基于PLC的高速公路隧道電力監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、基于PLC的高速公路隧道電力監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)第31卷第3期2021年O3月武漢工程大學(xué)J.WuhanInst.Tech.Vo1.31No.3Mar.2021文章編號(hào):16742869(2021)03008504基于PLC的高速公路隧道電力監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)林壽英,林建烽,夏勝芬(1.福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電學(xué)院,福建福州I350002;2.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,湖北武漢430074)摘要:設(shè)計(jì)了一種基于PLC的高速公路隧道電力監(jiān)控系統(tǒng).該系統(tǒng)包括隧道監(jiān)控,照明控制,交通信號(hào)控制等子系統(tǒng),采用通信網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)了全線電力監(jiān)控管理智能化,無(wú)人值守.現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果說(shuō)明,系統(tǒng)性價(jià)比高,可靠性高,照明控制合理

2、,節(jié)約了用電量.關(guān)鍵詞:PLC;高速公路;隧道電力監(jiān)控;照明優(yōu)化控制中圖分類號(hào):TP277文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A0引言當(dāng)前,作為現(xiàn)代交通根底設(shè)施的高速公路發(fā)展迅速,如何實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路的科學(xué)管理,發(fā)揮其快速,高效,平安暢通的功能和優(yōu)勢(shì),關(guān)鍵之一是修建結(jié)構(gòu)合理,性能優(yōu)良的高速公路監(jiān)控管理系統(tǒng),其中對(duì)高速公路的隧道監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)尤其必要,它不僅涉及到高速公路的平安與高效運(yùn)行,而且涉及到大量照明用電的節(jié)能管理控制口.過(guò)去高速公路的隧道控制系統(tǒng)多采用在配電房?jī)?nèi)配置工控機(jī)控制系統(tǒng),這種方式本錢高,附加配套設(shè)備復(fù)雜,可靠性也因此受到影響.而可編程控制器(PLC)具有可靠性高,功能完善,組合靈活,編程簡(jiǎn)單,功耗低

3、等優(yōu)點(diǎn).因此采用PLC為主控制器構(gòu)成高速公路隧道電力監(jiān)控系統(tǒng),易于實(shí)現(xiàn)高速公路的全線電力監(jiān)控管理的智能化,以實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的無(wú)人值守.本文以長(zhǎng)樂(lè)機(jī)場(chǎng)高速公路所轄的一條長(zhǎng)約450米的鶴上隧道為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)了一套基于2k6+386配電箱ZAP42k6+458配電箱ZAP32k6+589配電箱ZAP22k6+659配電箱ZAPlK6+308IvK6+38IYK6+48IYK6+58tvK6+65配電箱l1配電箱ll配電箱Il配電箱Il配電箱YAP1llYAP2IlYAP3llYAP4llYAP5PLC的高速公路隧道電力監(jiān)控系統(tǒng).系統(tǒng)分為4個(gè)子系統(tǒng):隧道監(jiān)控子系統(tǒng),通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng),照明控制子系統(tǒng),交通控

4、制子系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道內(nèi)的照明的優(yōu)化控制,各子系統(tǒng)之間可靠通信以及對(duì)交通誘導(dǎo)設(shè)備等各種設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行可視化的實(shí)時(shí)監(jiān)控,確保了隧道的平安高效運(yùn)行.1系統(tǒng)總體控制方案基于PLC的高速公路隧道電力監(jiān)控系統(tǒng)是利用現(xiàn)場(chǎng)電力監(jiān)控設(shè)備實(shí)時(shí)采集用電負(fù)荷數(shù)據(jù),監(jiān)控高速公路隧道照明用電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),供配電線路的運(yùn)行狀態(tài),特別是其故障情況,并通過(guò)已建成的高速公路通信光纖通道傳送到路段管理監(jiān)控分中心,檢修人員能夠及時(shí)了解設(shè)備的運(yùn)行情況以便及時(shí)處理,也可在監(jiān)控分中心,通過(guò)可視化觸摸屏遠(yuǎn)程控制各站點(diǎn)及隧道供配電各回路開關(guān)的合,分閘或接觸器的通斷,確保高速公路營(yíng)運(yùn)的正常進(jìn)行.系統(tǒng)總體控制方案如圖1所示.PLC1控制柜

5、f鶴上遂道)廠_._一一I光纖l!L一.一一工焦笪塑一一.一一一.圖1隧道總體控制方案框圖Fig.1Blockdiagramofthetunnelmonitoringsystem:上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)L_.交通指示燈,綠色箭頭燈,應(yīng)急燈,出口路燈等.要實(shí)現(xiàn)對(duì)這些廂電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控,具體方案是隧道內(nèi)兩旁左(Z)右(Y)各放置5個(gè)配電箱,PLC控制柜設(shè)置在隧道洞口的箱式變壓器旁,里面放置一套西門子公司生產(chǎn)的型號(hào)為S7200PLC作為測(cè)控單元,它采集隧道內(nèi)各配電箱的狀態(tài)量,通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)通訊處理器CP2431與上位機(jī)進(jìn)行以太網(wǎng)通訊,完成隧道內(nèi)照明系統(tǒng),交通系統(tǒng)等用電設(shè)備的遙測(cè)功能,同時(shí)接收上位機(jī)的指

6、令對(duì)各配電箱的狀態(tài)量實(shí)現(xiàn)遙控功能.2.1下位機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)由于隧道內(nèi)照明燈的數(shù)量較多,為了節(jié)省電能,同時(shí)保證隧道內(nèi)外的光線強(qiáng)度始終保持在一個(gè)較穩(wěn)定的狀態(tài),以減輕司機(jī)進(jìn)入隧道前后視覺感光的差異,故要對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行控制.控制方式一種是根據(jù)照度進(jìn)行控制,在隧道內(nèi)外都裝上照度傳感器,檢測(cè)值經(jīng)其內(nèi)部的電路轉(zhuǎn)化換算后,送PLC進(jìn)行處理控制,這種做法比擬復(fù)雜,本錢高,適合長(zhǎng)隧道照明控制系統(tǒng).而本隧道只有450米長(zhǎng),經(jīng)客戶同意采用了時(shí)序控制方式,將照明燈分為七類,對(duì)不同燈的亮滅時(shí)間設(shè)計(jì)如表1所示.采用對(duì)交通信號(hào)燈中的紅黃綠三色燈及轉(zhuǎn)向箭頭燈進(jìn)行群控方式,且采集群控空氣開關(guān)和接觸器的反應(yīng)信號(hào)及其箱式變電站內(nèi)

7、的分合閘信號(hào)和故障信號(hào).表1燈的亮滅時(shí)間Tab.1Thelightingtimeoftunnellamps要選擇控制設(shè)備首先要對(duì)I/0點(diǎn)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì).根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,輸入點(diǎn)數(shù)含加強(qiáng)燈,交通燈,全日燈,指示燈,出口路燈等,總點(diǎn)數(shù)約50點(diǎn);低壓回路狀態(tài)反應(yīng)約2O點(diǎn);輸出點(diǎn)數(shù)含加強(qiáng)燈,交通燈,全日燈,指示燈,出口路燈等,總點(diǎn)數(shù)約33點(diǎn);備用控制點(diǎn)數(shù)定為10點(diǎn).根據(jù)以上I/O點(diǎn)數(shù)的統(tǒng)計(jì),選定西門子S7200系列PIC,其中CPU226集成24輸入/16輸出共40個(gè)數(shù)字I/0點(diǎn);可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊;最大擴(kuò)展至248路數(shù)字I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn).為滿足I/O點(diǎn)數(shù)的要求,本系統(tǒng)用了2塊開關(guān)量擴(kuò)展模塊

8、EM223(16DI/16DO)和1塊EM221(16DI)加上CPU本身自帶UO,系統(tǒng)總計(jì)點(diǎn)數(shù)I/O為72DI/48DO.因此,在隧道內(nèi)每個(gè)信息采集點(diǎn)處放置西門子s7200測(cè)控傳感器,s7200PLC配置兩塊EM223,一塊EM221開關(guān)量擴(kuò)展模塊,就可對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控.下位機(jī)控制子系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示.回日圈圖2下位機(jī)控制子系統(tǒng)硬件框圖Fig.2Hardwareblockdiagramofthelocalsubsystem2.2下位機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件由隧道主程序,觸發(fā)子程序,讀時(shí)子程序組成.其中主程序主要負(fù)責(zé)加載外部設(shè)備參數(shù),諸如手自動(dòng)切換,配電柜內(nèi)相應(yīng)接觸器吸合,還有上

9、位機(jī)發(fā)出使能位和相應(yīng)燈具控制信號(hào)等,用帶參數(shù)的CALL類指令調(diào)用相應(yīng)子程序.觸發(fā)子程序根據(jù)上位機(jī)給定值對(duì)照明燈進(jìn)行控制.例如,當(dāng)給定值不符合要求時(shí)(小時(shí)超過(guò)24,分鐘超過(guò)60),PLC可以不執(zhí)行該指令,并觸發(fā)一個(gè)中間變量,向上位機(jī)進(jìn)行報(bào)警.讀時(shí)子程序是讀取PLC的系統(tǒng)時(shí)問(wèn),再與給定值進(jìn)行比擬,以確定燈的亮/滅.3通信網(wǎng)絡(luò)建立一個(gè)對(duì)等的光纖環(huán)網(wǎng),把所有的本地控制器連接起來(lái)因采用的是光纖冗余環(huán)網(wǎng),這樣即使在一端光纖斷開的情況下,現(xiàn)場(chǎng)總線光纖冗余環(huán)網(wǎng)中的所有控制器仍然能通過(guò)另外一端光纖進(jìn)行正常的通信,保證了通信的可靠性.這樣,由隧道內(nèi)PLC收集到的隧道內(nèi)檢測(cè)設(shè)備信息就可通過(guò)通信系統(tǒng)可靠地傳到監(jiān)控分中

10、心.要將下位機(jī)采集的信號(hào)傳輸?shù)娇刂浦行牟⒖刂浦行牡拿畎l(fā)送出去以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能,控制中心就要與各現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)進(jìn)行通訊.圖3為上位機(jī)與下位機(jī)通信子系統(tǒng)框圖.S7200PIC配有一個(gè)CP243以太網(wǎng)模塊,再與PLC柜內(nèi)配置的光纖收發(fā)器配合,使主站PLC兼有通信集中器功能,最終實(shí)現(xiàn)與分中心的聯(lián)網(wǎng).第3期林壽英,等:基于PLC的高速公路隧道電力監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)87光端器工纖接線I笪旦L.S.i.e.m.e.n.s.$.7.-.2.00PLC1光纖光纖接線盒=工=一I堂堂墨1.J.一分中心變換機(jī)廠fTP270fIl鶴上隧道通汛集中器圖3上位機(jī)與下位機(jī)通信子系統(tǒng)Fig.3Blockdiagramofcommu

11、nicationsubsystem由于從隧道口到監(jiān)控中心的距離比擬遠(yuǎn),這就要必須考慮通信線路的抗干擾能力和價(jià)格問(wèn)題.光纜以其優(yōu)良的抗干擾性和約3元/m的低廉價(jià)格,成為通信線路的首選.本系統(tǒng)選用4芯單模光纜.PLC通過(guò)數(shù)據(jù)光端器組成光纖環(huán)網(wǎng),傳輸?shù)剿淼揽诒O(jiān)控機(jī)房,再經(jīng)過(guò)通信系統(tǒng)主干網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)控分中心.考慮到與S7200的CPU226技術(shù)兼容性,本系統(tǒng)選擇的觸摸屏為西門子系列的型號(hào)為TP270.通訊接口為RS232串行口和RS485/422接口;內(nèi)存為64KB集成閃存,顯示器尺寸為10寸STN液晶.其工作過(guò)程是工業(yè)以太網(wǎng)通訊處理器CP2431遵循TCP/IP協(xié)議分配的IP地址,由RJ45口輸出的模

12、擬量信號(hào)通過(guò)光端器轉(zhuǎn)化為光信號(hào),并經(jīng)過(guò)光纖傳輸?shù)奖O(jiān)控分中心后,再一次經(jīng)過(guò)光端器轉(zhuǎn)化為模擬量信號(hào),最后經(jīng)由RJ45口到監(jiān)控分中心CPU226.數(shù)據(jù)經(jīng)由CPU226處理后通過(guò)RS485口到TP270觸摸屏.這里要注意一個(gè)問(wèn)題,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備接地參考點(diǎn)不相同時(shí),在連接的電纜中會(huì)產(chǎn)生附加電流,這些電流會(huì)破壞設(shè)備,造成通信故障.要消除這些電流,就要確保通信電纜連接的所有設(shè)備共享一個(gè)共同的接地參考點(diǎn).4上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與人機(jī)界面的設(shè)計(jì)由上位機(jī)采用ProTool組態(tài)軟件進(jìn)行人機(jī)界面設(shè)計(jì).ProToolCS完整的圖形用戶界面,允許用鼠標(biāo)鍵創(chuàng)立面向?qū)ο蟮?基于符號(hào)的工程,無(wú)需特殊編程知識(shí).具體使用說(shuō)明這里省略.

13、隧道人機(jī)主界面的設(shè)計(jì)要求主界面顯示主母線失電報(bào)警燈,交通燈,全Et燈,應(yīng)急燈和加強(qiáng)燈的狀態(tài),并且可以在觸摸屏上修改全日燈,加強(qiáng)燈的開關(guān)時(shí)間.在修改時(shí)問(wèn)的時(shí)候,采用密碼保護(hù)設(shè)計(jì),要求用戶輸入正確密碼,否那么不予修改.因?yàn)閮?nèi)容太多,所以將配電柜人機(jī)界面作為二級(jí)界面.圖4只給出了局部隧道照明燈人機(jī)界面圖.圖4隧遁照明燈人機(jī)界面圖Fig.4Interfaceofthetunnellightingmonitoringsubsystem,從圖4可知,隧道照明燈的狀態(tài)由紅綠模擬燈表示,指示燈上方的文本標(biāo)明照明燈的類型,當(dāng)控制各類照明燈的供電線路上的斷路器和接觸器同時(shí)合閘時(shí),模擬指示燈顯示綠色,文本顯示“開;

14、當(dāng)斷路器或接觸器任何一個(gè)在分閘狀態(tài)時(shí)指示燈顯示紅色,文本顯示關(guān).由于季節(jié)的更換,需要調(diào)整路燈的工作時(shí)間段,監(jiān)控人員可以通過(guò)點(diǎn)觸方框內(nèi)的數(shù)值來(lái)改變路燈的工作時(shí)間段.當(dāng)監(jiān)控人員需要修改數(shù)值時(shí),系統(tǒng)同樣會(huì)提示用戶輸入密碼.配電柜人機(jī)界面的設(shè)計(jì)是為了實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)配電柜的運(yùn)行情況.由于配電柜較多,這里僅以2AA柜為例,圖5為其界面圖.2AA柜界面為手/自動(dòng)切換和加強(qiáng)燈I,加強(qiáng)燈II的監(jiān)視和控制的界面.黑色主線代表三相電路主回路,黑色分支線代表控制的各個(gè)分路即照明燈.每個(gè)隧道電力監(jiān)控柜中設(shè)有手動(dòng)和自動(dòng)切換指示,即變電箱就地控制和監(jiān)控室遠(yuǎn)程控制.當(dāng)手動(dòng)控制時(shí),模擬指示燈顯示紅色,文本顯示手動(dòng),當(dāng)自動(dòng)控制時(shí)指

15、示燈顯示綠色,文本顯示自動(dòng).2AA主回路上方顯示斷路器分合狀態(tài).當(dāng)斷路器正常時(shí),指示燈顯示綠色,文本顯示斷路器正常,當(dāng)斷路器故障時(shí),指示燈顯示紅色,文本顯示斷路器故障,文本背景為紅色并閃爍,聲光報(bào)警器報(bào)警并跳出報(bào)警框,文本顯示相應(yīng)報(bào)警消息,點(diǎn)觸確認(rèn)確認(rèn)報(bào)警,點(diǎn)觸“幫助顯示幫助文本.圖5配電柜人機(jī)界面圖Fig.5Interfaceofthedistributionmonitoringsubsystem所有人機(jī)界面都是通過(guò)觸摸屏接受用戶各種查看命令,當(dāng)然也能實(shí)時(shí)反映各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的情況.墨一88武漢工程大學(xué)第31卷通過(guò)人機(jī)界面,可方便地從上位機(jī)了解到現(xiàn)場(chǎng)的工作情況,同時(shí)根據(jù)實(shí)際發(fā)出控制指令,實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)

16、系統(tǒng)的監(jiān)控功能.5結(jié)語(yǔ)本系統(tǒng)利用PLC實(shí)現(xiàn)了高速公路電力監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)化.該系統(tǒng)把隧道內(nèi)所有電力照明控制柜聯(lián)人工業(yè)快速以太網(wǎng),組成環(huán)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)分中心對(duì)隧道電力系統(tǒng)的遙控.觸摸屏面板設(shè)計(jì)為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的操作人員進(jìn)行控制和監(jiān)視提供了良好的人機(jī)界面.該系統(tǒng)已于2006年11月調(diào)試完畢正式投入使用,目前系統(tǒng)運(yùn)行良好.最為可觀的是其燈光優(yōu)化控制產(chǎn)生了節(jié)能效益參考文獻(xiàn):1E1E3-42李寧軍,曹文貴,劉生.隧道設(shè)計(jì)與施工百問(wèn)M.北京:人民交通出版社,2006:183189.張萬(wàn)忠.可編程控制器入門與應(yīng)用M.北京:中國(guó)電力出版社,2005:102120.王衛(wèi)兵.PLC系統(tǒng)通信擴(kuò)展與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)M.北京:機(jī)械工業(yè)出

17、版社,2002:1-50,174237.劉軍,劉黎志,黃浩.一種無(wú)線嵌入式數(shù)字衛(wèi)量接收系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)J.Zr久學(xué),報(bào).2OO8fI).99一】O2OptimizingdesignofhighwaytunnelpowermonitoringsystembasedonPLCLINShouying,LINJianfeng,XIAShengfen(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,FuiianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002,China;2.CollegeofElectricaland

18、ElectronicEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)Abstract:AhighwaytunnelpowermonitoringsystembasedonPICisdesigned,whichconsistsoftunnelmonitoring,lightcontrol,andtrafficsignalcontrolsubsystems.Bytheuseofcommunicationnetwork,thesystemhasbeenusedfortheintelligentmanagementofthehighwaytunnelpowermonitoring.Theresultsoftherealapplicationshowthatthedesignedsystemhashigherperformancetopriceratioandreliability.Meanwhile,powerenergyconsumptioncan