田 震，楊 華，杜 超

(貴陽電氣設(shè)備控制有限公司，貴州 貴陽 550002)

0 引言

自動化監(jiān)控是工程管理尤為重要的領(lǐng)域之一[1-2]。由于高速公路管轄距離遠，隧道眾多，距離運營中心遠，因此維護不便，管理成本高。目前新建的高速公路雖然有設(shè)備遠程監(jiān)控、電力監(jiān)控和視頻系統(tǒng)，但各個系統(tǒng)相互獨立，并未整合到一個統(tǒng)一的平臺上，而且功能側(cè)重實時監(jiān)控，運維管理功能普遍缺失[3-4]。

為此，以亞控公司的KINGSCADA軟件為平臺開發(fā)了高速公路隧道機電管理系統(tǒng)，將設(shè)備遠程監(jiān)控、電力監(jiān)控和視頻系統(tǒng)等統(tǒng)一到該平臺上，并增加了運維管理模塊。KINGSCADA是一款面向中、高端市場的SCADA產(chǎn)品，它具有集成化管理、模塊式開發(fā)、可視化操作、智能化診斷及控制，KINGSCADA具有良好的開放性，支持Activex控件、OPC、DDE、API[5-8]。通過標準的協(xié)議規(guī)范，第三方軟件可以輕松的實現(xiàn)和KINGSCADA的數(shù)據(jù)交互。另外，該產(chǎn)品構(gòu)建了一個開放性數(shù)據(jù)平臺，可以將任何控制系統(tǒng)、遠程終端系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、歷史庫以及企業(yè)其他系統(tǒng)進行融合，能夠最大限度地幫助企業(yè)搭建智能監(jiān)控管理平臺。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

高速公路隧道機電管理系統(tǒng)能實現(xiàn)遠程監(jiān)控高速公路隧道的照明、風機和各種傳感器，以及高速公路隧道配電系統(tǒng)的電力監(jiān)控和視頻監(jiān)控，并具有整個機電系統(tǒng)的運維管理功能。系統(tǒng)將信息技術(shù)、電控技術(shù)等有效地綜合應(yīng)用于整個隧道的監(jiān)控系統(tǒng)，研發(fā)出安全、高效智能化高速公路監(jiān)控系統(tǒng)，提高管理的信息化程度，保證隧道的安全高效營運，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)硬件構(gòu)架

如圖2所示，高速公路隧道機電管理系統(tǒng)是一個以光纖通信為骨干網(wǎng)，基于TCP/IP的分布式測控網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)中心測控軟件系統(tǒng)，在每條路的控制中心通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對每個隧道的電力、消防、車道指示器、情報板、照明、風機和各類傳感器等設(shè)備實現(xiàn)遙測和遙控。該中心測控軟件系統(tǒng)將實現(xiàn)地理信息、圖像、實時數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)、多媒體信息等一體化平臺。

圖2 系統(tǒng)TCP/IP以太網(wǎng)通信架構(gòu)和現(xiàn)場總線構(gòu)架圖

隧道控制網(wǎng)絡(luò)主要由服務(wù)器、以太網(wǎng)交換機、光纜及相應(yīng)軟件組成，圖1中的每臺以太網(wǎng)交換機分布在每一個隧道，將各個隧道的現(xiàn)場的控制系統(tǒng)和服務(wù)器及監(jiān)控電腦聯(lián)通。

現(xiàn)場控制系統(tǒng)可收集、處理和存儲隧道內(nèi)外場設(shè)備的檢測數(shù)據(jù)，監(jiān)視外場設(shè)備工作狀態(tài)；上傳給路段分中心，并接收路段分中心控制室命令對外場設(shè)備進行控制?，F(xiàn)場控制系統(tǒng)還具有現(xiàn)場自動控制的功能，在維修、測試、片區(qū)中心控制室設(shè)備故障、通信故障等情況下可由現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)代替監(jiān)控片區(qū)中心進行控制。該控制網(wǎng)絡(luò)采用單模光纜，每個本地控制器通過以太網(wǎng)交換機的光纖接口連接構(gòu)成以太網(wǎng)單模光纖冗余環(huán)結(jié)構(gòu)，即環(huán)網(wǎng)上任何一點被截斷，通信傳輸依然可以保持，保證了現(xiàn)場總線避免外界干擾，傳輸通暢，并提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｔ摼W(wǎng)絡(luò)應(yīng)為對等網(wǎng)，任意節(jié)點故障不會影響干網(wǎng)運行。

系統(tǒng)以Modbus現(xiàn)場總線技術(shù)、TCP/IP通訊技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)來構(gòu)建的新型智能配電控制系統(tǒng)，采用了大量以代表先進技術(shù)發(fā)展方向的智能型元器件(智能型網(wǎng)絡(luò)儀表、網(wǎng)絡(luò) I/O、智能型斷路器等)的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制設(shè)備。

2 系統(tǒng)功能模塊詳述

2.1 隧道機電實時監(jiān)控模塊

實時采集PLC的監(jiān)控數(shù)據(jù)，包括環(huán)境參數(shù)、消防參數(shù)等數(shù)據(jù)，能實時監(jiān)測照明、風機、車道指示器、情報板、交調(diào)站、消防等設(shè)備的運行、故障情況并能遠程控制；能實時監(jiān)測各種傳感器和電力儀表數(shù)據(jù)；能調(diào)用顯示存儲現(xiàn)場監(jiān)控視頻。在變電所內(nèi)設(shè)置主控站 PLC，通過以太網(wǎng)卡與交換機實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，隧道內(nèi)分別設(shè)置PLC 從站(本地控制器)，通過以太網(wǎng)模塊組成工業(yè)以太網(wǎng)。變電所(箱式變電站)內(nèi)的本地控制器主要對通風、照明、電力監(jiān)控等進行控制，隧道內(nèi)的本地控制器負責收集、處理和儲存各外場設(shè)備的檢測數(shù)據(jù)，監(jiān)視外場設(shè)備工作狀態(tài)，并接收隧道監(jiān)控分中心控制室或變電所工作站的命令對外場設(shè)備進行控制。每一個本地控制器又都是獨立的控制系統(tǒng)，都可獨立操作。為保證隧道運行的可靠性，每個隧道的本地控制器之間采用具有備用通道的環(huán)型結(jié)構(gòu)冗余光纖網(wǎng)絡(luò)的邏輯拓撲結(jié)構(gòu)。本地控制器與外場設(shè)備的連接應(yīng)有可靠的電磁隔離和抗干擾能力。隧道本地控制器通過現(xiàn)場的以太網(wǎng)交換機再通過單模光纖傳到隧道監(jiān)控路段分中心控制室，控制器實物圖及機電系統(tǒng)控制界面如圖3和圖4所示。

圖3 本地控制器

圖4 隧道機電實時監(jiān)控界面

2.2 GIS地圖和視頻模塊

調(diào)用百度地圖API，將隧道的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)標記在地圖圖4隧道機電實時監(jiān)控界面上，展示公司所屬隧道的分布情況，在每個隧道標記點旁邊實時顯示關(guān)鍵數(shù)據(jù)和報警情況。點擊標記點可以跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)監(jiān)控畫面。采用千兆以太網(wǎng)來實現(xiàn)隧道的高清圖像傳輸，其優(yōu)點是IP寬帶技術(shù)構(gòu)造簡單， 管理簡單，便于維護，擴展性、兼容性好，可為各種業(yè)務(wù)提供通道。該方案是路段內(nèi)閉路電視傳輸系統(tǒng)采用三層千兆以太網(wǎng)，在隧道管理救援站配置一臺提供企業(yè)核心層解決的高性能多義務(wù)千兆路由交換機，依據(jù)隧道內(nèi)設(shè)置的站點交換機與變電所主交換機組成千兆以太網(wǎng)上傳至管理分中心進行管理上墻監(jiān)視以及上傳上級管理分中心。攝像機攝取的現(xiàn)場視頻信號，釆用光纖收發(fā)器+單模光纖的方式傳送至隧道內(nèi)附近的視頻工業(yè)以太網(wǎng)交換機，在值守點內(nèi)設(shè)置視頻交換機與隧道內(nèi)交換機組成環(huán)網(wǎng)，并可與圖像工作站連接實現(xiàn)本地監(jiān)控，在本地進行事件檢測及IPSAN錄像，事件檢測數(shù)據(jù)由管理救援站集中管理。將隧道值守點的視頻交換機匯聚的圖像上傳至管理分中心進行切換電視墻及大屏顯示、上傳上級管理分中心等，GIS地圖與視頻界面如圖5所示。

圖5 GIS和視頻界面

2.3 電力監(jiān)控模塊

電力監(jiān)控系統(tǒng)對變電所的10 kV進出線、變壓器、低壓進線開關(guān)以及380 V配電線路的運行工況及各項參數(shù)進行監(jiān)視、測量；對380 V出線斷路器進行狀態(tài)檢測，即實現(xiàn)遙信、遙測、 遙控、遙視功能。其監(jiān)控界面如圖6所示。

圖6 電力監(jiān)控界面

2.4 輔助模塊

輔助模塊主要涵蓋了生成數(shù)據(jù)報表、手機APP遠程操控及運維管理等功能。

其中，報表類型包括電力參數(shù)、環(huán)境監(jiān)測參數(shù)、設(shè)備操作記錄和運行記錄及運行時間統(tǒng)計等，可以根據(jù)日期時間及報表類型及其他條件進行查詢，支持報表導出為EXCEL和打印。用各種形式圖表來表現(xiàn)和分析顯示參數(shù)變化趨勢和統(tǒng)計結(jié)果，能用餅圖、柱狀圖和exharts等多種形式來進行數(shù)據(jù)可視化。其界面如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)報表功能

如圖8所示，通過手機APP可完成信息的遠程查看和信息推送，實現(xiàn)了“遙信、遙測、遙控、遙調(diào)”等“四遙”功能。

圖8 手機APP界面

運維管理功能主要體現(xiàn)在以下兩方面：具有備品備件功能，采購備品備件的數(shù)據(jù)全部錄入到數(shù)據(jù)庫中，可以進行查詢、錄入、修改和刪除相關(guān)信息；具有維修保養(yǎng)計劃和維護功能，當易損件的壽命即將到達理論值時，定期提醒，運維管理人員可以將維修記錄錄入到數(shù)據(jù)庫中，供其他運維管理人員查看，系統(tǒng)可以生成工單并能導出、打印。管理界面如圖9所示。

圖9 運維管理界面

3 小結(jié)

系統(tǒng)運行一段時間以來，取得了良好的效果。主要體現(xiàn)在如下方面：

1)提高設(shè)備運行維護主動性：實現(xiàn)信息系統(tǒng)資源的集中監(jiān)控，監(jiān)視各設(shè)備的運行狀態(tài)和工作任務(wù)的完成情況，可實現(xiàn)自動啟動工作任務(wù)，大幅度減小系統(tǒng)管理人員的工作壓力；

2)提高運營單位對設(shè)備監(jiān)測水平和信息化管理水平，實現(xiàn)對信息化系統(tǒng)的運行監(jiān)控，達到更有效的管理，保障整個系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、不間斷運轉(zhuǎn)；

3)實現(xiàn)了便捷的信息推送，在管理維護者手機上執(zhí)行APP“遙信、遙測”信息推送，就地現(xiàn)場管理軟件上“遙控、遙調(diào)”信息推送，實現(xiàn)“遙信、遙測、遙控、遙調(diào)”等“四遙”功能。

綜上所述，基于KINGSCADA的隧道機電管理系統(tǒng)具備一定工程參考價值，其較強的普適性可以為其他領(lǐng)域的自動化管理系統(tǒng)提供借鑒。