huán)境溫度：95％，允許短時間結露；

l 海拔高度：2000米；

l 隔離測試：3000VAC；

l 最大開閉能力：AC250V，2A(感性負載COSФ=1)；

l 輸出電纜最大長度：600米（無屏蔽），1000米（屏蔽）；

l 連接方式：拆卸式端子，防插錯結構；

5.4 模擬量輸入模塊（AO）

l 輸入點數(shù)： 4、8點，通用或者熱電阻；

l 輸入電壓：24VDC；

l 運行環(huán)境溫度：-25-70℃；

l 運行環(huán)境溫度：95％，允許短時間結露；

l 測量精度：±1%；

l 分辨率：16bit；

l 最大開閉能力：AC250V，2A(感性負載COSФ=1)；

l 輸出電纜最大長度：600米（無屏蔽），1000米（屏蔽）；

l 連接方式：拆卸式端子，防插錯結構；

5.5 PLC需要的相關軟件及硬件滿足

l 可在Windows NT4.0,Windows 2000, Windows XP環(huán)境下運行

l 兼容性：與Windows系統(tǒng)及相關應用軟件有良好的兼容性

l 通訊：可通過工業(yè)以太網(wǎng)或現(xiàn)場總線，或其他通信標準接口與PLC通訊

l 主要功能：快速讀寫各個控制器中數(shù)據(jù)，圖形編輯器，報警記錄，報表管理器，用戶管理器，多種通訊通道（打印機，DDE,OPC），標準接口（用于Windows ODBC/SOL,OLE,DDE,OPC應用程序）

l 支持FINS命令，E-mail報警，FTP等管理功能

l 支持在線編輯等功能，方便管理和調(diào)試

l 控制點數(shù)：不低于128K

l 數(shù)據(jù)記錄：大于40000

l 語言：中、英文