梨 子 坪 隧 道

机

电

监

控

方

案

长沙丰禾智能科技有限公司

一 概述 

本方案主要就张家界高速公路项目梨子坪隧道的系统交通区域控制机及通风照明等子系统的监控投标方案进行了说明。

隧道监控系统包括隧道内的交通控制、通风控制、照明控制几大部分组成。其中隧道内交通控制、通风控制、照明控制子

系统主要是由PLC（也称作区域控制器或本

地控制器）来控制。本地控制器系统可收集、处理和存各隧道内外场设备的检测数据，监视外场设备工作状态，上传给监控分中心，并接收监控分中心命令对外场设备进行控制。另外本地控制器系统还具有本地自动控制的功能，在维修、测试、监控分中心、隧道管理所设备故障、通信故障等情况下可由本地控制系统代替监控分中心进行控制。

二 系统设计原则

区域控制器网络是隧道监控的核心部分，对其合理的设计，是隧道监控能否高效、可靠运行的关键。目前，PLC生产厂商很多，同一个厂商，PLC的品种系列也很多，如果选型配置不当，就不能充分发挥PLC系统的控制功能，甚至使得PLC自控系统成为一种摆设。网络的正确选型对隧道的监控系统也会起到非常重要的作用。

根据对以上网络系统的分析，结合本隧道机电监控的具体要求，我们确立了以下几点原则：

可编程控制器（简称PLC）的选型应充分考虑其先进性和性价比。PLC选型应考虑选择系统架构先进、中文操作界面、供货周期短、备品备件充足，售后服务到位的生产商。考虑到用户的技术水平，PLC系统应结构简洁、使用方便、特别是程序编制方法应简单易学。

基于综合考虑，我们选用中国知名自动化公司的PLC作为隧道区域控制机、交通控制器、通风控制器和照明控制器。具有以下特点：

n 针对智能交通等公用工程特点设计开发，采用工业以太网及CANBUS等现场总线通讯方式，系统技术先进，性价比高；

n 沿用集散控制系统的高可靠性、模块化设计和完善的制造工艺，具有极高的可靠性和完善的系统功能；

n 控制系统采用模块化结构和现场总线通讯方式，配置灵活、易于扩展，即可集中安装，也可现场分散安装；

n 22.5mm/45mm的统一厚度，所有模块均能通过总线连接器直接安装在DIN导轨上面，接线端子可以直接连接外部线缆（0.5～1.5mm2），无需增加转接端子，节省安装空间；

选用浙大中控产品的优势在于：

n 系统的可靠性，浙大中控在工业自动化领域已经发展了10年，浙大中控品牌的自动化产品在国内石油化工、电厂、污水治理等自控领域牢牢占有半壁江山，工业级产品的制造工艺保证系统稳定；

n 技术的先进性，新开发的系统没有兼容以往旧系统的问题，采用目前业界最先进的以太网网络架构，能够支持UTP、光纤甚至无线传输。

n 价格的合理性，系统性价比高，投资回报周期短；

n 全中文产品说明书、软件组态界面，人性化操作方式；

n 细致周到的用户培训，项目完工后，将对操作人员提供全面、细致、周到的培训；

n 可靠的售后服务，作为本土企业可以提供快速的售后维护（全天24小时响应）；

n 建立备品备件库存，针对隧道机电监控系统容易发生损坏的系统部件提供备品备件，保障系统不见断运行。

三 监控系统规划

整个隧道机电监控网络由隧道管理站和隧道内的区域控制器以及相关的通信线路组成，本地控制器分散布置在隧道内的各个位置，分别负责其所辖隧道区段外场设备的数据收集和管理控制。每套区域控制器（PLC）分别对各自所辖区域的交通诱导设备、交通检测设备和照明检测设备以及通风、照明等信息分别单独进行采集和控制，同时按所设定的程序以及上位机的指令进行相应的动作。采集的信息经以太光纤环网传送至隧道监控室的服务器上，实现上位冗余联网。

分别为每台PLC控制器配置一套工业以太网交换机，交换机配置双光口双电口。各个PLC控制器，通过位于CPU上的10M/100M以太网接口与交换机电口相联。各个交换机之间采用双环光缆组成100Mbps速率的光纤冗余环网。中央控制器室设备同样通过以太网交换机接入光纤冗余环网。由此可见，隧道内第一层网络是100Mbps速率的光纤冗余环网。

监控网络的第二层为通过CANBUS现场总线（传输媒介为专用通信屏蔽电缆）连接CPU与各个I/O模块的本地I/O结构。CANBUS现场总线具有通信速率高（1Mbps），接线方便（2线制）和抗干扰性好的特点。

监控网络第三层为设备层。各种交通监控设施（如车检器、车道指示器、交通信号灯、情报板、限速标志等），环境检测设施（如风速风向仪、光强检测仪、CO/VI监测仪等）就近接入隧道区域控制器实现实时通信。通讯的接口分别按照要求可以是模拟量输入，开关量的输入输出，以太网，以及基于RS-232/485的串口通讯。PLC通过易于建立的用于匹配所连接的设备协议的协议宏使得开发方不需要编写专门的通信程序与第三方设备进行通信，原则上PLC能和任何带RS-232C，RS-422或RS-485接口的设备进行通信。在本控制系统中用于控制照明、通风、电力、交通等设备的各个区域控制器均采用独立的控制程序。

四 本地控制器功能

按照功能划分，整个监控系统应从逻辑上分为如下几个子系统：交通监控子系统，照明控制子系统，通风控制和水泵控制子系统等4个子系统。4个子系统功能统一由各个隧道内本地控制器联网来实现全程监控。

隧道管理站内设有主控区域控制器, 负责将监控中心下发的命令接收并转译，协调区域控制器网络执行交通、照明、通风、火灾等方案联动输出。

4.1交通监控子系统

交通控制子系统为整个隧道监控系统的基本功能，实现隧道通行的自动和手动控制。交通控制子系统应具有如下基本功能：

4.1.1 由PLC读取车辆检测器的数据（交通量、平均车速、占有率等），传送至监控中心计算机。

4.1.2 基本交通控制功能：隧道入口设置可变情报板，可变限速标志和四显交通灯诱导交通。四显交通灯为红，黄，绿，通行四显信号信号，该信号灯与本车道车道控制标志及另一车道反向显示的车道控制标志有逻辑联锁关系。同时洞口设置车辆检测器实时采集通行车辆的车型,速度并统计交通流量信息，进行13种模式的交通控制。

根据交通控制原理、各隧道的交通诱导设备的配置情况和本投标人的工程实施经验，在正常交通情况下可以按照以下13种稳定状态控制各交通设施的运行：

4.1.3应急交通处理功能：当隧道内出现交通堵塞、交通事故、火灾、CO浓度超过300ppm（20分钟），VI浓度大于0.012 m时，应能自动或手动关闭（转为红灯，以下同）隧道入口处信号灯和洞内车道控制标志。

4.1.4当交通量基本平衡，且单向交通量超过限制交通量的1/2时；当交通量严重不平衡，双向交通量之和小于限制交通量，但单一方向交通量大于限制交通量的60%时，控制台应发出声光报警，经操作人员确认并清除报警信号后，入口信号灯应能自动周期地开关。确定信号开关周期时，应以控制进遂车辆不超过限制交通量为度。

4.1.5 应能按照操作员的意图手动开放或关闭任一架车道控制标志，操作结果应符合联锁关系（操作过程应有菜单提示）。应能经简单操作，快速地开放包括该车架车道控制标志在内的该车道下流方面的全部车道控制标志，关闭包括该架车道控制标志在内的该车道上流方面的全部车道控制标志。

4.1.6检测出隧道内发生火灾，并经值班人员确认后，应能自动关闭火灾区上流方面的全部车道控制标志，同时自动关闭两端隧道入口信号灯，入口车道指示标志。

4.1.7可变限速标志应能与隧道内行驶车辆的平均速度及车道占用情况相适应，以便平衡隧道出入的交通流，避免或缓解隧道内拥挤堵塞情况。

4.1.8 当操作员手动控制时，应能按操作员的意图灵活转换可变限速标志的显示，手动控制优先。

4.2 照明控制子系统

隧道照明控制子系统根据洞口内外的安装的光强度检测器检测到的洞内外光强数据、交通量变化以及白天、黑夜等情况，控制隧道的照明系统，调节出入口以及洞内的照明，保证行车的安全，以及在满足照明要求的情况下达到节能运行的目的，同时对洞内照明以及照明控制设备的状况进行监视。

隧道照明控制子系统由控制室计算机、隧道内区域控制器、照明控制柜、隧道内灯具、连接电缆等组成。控制室计算机、区域控制器都可进行照明控制，在隧道至监控中心的通信出现故障时，可直接在本地控制器上操作，以保证隧道正常运营。

照明系统设计在隧道内设置照明控制柜等设备，能完成本地的人工和自动控制，并且预留监控装置遥控、遥信的条件，提供控制每路照明的继电器接点，监控系统在隧道内设有区域控制器，直接与照明控制柜的继电器接点相连，以保证对照明的遥控。

照明系统具有洞内灯泡亮度不足的报警功能，即能够通过洞内光强仪采集数据与设定值比较后提示维护部门更换灯具。

照明应根据需要亮度采用分级控制，共分6级：

1级：基本照明,常开,不需控制

2级：基本照明+左侧基本照明

3级：基本照明+左侧基本照明+右侧基本照明

4级：基本照明+左侧基本照明+右侧基本照明+左侧加强照明

5级：基本照明+左侧基本照明+右侧基本照明+左侧加强照明+右侧加强照明

6级：所有照明全部开启(5级照明+应急照明)

另外，在遇到火灾报警处理时，应自动开启6级照明方便交通撤离。

4.3 通风控制子系统

通风控制子系统根据检测到的透过率、CO浓度数据、交通量数据，控制风机的运行台数、风向和运行时间，实现节能运行和保持风机较佳寿命的控制运行；并在发生火灾时，根据不同地点，进行相应的火灾排烟处理，以保证隧道的安全及运行环境的舒适性。

监控中心与隧道通风设施的接口要求：

监控系统对风机的控制采用区域控制的方式。

监控系统对每台风机有正转、反转、停机控制，由监控系统提供相应继电器及至风机控制装置的连接电缆。

通风系统应将每台风机的状态（正转、反转、停机）、自动手动状态显示、总故障信号传给监控系统，通风系统提供继电器干接点，与监控系统的连接电缆由监控负责。

通风控制子系统控制方式要求有如下四级：

    ——监控室：自动控制、人工远程控制

    ——隧道区域控制器 ：自动控制、人工控制

    ——通风机开关箱：人工手动控制

正常情况下将隧道内的风机控制转换开关置于“自动”位，由监控室实现通风控制子系统的监控，自动完成子系统的各项功能。系统在故障或需要时经过转换应在前三级的任一级上维持系统的正常运行。在对通风设备和通风控制子系统需要进行维修和测试时则可以采取隧道内人工、通风机开关箱处人工控制的方式。

控制方式的优先权为：人工高于自动，人工方式时是按三级顺序优先级由低到高，自动方式时是隧道区域控制优先于监控室控制。

风机自动控制模式有两种：一种是在一些特定情况下选用某种预先编制的控制程序通过人工确认后进行风机自动控制，另一种是根据CO和透过率检测器检测到的实际数据与环境指标的标准值比较，来实时调节风机的运转。

4.3.1系统构成

本通风控制子系统由监控室服务器、隧道区域控制的PLC、通风控制柜、隧道内风机、CO和透过率检测器、连接电缆、电源电缆等组成。

CO检测器和透过率检测器设在隧道内，用于检测隧道内CO浓度和能见度情况，由区域控制器采集数据，监控系统将检测数据与标准值进行比较，控制风机的启停。

通风系统设计在隧道内设通风控制柜，能完成本地的人工控制，并且预留遥控遥信条件。每两台风机为一组,设一风机控制柜。风机控制柜控制信号由距离就近的区域控制器控制，通过区域控制器软件联网协调控制。

对监控系统自动控制风机来看是将一个断面上的两台风机作为一组进行控制，由通风系统返回每台风机的状态信号，即风机的正转、反转、停止、故障等信号，输入输出之间有电磁隔离措施。

4.3.2控制原则

隧道通风控制子系统对通风的控制原则应遵照JTJ026.90《公路隧道通风照明设计规范》和相应的国际标准。本项目工程内隧道均采用射流风机纵向通风方式。

1．保持隧道内环境指标在标准范围内。

——隧道内CO正常运营时允许浓度：CO浓度<150ppm为正常，150ppm<CO浓度<300ppm，需要启动风机，直到CO浓度正常；交通阻滞（隧道内各车道均以怠速行驶，平均车速为10Km/h）时可为300ppm，经历时间不超过20min。当发生火灾或交通事故时，CO浓度突然增加超过300ppm，这时同时启动各组风机直到CO浓度达到正常值。若所有风机同时启动后并经过一定时间（15分钟）CO浓度仍然大于300ppm，则考虑关闭隧道。

——隧道内烟雾允许浓度为7.0´10-3(m-1)

——隧道内风速正常运营时推荐为10m/s

2．CO浓度由低—高、透过率检测值由好—坏分为几个级别，投入的风机数量和运转时间在隧道正常运营时由此确定。隧道内能见度测量范围为0—15 1/km，分为4级， 〉3，〉5，〉7，〉10，当能见度<5时为正常，当5<能见度<10需要启动风机，直到能见度恢复正常，当能见度>10时关闭隧道。

风机有运行时间统计功能，风机的运行根据CO浓度、透过率值、交通量状况、火灾报警等综合情况进行控制，具体原则是：

——根据隧道营运过程中的交通状况，适时调整通风量，在保证交通安全的前提下，以最经济的动力给隧道提供满足营运条件的通风量。

——隧道内某一位置的CO或透过率值先达到风机启动值，则最靠近此检测器的风机首先启动。

——累计运行时间最短的风机首先启动，以便平衡各台风机的劳逸程度，延长风机的使用寿命。

——因风机起动瞬间冲击电流很大，故各台风机的启动有短暂的延时，以减少对变电所供电的冲击。

——风机的启闭次数不应过频，防止风机出现振荡现象

4.4 水泵控制子系统

根据现场实际情况，本隧道水泵控制子系统主要对两个消防水泵和一个排污泵以及2个消防水池和1个污水集水池进行联动控制。

三个水池各安装2个液位传感器，对高/低水位进行监测，根据水池水量情况来控制水泵的开关以及台数。具体控制要求如下：

4.4.1 消防水泵控制：消防水泵一用一备，根据软件统计平衡两个水泵使用时间，以延长水泵寿命。消防低位水池从上体溪流或打井取水，根据高低液位传感器显示情况随时保持水池水满。当消防高位水池低液位传感器报警时，水泵开启从消防低位水池中抽水至消防高位水池，直到消防高位水池高液位传感器发出警告或消防低位水池低液位传感器发出报警为止。如果隧道内发生火灾，消防水栓持续对外供水时，两台消防水泵同时开启补水至消防高位水池，当低位水池的低液位传感器发出报警时停止水泵。

4.4.2 排污水泵控制：根据污水集水池液位传感器来联锁启停排污泵。当污水集水池中高液位传感器报警时，排污泵开启，直至污水集水池中低液位传感器发出警告为止。

五 监控系统技术指标

本方案选用的PLC，具有如下技术特点，保证了隧道监控系统的可靠，稳定运行。

5.1 区域控制器PLC指标

——高速的32位CPU芯片；

——运行环境温度：-25-70℃，运行环境湿度：95％，允许短时间结露

——电源电压：93-264VAC；

——基本指令处理速度：0.01us；

——I/O点数：2048点（包括远程I/O）；

——具有两个10M/100M以太网标准通讯控制器和驱动接口；

——串口通讯模块：RS232/RS485/RS422/支持MODBUS协议、自由口编程

——安装底板：高强度钢导轨，模块化结构，方便扩展；

——控制方式：存储程序方式；

——程序存储器容量：4M，内存：4M（可扩展）；

——扩展存储器容量：64M；

——CPU自带CANBUS现场总线接口和RS232/RS485/RJ45编程外设口

——具有协议宏功能，能自由与各种第三方串口设备通信；

——CPU内置隧道中常用的设备品牌通用协议。

——状态显示：运行，停止，故障，电池，I/O状态；

——CPU带时钟功能：诊断信息带日期和时间标记；

——具有硬件及软件中断功能：定时中断、掉电中断、I/O中断，外部中断；

——具有自诊断功能：CPU故障、I/O校验错误、上位机连接出错、存储器故障等；

——支持工业和商业以太网、控制器网、设备网多网配置；

——指令系统包括：逻辑指令、控制指令、定时计数指令、数据控制处理指令、增减符号运算指令、调试处理故障诊断指令、块指令、特殊指令、字符串处理指令；

——模块化编程，最大256个任务编程

5.2 数字输入模块（DI）

l 输入点数：8、16、32点，光电隔离；

l 输入电压：24VDC；

l 输入电缆最长长度：600米（无屏蔽），1000米（屏蔽）；

l 运行环境温度：-25-70℃

l 运行环境温度：95％，允许短时间结露；

l 海拔高度：2000米；

l 隔离测试：1000VDC；

l 连接方式：拆卸式端子，防插错结构；

5.3 继电器输出模块（DO）

l 输出点数：8、16、32点，电隔离；

l 运行环境温度：-25-70℃；

l 运行环境温度：95％，允许短时间结露；

l 海拔高度：2000米；

l 隔离测试：3000VAC；

l 最大开闭能力：AC250V，2A(感性负载COSФ=1)；

l 输出电缆最大长度：600米（无屏蔽），1000米（屏蔽）；

l 连接方式：拆卸式端子，防插错结构；

5.4 模拟量输入模块（AO）

l 输入点数： 4、8点，通用或者热电阻；

l 输入电压：24VDC；

l 运行环境温度：-25-70℃；

l 运行环境温度：95％，允许短时间结露；

l 测量精度：±1%；

l 分辨率：16bit；

l 最大开闭能力：AC250V，2A(感性负载COSФ=1)；

l 输出电缆最大长度：600米（无屏蔽），1000米（屏蔽）；

l 连接方式：拆卸式端子，防插错结构；

5.5 PLC需要的相关软件及硬件满足

l 可在Windows NT4.0,Windows 2000, Windows XP环境下运行

l 兼容性：与Windows系统及相关应用软件有良好的兼容性

l 通讯：可通过工业以太网或现场总线，或其他通信标准接口与PLC通讯

l 主要功能：快速读写各个控制器中数据，图形编辑器，报警记录，报表管理器，用户管理器，多种通讯通道（打印机，DDE,OPC），标准接口（用于Windows ODBC/SOL,OLE,DDE,OPC应用程序）

l 支持FINS命令，E-mail报警，FTP等管理功能

l 支持在线编辑等功能，方便管理和调试

l 控制点数：不低于128K

l 数据记录：大于40000

l 语言：中、英文