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摘要:隧道监控系统在隧道运行中有着极其重要作用,合理的监控系统可保证隧道行车安全和畅通,并在事故时减少损失。本文重点对重遂高速公路监控系统及其应用进行了详细介绍。
关键词:高速公路 监控系统 技术应用
一、工程简介
重庆至遂宁高速公路是国家重点干线公路宁波至樟木公路重庆至绵阳支线的重要组成部分,也是重庆市高速公路“二环八射”规划中的“二射”。
国道319重庆至遂宁高速公路(重庆境),起点位于重庆市主城区沙坪坝,接渝长高速公路(重庆内环的一段),穿越重庆市沙坪坝区及西北部的壁山、铜梁、潼南三县,止于重庆与四川省交界处,与渝遂高速公路四川段终点顺接,路线全长111.838公里。其中,有大学城、青木关和云雾山等隧道。
二、隧道监控系统结构
隧道监控系统包括监测、报警和控制及诱导设备3大类,除CCTV、广播、报警设备(火灾检测、报警按钮、紧急电话)几类自成系统外,其他设备一般都通过区域控制器及构成网络来监控,可以说网络是隧道监控系统的神经中枢。
一般隧道监控分3个层次:上层为中央计算机系统,中间为区域控制器,下层为各种检测设备(车辆检测器、能见度检测器、CO浓度检测器、风速风向检测器、亮度检测器、超高车辆检测器等)和控制及诱导设备(车道控制器标志、交通灯、可变情报板、可变限速标志等)。
区域控制器为现场监控的核心,负责采集现场设备信息,处理后传给上位机,而上位机的控制命令则发给区域控制器,再由区域控制器解释后发给相应设备。当中央计算机系统瘫痪时,区域控制器可独立运行管理本区域设备,使其仍能正常工作,保障隧道正常运行,因此区域控制器应是高度可靠的。现在常用工控机或PLC作为区域控制器核心控制部分,而PLC由于其设计专门针对稳定性、实时性要求极高的工业现场控制领域,对于环境要求也远低于工控机,从而比工控机更适用于隧道监控现场。针对隧道监控的运用,西门子S7-200和S7-300系列性价比较高。
SIMATICS7-200系列是小型PLC的代表产品,S7-300是模块化小型PLC系统,能满足中等性能要求的应用,高电磁兼容性和强抗振动、冲击性能,使其工业环境适应性强;它除标准型外(温度范围0℃～60℃),还有环境条件扩展型可供选择(温度范围-25℃～+60℃),并具有更强的耐振动和污染特性。
对于隧道内设备分布较散、单个区域监控点数少的可选用S7-200系列,而单个区域监控点多且控制功能要求较复杂的可选用S7-300系列。特殊者如对区域控制器有极高运行要求,可考虑使用S7-400系列,它属于中高档性能PLC,可提供冗余电源,根据要求还可提供有冗余设计的容错自动化系统,可靠性高,但价格也较高。
隧道内受监控S7-200设备大多是数字量I/O点,S7-200和S7-300都有各种点数的模块可供选择。出于安全性和抗干扰考虑,建议使用24VDC模块,对于受监控设备应提供干触点,而对于区域控制器的输出建议采用晶体管输出加继电器的组合,即可将外界设备同PLC隔离开来,又可降低设备成本。而模拟量I/O在隧道中一般用于采集能见度检测器、CO浓度检测器、风速风向检测器、亮度检测器等测量仪表的测量值,信号类型由仪表决定,但应尽量选用4～20mA信號源,可有效提高信号抗干扰性和减小衰减。对于车辆检测器等智能设备,可针对其所采用的协议和接口类型选用相应通信模块。
三、隧道监控通信
区域控制器同上位机间通信方式多种多样,隧道中运行成本最低的是Modem通信,除用串口模块加配工业Modem方式外,西门子专门Modem模块可供选择,如S7-200系列EM241等。但由于Modem通信速度低,且Modem间通信线路易受干扰,误码率很高,大大降低了通信效率;并且PLC需编制专门通信程序和协议,工作量大大增加。在成本要求很低或通信距离过长(如高速公路等运用环境)时,才考虑使用这种方式。
现在隧道监控中现场总线运用日见广泛。现场可选用Profibus-DP协议,其响应快速,在一个32个站点的分布系统中,能对所有站点传送512b/s输入和输出,在12Mb/s时只需1ms。
对于隧道内通信主干链路建议采用基于光缆的数据传输,并选用OLM光纤链路模块OLMG12(玻璃光纤,两站间通信距离可达3km)或OLMP12(PCF光纤,两站间通信距离可达400m),组成光环冗余网络,由于光缆不受电磁干扰影响,大大提高了通信抗干扰能力,且冗余光环网提供的冗余能力使任何一段光缆出现问题都不会影响其正常通信。
使用Profibus-DP协议时西门子系列PLC都提供了通信模块,甚至S7-300系列中还提供了CPU模块直接集成有DP端口的型号,如315-2DP及316-2DP等。另外还有基于Profibus-DP协议的分布式I/O产品,如ET200系列。Profibus-DP是主从结构的协议,因此主站选型需特别注意,由于主站需管理所有从站的通信,因此对其要求较高,建议使用S7-300系列PLC,并根据网络上数据量和程序量选择内存容量合适的CPU。虽然带有CP5613或CP5611等通信适配器的上位机也可兼作主站,但其处理速度和稳定性远远不如PLC。上位机可作为DP2类主站运行图控软件,如WinCC等作为监控用。
对于隧道内通信链路,同总线方式一样建议采用基于光缆的数据传输,并选用OSM工业级光纤交换机,可接入多模光纤或单模光纤,两站间最大通信距离可达26km(单模光纤)。组成光环冗余网络时环的再配置时间小于0.3s,并提供了网络管理功能。
同样,供PLC使用的以太网模块,如用于S7-300系列的CP343-1和用于S7-200系列的CP243-1,以及这些模块的IT版本,能将E-mail和Web浏览器集成进去,使用户可接入Internet进行远程访问和管理PLC。
针对现场总线与工业以太网,可做个比较:
(1)按功能比较,现场总线连接最底层现场控制器和智能仪表设备,网线上传输的是小批量数据信息,如检测、状态、控制信息等,传输速率低,但实时性高。简而言之,现场总线是一种实时控制网络。而工业以太网用于连接局域网中各台PLC或计算机,网线上传输的是大批量数字信息,如文本、声音、图像等,传输速率高,但实时性要求不高。从这个意义而言,工业以太网是一种高速信息网络。
(2)按实现成本来看,现场总线接口模块和所需接口设备成本低于工业以太网设备,而上层计算机网络虽然可使用普通网络适配器,接入方便且便宜,但仍需另购买专用驱动,成本较高。
综上所述,结合实际情况,可将工业以太网同Profibus-DP总线相结合,形成优势互补的综合监控网络。如图4,主干网络可选基于冗余光环网技术的工业以太网,保证主干网上数据安全,而将现场区域控制器网络与中控室内计算机网络通过交换机和OSM级联,使现场数据可共享,没有任何主从站的要求和限制,也就是说任何一个站的损坏都不会造成网络瘫痪。由于隧道内设备分布相对分散,离区域控制器近的可直接接入,而较远的可利用分布式I/O和Profibus-DP总线采集。可采用屏蔽双绞线作为通信介质(建议使用Profibus专用电缆和接头,可增强抗干扰能力)。
除上所述,现场实际运用还要注意一些安装和接线问题:(1)信号线应小于500m,大于300m的应采用屏蔽电缆,并尽量成对使用,用一根中性或公共导线与信号线相配对。(2)交流线和高能量快速开关的直流线,应与低能量的信号线分开。避免信号线与高能量线平行布线。(3)外场使用信号线、电源线、通信线,应加防雷击浪涌抑制设备。(4)外电源不应与DC输出点并联使用作输出负载,应加隔离。(5)隧道内弱电设备应保证有相同电位参考点,否则将会由于通信电缆或传感器的连接,或是电磁作用而产生不可预计的电流而损坏设备,因此必须加设隔离装置。(6)PLC的DC电源不应和外部24VDC并联,这样会缩短设备寿命甚至失效。(7)未用模拟量通道应短接。(8)传感器接线应尽量短,并使用屏蔽双绞线,并仅在传感器侧端接。
关键词:高速公路 监控系统 技术应用
一、工程简介
重庆至遂宁高速公路是国家重点干线公路宁波至樟木公路重庆至绵阳支线的重要组成部分,也是重庆市高速公路“二环八射”规划中的“二射”。
国道319重庆至遂宁高速公路(重庆境),起点位于重庆市主城区沙坪坝,接渝长高速公路(重庆内环的一段),穿越重庆市沙坪坝区及西北部的壁山、铜梁、潼南三县,止于重庆与四川省交界处,与渝遂高速公路四川段终点顺接,路线全长111.838公里。其中,有大学城、青木关和云雾山等隧道。
二、隧道监控系统结构
隧道监控系统包括监测、报警和控制及诱导设备3大类,除CCTV、广播、报警设备(火灾检测、报警按钮、紧急电话)几类自成系统外,其他设备一般都通过区域控制器及构成网络来监控,可以说网络是隧道监控系统的神经中枢。
一般隧道监控分3个层次:上层为中央计算机系统,中间为区域控制器,下层为各种检测设备(车辆检测器、能见度检测器、CO浓度检测器、风速风向检测器、亮度检测器、超高车辆检测器等)和控制及诱导设备(车道控制器标志、交通灯、可变情报板、可变限速标志等)。
区域控制器为现场监控的核心,负责采集现场设备信息,处理后传给上位机,而上位机的控制命令则发给区域控制器,再由区域控制器解释后发给相应设备。当中央计算机系统瘫痪时,区域控制器可独立运行管理本区域设备,使其仍能正常工作,保障隧道正常运行,因此区域控制器应是高度可靠的。现在常用工控机或PLC作为区域控制器核心控制部分,而PLC由于其设计专门针对稳定性、实时性要求极高的工业现场控制领域,对于环境要求也远低于工控机,从而比工控机更适用于隧道监控现场。针对隧道监控的运用,西门子S7-200和S7-300系列性价比较高。
SIMATICS7-200系列是小型PLC的代表产品,S7-300是模块化小型PLC系统,能满足中等性能要求的应用,高电磁兼容性和强抗振动、冲击性能,使其工业环境适应性强;它除标准型外(温度范围0℃～60℃),还有环境条件扩展型可供选择(温度范围-25℃～+60℃),并具有更强的耐振动和污染特性。
对于隧道内设备分布较散、单个区域监控点数少的可选用S7-200系列,而单个区域监控点多且控制功能要求较复杂的可选用S7-300系列。特殊者如对区域控制器有极高运行要求,可考虑使用S7-400系列,它属于中高档性能PLC,可提供冗余电源,根据要求还可提供有冗余设计的容错自动化系统,可靠性高,但价格也较高。
隧道内受监控S7-200设备大多是数字量I/O点,S7-200和S7-300都有各种点数的模块可供选择。出于安全性和抗干扰考虑,建议使用24VDC模块,对于受监控设备应提供干触点,而对于区域控制器的输出建议采用晶体管输出加继电器的组合,即可将外界设备同PLC隔离开来,又可降低设备成本。而模拟量I/O在隧道中一般用于采集能见度检测器、CO浓度检测器、风速风向检测器、亮度检测器等测量仪表的测量值,信号类型由仪表决定,但应尽量选用4～20mA信號源,可有效提高信号抗干扰性和减小衰减。对于车辆检测器等智能设备,可针对其所采用的协议和接口类型选用相应通信模块。
三、隧道监控通信
区域控制器同上位机间通信方式多种多样,隧道中运行成本最低的是Modem通信,除用串口模块加配工业Modem方式外,西门子专门Modem模块可供选择,如S7-200系列EM241等。但由于Modem通信速度低,且Modem间通信线路易受干扰,误码率很高,大大降低了通信效率;并且PLC需编制专门通信程序和协议,工作量大大增加。在成本要求很低或通信距离过长(如高速公路等运用环境)时,才考虑使用这种方式。
现在隧道监控中现场总线运用日见广泛。现场可选用Profibus-DP协议,其响应快速,在一个32个站点的分布系统中,能对所有站点传送512b/s输入和输出,在12Mb/s时只需1ms。
对于隧道内通信主干链路建议采用基于光缆的数据传输,并选用OLM光纤链路模块OLMG12(玻璃光纤,两站间通信距离可达3km)或OLMP12(PCF光纤,两站间通信距离可达400m),组成光环冗余网络,由于光缆不受电磁干扰影响,大大提高了通信抗干扰能力,且冗余光环网提供的冗余能力使任何一段光缆出现问题都不会影响其正常通信。
使用Profibus-DP协议时西门子系列PLC都提供了通信模块,甚至S7-300系列中还提供了CPU模块直接集成有DP端口的型号,如315-2DP及316-2DP等。另外还有基于Profibus-DP协议的分布式I/O产品,如ET200系列。Profibus-DP是主从结构的协议,因此主站选型需特别注意,由于主站需管理所有从站的通信,因此对其要求较高,建议使用S7-300系列PLC,并根据网络上数据量和程序量选择内存容量合适的CPU。虽然带有CP5613或CP5611等通信适配器的上位机也可兼作主站,但其处理速度和稳定性远远不如PLC。上位机可作为DP2类主站运行图控软件,如WinCC等作为监控用。
对于隧道内通信链路,同总线方式一样建议采用基于光缆的数据传输,并选用OSM工业级光纤交换机,可接入多模光纤或单模光纤,两站间最大通信距离可达26km(单模光纤)。组成光环冗余网络时环的再配置时间小于0.3s,并提供了网络管理功能。
同样,供PLC使用的以太网模块,如用于S7-300系列的CP343-1和用于S7-200系列的CP243-1,以及这些模块的IT版本,能将E-mail和Web浏览器集成进去,使用户可接入Internet进行远程访问和管理PLC。
针对现场总线与工业以太网,可做个比较:
(1)按功能比较,现场总线连接最底层现场控制器和智能仪表设备,网线上传输的是小批量数据信息,如检测、状态、控制信息等,传输速率低,但实时性高。简而言之,现场总线是一种实时控制网络。而工业以太网用于连接局域网中各台PLC或计算机,网线上传输的是大批量数字信息,如文本、声音、图像等,传输速率高,但实时性要求不高。从这个意义而言,工业以太网是一种高速信息网络。
(2)按实现成本来看,现场总线接口模块和所需接口设备成本低于工业以太网设备,而上层计算机网络虽然可使用普通网络适配器,接入方便且便宜,但仍需另购买专用驱动,成本较高。
综上所述,结合实际情况,可将工业以太网同Profibus-DP总线相结合,形成优势互补的综合监控网络。如图4,主干网络可选基于冗余光环网技术的工业以太网,保证主干网上数据安全,而将现场区域控制器网络与中控室内计算机网络通过交换机和OSM级联,使现场数据可共享,没有任何主从站的要求和限制,也就是说任何一个站的损坏都不会造成网络瘫痪。由于隧道内设备分布相对分散,离区域控制器近的可直接接入,而较远的可利用分布式I/O和Profibus-DP总线采集。可采用屏蔽双绞线作为通信介质(建议使用Profibus专用电缆和接头,可增强抗干扰能力)。
除上所述,现场实际运用还要注意一些安装和接线问题:(1)信号线应小于500m,大于300m的应采用屏蔽电缆,并尽量成对使用,用一根中性或公共导线与信号线相配对。(2)交流线和高能量快速开关的直流线,应与低能量的信号线分开。避免信号线与高能量线平行布线。(3)外场使用信号线、电源线、通信线,应加防雷击浪涌抑制设备。(4)外电源不应与DC输出点并联使用作输出负载,应加隔离。(5)隧道内弱电设备应保证有相同电位参考点,否则将会由于通信电缆或传感器的连接,或是电磁作用而产生不可预计的电流而损坏设备,因此必须加设隔离装置。(6)PLC的DC电源不应和外部24VDC并联,这样会缩短设备寿命甚至失效。(7)未用模拟量通道应短接。(8)传感器接线应尽量短,并使用屏蔽双绞线,并仅在传感器侧端接。