重慶上界高速公路隧道現(xiàn)場控制系統(tǒng)方案優(yōu)化一、概述上界高速公路全線長22.7公里，全線雙向六車道，是重慶外環(huán)線的一段，路線起于成渝高速公路上橋互通，止于界石，共有肖家灣、華巖寺、馬桑溪、袁家灣、建新村等5座互通式立交、1座特大橋?yàn)轳R桑溪大橋；小泉隧道、吉慶隧道等2座隧道。全線設(shè)1個監(jiān)控中心、若干外場監(jiān)控點(diǎn)、一個隧道監(jiān)控站。監(jiān)控中心設(shè)置在袁家灣互通處，統(tǒng)一對全線交通運(yùn)行實(shí)施宏觀管理和調(diào)控，協(xié)調(diào)各監(jiān)控點(diǎn)的運(yùn)行，必要時(shí)下達(dá)控制命令。隧道監(jiān)控站完成對隧道子系統(tǒng)的信息采集以及在線路出現(xiàn)故障時(shí)實(shí)現(xiàn)降襠控制。上界高速公路監(jiān)控系統(tǒng)由中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、隧道現(xiàn)場控制系統(tǒng)、隧道檢測與控制設(shè)備、隧道有線廣播系統(tǒng)、閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)、緊急電話系統(tǒng)、路段外場監(jiān)控設(shè)備以及監(jiān)控系統(tǒng)軟件構(gòu)成。監(jiān)控外場設(shè)備實(shí)現(xiàn)對本路段各種交通系統(tǒng)信息的采集，向道路使用者提供本路段路況的各種信息，以達(dá)到監(jiān)視道路和控制道路的目的。二、 隧道現(xiàn)場控制的功能需求上界高速公路共有兩座隧道：小泉隧道、吉慶隧道。小泉隧道長935m，雙向雙洞；吉慶隧道長1150m，雙向雙洞。兩座隧道共用一個隧道現(xiàn)場控制室，現(xiàn)場控制室位于吉慶隧道出口外兩線間。隧道現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場控制計(jì)算機(jī)、交換機(jī)、火災(zāi)報(bào)警控制柜、光傳輸設(shè)備柜、PLC網(wǎng)絡(luò)組成?，F(xiàn)場控制計(jì)算機(jī)通過交換機(jī)與監(jiān)控中心的以太網(wǎng)連接，并作為PLC網(wǎng)絡(luò)的上位機(jī)，負(fù)責(zé)與PLC網(wǎng)絡(luò)的通訊。在現(xiàn)場計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和中心控制系統(tǒng)之間敷設(shè)有一條以太網(wǎng)光纜數(shù)據(jù)通道。在該通道暢通時(shí)，現(xiàn)場計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與中心控制系統(tǒng)構(gòu)成一個局域網(wǎng)，二者之間通過局域網(wǎng)傳遞信息；此外，再由沿線通信工程在二者之間提供一條低速數(shù)據(jù)通道，在以太網(wǎng)通道故障時(shí)，該低速通道可啟用，現(xiàn)場計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可通過該通道向中心控制系統(tǒng)傳遞告警信息。三、 隧道現(xiàn)場控制的設(shè)計(jì)方案隧道檢測與控制系統(tǒng)包括交通檢測與交通控制、環(huán)境檢測與通風(fēng)控制、亮度檢測與照明控制、消防水位檢測與水泵控制。在原設(shè)計(jì)方案（圖1）中，上界高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的PLC器件采用的是Schneider的CompactPLC和MomentumRIO,現(xiàn)場總線采用了MB+光纖自愈雙環(huán)通訊總線。根據(jù)現(xiàn)場情況，我們對PLC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，提出以下幾點(diǎn)修改意見：鑒于Schneider公司已決定主推Quntum和Premium系列的PLC,同時(shí)考慮到高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的復(fù)雜性，我們建議用Schneider公司新型的PremiumPLC取代原來的CompactPLC作為區(qū)域控制器。Premium是Schneider公司新近推出的控制系統(tǒng)，其性能優(yōu)于Compact,是Compact的替代產(chǎn)品，備品備件及售后服務(wù)都有更好的保障。A按設(shè)備就近接入的原則，區(qū)域控制器的控制區(qū)域進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整。例如，RIO附近的車道指示器應(yīng)就近接入附近的RIO,這樣需增加RIO的DI、DO模板，相應(yīng)減少LC的I/O模板。?按實(shí)際情況對各個區(qū)域控制器和RIO的I/O點(diǎn)數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。?由于監(jiān)控系統(tǒng)中有大量的智能串口通訊設(shè)備，需按實(shí)際情況在LC和RIO上配置RS485/RS422通訊接口。在RIO上配置串口需將其升級為帶CPU的區(qū)域控制器。?為了在RIO1、RIO4、RIO7上增加串行通訊口，需對RIO系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。在RIO1、RIO4、RIO7上增加CPU模板（512KRAM、RS232、I/OBus通訊口）和MB+通訊適配器，并通過MB+適配器接入MB+網(wǎng)，對RIO5增加CPU和MB+通訊適配器。其余RIO模板由MomentumM1 CPU（RIO1、4、7）管理。?考慮到MB+網(wǎng)絡(luò)光傳輸?shù)脑试S時(shí)間延遲，對本系統(tǒng)（光纖環(huán)距8公里）光中繼器的個數(shù)應(yīng)限制在10個以下°LC1、RIO1通過T型頭共用1個中繼器，LC2、LC3、RIO4共用1個中繼器，LC5、RIO5共用1個中繼器，LC6、上位機(jī)共用1個中繼器，LC7、RIO7共用1個中繼器。?LC1-LC7為Premium系列的PLC，其編程軟件采用PL7PRO軟件，RIO1、4、5、7為Momentum系列的PLC，其編程軟件采用CONCEPT軟件，共需兩套編程軟件。?網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仍采用兩層結(jié)構(gòu)。通訊干網(wǎng)方案不變，仍采用MB+光纖通訊總線，自愈雙環(huán)網(wǎng)。區(qū)域控制器（RIO1、RIO4、RIO7）通過M1處理器管理RIO2、3、6。圖1系統(tǒng)原設(shè)計(jì)方案四、隧道現(xiàn)場控制的優(yōu)化方案高速公路隧道PLC網(wǎng)絡(luò)具有以下顯著特點(diǎn)：A設(shè)備分散，連綿數(shù)公里；AI/O點(diǎn)數(shù)量少于1000點(diǎn)；A控制連鎖要求強(qiáng)；A通訊能力要求較高；A環(huán)境惡劣。從先進(jìn)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等諸方面考慮出發(fā)，有必要對上述方案進(jìn)行優(yōu)化。1、 優(yōu)化設(shè)計(jì)原則A優(yōu)化設(shè)計(jì)方案必須滿足或高于招標(biāo)文件對現(xiàn)場檢測與控制系統(tǒng)的性能、功能要求；A優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的造價(jià)應(yīng)與前述方案相當(dāng)；A系統(tǒng)構(gòu)架應(yīng)符合現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展方向，體現(xiàn)出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的先進(jìn)性；A系統(tǒng)應(yīng)具有更好的可靠性，便于維護(hù)和擴(kuò)展，降低用戶的維護(hù)費(fèi)用；A優(yōu)化控制軟件，節(jié)省能耗，降低用戶的運(yùn)營費(fèi)用。2、 優(yōu)化設(shè)計(jì)路線A現(xiàn)場檢測與控制系統(tǒng)采用PLC的根本原因是其高可靠性和穩(wěn)定性。監(jiān)控系統(tǒng)的底層（現(xiàn)場層）應(yīng)具備最高的可靠性。鑒于上述認(rèn)識，我們認(rèn)為PLC網(wǎng)絡(luò)應(yīng)不依耐于任何計(jì)算機(jī)系統(tǒng)獨(dú)立進(jìn)行降檔控制，現(xiàn)場檢測與執(zhí)行器（如車輛檢測器）應(yīng)盡可能就近接入PLC。A基于上述考慮，現(xiàn)場計(jì)算機(jī)的主要功能變化為通訊、數(shù)據(jù)庫緩存、操作界面并提供有線廣播和UPS監(jiān)控服務(wù)，減少了控制功能和計(jì)算機(jī)的負(fù)荷。A根據(jù)現(xiàn)場實(shí)地考察，現(xiàn)場監(jiān)控室與吉慶隧道變電所同處一室，我們建議提升該變電所區(qū)域控制器的檔次為主控柜，使其能實(shí)現(xiàn)對交通、通風(fēng)、照明、消防的降檔連鎖控制。A高速公路隧道現(xiàn)場的惡劣性（潮濕、粉塵、電磁干擾、雷電等）和設(shè)備分散、連綿數(shù)公里的特點(diǎn)決定了PLC之間的通訊必須采用光纜通訊，在本招標(biāo)文件的設(shè)計(jì)中采用了自愈雙環(huán)的冗余光纖鏈路，我們認(rèn)為這是目前公路雙洞隧道監(jiān)控系統(tǒng)的最佳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場設(shè)備和區(qū)域控制器應(yīng)盡可能利用這一設(shè)施的高可靠性和高速度。?在前述方案中，按設(shè)備在隧道內(nèi)的布局，配置了11臺區(qū)域控制器。受制于器件選型對光纖傳輸距離、速度和允許延遲時(shí)間的限制，雙環(huán)光纖鏈路上中繼器的數(shù)量不宜超過10臺，區(qū)域控制器不得不共用光中繼。共用光中繼使得一臺區(qū)域控制內(nèi)配置有光中繼（如LC2），可以接入光環(huán)，另外幾臺沒有光中繼（如LC3、RIO4），只能通過電纜連接LC2接入光環(huán)。電纜的使用降低了系統(tǒng)的可靠性和速度，也影響了區(qū)域控制器的對等性和產(chǎn)品化設(shè)計(jì)。我們認(rèn)為既然區(qū)域控制器連接在雙環(huán)光纜上，應(yīng)具有獨(dú)立對等的結(jié)構(gòu)，各區(qū)域控制器均應(yīng)配置光中繼器。?在前述方案中，按設(shè)備在隧道內(nèi)的布局，配置了3臺遠(yuǎn)程IO（RIO）。按現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展方向，RIO應(yīng)能與區(qū)域控制器掛接在一層網(wǎng)絡(luò)上，以減少纜線的敷設(shè)。受制于器件的選型，MB+和InterBus不能在一層網(wǎng)上兼容傳輸，前述方案不得不采用兩層網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，RIO與區(qū)域控制器通過電纜相連，電纜的使用降低了系統(tǒng)的可靠性和速度，降低了光纜設(shè)施的利用率。同時(shí)區(qū)域控制器的失效，將導(dǎo)致所屬RIO的全部失效，增加了系統(tǒng)的脆弱性。我們建議將RIO直接掛接在光纜上。?上述優(yōu)化路線提高了吉慶隧道變電所區(qū)域控制器的檔次，增加了光中繼的數(shù)量，減少了通訊電纜、通訊管理模塊和軟件開發(fā)工具，系統(tǒng)的總造價(jià)并沒有明顯變化。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡潔、清晰，提高了系統(tǒng)的先進(jìn)性和可靠性。3、LC和現(xiàn)場總線選型從先進(jìn)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等諸方面考慮出發(fā)，現(xiàn)場檢測與控制系統(tǒng)的優(yōu)化方案擬采用德國SIEMENS的全集成自動化技術(shù)。>西門子PLC以其性能先進(jìn)、功能完善、制造精良贏得世界市場份額第一的地位；新一代S7PLC實(shí)現(xiàn)了與IT技術(shù)的集成，其PLC網(wǎng)絡(luò)Profibus是國際標(biāo)準(zhǔn)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)、德國國家標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品具有良好的開放性?！肺鏖T子的PLC通過PROFIBUS現(xiàn)場總線能輕松實(shí)現(xiàn)前述方案、優(yōu)化方案和招標(biāo)文件方案（7個RIO）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能。?西門子的RIO可輕易擴(kuò)展RS232、RS485、RS422等通訊接口，無需升級為區(qū)域控制器。?SIEMENS的PROFIBUS冗余光環(huán)組網(wǎng)距離可達(dá)90公里，站點(diǎn)距可達(dá)15公里，傳輸速率達(dá)12M/s；在本項(xiàng)目中，輕易可在雙環(huán)光纜上掛接14個光中繼器。可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化方案將區(qū) 域控制器和RIO全部接入光纜的要求。

A簡便的基于國際標(biāo)準(zhǔn)的PLC及其網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)、編程軟件STEP7。STEP7提供了對PLC組態(tài)編程的統(tǒng)一工具且具有高級語言開發(fā)軟件包，而前述方案對Momentum和PremiumPLC須采用兩套開發(fā)工具。?PLC系統(tǒng)能與西門子上位監(jiān)控軟件WINCC高效無縫接口，上位機(jī)軟件提供統(tǒng)一、基于國際標(biāo)準(zhǔn)的、開放的數(shù)據(jù)庫接口，以便于通過骨干網(wǎng)與控制中心交換數(shù)據(jù)；具備良好的人機(jī)操作界面，并支持客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)。?SIEMENS的PROFIBUS已被中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會確認(rèn)為中華人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：國標(biāo)

JB/T10308.32001，發(fā)布日期：2001年11月2日，正式執(zhí)行日期為：2002年3月1日；4、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)SIEMENS的PROFIBUS完全可以實(shí)現(xiàn)招標(biāo)文件中所要求的雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。按照前述優(yōu)化設(shè)計(jì)路線，我們推薦將區(qū)域控制器和遠(yuǎn)程IO全部接入冗余雙環(huán)光纜的單層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（參見圖2）。這樣做簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和布線，提高了系統(tǒng)的可靠