黄俊龙
（重庆中宇工程咨询监理有限责任公司，重庆 400000）
随着高速公路建设的发展，目前PLC 控制系统在高速公路隧道建设中的应用越来越普遍，并且技术越来越成熟。不过，隧道监控系统PLC 控制系统的运行环境较为恶劣，各类设备较多，一旦处理不好很容易发生设备故障，影响到PLC 控制系统正常工作开展。
随着我国经济的发展，当前高速公路的建设规模越来越大，其中隧道建设是高速公路建设中具有挑战性的环节之一，由于隧道空间空气流通不好，光线强度较弱，所以发生安全事故的概率也随之提高。对此，高速公路隧道建设环节也在不断创新技术和工艺，提高隧道监控系统的智能化水平，完善隧道监控系统的功能。高速公路隧道监控系统包括事故报警系统、火灾报警系统、消防联动系统、通风系统和照明系统，如图1 所示。
图1 高速公路隧道监控系统构成示意图
1.1 PLC 控制系统工作原理
高速公路隧道所处环境较为特殊，对其开展监控工作需要覆盖隧道内部及外部，实现连续性的全天候监控。PLC 控制系统进行现场数据的采集主要利用PLC 控制系统、火灾传感器、火灾报警器及其他位置传感器，将采集而来的现场数据合理分析，一旦发生突发事故，可以及时判断事故发生的具体位置，方便第一时间进行事故的现场处理。通过PLC 控制器可以实现逻辑运算、数据分析，依赖于梯形图程序，所以PLC 控制系统的执行速度较快。此外，PLC 控制系统能够进行通信，在上位机中显示控制器现场检测的变量，同时根据需要也能够将数据和变量显示在触摸屏中，从而方便相关人员了解隧道现场情况。隧道PLC 拓扑结构图如图2 所示。PLC 监控是高速公路隧道监控系统的重要构成，监控系统如图3 所示，具体可以分为两级控制监控中心软件控制系统和隧道现场PLC 控制系统。PLC 控制系统在应对隧道现场突发紧急事故时优势较为显著，可以通过软触点发出控制命令，发挥监控系统的照明、火灾报警等功能。借助PLC控制系统可以进行信息的采集，以既定的程序和数据库执行相关命令。
图2 隧道PLC 拓扑结构图
图3 监控系统结构
1.2 PLC 系统组成
高速公路隧道所处的电气环境较为恶劣，对于电气设备提出了较高的要求，这也给监控系统的搭建提出了较高的要求，需要充分考虑到隧道的距离、电磁干扰等因素。当前国内外对于隧道建设都有相关标准，无论是中隧道、长隧道还是特长隧道都需要通过监控系统来提高行车的安全性。隧道监控系统一般包括像照明系统、通风系统外，还包括CCTV 系统、火灾报警系统和广播系统等。监控系统的设备类型包括检测设备、控制设备、显示设备及通信设备[1]，如图4 所示。
图4 监控系统的设备类型
常见的检测设备有车辆检测器、能见度检测仪等；
控制设备包括照明区域控制器、通风区域控制器；
显示设备如大屏幕监视器、声光报警器等；
通信设备包括集线器、光端机等。在进行高速公路隧道监控时，隧道监控的难度与隧道的长度之间有着关系，同时也会受到车流量的影响。根据隧道监控管理的要求，可以将隧道分为A、B、C、D 4 个等级，4 个等级中A 等级对于监控的要求较高，D 等级相比于A、B、C 等级要求来说较低。针对高速公路隧道的长短所采取的监控模式也有所不同，分布式现场总线控制模式较为适应于长隧道，成本相对来说较低，并且操作较为方便，具有较高的可靠性。集散式控制模式较为适用于短隧道，此种控制模式成本较高。针对较长距离隧道采取分布式现场总线控制模式，具体又可以分为全分布式现场总线控制及集中式现场纵向控制，各个模式有其本身优势，需要根据实际情况合理选择控制模式。
在进行隧道控制时需要将横向系统及纵向系统进行有机结合，借助算法技术来提高控制的智能化水平。隧道控制离不开区域控制器作用的发挥，需要借助区域控制器进行不同区域现场信息的采集，然后将采集处理后的信息汇总到本地控制中心。即使本地控制中心及区域控制器的通信方式受到阻碍，区域控制器仍然具有独立控制现场设备的能力，体现了区域控制器的高可靠性。PLC 作为区域控制器的核心控制部分，凭借稳定性、强环境适应性等在隧道监控中的应用越来越普遍[2]。
2.1 交通控制
PLC 系统编程中需要重视交通控制程序，这样才能有效保障交通控制程序发挥信息读取、数据上传等功能。读取车辆检测装置、车道指示标志和情报板状态信息，将所采集来的数据传递到上位机，按照上位机已经设定好的交通模式作为控制依据对上述装置进行有效控制。若高速公路隧道路段发生交通事故，那么交通控制程序可以第一时间发出报警信号。另外，交通控制程序中的定期校时功能能够协调时间保持一致性。具体来说，可以实现三级控制，针对监控分中心可以实施自动和手动控制，针对隧道监控室控制主要采取手动控制，对于现场设备的监控仍然可以采取手动控制为主要控制方式[3]。
2.2 通风控制
通风控制程序以检测装置中的数据作为重要依据，从而实现对风机运行状态的控制。在高速公路火灾事故发生时，通风控制程序还能够即时启动所在区域的风机，降低火灾现场的烟雾浓度，从而有效保障相关区域人员的安全。通风程序所参考的数据依据包括透光率、交通量数据和一氧化碳浓度数据，从而实现对风机运行时间、风向和数量的合理控制。相比于传统通风控制程序，PLC 通风控制程序的控制效果较为突出，还能够实时监控每台风机的状态。另外，通风控制程序还具有自动统计功能，根据相应数据结果统计来优化风机运行方案，协调风机工作时间，从而有效延长风机的使用寿命。通风控制子系统控制方式主要可以划分为四级，位于隧道变电所内的风机控制转换开关可以设置为自动，一旦控制系统出现故障，需要及时进行子系统控制的切换，从而确保预期控制效果。进行风机及子系统维修和测试时，需要将控制模式切换为通风机开关箱手动控制。通风控制子系统的控制方式有所不同，见表1。
表1 通风控制子系统控制方式
2.3 变电站监视控制
将PLC 控制系统应用于高速公路隧道监控中，可以进行变电站的监视。对于高压电源、低压总开关、发电站信号和各段低压母线等，PLC 都可以进行实时监控，将采集而来的信息上传监控分中心，对于存在的故障会及时发出警告。在进行风机系统控制时，还会参考变电站电源情况[4]。
2.4 照明控制
照明控制与高速公路交通安全有着紧密的联系，PLC 的照明控制程序可以实现信息数据的收集，有效控制照明系统，节约能源的同时还能提高高速公路行车的安全性。照明控制还能进行隧道内照明设备的监视，全面搜集隧道内光线强度、行车量等数据。若隧道内的光量不足，可以及时报警。在隧道内设置光强检测仪，可以根据设定值及时检修照明设备，在突发事故时可以及时开启隧道内的全面照明设备。自动控制、远程控制及人工控制是高速公路隧道的主要照明控制方式、控制环节，照明系统会及时向监控系统传递信号[5]。
PLC 控制系统随着时代的发展功能有所强大，但是，高速公路隧道PLC 控制系统的运行仍然会受到内外部多种因素的干扰，面临着各类的问题，影响到高速公路隧道行车的安全性。
3.1 开关电源损坏
在监控触摸屏、中间继电器等设备时涉及到较多的开关电源。长期运行状态下，开关电源模块容易积累较多的灰尘，导致电源内部模块的满载运行。若不注意定时清洗开关电源模块滤网，那么开光电源很容易受到外部电源浪涌冲击。一旦开光电源损坏，那么其他涉及到开关电源的设备都会功能受损，中心监控系统可能会瘫痪[6]。
3.2 信号干扰
高速公路隧道监控系统中的PLC 控制系统连接较多的设备，像照明系统、供电系统等都需要通过相应信号进行控制，所以控制信号种类较多。若PLC 与控制设备的距离较远，加之PLC 控制系统设计不合理，那么不同信号之间可能会形成干扰，容易造成数据的混乱及PLC控制系统功能的紊乱[7]。
3.3 信号防雷
在PLC 模块中较为容易损坏的是隧道洞口外部按照设备所对应的PLC 接入模块，由于高速公路隧道多位于多山区域，这些区域的立杆设备容易受到雷电等自然灾害的影响，从而影响到PLC 接入模块的正常运行。
3.4 PLC 控制柜维护
为了有效降低施工成本，在进行高速公路隧道监控系统中的PLC 系统建设时会缩小隧道内部的PLC 控制柜空间，但是控制柜内部的线路较多，维护时具有一定的挑战性。控制柜内部需要进行空气开关、开关电源等的设置，还要通过大量电缆来进行设备连接与控制。在进行PLC 控制柜维护检测时，信号检测和设备更换会受到狭窄空间的限制，影响到高速公路隧道监控系统PLC 控制系统的正常运行[8]。
4.1 进行开关电源损坏方面的优化
开关电源受到损坏多是由于区域电流量较大，局部区域温度升高等因素的影响，在进行开关电源日常检查时需要注意元件引脚处是否存在因发热造成的脱焊等问题，关注电阻器件的阻值异常情况。在进行故障确定时，应对不同部位的故障处理方式不同，若半导体元件受到温度影响而发生软故障可以利用电烙铁等方式进行可疑元件的加温操作，又或者在故障发生时对于相关元件进行降温操作。正常情况下，开关电源工作时会发出均匀且轻微的响声，如果响声不稳定那么开关电源工作异常，如果响声较为沉闷，则可能开关电源短路又或者负载过重[9]。
4.2 合理设计PLC 系统通信结构优化方案
高速公路隧道PLC 控制系统中较为核心的部分是变电所的主PLC，为了确保控制系统的正常运行，可以对整个通信结构进行优化，对于星型结构进行组网操作。利用星型结构将隧道内各个PLC 采集而来的数据传递到中心监控系统，然后按照主监控系统下达的命令进行工作安排。监控系统与各个部分的PLC 进行通信并不需要借助主PLC 的中转，一定程度上避免了由于变电所主PLC 故障所造成的系统瘫痪问题[10]。
4.3 合理设计信号传输方面的优化方案
高速公路隧道建设时需要综合考虑多方面因素，包括因为距离问题而造成的通信阻碍。在进行交通信号系统设置时需要将其安排在隧道外部回转车道位置。为了避免远距离信号传输中存在的问题，需要利用数据光端机将电信号转化为光信号进行远距离传输，以此来降低信号的干扰，信号逆变后将其传入PLC 模块。控制系统设计环节还需要妥善分离不同信号电缆，为避免信号干扰，需要将强弱电电缆分开铺设[11]。
4.4 合理设计PLC 控制柜配置方面的优化方案
PLC 模块可能会受到浪涌等外部因素影响，可以设置微型隔离变压器来合理设计控制柜总电源。一旦遭遇浪涌冲击，那么可以有效保护PLC 电源模块及开关电源等设备。为避免交换机、触摸屏等的损坏影响控制系统，可以在控制柜中进行电源的单独设置从而完成供电。此外，PLC 控制柜中还要设置信号防雷器，在I/O 模块和接线端子中设置中间继电器，从而进行故障的隔离，有效避免各类因素对PLC 模块的干扰。PLC 控制柜的空间大小有限，需要逐渐缩小设备的体积，从而方便后期检测与维修工作的开展。当前市场隧道监控系统种类繁多，进行设备选择时还需要综合考虑，择优选择PLC 控制系统，从而延长高速公路隧道监控系统的使用寿命[12]。
开关电源损坏、信号干扰、信号防雷和PLC 控制柜维护问题都是较为常见的问题，针对高速公路隧道监控系统PLC 控制系统中存在的问题，相关人员必须加以重视，了解实际情况，优化处理方案，从而有效发挥PLC 控制系统在高速公路隧道监控中的积极作用。
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