太原理工大学 硕士学位论文 基于ADS的长大隧道监控系统 姓名：裴欢欢 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：郑晟 20090401 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 基于 ADS 的长大隧道监控系统 摘 要 公路隧道监控系统是保证隧道内车辆运营安全和提高其运营效率的关 键。高效可靠的隧道监控系统能够使隧道中各种机电设备最大限度地发挥 作用，同时也使运营条件恶劣的隧道内的服务水平与整个高速公路的其它 路段相适应。 本文以某 5.6 千米特长公路隧道监控系统的改造设计为背景， 深入分析 了原隧道监控系统的功能及其实现方式。原监控系统主要由隧道自动控制 系统（包括交通诱导、照明控制、通风控制和消防安全） 、视频监控系统、 紧急电话及广播系统和火灾报警系统等四个不同的系统构成。 在对原监控系统的功能进行分析和研究的基础上，本文将自律分散系 统（Autonomous Decentralized System, ADS）引入隧道监控系统中，建立了 基于自律分散系统的隧道监控系统网络模型及通信模型，根据此模型提出 了新的解决方案。 在隧道内建立千兆环形光纤以太网，并按照地域将隧道监控系统划分 为十七个区域监控子系统（包括监控中心） 。隧道内十六个区域监控子系统 分别配置区域控制器（PLC） 、视频服务器、音频服务器、串口服务及以太 网交换机，实现了系统功能的多网合一。 本文重点设计了隧道自律分散控制系统，该系统的下位机采用横河电 机 FA-M3 系列可编程控制器，实现通风控制、照明控制、交通诱导及消防 安全控制。通信模块采用支持自律分散协议的横河电机 F3NX01-0N 模块。 隧道自律分散控制系统上位机采用 iFIX 4.0 组态软件进行监控界面设 计。iFIX 4.0 通过 DDE 驱动与 VB 程序建立连接，并通过 VB 程序实现与 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 下位机的通讯。 本文对该方案的实施作了大量的试验工作，充分证明了该方案是正确 可行的。该方案也为隧道监控系统的研究和应用提供了新的控制思维和控 制策略，具有一定的理论和实际意义。 关键词：隧道监控系统，自律分散系统，工业以太网，自律分散通信协议 太原理工大学硕士研究生学位论文 III LONG TUNNEL MONITORING 能见度测量是通过另一分离通道， 由发射/接收头发射光波，通过 3 米测量通道到达反射头，再经过反射头反射到发射/接 收头，通过测量光波的衰减测量能见度值。 图 4-1 CO/VI 检测仪 Figure 4-1 CO/VI monitor 太原理工大学硕士研究生学位论文 48 风速风向检测仪主要用于测量隧道内风速和风向。为系统提供隧道风速和风向数 据。本系统使用 CODEL 隧道用风速和风向测试仪 AFM，型号：TC4。 TC4 型风速和风向测试仪采用超声波技术、单一传感器完成双方向测量技术，不 受交通流量、反射波和通风设备的影响；质量和构造满足隧道设备粗糙度要求，具有精 度高免维护等特点。 (3)控制方案 通风控制采用递阶控制方式,重污染车辆通行时给雁门关隧道造成了比较大的扰动， 由于 CO/VI 传感器安装位置的关系，造成反馈信号反应延迟。为此，本文采用多模态隧 道通风控制方案，见图 4-2。 VIVICO JFJFJF 控制输出 处理 污染浓度恶化 直接插入控制 CO/VI 目标值 CO/VI值 污染浓度 预测 CO/VI值 交通量 预估 模糊 控制器 污染度 图4-2 多模控制方案 Figure 4-2 Multi-mode control scheme 多模态隧道通风控制方案具有以下特点： 1)根据隧道内的污染情况，控制系统有不同的控制策略。 2)当隧道内基本没有污染、或污染较轻时，采用前馈控制方式。引入前馈控制后系 统的灵敏度高，能有效克服重度污染车辆造成的污染扰动。 3)当隧道内污染较重时，采用反馈控制方式。反馈控制方式运算工作量小，风机启 动停止频度低，能有效减少由于风机频繁启停造成的电能损失。 4.1.3 照明控制 隧道照明控制子系统根据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 太原理工大学硕士研究生学位论文 49 行监视。 (1)系统组成 系统采用了四套亮度检测器， 隧道左,右线入口洞口内外各配有一套检测器。 检测器 的检测信息先被传送到区域控制器，传送至隧道监控中心的操作员站，该系统可根据隧 道内外的检测的光强度信息实时控制隧道照明设备，从而使隧道门内外的亮度相匹配， 且电能消耗最小并使驾驶员适应亮度的变化。 本隧道照明控制子系统由监控中心操作员站、隧道内区域控制器、照明配电箱、控 制电缆及电力电缆等组成。监控系统对照明的控制采用在照明配电箱分散控制的方式， 每个配电箱单独控制避免相互之间的影响。 (2)控制方式 雁门关照明控制系统采用分布式控制系统控制，有三种控制方式。监控室计算机、 隧道区域控制器都可进行照明控制，在隧道至隧道管理站监控室的通信出现故障时，可 直接在照明配电箱上人工操作，以保证隧道正常照明。 1)隧道照明有手动（就地） 、手动(远程)、自动（远程）三种方式，其中在配电箱的 手动，由照明系统自行完成，远程(手动/自动)方式由监控系统在监控室与照明系统配合 完成。 2)远程控制方式包括手动控制和自动控制两种，自动控制足根据亮度检测器实测的 隧道内外亮度值，实时调节洞内的照明系统。手动控制则在特定的情况下(例如火灾)将 所有灯打开，以满足照明要求。 3)对于照明控制子系统，自动控制程序分为白天和夜间二种情况。照明组合方式在 白天有以下四种： 晴天：基本灯+四组过渡灯 多云：基本灯+三组过渡灯 阴雨：基本灯+两组过渡灯 重阴：基本灯+ 一组过渡灯 在黑夜，分为三阶段，有两种组合方式： 前半夜：基本灯（包括基本灯兼作诱导灯） （左右侧）+路灯 后半夜：基本灯（包括基本灯兼作诱导灯） （左或右侧） +路灯 黎明：基本灯（包括基本灯兼作诱导灯） （左右侧）+路灯 监控系统对以上照明组合方式可进行自动控制。并将根据有关标准、规范和经验提 太原理工大学硕士研究生学位论文 50 供每级控制所对应的亮度值，在软件中可以根据以后调查的实际情况进行参数调整，以 保证节能运行。 (3)亮度监测仪 亮度仪主要用于测量隧道内外的光亮度的测量。为系统提供隧道内外的光亮度数 据， 以控制隧道内的照明设备。 设在洞内亮度检测器可以检测洞内照明系统的工作情况， 照明系统即能够通过洞内亮度检测器采集数据与设定值比较后提示维护部门更换灯具。 亮度仪由探测器和二次仪表组成。 图 4-3 为仪表的原理框图， 被测的光信号由光探测器接收， 产生相应的光电流信号。 光电流被转换为电压信号后进行放大， 再经模数转换器转化为数字量， 被微处理器读入， 微处理器再将读入的数据乘以定标系数即得到最后的测量结果。 图 4-3 光度计电路原理框图 Figure 4-3 Photometer circuit diagram 4.1.4 消防控制 消防恒压供水系统通过蓄水池中的水位与地面高度差确保消防供水压力， 控制系统 主要通过水位检测控制显示仪检测的水位，控制消防水泵的起停，确保蓄水池中的水位 范围。水位检测对象主要为隧道北口和南口消防蓄水池，控制对象主要为北口的消防水 泵。 4.2 自律分散控制系统下位机硬件设计 4.2.1 概述 区域控制器采用横河电机 FA-M333系列可编程控制器，F3NX01-0N 模块34作为自 律分散管理器 ACP 支持自律分散通信协议。自律分散控制器对外场设备进行小区域集 中，能够不间断采集隧道内的交通信息、环境情况，与以太网相连接上传监测信息并接 受控制指令。图 4-4 自律分散控制系统硬件结构示意图。 太原理工大学硕士研究生学位论文 51 图 4-4 自律分散控制系统硬件结构示意图 Figure 4-4 The hardware structure of ADS control system 4.2.2 PLC 硬件结构设计 区域控制器是实现自律分散系统核心的设备，采用横河电机的 FA-M3 系统可编程 控制器，它由安装底板、电源模块、CPU 模块、输入模块、输出模块和功能模块组成。 输入/输出模块的种类和数量可根据具体要求选配，如果有特殊要求可以选用适合的功 能模块。隧道内 16 个区域控制器结构相同，以区域控制器 1 为例，如表 4-1 所示。 表 4-1 PLC 模块列表 Table 4-1 The list of PLC modules 1 F3PU26-0N 24V DC，电源模块 2 F3SP58-6H CPU 模块 3 F3XD08-6N 开关量输入模块 4 F3YD04-7N 开关量输出模块 5 F3NX01-0N 自律分散协议通信模块 (1)电源模块 F3PU26-0N 主要特性如表 4-2 所示： 表 4-2 电源模块属性 Table 4-2 Characteristic of power module 输入电压 24V DC 输入电压范围 15.6-31.2V DC 输出电压 5VDC 功率 33.1W 峰值电流 20A 额定输出电流 4.3A (2)CPU 模块选用功能强大的 F3SP58-6H,其主要特性如表 4-3： 太原理工大学硕士研究生学位论文 52 表 4-3 CPU 模块主要特性 Table 4-3 Characteristic of CPU module 基本指令处理速度 0.07us 程序容量 256KB 状态显示 运行，停止，故障 CPU 带实时实钟功能 诊断信息带日期和时间标记 指令系统 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 (3)通信模块 F3NX01-0N，支持自律分散协议，其主要特性如表 4-4： 表 4-4 F3NX01-0N 主要特性 Table 4-4 Characteristic of F3NX01-0N 访问控制方式 CSMA/CD 传输速率 10 Mbps 最大传输距离 500M 支持协议 UDP/IP， ICMP， ARP 模块排列如图 4-5 所示。 1 2 3 4 5 6 7 F3PU26-0N F3SP58-6H F3XD08-6N F3XD08-6N F3YD04-7N F3YD04-7N F3NX01-0N 图 4-5 PLC 柜模块排列图 Figure 4-5 The arrangement of PLC modules 4.2.3 外围采集设备 自律分散控制系统外围采集设备如表 4-5 示。 表 4-5 外围监测设备 Table 4-2 List of field devices 序号 设备名称 数量（套） 1 车辆监测器 1 2 交通信号灯 3 3 CO/VI 检测器 1 4 风速风向检测器 1 5 亮度检测器 1 6 照明配电箱 1 7 风机电气控制柜 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 53 4.2.4 硬件抗干扰措施 由于本控制系统是使用在隧道这种恶劣环境下， 大量的干扰源虽然不能造成系统硬 件的损坏，但常常使系统不能正常工作。因此必须采取有力措施，减弱干扰的影响。在 本设计中主要采用了以下措施： (1)设计硬件电路时，为防止强电信号对弱电信号的影响，我们采取强电和弱电分开 走线，不同类型的传输线不捆扎在一起。 (2)屏蔽和接地问题 屏蔽作用是把电磁场限制在一定的空间或把电磁场削弱到一定的数量级。在现场， 实际上存在强的电场， 也存在强的磁场， 所以在电路设计中， 屏蔽体外壳要可靠地接地。 而合理地设计硬件电路的接地也是抑制噪声和防止干扰的重要途径，在实际设计中，主 要考虑以下两点25： 1)电路一点接地，为避免