隧道监控系统及应用 (隧道监控系统哪些组成)

引言

我国地理条件复杂，隧道建设在城市道路和高速公路上已成为重要组成部分。由于隧道的半封闭特性，其救灾、疏导等都比较困难，特别是对于中长距离隧道更是如此。因此，隧道监控系统在隧道运行中具有极其重要的作用，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。

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网络监控，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。

PLC 在隧道监控中的应用

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。

隧道内受监控设备的 I/O 配置

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 信号源，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。

隧道监控通信

区域控制器与上位机通信

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，结构如图 1。

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 的总线上传输速度下，分布系统中可达 128 个站点，按通常的隧道区间段划分可不受区域控制器的限制。并且 PLC 已有相应的 Profibus-DP 通信模块，可方便地组网。

区域控制器间通信

区域控制器间也需通信，包括实时数据交换和报警信息交换，可选用工业以太网，将所有区域控制器通过交换机连接起来，即可实现区域控制器间通信。工业以太网技术成熟，通信可靠性高，并且随着大规模集成技术的不断发展，工业以太网通信模块的成本也不断下降。对于隧道监控，工业以太网是区域控制器间通信的最佳选择。

应用案例

上海电气自动化设计研究所曾承接上海市某隧道监控系统，该系统共 1.1km 长，选用西门子 S7-300 系列 PLC 作为区域控制器，通过 Profibus-DP 总线将 PLC 与现场设备连接，并通过工业以太网将各区域控制器连接起来，系统运行稳定可靠，满足了用户要求。

结论

隧道监控系统在隧道安全运行和应急管理中具有重要作用。通过 PLC、Profibus-DP 和工业以太网技术，可构建稳定可靠、高效实用的隧道监控系统，为隧道行车安全和畅通提供保障。