模塊化PLC技術(shù)在港珠澳大橋交通工程中的應(yīng)用

于偉

摘 要：在具有較強腐蝕性的潮濕空氣環(huán)境中，可編程邏輯控制器（PLC）以其可靠性高、抗干擾能力強的優(yōu)點在隧道運營管理中得到了廣泛應(yīng)用。在港珠澳大橋交通工程的運營管理中，人們采用易于分割、組織和打包軟件的模塊化程序，有效解決了龐大復(fù)雜系統(tǒng)的模塊化管理問題，既滿足了正常運營管理功能的需要，又為未來港珠澳大橋交通管理系統(tǒng)的功能升級、系統(tǒng)功能擴展提供了接口資源。

關(guān)鍵詞：PLC;隧道;模塊化;管理

中圖分類號：U442.5;P75 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）06-0116-03

Application of Modular PLC Technology in Traffic Engineering of

Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge

YU Wei

（The 1st Engineering Co.， Ltd. of China Railway Construction Electrification Bureau Group，Luoyang Henan 471013）

Abstract： In the humid air environment with strong corrosiveness， programmable logic controller （PLC） has been widely used in tunnel operation and management due to its high reliability and strong anti-interference ability. In the operation and management of the Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge traffic project， people adopt modular programs that are easy to divide， organize， and package software， which effectively solves the problem of modular management of huge and complex systems， it not only meets the needs of normal operation and management functions， but also provides interface resources for the functional upgrade and system function expansion of the future Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge traffic management system.

Keywords： PLC;tunnel;modularization;management

海底隧道環(huán)境特殊，隧道交通機電子系統(tǒng)種類繁多。隨著自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展，近些年，人們開發(fā)出許多功能模塊。PLC技術(shù)不僅具有智能化、模塊化的優(yōu)勢，還擁有良好的聯(lián)網(wǎng)通信能力，可以提升隧道交通機電子系統(tǒng)控制的可靠性和實時性，并能適應(yīng)未來技術(shù)發(fā)展的需求[1]，這對保障道路運行安全、提高運營效率和長遠(yuǎn)經(jīng)濟效益具有十分重要的意義。

1 項目概述

港珠澳大橋交通工程系統(tǒng)復(fù)雜，包含十余個子系統(tǒng)，設(shè)備數(shù)量龐大，弱電系統(tǒng)種類繁多，尤其對海底隧道控制系統(tǒng)的可靠性要求高，環(huán)網(wǎng)規(guī)模大，設(shè)備控制實時性要求高，系統(tǒng)集控難度大。

基于上述原則，本項目的PLC控制系統(tǒng)采用模塊化程序，便于分割、組織和打包軟件。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，模塊可以組合、可以分解、可以更換單元，模塊化可以將復(fù)雜的系統(tǒng)分解為簡易的可管理模塊，復(fù)雜控制問題迎刃而解;它可以把一個問題分解成多個小的獨立、互相作用的模塊，每個模塊在不同設(shè)備中設(shè)定不同的功能來處理復(fù)雜的大型控制問題，各個模塊可獨立工作，即便單組模塊出現(xiàn)故障，也不影響整個系統(tǒng)工作[2-4]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說明

PLC控制系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)和技術(shù)進(jìn)行集成的，旨在建立層次化的、模塊化的、可擴展的集成平臺體系。系統(tǒng)可劃分為四層體系結(jié)構(gòu)，即感知層、通信層、管理層和應(yīng)用層，分別完成狀態(tài)參數(shù)與信息采集、信息數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)整合與管理、系統(tǒng)各項應(yīng)用與管理功能[5]。

PLC控制部分主要涉及感知層上的監(jiān)控設(shè)施、通風(fēng)設(shè)施、給排水設(shè)施和消防設(shè)施;通信層構(gòu)建于工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)內(nèi)，PLC通過通信層將感知層上的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)焦芾韺?管理層對接收的PLC信息數(shù)據(jù)進(jìn)行集中、合并、提取、整合和處理;最終，應(yīng)用層與管理人員完成交通工程設(shè)施的運營管理業(yè)務(wù)操作。

3 系統(tǒng)聯(lián)動功能的實現(xiàn)

預(yù)案聯(lián)動模塊分為日常運營控制管理模塊和應(yīng)急預(yù)案控制管理模塊。

日常運營控制管理模塊可存儲預(yù)先制定好的各類管理控制方案。根據(jù)接收的告警信息，管理模塊可自動向管理員提出調(diào)用方案，并按照方案內(nèi)容和執(zhí)行程序?qū)芾韱T的操作逐步做出提示，供管理員確認(rèn)或修改。管理員也可根據(jù)實際情況，從方案庫中選擇啟動方案。系統(tǒng)將根據(jù)方案內(nèi)容對相關(guān)的設(shè)施設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動控制，并與相關(guān)系統(tǒng)交換信息。日常運營控制管理模塊應(yīng)具有方案編輯功能，系統(tǒng)管理員可以對已有的方案進(jìn)行修改，也可制作新方案，將其添加到系統(tǒng)中。

應(yīng)急預(yù)案控制管理模塊主要針對各種突發(fā)的緊急事件做出迅速響應(yīng)，進(jìn)行有效處置。緊急事件的處置要求多部門、多系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，人們應(yīng)當(dāng)通過全面的研究，提前建立各種突發(fā)事件的應(yīng)急處置預(yù)案。同時，采用信息化手段，使得各系統(tǒng)、各部門做到協(xié)調(diào)聯(lián)動，高效合作，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。

為提高各個系統(tǒng)的聯(lián)動預(yù)案執(zhí)行效率與簡化系統(tǒng)集成平臺的命令下達(dá)過程，每套PLC存有聯(lián)動預(yù)案模塊。系統(tǒng)集成平臺只需要向?qū)?yīng)的PLC發(fā)送一個聯(lián)動預(yù)案執(zhí)行命令，PLC就會立即調(diào)用內(nèi)部對應(yīng)的聯(lián)動預(yù)案，按相應(yīng)順序或條件控制相應(yīng)的設(shè)備，提高緊急情況下系統(tǒng)集成平臺控制命令傳達(dá)的效率和可靠性。聯(lián)動預(yù)案系統(tǒng)模塊構(gòu)成如圖1所示。

3.1 日常運營控制模式

3.1.1 交通控制方案。交通控制方案主要根據(jù)系統(tǒng)采集的交通信息、環(huán)境信息等進(jìn)行綜合分析，判斷當(dāng)前道路交通狀況，經(jīng)確認(rèn)，提出相關(guān)交通工程設(shè)施的控制方案，控制和引導(dǎo)交通流，盡量減少交通擁堵，及時恢復(fù)交通正常運行，避免二次事故，在確保安全的前提下，最大限度地提高道路通行能力和服務(wù)水平。

綜合分析交通和環(huán)境指標(biāo)狀況后，系統(tǒng)集成平臺根據(jù)內(nèi)部已配備的控制方案，對全線交通進(jìn)行自動控制;緊急情況下，系統(tǒng)集成平臺既可以向值班人員發(fā)出報警信息，又可以馬上中斷正常程序，進(jìn)入緊急處理程序，待值班人員確認(rèn)報警信息后，執(zhí)行相應(yīng)的預(yù)案和指令。

在日常交通控制模式下，視頻檢測系統(tǒng)或微波檢測系統(tǒng)檢測到交通擁堵信息或者交通事故信息，會將其發(fā)送給系統(tǒng)集成平臺。平臺通過調(diào)用相關(guān)視頻確認(rèn)報警信息后，通過PLC控制交通燈及車道燈等交通設(shè)施，調(diào)用預(yù)案，控制情報板發(fā)布信息，并與上下行方向進(jìn)行通信。

3.1.2 通風(fēng)控制方案。通風(fēng)控制方案的主要功能是根據(jù)系統(tǒng)采集的交通量及環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量數(shù)據(jù)，啟動不同工況下的通風(fēng)方案，控制各類風(fēng)機、風(fēng)閥等設(shè)備的運轉(zhuǎn)，維持隧道內(nèi)駕車環(huán)境的安全性及舒適性，并滿足安全通道檢修環(huán)境要求。

視頻檢測系統(tǒng)、微波檢測系統(tǒng)或者環(huán)境參數(shù)檢測模塊檢測到交通擁堵或者環(huán)境質(zhì)量不佳等信息后，會將其發(fā)送給系統(tǒng)集成平臺。平臺通過視頻確認(rèn)報警真實后，通過PLC預(yù)置通風(fēng)智能控制程序，控制風(fēng)機及電動排煙口等設(shè)備。

控制模式包含以下幾種：正常運營工況、單洞雙向交通及阻滯工況、單向交通火災(zāi)阻滯工況、單洞雙向交通火災(zāi)工況以及單向交通火災(zāi)非阻滯工況。

3.1.3 照明控制方案。照明控制方案的主要功能是根據(jù)時間、交通流量和外部環(huán)境亮度等數(shù)據(jù)，合理控制照明光源的啟動、停止及運行狀態(tài)，為行駛車輛創(chuàng)造舒適、安全的行車環(huán)境，并盡量減少電能消耗，達(dá)到節(jié)能的目的。

隧道照明控制系統(tǒng)中，PLC只對隧道口進(jìn)行光強監(jiān)測反饋，通過系統(tǒng)集成平臺進(jìn)行隧道照明控制，不對照明設(shè)備進(jìn)行直接控制。系統(tǒng)集成平臺通過PLC采集隧道內(nèi)的亮度儀、照明儀信息，通過控制照明軟件來控制相關(guān)照明設(shè)備，實現(xiàn)照明與亮度儀/照度儀聯(lián)鎖，自動控制隧道路燈啟停。

3.1.4 給排水控制方案。供水泵房、中央廢水泵房、雨水泵房和越浪泵房的水泵控制柜可就地控制和顯示水泵的狀態(tài)（如啟停、故障等），并將信號反饋至系統(tǒng)集成平臺。另外，配置其他儀器儀表：水泵出水管上設(shè)置壓力計，在末端設(shè)置流量計，集水池設(shè)置超聲波液位計或投入式液位計，設(shè)置液位與潛污泵聯(lián)鎖，自動根據(jù)液位高度控制水泵啟停，同時遠(yuǎn)傳至平臺，便于管理人員掌握現(xiàn)場情況。

PLC負(fù)責(zé)采集集水池的液位，實現(xiàn)液位與潛污泵聯(lián)鎖，自動控制水泵啟停。集成監(jiān)控系統(tǒng)軟件實時采集液位、水泵信息，便于管理人員掌握現(xiàn)場情況。

3.2 應(yīng)急預(yù)案控制模式

3.2.1 交通事故應(yīng)急預(yù)案。當(dāng)視頻檢測系統(tǒng)檢測到事故情況時，其將交通事故信號發(fā)送至視頻檢測主機，視頻檢測主機通過信息共享方式將報警點信息發(fā)送給系統(tǒng)集成平臺。當(dāng)接收到報警點信息后，系統(tǒng)集成平臺啟動交通事故聯(lián)動預(yù)案：給PLC發(fā)送控制命令，由PLC運行監(jiān)控設(shè)施、聯(lián)動可變情報板、廣播系統(tǒng)、視頻監(jiān)控和大屏顯示等設(shè)備。交通事故應(yīng)急預(yù)案聯(lián)動信息流如圖2所示。

3.2.2 消防應(yīng)急預(yù)案。當(dāng)檢測到隧道火災(zāi)情況時，系統(tǒng)將火災(zāi)報警信號發(fā)送至消防主機，消防主機通過信息共享方式將報警點信息發(fā)送給系統(tǒng)集成平臺。當(dāng)接收到報警點信息后，系統(tǒng)集成平臺啟動消防聯(lián)動預(yù)案：給PLC發(fā)送啟動模式信號，由PLC聯(lián)動監(jiān)控設(shè)施相關(guān)設(shè)備、通風(fēng)設(shè)施相關(guān)設(shè)備、給排水設(shè)施相關(guān)設(shè)備和消防設(shè)施相關(guān)設(shè)備;由PLC聯(lián)動可變情報板、廣播系統(tǒng)、視頻監(jiān)控和大屏顯示等設(shè)備。消防應(yīng)急預(yù)案聯(lián)動信息流如圖3所示。

4 結(jié)語

港珠澳大橋交通工程的運營管理采用模塊化程序，其易于分割、組織，集成方便，提高了運營控制效率。運營管理人員可以及時、全面了解隧道內(nèi)的交通流量情況和隧道實時狀況，及時做出決策，有效處理隧道內(nèi)的異常情況。PLC模塊的易于分割重組功能為港珠澳大橋交通管理系統(tǒng)的功能升級與擴展提供了接口資源，滿足了管理功能與科技創(chuàng)新同步的需要，使得新技術(shù)有效地應(yīng)用于龐大復(fù)雜的港珠澳大橋交通管理系統(tǒng)中，為港珠澳大橋交通安全提供有力的保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]張壯飛，鄒洋.公路隧道PLC技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化研究[J].公路交通技術(shù)，2017（1）：111-114.

[2]梁彤.SIEMENS PLC標(biāo)準(zhǔn)功能塊開發(fā)的實例應(yīng)用[J].機械工程與自動化，2013（2）：161-162.

[3]張賢波，劉興啟，樊占東.SIEMENS PLC在公路隧道控制工程中的應(yīng)用[J].本溪冶金高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2004（3）：25-26.

[4]遲君平，王斌，李業(yè)友.模塊化編程方法在PLC程序開發(fā)中的應(yīng)用[J].微計算機信息，2005（6）：26-27.

[5]劉志強.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與LTE無線通信技術(shù)研究[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（32）：79.