1 引言
隨著我國經濟的高速發展，通暢高效的交通系統成為經濟進一步發展的基本需求，從而高速公路亦得以蓬勃發展。作為高速公路路段中相對事故率較高的隧道區域，為保證行車安全，提高行車效率，通常在長隧道或特長隧道內設置隧道監控系統，集中監控隧道內通風、照明以及行車情況，在必要時候發布誘導和指導性信息。而隧道內通風、照明、以及交通誘導設備均分散于整個隧道區域，因此集成隧道內各要素信息，方便隧道監控人員的集中監控與管理，成為隧道監控系統設置的主要目的。
2 隧道監控系統的主要內容和控制要求
保證隧道行車的通暢、安全，根本上說就是要求保證一個良好的行車環境，以及必要時候能夠對通行的車輛做出合理的誘導。故通常在長隧道或特長隧道內設置一定保證環境和便于交通誘導的機電設施，按功能劃分可分為交通檢測與誘導設施、通風檢測與控制設施和照明檢測與控制設施，相應為控制這些設施，使其服務于隧道行車，分別設置交通檢測控制系統，通風檢測控制系統，和照明檢測控制系統。
2.1 交通檢測控制系統
交通導控制系統主要作用在于控制交通誘導設施，如車道指示器，交通信號燈，可變情報板，可變限速標志等，用來誘導隧道內車輛行駛在單一車道上，通過可變情報板上面發布相關行車信息，通過可變限速標志設定隧道車輛的通行速度，并在必要時候（如，隧道內塞車、能見度值過低、一氧化碳含量太高等等）封閉隧道。車道指示器、交通信號燈顯示信息通過PLC程序控制輸出繼電器來控制，可變情報板和可變限速標志的顯示值通過PLC的串行通訊接口輸出來控制改變。此外，對于隧道內設置的車輛通行情況檢測器（即車輛監測器，可以檢測車速，車流量，車道占有率等等參數）檢測的隧道車輛通行數據，同樣由PLC擴展串行通訊接口編程獲取，存于PLC內存儲器中。
2.2 通風檢測控制系統
為監控隧道內行車環境，隧道內設置有風速儀、一氧化碳和能見度檢測儀。通風控制系統即在實時檢測這些環境參數的基礎上，控制隧道內風機的開啟，以使各項空氣指標符合安全行車標準，達到既保障安全行車、同時節約能源的目的。各空氣指標數據由PLC模擬量輸入模塊采集，風機的啟停通過PLC的開關量輸出模塊程序控制中間繼電器實現控制。
2.3 照明檢測控制系統
照明檢測控制系統的目標是在不斷監測隧道洞外、隧道洞內光照度的前提下，調節隧道進出洞口加強段等照明回路，達到合適的隧道內光照度。避免使車輛駕駛員白天進入隧道和夜間離開隧道產生“黑洞效應”；避免使車輛駕駛員白天離開隧道和夜間進入隧道產生“眩光效應”（或稱“白洞效應”），讓駕駛員輕松適應進出隧道的光照度變化，減少交通事故，同時考慮節約能源。光照度等參數的采集由PLC模擬量輸入模塊完成，照明回路的控制則由PLC程序控制輸出繼電器來實現。
3 系統構成
高速公路隧道區域作為一個相對封閉區域，通風不暢，汽車尾氣沉積，油污污染，高低壓線纜布線的空間限制導致電磁干擾等等因素，使其成為一個非常惡劣的電氣環境，對應用的電氣設備的適應性提出很高的要求；而且隧道距離長，設備布設分散，也為監控系統的構建造成一定難度。
SIEMENS S7-300是模塊化的中小型PLC系統，其大范圍的各種功能模塊可以非常好的滿足和適應自動控制任務，簡單實用的模塊化和分散式結構使得其應用十分靈活，當控制任務增加時，可自由擴展。高電磁兼容性和強抗振動、抗沖擊性使得其具有很高的工業環境適應性。并且基于以SIEMENS公司為主開發的PROFIBUS現場總線標準，S7-300 PLC還具有組網便捷的優勢。易于實現分布，易于用戶掌握，易于組建分布式現場網絡等特點使得S7-300成為各種中小規�？刂迫蝿盏姆奖阌纸洕慕鉀Q方案。
鑒于以上原因，S7-300系列大量應用于隧道監控系統中，作為監控系統現場區域控制機的核心部件。
3.1 PLC配置設計
根據隧道長度，設備分布情況，以長1000米、2個行車道的隧道為例，隧道內每間隔250米設車道指示器（正反面各有紅叉綠箭頭）2套（2車道），隧道進洞口各設可變情報板、可變限速標志和交通信號燈各1套，每個隧道洞內設一氧化碳和能見度檢測儀（VICO），光照度儀（LO），風速儀（TW）各2套，車輛檢測器各4套，通風風機4組（1組為2臺風機）。另外隧道供配電系統為隧道兩頭設變電所，從兩端分別對隧道供電，故照明回路的電力供應分別從兩端變電所供出，在兩個變電所內分別設照明區域控制機1套，控制照明回路數為19路。據此統計隧道進口端的區域控制機（簡稱RTU1/RUT4）的配置（略）；隧道出口端的區域控制機（簡稱RTU2/RUT5）的配置點數（略）；變電所內的照明區域控制機（簡稱RTU3/RUT6）的配置點數（略）。
考慮系統的完整性、可操作性及點數冗余量，各區域控制機PLC系統硬件配置如圖1、2、3所示。
圖1 RTU1/RTU4硬件系統構成圖
圖2 RTU2/RTU5硬件系統構成圖
圖3 RTU3/RTU6硬件系統構成圖
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3.2 系統網絡配置設計
PROFIBUS是國際性的開放式的現場總線標準，即EN50 170歐洲標準；且現已成為IEEE國際標準和中國國家GB標準，具有傳輸速率高、傳輸距離遠、可靠性高、響應速度快的優點。鑒于隧道電磁環境的現狀，系統采用抗干擾能力強、傳輸距離大的光纖接口PROFIBUS網絡。即每個區域控制器上設置PROFIBUS現場總線光纜OLM模塊構筑整個系統的冗余環形光纜總線，為現場區域控制機之間，以及區域控制機與上位控制管理系統之間構筑了一個高可靠性的數據高速公路，即使在火災、災難、鼠害等極端情況下，也可保證整個系統的完整性和可靠性。PROFIBUS光纖冗余網絡結構見示意圖4所示。
圖4 PROFIBUS冗余環形光纖總線
4 程序設計
4.1 設計思路
本程序采用SIEMENS STEP 7作為編程軟件。根據各區域控制機所連接設備以及相應設備的工作方式特點，采用模塊化編程的程序設計方法。各區域控制機內PLC程序框架如圖5所示。設計過程如下：
圖5 程序框架圖
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（1）首先將項目劃分為若干子任務。每一個子任務在程序中對應一個功能塊（FB）或功能（FC）。功能塊含有某個系統的一些設備和任務的邏輯指令，相當于一個子程序。由組織塊（OB1）中的指令控制這些功能快的執行。
（2）規范并設定各輸入/輸出量，確定其類型和地址。為方便程序的編寫和調試，增加程序的可讀性。這里使用符號地址編程，即在程序中以符號名識別專門的絕對地址。程序中所有的變量、塊和數據類型等都可以使用符號。符號名可以是不超過24個字符的字串，可以有80個字符的符號說明。其中輸入/輸出地址均采用符號地址，而其他地址則視情況選擇使用，以避免符號過多。輸入/輸出符號地址表如表1所示。
表1 建立符號地址表
（3）建立可讀/寫的全局數據塊（DB），用于保存全局使用的數據。其中，DB1用于保存與上位機交互的數據，DB2用于區域控制機之間的交互數據，等等。程序中每一個FC或FB或OB都可以讀寫一個全局共享數據塊DB。
（4）為各程序模塊分配中間變量，定時器以及計數器等資源。
（5）根據風機、照明回路、車道指示器等設備的工作方式，確定各輸出信號與輸入信號的邏輯關系，并轉化成梯形圖實現。
（6）根據可變情報板、可變限速標志、車輛檢測器設備的通訊協議，通過串行通訊模塊CP340，采用ASCII通訊方式編寫通訊代碼，發送符合協議的指令信息幀，查詢或發布信息，從設備會傳的信息幀中提取有效數據，并定期檢查通訊狀態。
（7）編寫PLC之間的數據交換程序模塊，確定需要交互的數據，分配此數據的存儲空間，并定期刷新。
（8）編制、調試、連接所要求控制任務的各部分功能（塊）。
（9）規劃從組織塊OB1中調用各部分功能（塊）的程序執行功能。
（10）現場安裝接線各外部輸入/輸出點，整定、調試程序，試運行，運行。
4.2 注意事項
（1）在硬件配置中設置CPU參數，主要包括啟動特點、性能、循環中斷、診斷/時鐘、保護等。
（2）通過硬件組態工具設置模擬量模塊的參數。本配置中，風速儀、照度儀、VICO檢測儀均為4線制4～20mA輸入信號，如果系統包括車道指示器的電流變送器，則為2線制4～20mA輸入信號。
（3）在硬件配置中設定各區域機中PLC的PROFIBUS地址和MPI地址，確認各站具有唯一的地址。在需要交互數據的站與站之間建立數據連接，并將各站與上位機之間均建立連接，本配置中，站與站之間建立FDL連接（相對快速的連接），站與上位機之間建立S7連接（SIEMENS公司自主PROFIBUS應用層協議，適用于S7 300系列PLC與上位軟件之間的信息交換）。
（4）在用戶程序使用之前，符號必須在符號表下建立，并且用戶程序的符號必須唯一。也就是說，一個符號或地址在符號表中只能出現一次。
（5）除OB1以外操作系統還可以調用其他的組織塊以響應某些事件。在本程序中，通過定時循環中斷OB35設定每隔5秒采樣一次風速、照度、COVI等模擬量數據。OB35根據程序設定的時間間隔反復執行，時間間隔在CPU模塊參數中設定。
（6）確定各部分狀態的先后次序及連鎖關系，使各動作間嚴格確保相互約束和定時關系，以提高程序的可靠性。
（7）靈活運用各邏輯指令，完成各部分功能的同時力求程序簡潔。
5 結束語
高速公路的隧道監控工程是一個系統工程，構成復雜、數據采集量大，控制站點多，設備分布分散，而且隧道環境惡劣，系統可靠性要求高。既需要從車輛檢測器以串行通訊方式獲取大量交通數據，同時也需要以串行通訊方式向可變情報板發送大量信息，另外還要完成對風速、VICO、照度的模擬量的采集以及照明回路、車道燈等開關量信號的檢測與連鎖控制。通過采用PLC可編程序控制器，實現了所有數據采集發布以及控制功能，并提供優良的網絡傳輸性能，整個系統性能優良。