本地测控执行器在公路隧道监控系统中的应用

摘要：高速公路隧道现环境恶劣，受控设备分散，需要大量控制线缆的传统 PLC 控制方式，给工程建设、作业故障排查、检修、改造造成了极大的麻烦。工业测控执行器设备的使用，在保证施工质量、提高运行维护水平的同时，可节省大量信号电缆、降低施工难度、促进施工进度。所以，它被越来越多的工程所广泛地运用。本文主要介绍了公路隧道设计理念越来越多地采用 IP 化、网络化、物联网化的控制思想，同时也阐述了本地测控执行器控制在公路隧道监控系统中的设计要求，这是随着智慧隧道技术的进步而产生的。

关键词：公路隧道；监控系统；本地控制；智慧隧道；物联网控制

1  引言

隧道现场控制系统由隧道管理所管理平台软件、现场区域控制器以及被控设备三层控制架构组成。隧道外场控制系统对隧道内、外场设备的数据、视频和外场设备状态进行采集、存储和处理，并将数据、视频和外场设备状态上传到隧道管理，对设备外场设备进行统计、判断、处理、制定相应的控制方案，最终向隧道发出控制命令的控制和信息发布。目前国内隧道现场控制系统主要有传统 PLC 控制和分布式智能区域控制两种控制方案[1]。分布式智能测控器方案是一种通过在隧道风机控制箱、车道指示器、卷帘门、消防水泵、环境检测设备前端设置工业测控执行器，相应数据接入就近工业测控执行器，隧道内工业测控执行器组成光纤环网接入变电所区域控制器，进行数据汇聚上传处理分析。随着国内机电设备的发展，国产的区域控制系统越来越稳定，进口的区域控制系统将会逐渐被国产的机电设备替代。

2  工作原理与优缺点

2.1 工作原理

隧道内、外场设备的探测数据，可由隧道现场控制系统进行采集、加工和存储，对外场设备的工作状态进行监控上传至隧道管理处，并同时收到隧道管理所的指令，以便控制隧道外场设备。现场控制系统还具有现场自动控制的功能，可由现场监控系统代替控制中心进行控制，如检修、检测、隧道管理处控制空设备故障、通讯故障等。

在隧道洞口变电所设置一套边缘计算主机，将工业测控执行器通过自带的光口直接组成光纤余环网，通过光纤环网实现系统功能的分布式测控执行器安装在同桩号位置或侧壁上。

在隧道变电所放置可触摸的显示屏，并配置人性化的人机界面对隧道内的设备进行控制，此外边缘计算主机可以存放定制化的预案程序，当网中断之后可以通过预案实现对隧道内设备的可靠控制。

隧道变电所边缘计算主机可以通过逻辑控制算法实现对隧道外场设备的联动控制，可提前设置好预案，在紧急的情况下按照预案进行执行。

隧道局部控制系统可在隧道通风、车道指示器、卷帘门、隧道照明、隧道消防、环境监测等方面实现现场控制。

（1） 通风控制

可以实现对轴流风机和射流风机的控制，通过在通风控制箱内设置工业测控执行器，将软启动的控制和反馈信号接入执行器。该系统具有读取设备状态的功能，采集数据并下达控制指令。

（2）车道指示灯

车道指示灯的控制通过与安装在附近的工业测控执行器处理控制信号来实现[2]。这种管制分为三大类，即正向交通管制、反向交通管制和双向交通管制。该系统还将设备的状态监控功能同时整合在一起。该系统通过设定毫秒级别的设备状态扫描周期，实现了对设备的便捷控制，可以对当前设备的状态信息进行及时、快速、准确的访问。该系统还可利用包括定时控制和触发控制等功能的预设计划、事件等对群体设备进行控制。

（3）卷帘门

将控制和反馈信号连接到卷帘门控制箱内的工业测控执行器，实现卷帘门的上、下控制。执行器能够在突发事件发生时及时做出反应并采取相应的控制措施[3]。卷帘门的开合操作能够得到及时的控制，这样自救的功能就能够快速实现。

（4）消防水泵液位检测

工业测控执行器在消防泵房液位过高或过低时，通过在消防水泵控制箱内安装工业测控执行器，及时启动水泵进行排水抽水。

（5）环境监测

隧道监控系统环境监控模块主要担负着对环境设备状况的检测和数据的采集工作。

① CO/VI

通过将CO/VI数据输入工业测控执行器，采集隧道内的空气质量。对获取CO 浓度、VI值等数据，可以根据这些数据评估当前的环境状况，并对司机进行及时的提醒，防患于未然。

② 光强检测器

通过将工业控制执行器安装在光强检测器的同侧，实现对隧道内外光线强度的检测，并与设定值进行对比，从而将信号传输到这个测控执行器上。当灯管亮度差异达到特定范围时，为了保证隧道内有合适的照明，灯具开关会自动调节。

③ 风速风向

工业测控执行器安装在同桩号侧壁上的风速风向仪旁，在工业测控执行器中输入风速风向信息，对隧道内的通风状况进行监测。通过这些数据的使用，可以准确的知道当前隧道中风机需要开启的数量，并且可以提供可靠的数据支持风机运行情况。

2.2优缺点

从经济性、标准化、建筑施工、智能化和运营维护等方面，与传统的隧道PLC控制系统相比，工业测控器方案主要优缺点如下：

（1）经济性

工业测控器总体造价减少80%以上控制电缆，节省隧道内区域控制器以及工业交换机，总体造价降低15%以上。

（2）标准化

配置明确、架构简单、无需编程，即装即用智能化，数据传输距离远，信息化水平高。

（3）建设施工

工业测控器可以就近安装，就近接线。简易线路，施工方便，调试简便快捷。

（4）智能化

PLC方案是基于点对点、线对线，通信距离受限，本地操控难度大，只是数据的转发传输，而测控器实现网络化，提高信息传输距离，实现智能本地控制提升系统信息化水平。

（5）运营维护

工业测控执行器设备接线简单，排查问题容易，更换方便，对运维人员技术要求简单。

（6）升级改造

工业测控执行器网络接口、设备地址可以按需灵活配置，升级简单快捷，无需进行编程。

3 本地测控器方案对公路隧道监控系统的设计要求

隧道控制系统主要由隧道变电所边绦数据主机、以太网交换机、分布式控制器、光缆及相应软件组成。现场控制系统可对隧道内、外场设备的监测数据进行采集、处理和存储，对外场设备的运行状态进行监视，并向区域监控中心进行数据上传。同时，该系统可以接受外场设备控制的区域监控中心调度空发出的指令。除能够实施现场自动控制外，现场控制系统还可以由现场监控系统代替监控区域中心，在维护、测试和区域中心控制发生设备故障、通讯故障时实施控制。该控制网采用单模光缆，通过以太网交换机的光纤接口连接各工业测控执行器，形成单模光纤余环网结构。光纤环网上的任何一点被切断通信传输仍然可以继续保持。确保现场总线不受外界干扰，使数据传输顺畅，提高了传输数据的可靠性，为确保现场总线安全运行提供了有力保障。

在隧道变电所各设置一套变电所边缘数据主机，分布式智能控制器用来接入变电所内通风照明等设备监控，通过工业以太网交换机相连。变电所的边缘计算主机可以在隧管所设备故障、通信故障情况下对各隧道设备进行控制。

变电所边绦数据主机可通过分布式控制器连接附近的外场设备。隧道内车道指示标志、CO/VI检测仪、交通信号灯、低压配电柜开关状态、照明控制回路及风机控制回路、低压柜智能电表检测仪、消防水位控制器、隧道变压器及电缆的正常工作等设备[5]。

4总结

本文旨在探讨国产控制器在高速公路隧道机电系统中的应用，并将其在高速公路隧道监控系统中所起的重要作用作为国内控制器在高速公路隧道机电系统中的研究重点，对国内控制器在高速公路隧道机电系统中所起的重要作用进行深入的研究，并对国内控制器在高速公路隧道机电系统中所起的重要作用进行深入的研究，对我国高速公路隧道机电系统中的重要作用进行近年来，国产控制器逐渐替代了传统的进口PLC 控制系统，具有更高的技术水平和更强的操作实用性。国产控制器完全依托国内解决方案，能够适应国内市场的需求。国产控制器以使用者为中心，追求操作方便、维护方便、实用性强以及完全自主可控性。国产控制器在高速公路隧道机电领域得到了市场的认可，并能够大规模应用和推广。在高速公路隧道监控系统中，国产控制器发挥了至关重要的作用。另外，在工业自动化的场合，国产化的进程将进一步推动国产自动化设备的发展，并在高速公路机电史中留下重要的痕迹。

参考文献：

[1]探究公路隧道监控系统PLC控制方案[J]. 科技创新与应用，2017（05）.

[2]高速公路隧道监控系统创新方案探讨[J].中国交通信息化，2020（06）.

[3]地铁行车组织中的调度调整方式探析[J].建筑工程技术与设计，2018（23）.

[4]高速公路隧道监控系统创新方案探讨[J].中国交通信息化，2020（06）.

[5]特长高速监控系统改造及应用分析[J].电脑知识与技术，2011（12）

作者简介：

崔宏伟（1992—），男，甘肃白银人，硕士，中级工程师职称，研究方向为高速公路机电工程。