電力隧道環境監控及設備自動化控制系統

系統是基于REAL-TIME電纜綜合智能數據管理平臺通過電力隧道綜合監控主機和現場遠程采集、控制單元對隧道內各種環境參量的綜合采集和遠程控制。

在線監測采集的環境參量包括：

空氣含氧量

人體有害氣體檢測（PPM級微量：一氧化碳、硫化氫）

可燃氣體監測（如甲烷等）

煙霧環境監測

水位采集

溫濕度采集

在線監測運行狀態遠程控制的參量包括：

風機運行狀態及風機裝置遠程控制

水泵運行狀態入水泵裝置遠程控制

照明系統運行狀態及照明系統狀態遠程控制

隧道環境監控系統概述： 

    高速公路與一般公路相比，具有線型好、交通流量大、行車速度快等特點，高速公路隧道又是高速公路路網的咽喉地段，如不采用的監控管理措施，在交通量大、氣候惡劣的情況下，極易發生交通事故和交通堵塞。對于高速公路隧道的監控方案主要考慮到隧道入口、中間段、出口處的實時圖像狀況、隧道內的車流量和流速檢測、通風設備工作狀態檢測、電力設備參數檢測和交通監控、控制誘導等環節。高速公路隧道網絡視頻監控系統的建立可實施高速公路咽喉地段交通流量金和交通運行監視，對關鍵路段適時控制，及時發現各種異常情況并采取應急措施，以確保高速公路高速、安全、舒適、經濟地運營。在道路視頻信息給交通管理部門提供了及時的、關鍵的、可靠的信息、幫助交管部門做出突發事件應急處理等關鍵性決策的同時，作為交通決策支持系統的關鍵信息源——視頻信息還必須在各決策部門中共享。

系統的構成及功能：

一、現場控制子系統  該自動化系統采用了上的控制器，系統為模塊化結構，所有硬件都是制造廠的標準產品或標準選件。所有模板均通過機構的安全認證，包括：UL、CSA、CE等。

二、閉路電視監視子系統
  隧道閉路電視子系統對隧道洞內的交通流量、車流密度及道路使用狀況進行監視，可及時地直觀得到關于交通阻塞等現場情況和原因的畫面，進一步辨認事故、火災及其嚴重程度、事故、火災類型及其原因；并能采集必要的交通數據資料，必要時還能對視頻圖像進行、打印以便分析及。

三、信息采集系統功能

1、車輛檢測器

  系統在隧道內車行橫洞附近設置視頻車輛檢測器，通過全光數字遠端機傳至隧道管理站，然后進入視頻車輛檢測處理器。視頻車輛檢測器應可以測定隧道內車流量、車速、占有率等參數；并應提供交通事件檢測，交通事件的定義包括所有可能導致隧道正常交通發生混亂的情況如: 車輛停駛、交通擁堵、車輛逆行、行人出現、車輛慢行、車輛違章、物品遺撒、火焰等。
2、光強檢測器，用于檢測隧道洞內、外光照度，為隧道照明控制提供依據。

3、CO/VI檢測器，用于檢測隧道洞內的CO濃度、煙霧濃度等環境指標，為隧道通風控制提供依據。

4、風向/風速檢測器，用于檢測隧道洞內的風向、風速等環境指標，為隧道通風控制提供依據。

四、信息發布子系統
  信息發布子系統包括隧道內可變情報板、洞內車道控制標志、電光指示標志、電光誘導標志。
五、隧道緊急電話及廣播子系統
  當隧道出現緊急情況時，可以通過隧道緊急電話向隧道管理站報警，隧道管理站也可以利用隧道廣播系統進行廣播，及時疏導交通。
六、火災報警子系統
1、系統采用光纖光柵火災自動報警裝置，并在隧道消防設備旁同址設置手動報警按鈕。
2、火災報警主機數據采用雙通道進行傳輸，一路通過數據光端機將火災報警信息上傳至隧道管理站監控計算機網絡，一路接入隧道本地控制器進行傳輸。
七、隧道聯動控制功能
  此系統能夠實現對隧道區段各類設備的聯動控制，充分發揮隧道區段各類監控設備的作用，提高系統的整體功效。
八、通風控制功能
  一般情況下，隧道管理站監控計算機網絡可以根據CO/VI、風速風向、交通流量等檢測數據信息通過綜合計算，實現風機運行的全自動控制；如果需要，操作員也可以在隧道管理站根據CO/VI、風速風向、交通流量等數據信息作出判斷后，對風機的運行進行遠程遙控。
  當隧道管理站監控計算機網絡發生故障時，可以利用隧道光纖冗余工業以太環網實現遠端風機的控制。
當本地控制器與隧道光纖冗余工業以太環網失去通信后，可以實現本地風機的手動控制。
  風機的控制包括正轉、反轉和停機的控制。

九、照明控制功能
  隧道照明控制根據洞內外亮度檢測器檢測到的亮度值、交通量變化及白天、黑夜等情況控制隧道內照明，也可以通過時段進行照明控制。

隨著交通道路的不斷發展，作為其中一個重要環節的隧道，其數量也在不斷增加。由于我國復雜的地理環境以及隧道本身的特點，隧道監控系統在隧道的運營、管理以及事故處理中發揮著極其重要的作用。因此，建設可靠、穩定、、經濟以及可擴展的合理的隧道監控系統成為工程界和公路營運管理部門共同關心的話題。微電子、通信及計算機技術的發展大大提高了公路交通的信息化和智能化程度，與3C技術相結合的PLC以其的可靠性、抗干擾性和靈活的控制方式成為隧道監控系統的核心控制器，PLC與開放的網絡通信系統一起，共同推動著隧道監控系統向智能化程度的發展。
系統構成
隧道按照長度分類，分別有短隧道（L<250m）、中隧道（250m<L<1000m）、長隧道（1000m<L<3000m）和特長隧道（L>3000m）。隧道的長度越長，需要考慮的監控設施就越多。從目前上對隧道的設計標準來看，長隧道和特長隧道需要監控系統以保證隧道內行車的安全和暢通。
隧道監控系統按照各個子系統可分為：照明系統、通風系統、交通誘導系統、CCTV系統、火災報警系統、消防控制系統、緊急電話系統及廣播系統等。按照設備的類型可分為：檢測設備、控制設備、顯示設備和通信設備。檢測設備如：火災報警探頭、車輛檢測器、COVI、能見度檢測儀及風速風向儀等；控制設備如：交通區域控制器、照明區域控制器及通風區域控制器等；顯示設備如：計算機工作站、大屏幕監視器及聲光報警器等；通信設備如：交換機、集線器、串口信號傳輸設備及光端機等。
隧道監控的難易程度不僅與隧道的長度有關，而且與隧道的交通車流量有關。依據對隧道監控和管理的要求，又將隧道分為A、B、C、D四個等級，其中*對監控要求高，B級次之，其余類推。當前在工程界*認同的隧道監控模式主要分為兩種，一種是適用于短隧道的集散式控制模式，一種是適用于長隧道的分布式現場總線控制模式。前者布線復雜，造價較高，由中控室對現場設施進行控制與管理；后者施工方便，不但造價較低，而且可靠性較高。適用于長隧道的分布式現場總線控制模式又可分為全分布式現場總線控制和集中式現場總線控制。全分布式現場總線控制模式，中控室對現場設施不直接進行控制，由現場各種設施的控制器進行控制。分布式現場總線控制模式從網絡構成來看，一般分3個層次：上層為中央計算機系統，即本地控制中心，中間是由各區域控制器組成的控制層，下層為各種檢測設備和控制及誘導設備組成的設備層。
隧道控制的核心思想就是將所有縱向及橫向的系統有機地結合起來，通過算法分析，實現智能化控制。區域控制器就是其實現的核心。各區域控制器負責采集現場檢測設備的信息，處理后傳給本地控制中心，而本地控制中心的控制命令則發給區域控制器，再由區域控制器直接控制相應設備。在本地控制中心與區域控制器通信中斷的情況下，區域控制器仍然具備獨立控制現場設備的能力。因此區域控制器應高效且高度可靠。作為區域控制器的核心控制部分，PLC應用多，其穩定性、實時性以及對環境很強的適應能力，非常適用于隧道的現場環境。
本地控制中心一般由現場監控工作站(控制計算機)、監控系統軟件、主區域控制器及相應的附屬設施構成，用于實現對整個隧道監控系統的統一監控。監控系統軟件運行于現場監控工作站上，并不斷與PLC控制器交換數據，實時地把所有設備的當前狀態以圖表、顏色、閃爍及數值等方式顯示在操作界面上；而操作人員在操作界面的每個動作，也由監控系統軟件將相關的命令、參數寫入PLC，實現設備的手動控制。
除現場控制設備，整個系統的通信網絡則是保證系統能否高效運行的關鍵。長隧道、特長隧道以及隧道群的出現已經越來越多，單洞內的區域控制器就越來越多，這就意味著網絡的結點在不斷增加。通信網絡不僅要具有較高的通信速率以保證大量數據的有效傳輸，還必須具有容錯的能力以提高通信的可靠性，即網絡上出現故障時能夠實現自恢復，同時，構成通信網絡的設備必須滿足工業級要求，以適應隧道內苛刻的工作環境。系統還需要具有很好的可擴展性，使得設備更新與增加、功能改善與變化，都能應用于原有系統。
隧道監控的環境相對比較特殊，隧道所處的山野防雷非常重要，隧道中的控制箱經常會遇到潮濕甚至漏水的侵擾，而一些高原隧道面臨嚴寒和低空氣密度，特別是長大隧道中的汽車煙塵很容易附著在密封不好的控制箱中的設備上，這些煙塵具有一定的導電性，從而造成本地控制器等設備的早期故障或損壞。從國內隧道監控系統的實際應用情況來看，對隧道監控環境的認識，在一些項目中，重視成度還不夠，一些隧道控制箱遠沒有達到IP65以上的防護等級，這樣的監控系統是很不安全的。
解決方案
監控系統通信網絡和PLC是隧道監控系統的核心組成部分，它們的性能對隧道監控系統會起到決定性的作用。根據隧道本身的特點和監控需求選擇合適的PLC及通信網絡是保證隧道監控系統性能的重要因素。
1.通信網絡
在隧道監控系統的結構上，國內在管理體制上主要采用三級管理，即監控總中心、區域監控分中心和監控站。由于監控站不直接對隧道的外場設備進行直接控制，因此工程界按照系統結構的劃分把監控系統劃分為信息層、控制層和設備層。
*層為信息層，主要負責大量信息及不同廠家不同設備之間的信息傳輸，工業以太網Ethernet為目前較常用的一種信息網絡，世界各大PLC生產廠商均支持工業以太網，并且他們在原有TCP/IP的基礎上，相繼開發出實時性更高的工業以太網，如Omron和Rockwell支持的Ethernet/IP，Schneider支持的Modbus-TCP/IP以及Siemens支持的ProfiNet等。由于Ethernet的信息量大，因此在隧道監控上以太網主要用于各個隧道管理所與監控中心的數據傳輸，包括各種交通流量信息，各傳感器數據等大量歷史數據信息。
第二層為控制層，主要采用現場總線組成隧道區域控制器網絡，其特點是由于采用了標準總線組網，既能滿足實時通信的要求，又具有開放協議的標準接口，能在總線上方便地掛接各種外場設備，有利于監控系統的擴展。目前，現場總線有40多種，在公路監控系統中應用的現場總線主要有Controller Link、LonWorks、Inetrtbus、Profibus、CAN和Modbus+。它們的共同特點是高速、高可靠，適合PLC與計算機、PLC與PLC及其他設備之間的大量數據的高速通信。為使系統的穩定可靠，控制層的網絡結構多采用環網的方式組成，包括線纜型和光纖作為傳輸介質，具體組網將在后面做出實例說明。
第三層為設備層，這一層用于PLC與現場設備、遠程I/O端子及現場儀表之間的通信，包括DeviceNet、Modbus以及Profibus/DP等，其中DeviceNet已經成為工業界的標準總線而得到了廣泛的應用，而Profibus/DP雖然沒有成為標準，但是其應用也相當廣泛。
值得指出的是，近年來以太網的廣泛應用使得人們把目光投向了現場總線上來，工業以太網是否將取代現場總線仍然是一個爭論的話題。然而，不論是Ethernet/IP還是Modbus-TCP/IP，以太網在一些重要的性能指標上仍然無法具有現場總線的特點和優勢。從本質上來講，以太網的載波幀聽沖突監測CSMA/CD的訪問方式，實時性并沒有現場總線采用的令牌總線和令牌環的訪問方式高，不論人們采用何種方式，如協議封裝、分時訪問控制等，都只能改善以太網的實時性，得不到本質的改變。隧道控制的一個核心思想是必須保證隧道的安全尤其是突發事件時隧道的安全，如果突發事件的發生造成數據訪問產生碰撞，使得信息不能及時得到處理而導致重大事故，后果將不堪設想。在當前技術還未*成熟之前，現場總線應用于控制層，是一個積極和穩妥的選擇。隨著以太網技術的不斷發展，今后其取代現場總線而用于控制層也是很有可能的。
2.監控分中心及上位監控軟件
監控分中心一般將設置多臺SCADA工作站（工控機）。分別用于交通監控、消防報警、圖形控制、通風照明控制、視頻監控等，完成隧道內各種設備的狀態顯示、自動控制、半自動控制、打印報警、分析報表等工作。同時，監控分中心還將設置多臺服務器，為其他計算機提供支援和與監控總中心進行通信。

圖2  Omron CS1系列
 
3.PLC的選擇
隧道監控對PLC的性能提出了更高的要求，作為隧道監控的核心控制器，其必須具備以下幾大功能特點：首先本身必須穩定可靠，并具有預先處理數據和集中傳輸數據的能力，具有較高的故障保護能力；其次，區域控制器可以獨立承擔控制分區的基本控制任務，即使監控站或者監控中心因故障停止運行，相鄰區域的控制器也能交換交通量信息；再次，當某區域的交通量出現變化時，可按預定方案和程序采取相應的算法，對相關區域的流量做出相應的調整。因此，其必須至少有如下功能模塊，數據采集存儲處理功能（實現集中和獨立工作方式，尤其是在獨立控制時能與相鄰控制器實現數據交換）；通信功能、容錯功能、自動診斷功能和本地操作功能（即能帶觸摸屏）。
必須綜合考慮整個監控系統的性能要求和自然條件以及運營周期對設備的要求進行選擇，尤其在氣候和惡劣環境狀況條件下長、特長隧道的時候，需要選擇性能更好的雙機熱備冗余的PLC。如Schneider的Quantum系列、Rockwell的ControlLogix、Omron的CS1D系列以及Siemens的S7-417系列。
在一般的環境狀態以及中、長隧道中，多采用標準的機型作為現場控制器，如Schneider的Quantum140系列、Rockwell的ControlLogix、Omron的CS1系列及Siemens的S7-400系列等；它們都支持工業以太網和多種現場總線，控制方式采用遠程帶CPU的智能分布式結構，系統開放性和兼容性強，豐富的I/O及高功能模塊，*隧道監控系統對信號處理的要求。
應用案例
下面以山西晉城至陽城高速公路隧道為例，具體說明隧道監控系統的實際應用。
晉城至陽城段高速公路，設計范圍36.029km。其中高速公路長27.47km，封閉二級公路長8.5598km。道路起點接長晉高速公路，終點與陽城市區道路相接。本路全線有隧道4座，包括五佛山隧道（514m），牛王山隧道（1880m/1860m），天壇山隧道（1008m），管道嶺隧道（1300m）。本監控方案主要就牛王山隧道機電監控系統進行說明。
整個隧道機電監控網絡由設在遠端的監控通信中心和隧道內(包括牛王山隧道變電所)的本地控制器以及相關的通信線路組成。監控中心內設有交通狀況模擬顯示大屏幕、工作站、監控計算機群、打印機、服務器和CCTV視頻墻等設備，供操作人員監視和指揮隧道內和道路的運營情況。
在牛王山隧道監控系統中，包括8套本地控制器，其中一套主控本地控制器置于牛王山隧道變電所內，其余的本地控制器分散布置在牛王山隧道上下行的各個位置，所有本地控制器通過100Mb/s速率的以太網形成光纖冗余環網。光纖環網使得環路上任意兩個區域控制器間通信有兩條物理鏈路，這樣即使某處光纖出現斷裂故障,系統仍可以自動尋找到反方向的通信鏈路繼續維持通信，既增加了通信可靠性，又提供了在線不停機檢修通信的功能。牛王山隧道變電所內的主控本地控制器也通過100Mb/s速率的光纖以太網與監控通信中心相連，保證了監控數據和指令的實時海量數據傳輸。
各PLC對照明、通風、本地控制系統信息進行采集，同時按所設定的程序以及上位機的指令進行相應的動作。采集的信息經光纖以太環網傳至控制室中央計算機上，實現聯網。另外，在主控制器上還配有液晶觸摸屏，用來對給設備操作和顯示其反饋信息及檢查所轄各設備的狀態，同時它可以取代手持式編程器對PLC進行編程；而且，在隧道監控中心的服務器上匯集了隧道各個設備實時信息，所以本地控制器不僅要能快速交換實時數據，進行數據采集，并能接受和執行上位機的指令，通過服務器可對現場任一設備（照明、通風、本地控制器）發布操作命令。在牛王山隧道變電所選用了Omron的 CS1D系列PLC作為本地控制器，如圖1所示。CS1D系列PLC具有雙CPU模塊，雙電源模塊，支持熱插拔，極大提高了主控制器的可靠性，使得整個系統可以實現不停機檢修功能。在隧道內的7臺本地控制器我們選用Omron的CS1系列PLC，其具有高速信息交換能力和良好控制功能，CS1系列PLC作為隧道內的區域控制器。如圖2所示。在每臺PLC上安裝有RS-485/RS422或RS-232通信端口，以便與多參數智能變送器、限速控制器、可變情報板顯示控制器等儀表控制設備相連，串行通信的數據協議是隨著制造商和設備而變的。協議的差別，使得不同廠商生產的設備間的通信非常困難，即使它們的電氣標準相同，Omron通過建立的易用于匹配所連接的設備的協議宏功能解決了這個問題，協議宏使得開發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OmronPLC能和任何帶RS-232C，RS-422或RS-485接口的設備進行通信。在本控制系統中用于控制照明、通風、電力及交通等設備的各個區域控制器均采用獨立的控制程序。控制室兩臺中央計算機則通過Ethernet與上級控制中心。
改進與發展
當前我國隧道監控系統的設計和實施正處于一個成長期，系統的需求、設計、結構以及系統的控制仍然存在不完善的地方，同時技術的發展也給監控系統的改進創造了條件和基礎，也使建設合理的隧道監控系統成為可能。
從系統的需求來看，一方面要兼顧系統的穩定、可靠與可控，也要反映系統的、經濟與可擴展，同時也要使操作便捷與維護方便；另一方面，針對不同的交通條件和功能要求確定系統的規模和冗余度的大小，確定系統的合理集成方式、系統網絡的構成與拓撲結構形式以力求系統的可靠性、穩定性、性與經濟性的有機結合；從系統的設計來看，除考慮系統的規模和設計方法外，也要考慮新技術的應用，使整個系統既又實用；從系統的控制來看，當前我國公路監控普遍存在著只監不控，或監強控弱的現象，交通信息、環境信息得不到很好利用，對于隧道控制，要針對不同現象，采用不同的控制方法。
今后我國的隧道監控系統的發展是在原有基礎上，按照監測與控制適當分離，集中監測，靈活機動的現場控制的總體思想，逐步改進，使得隧道監控系統的建設更趨合理。

概述

隨著我國高速公路建設里程的增長，隧道占新建設高速公路里程的比例越來越大。隧道在空間上呈封閉帶狀分布的結構特征，給行車環境帶來了一系列變化，往往構成高速公路交通事故的多發區，并且極易引發二次交通事故，引起高速公路堵塞，造成重大經濟損失。隧道安全運營問題顯得越來越突出，隧道內環境監測與控制成為保證高速公路隧道安全及安全運行的重要手段。

本系統主要建設對隧道內的綜合環境監測與控制，主要實現以下幾個方面：

（１）通過在隧道內安裝溫濕度傳感器、光線感應器、以及積水監測儀來對環境進行監測，主要包括對有害氣體、能見度、風速、水位、煙霧、明火、含氧量等進行實時監測；

（２）對前端監測的數據進行分析，當發現有異常時，自動給出報警提示，并能判斷到當積水超*排水磊是否工作，當發現隧道內有害氣體超標時，自動啟動和控制通風系統進行及時換氣；

３）通過建立監控中心，及時地掌握各個公路隧道內的環境情況及各控制設施的運行狀態。集中化管理道路報警信息，實現對報警的統計和分析，實現環境異常與其它控制的設施的聯動控制。

高速公路隧道綜合環境監測系統用于對公路隧道內環境進行監測，可以實現隧道內的風速、能見度、含氧量等進行實時監測，通過將這些采集的數據進行分析和處理，能為減少交通事故的發生提供安全保障。系統在整體上由前端采集系統、通信傳輸系統和監控中心系統三大部分組成。

本系統主要采集以下數據：

１、有害氣體

通過在隧道內安裝在害氣體傳感器，一般安裝在隧道洞壁上，每隔500m安裝一只傳感器，傳感器通過ＷＳＮ網絡進行數據傳輸。

２、含氧量

通過在隧道中間安裝含氧量探測儀，實時掌握隧道內的空氣情況，為駕駛人員安全駕駛提供保障。

３、積水

通過在隧道內安裝積水測試儀，及時掌握隧道內是否由于天氣原因導致隧道內有嚴重積水等現象，通過積水探測儀與排水系統進行聯動控制，可實現當積水超過標準時，排水系統自動開始啟動排水泵進行排水處理。

４、煙霧、明火

在隧道內發生火災會導致迅速的有害氣體增加，再加上汽車尾氣等，在隧道內氣溫也會快速升溫，在短時間內可能會造成爆炸。監測隧道內是否有煙霧、明火等顯得非常重要。通過煙霧傳感器報警后與消防系統及通風系統聯動后，可以快速地滅火處理及改善隧道內的空氣質量。

控制

通過在隧道內安裝光線傳感器感應隧道內的光照情況，根據每個位置的不同，所測量的光照度也不同，系統根據每個位置的能見度情況，自動調整每個照明燈的光線，從而來滿足隧道內的光照滿足標準。

通過煙霧探測器實時監測隧道內是否發生火災，當有發現有火災發生時，根據煙霧濃度自動開啟消防系統以及通風系統，通過消防噴淋系統進行及時滅火；通風系統會在隧道內有害氣體濃度超標，含氧量過少時自動開啟通風系統，進行排氣換風處理，從而來保證隧道內的空氣能滿足要求。

數據傳輸

在隧道內安裝傳感器，需要將采集的數據傳送到監控中心，而隧道內由于處于山中，沒有ＧＰＲＳ信號覆蓋，導致公路運行人員不能及時了解到隧道內的環境及設備的狀態。通過在隧道內增加ＷＳＮ節點，利用ＷＳＮ無線網絡將采集的數據傳輸到隧道洞口，再由安裝在隧道口的傳輸設備將數據傳回到監控中心。監控中心就能及時了解到隧道內的環境情況。

監控中心

監控中心將部署于公路運行中心，它的功能主要是由運行于后臺服務器上的隧道綜合環境監測管理軟件來實現的。主要為用戶提供信息服務，實時采集隧道內的環境參數，隧道內消防、照明等子系統的運行狀態等。

綜合環境監測管理系統每十分鐘會采集隧道內的環境數據，通過對采集數據進行分析，從而可掌握到隧道內的環境情況，為交通部門提供依據。通過系統可了解到隧道內的照明系統、消防系統、通風系統的運行情況及這些設施是否有損壞現象等。

隧道環境系統監測方案