西门子PLC在隧道监控中的应用
随着经济的迅速发展，人民生活水平的大幅度提高，公路交通建设规模日益扩大，技术进步达到新的水平，公路隧道建设不仅在山区和丘陵地区公路建设中，而且在东部江河桥隧跨越方案比选中，也有很大发展。进入八十年代，我国公路隧道发展的速度加快， 2000年我国隧道通车里程已达628km/1684座，据不完全统计，到2001年底，我国建成的千米以上的公路隧道已有140余座。我国的隧道运营设施装备水平也逐渐提高，目前我国1km以上公路隧道有监控、通信、检测设备者就占19%。
一、系统概述
三福罗盘基隧道为两条平行的隧道。每座隧道为双车道单向行驶，设计时速40km/h。其中东侧隧道长1480.18m，西侧隧道长1501.83m。交通监控系统由隧道中央控制系统和交通监控外场设备构成。（见图1监控系统拓扑图） 1、中央计算机系统
中央计算机系统设2台交通监控工作站(A、B)、2台网络服务器（A、B）、工程师（通讯）工作站以及模拟显示屏系统。系统采用10/100M自适应交换式SWITCH HUB，形成中控室以太环网，通信协议为TCP/IP，并在client/server结构的基础上建立大型、统一的数据库系统。并可通过路由器与远程网络相连。
中央计算机系统能实时监控各系统的工作，存储运行记录，供值班人员调用、显示、打印。 2、监控系统
监控系统数据采集网络采用工业级以太网光端机OSM和区域控制器组成光纤冗余环网。区域控制器采用西门子公司的S7-300系列PLC，其通讯模块支持开放式网络，网络传输介质采用光纤，具有抗干扰能力强、容错性好、传输距离远等优点。
区域控制器包括系统的处理器模块、各开关量、模拟量输入输出模块、各通信模块。处理器模块负责控制其他各模块，并能实现就地控制。各通信模块负责区域控制器与以太网及其它智能设备的数据通信。
各区域控制器负责现场各子系统及其检测器的数据采集，并上传至中央计算机系统。在网络出现问题时，区域控制器可自动升级，对所辖范围进行管理，以确保设备的正常运作。在隧道现场分别设区域控制器ACU共8台，通过工控以太网光端机，服从TCP/IP通讯协议，以光纤双环网方式相连接，构成监控现场网络。
区域控制器通过PLC对隧道现场的信号指示灯、照明控制柜、风机控制柜、消防控制柜、CO/VI检测仪、风速检测仪、照度监测仪等设备和仪表进行数据采集和控制，实现对各子系统的遥控、遥讯、遥测等功能，从而使全隧道设备实现智能、节能调度自动化。
隧道内各种设备的布置参见附图1隧道布置图。
1
显示屏服务器Ａ服务器Ｂ工作站A工作站B工程师工作站投影屏显示屏控制器交换机中控室隧道ＯＳＭＯＳＭ光纤冗余以太环网ＯＳＭＯＳＭＯＳＭ以太网光端机以太网接口区域控制器１以太网接口区域控制器２以太网接口区域控制器３以太网接口区域控制器４以太网接口区域控制器５以太网接口区域控制器６以太网接口区域控制器７以太网接口区域控制器８图1 监控系统拓扑图二、区域控制器 1、系统组成 区域控制器主要以PLC控制器为框架构成，该系统中使用西门子S7－300系列PLC，其配置见图2。 2、系统功能 电Ｃ以通Ｒ通开输开输模输? 交通控制功能 Ｓ源Ｐ太信４信关入关出拟入区域控制器连续检测隧道内的交Ｕ网８量量量５通数据，自动分析隧道的交通状况，结合其它系统提供的隧道状况（如火灾、事故等），控制车道信号灯、交ＣＯ照风信照风消光车可ＶＩ度速号明机防端辆变通灯等以控制车辆通行，并在情报板监监监灯控控控机监情测测测上显示相关信息，以利于司机了解隧控制制制测报仪仪仪制器板道状况。 ? 照明控制功能 图2 PLC模块配置图区域控制器检测隧道外的照度和隧道口的辉度数据，控制隧道口的照明亮度呈梯级逐渐变化。同时根据时间和照度结合来控制隧道照明灯的开启数量，使隧道内的照明亮度接近隧道外亮度，并可以省电。 ? 通风控制功能 区域控制器检测隧道内的一氧化碳（CO）和能见度（VI）的数值，判断隧道内的空气状况，用以启动隧道顶部风机的运行。同时通过网络接受中央控制系统发出的消防报警信号，来启动风机派烟。 ? 数据通讯功能
2
通过西门子PLC的以太网模块组成现场控制级以太网，各区域控制器在网络内实现数据共享，协同控制，同时将现场数据传给中央控制系统进行显示、储存、处理，并接收中央控制系统的远程遥控信号。 ? 手动控制功能
系统还设有手动控制，可由监控员在监控中心计算机上开关任意交通信号灯或交通灯等，并能手动输入信息由情报板显示，以适应特殊情况。为提高系统的可靠性，区域控制器设手动控制按钮和指示灯，一一对应隧道的交通灯、车道灯，使系统在网络或监控中心计算机发生故障时可降级使用，操作员可现场操作交通灯、车道灯。
区域控制器接线图见附图2。
三、光纤环网
光纤环网主要由西门子PLC以太网模块、光纤和西门子OSM以太网光端机组成冗余工业以太网。
工业以太网使为工业应用而专门设计的，它是一种遵循国际标准IEEE802.3（以太网）的开放式、多供应商、高性能的区域和单元级网络。工业以太网将自动化系统相互连接，而且还将自动化系统连接到PC机和工作站上。它能以高达100Mbit/s的速度实现广泛的、开放的网络解决方案。目前，以太网凭其超过80％的市场份额，在世界范围内的局域网（LAN）市场上基于主导地位。
以太网具有如下重要特点：
? 启动快速，因为简化了网络连接方法。
? 灵活性大，因为现有设备可以不受影响地随时扩展。 ? 可靠性高，因为采用了冗余地网络拓扑结构。
? 无限地通信性能，因为使用交换技术可根据用户需求提供可收缩地性能。 ? 覆盖极为广泛地应用，可从办公室到生产现场。
? 投资可靠，因为该系统正不断得到进一步开发，而且完全向下兼容。
通讯处理器CP343是西门子提供的以太网模块，其作用相当于计算机网卡，将PLC以TCP/IP协议接入工业以太网中。这种连接是全双工连接并可依靠自适应自动转换，提供RJ45和AUI两种连接方式，10/100Mbit/s 的数据传输速率,能快速传输大量数据，通过工业以太网可以独立处理数据的传输。
通讯处理器CP343的优点：
? 通过UDP 连接或群播功能可达到多用户。
? 利用NTP(网络时间协议)提供时钟同步(使用CP443-1 和CP443-1 IT)。 ? 可选择KeepAlive 功能。
? 使用10/100Mbit/s 工业以太网可将SIMATIC S7 集成到复杂的成套装置内。使用S5 兼容通讯可将SIMATIC S7 集成到现有装置内。
? 借助于TCP/IP 的WAP 功能，通过电话网络(例如ISDN)，CP 也能远距离编程和对设备进行初始调试。
? 一种模块就能用于不同应用： PG/PC，操作和监视系统(OP 通讯的多路转换；最多可连接16 个OP)以及SIMATIC S5/S7。
? 使用NCM S7(已集成在STEP 7中)可提供范围广泛的诊断功能，包括显示CP的操作状态，实现通用诊断和统计功能，提供连接诊断和LAN 控制器统计及诊断缓冲器。
西门子通过带光纤接口的工业以太网交换机OSM来建立10M/100M的光纤工业以太网。集成到OSM模块内的冗余管理器可以建立冗余环型结构，发生故障后，尽快对网络进行重构，其最
3
快网络重建时间为0.3秒。冗余网络提高了网络的整体安全性，减小了设备的停机时间。为了达到所要求的快速反应时间。
OSM特点：
? 经过分段(将一个网络分割成几个子网络/段)和将这些网络段连接到一个OSM，可在现有网络中实现负载解耦，从而提高网络性能。
? 用交换机技术和快速介质冗余技术，集成在OSM内的冗余管理程序支持建立冗余工业以太网环结构(最大重构时间为0.3 秒)。
? 建立一个光纤环需要OSM的2 对光纤端口。环内的数据传输速率为100Mbit/s，每个环中最多可用50 个OSM。
? 除了2对或3对环端口外，OSM还有另外6个或5个端口(可任选ITP或RJ45接口，OSM ITP53 无RJ45 接口)，它们可与终端设备或网络段相连接。 ? 通过集成的后备功能，可以冗余地将几个环彼此连接在一起。 光纤冗余以太网OSMPORT1PORT24芯光纤OSMPORT1PORT2图5 光纤配线示意图 四、软件设计 使用西门子STEP7编程软件编制程序，采用模块化设计，包括主程序、串口通讯子程序、网络通讯子程序、开灯子程序、开风机子程序。开信号灯子程序等。
开始 参数初始化通讯连接输入信号检测处理当前时间 和照度值开灯Y调用开灯 子程序开灯N处理COVI值处理当前交通流量NN开风机Y调用开风机 子程序开风机开信号灯Y调用开风机 子程序开风机结束 图6 程序流程框图4
五、程序文本（部分）
三福高速公路罗盘基隧道监控系统PLC（主站OB1）程序图：
由于车检采用的是20S一次的主动寻检，因此Network1,network2是一个晶振发生器，用于产生20S的信号。
在车检协议中：AA是帧头，01表示这是上位机下发的命令，01为地址码，20是控制域，后20是标志域，CC是结束符，FD71是校验码，MW100是发送长度。
5