高速公路隧道PLC控制系统优化技术分析

王永和

（三明莆炎高速公路有限责任公司，福建 三明 365000）

0 引言

高速公路隧道的修建是促进高速公路等级、公路运输安全和便捷性等提升的重要工程。但在高速公路交通管理过程中，隧道管理是一众从业人士研究并注重的问题。从当前国内高速公路隧道的管理方面来看，多是利用PLC 控制系统为高速公路隧道的区域性控制设备，利用PLC 控制器对公路隧道内部设备的信息情况进行实时采集和控制。如果PLC 控制系统出现问题，整个高速公路隧道控制系统就会受到严重的影响，制约隧道的正常运行[1]。在此背景下，本文对高速公路隧道PLC 控制系统中存在的不足进行分析和优化升级，对保障高速公路隧道稳定运行具有重要的现实意义。

1 工程概述及公路隧道PLC 控制系统分析

1.1 工程概况

以某个高速公路隧道为例，对公路隧道PLC 控制系统的优化技术研究进行分析。该条公路隧道拥有10 个左右的隧道左右洞以及44 套PLC 控制器，且每条高速公路隧道均选择利用光纤使隧道内部的全部PLC 控制器，借助工业以太网交换机构建一个环形的控制网络。该类型的光纤PLC 控制系统组网模式，在PLC 控制系统稳定工作时，只有通过连接的方式才能将系统中各个节点设备连接在一起。但是，该类型的隧道PLC 控制系统应用过程中存在节点光纤网络断开、以太网交换机故障等问题，甚至会对后续多个PLC 控制系统的网络通信造成一定程度的影响，如高速公路PLC 设备和主监控中心主机之间的通信频繁中断，造成高速公路隧道的照明设备控制、风机控制以及隧道车道指示器和消防水泵等设备远程控制受到严重影响，从而导致高速公路隧道PLC 控制系统的稳定性运行受到影响[2]。因此，需要加强对高速公路原PLC 控制系统的优化设计。

1.2 高速公路隧道PLC 控制系统概述

高速公路隧道PLC 控制系统在正常使用过程中具有强抗干扰性、高可靠性等，此外该控制系统拥有简单的编程，能够充分地在高速公路隧道控制方面得到应用。在高速公路隧道洞口变电所的内部中进行主PLC 控制系统配置，然后每隔一段距离在隧道的内部设置一套完整的PLC 控制系统。然后，借助网络可以实现主PLC 控制系统与高速公路隧道内部的其他PLC 控制系统之间的连接，获取系统的数据，通过全面数据采集后，利用集中的方式传输到高速公路隧道主PLC 监控中心进行处理。之后，监控中心会将数据处理完成后的结果以控制指令的形式，传输到隧道的PLC 内部控制系统，保障各个子系统的稳定运行，具体PLC 控制系统网络拓扑结构如图1 所示。同时，针对高速公路隧道的PLC 控制系统设计可以将其划分成多个系统模块：电源模块、数字量和模拟量I/O 模块、网络通信模块以及CPU 模块、PLC 控制柜模块等[3]。

图1 高速公路隧道PLC 控制系统架构示意图

2 PLC 控制系统的设计

2.1 控制系统硬件配置

在PLC 控制系统设计过程中离不开系统硬件的支持，因此为了进一步保障PLC 控制技术在高速公路隧道中的应用，应以系统硬件配置方面为切入点进行系统设计。首先，从系统设备的数量方面确定，这时可以结合高速公路隧道的实际长度，进行硬件设备配置。如隧道的长度为1000m，那么需要每间隔250m 配备一套硬件设备。同时，还需要在高速公路隧道的进出口两端配备相应的显示面板和信号灯、电源，从而满足检测系统的能源需要。其次，为能够进一步保证系统硬件设备的稳定运行，在PLC 控制系统设备安装时，对高速公路隧道的实际情况进行深度了解，如利用光照强度检测设备、风速仪设备以及一氧化碳浓度检测设备对隧道的内部环境进行充分、实时动态监控和数据采集，然后根据采集到的数据选择对应的PLC设备，在设备配置时还要注重设备的整体性和协调性，从一定程度促进PLC 控制系统的运行效率得到提高[4]。

2.2 控制系统软件配置

针对PLC 控制系统的软件配置时，主要从数据库方面为切入点，对系统操作平台进行配置，其中可以从PLC 控制单元和备用控制单元等两个部分实现。本文针对系统的界面设计为下拉式结构。在界面显示区域，为下拉式菜单，而管理人员只需要结合系统的语音功能，对照相应的操作提示就可以完成系统操作。

2.3 控制系统主要功能模块设计

对于高速公路的隧道PLC 控制系统的程序设计，本文选择利用模块化编程模式实现。在对PLC 控制系统的程序进行设计时，可以划分成多个不同的功能模块，然后分别对每个不同的模块和系统需求进行设计，最后再结合公路隧道PLC 控制系统的需求对每个模块进行有效整合，从而形成一个完整的系统。此方法不仅可以进一步加快PLC 系统控制程序设计的进度，还能够有效促进系统程序的兼容性得到提升。而企业可以结合高速公路隧道的应用需求，在PLC 控制系统上增加所需功能模块，从而提高其适用性。因此，针对高速公路隧道的PLC 控制系统功能模块设计从以下6 个方面来实现：交通信号模块、车道指示灯模块、通风模块、照明模块、车行控制模块以及消防水泵控制模块。

2.3.1 照明控制模块

针对该模块的设计，本文选择利用Modicon Premm xDSY16T2 对照明进制模式，借助数字量输出模块对高速公路隧道内部的照明设备进行有效控制和信号反馈。并且，可以利用PLC 控制模拟量输入模块，对隧道内部的情况进行实时采集、风速风向检测以及隧道内外的光强检测等，然后对所采集到的数据进行处理和分析，再上传到PLC 控制系统以此实现对照明回路开关的控制。这样一来，可以有效避免车辆在行驶到高速公路隧道内部时产生“炫光效应”，从而降低交通事故发生的概率。同时，利用PLC 控制系统的隧道箱变或变电所中的内低压控制柜中的交流接触器，也就是借助交流接触器的闭合与断开实现对高速公路隧道内外的照明回路系统控制。此外，该高速公路的隧道照明控制系统设计，实现了对隧道外部的光线强度检测，然后根据系统所检测到的数据，实时调控公路隧道内部照明系统的光照强度。而该照明控制模块的设计，既充分满足了公路隧道内部对光亮的需要，还实现了系统的节能运行，从而使系统对隧道内部监控的质量得到提升[5]。

2.3.2 通风控制模块

针对通风控制系统设计，主要实现了对高速公路隧道内部一氧化碳浓度和隧道交通量检测。接着，结合检测到的数据信息，对风向进行实时调整以及合理把控隧道的交通量，以此实现对隧道的高效节能管理，从而延长风机的使用寿命。

2.3.3 交通信号模块

交通信号模块的设计，可以在高速公路隧道中发生交通事故或者隧道维修时，方便值班工作人员对隧道现场的具体情况进行管理。如利用隧道监控室内的集中控制管理系统，在组态软件、远程控制功能等对交通信号灯的状态、对应车道指示灯进行控制，还能够向车辆驾驶人员实时显示车道和隧道中的开关桩体，从而满足交通运行的需求。

2.3.4 防火控制模块

高速公路隧道设计时，每个车行横洞的上下行全部设置了相应的横洞控制箱，主要作用于控制车行横洞的防火卷帘门以及内部的照明等之间的联动控制。针对开关的控制，主要是由PLC 输出继电器触点和手动控制的方式实现。

3 高速公路隧道PLC 控制系统优化技术方案

3.1 针对电源开关损坏的优化

在高速公路隧道PLC 控制系统中存在开关电源主电路脱焊的问题，其原因是电路电流过大、升温过高，元器件的引脚脱焊，电阻期间无阻值等故障问题。针对部分半导体元件的温度变化造成的软故障，可以利用元件加温的方式使故障问题再现，以此对元件的故障点进行确认。当确定故障后，会发现电源开关正常运行时，会发生轻微的响动，这时可以通过加电的形式对开关电源进行优化，也可以利用电烙铁对元件引脚进行固焊，从而解决电源开关故障问题[6]。

3.2 针对PLC 控制系统通信结构的优化

公路隧道PLC 控制系统的通信结构是整个变电所中的主PLC 控制系统。如果主控制系统发生故障，就会导致整个系统无法实现正常工作。因此，为了有效避免系统通信方面出现故障，需要对整个系统的通信结构进行优化设计，如本文选择利用星型结构实现通信组网。该结构的应用，使高速公路内部的各个PLC 控制子系统和变电所主控制系统，将全部采集得到的数据集中地传送到高速公路监控中心系统中，然后由主监控系统下发对应的指令。而监控系统能够与不同PLC 系统进行通信，整个过程并不需要通过主PLC 控制系统的中转就可以实现，有效解决了变电所PLC 控制系统的故障问题。

3.3 针对PLC 控制柜配置的优化

为进一步避免PLC 控制模块受外部因素的影响而发生故障，可以选择在PLC 控制柜的总电源进线端口位置，增加相应的隔离变压器，因此即使变压器受到严重的冲击影响，也只会对隔离变压器造成一定的损坏，并不会对PLC 系统的电源模块和开关等造成影响。而针对高速公路隧道的PLC 控制网络方面来说，如果交换机发生故障或者触摸屏发生损坏等问题，其修复的时间会更长，也会对整个控制系统的运行造成严重的影响，甚至导致系统无法正常工作，这时就需要在PLC 控制柜中单独配置一个电源为其供电。同时，针对雷击的影响，可以在控制柜方面增设一个信号防雷器，并且也可以在I/O 模块以及接线端口等方面设置相应的中间继电器，以此有效防止或隔离设备故障或者设备短路等因素导致的电流影响，造成PLC模块损坏[7]。

4 结语

综上所述，随着自动化技术的不断优化与完善，PLC 技术在高速公路隧道控制系统中得到了有效应用。但由于受高速公路隧道的环境影响，传统的PLC控制系统组网模式过程中存在不足，导致PLC 控制系统在应用时常发生故障问题，这就需要优化该系统才能保障其正常运行。而本文通过利用先进技术对隧道PLC 控制系统组网模式进行优化，形成一个独立组成环网的设计方案，在一定程度上使PLC 系统的可靠性与稳定性得到了提高，对促进PLC 控制系统的发展有着重要的促进作用。