1 引言
随着我国经济的高速发展，通畅高效的交通系统成为经济进一步发展的基本需求，从而高速公路亦得以蓬勃发展。作为高速公路路段中相对事故率较高的隧道区域，为保证行车安全，提高行车效率，通常在长隧道或特长隧道内设置隧道监控系统，集中监控隧道内通风、照明以及行车情况，在必要时候发布诱导和指导性信息。而隧道内通风、照明、以及交通诱导设备均分散于整个隧道区域，因此集成隧道内各要素信息，方便隧道监控人员的集中监控与管理，成为隧道监控系统设置的主要目的。
2 隧道监控系统的主要内容和控制要求
保证隧道行车的通畅、安全，根本上说就是要求保证一个良好的行车环境，以及必要时候能够对通行的车辆做出合理的诱导。故通常在长隧道或特长隧道内设置一定保证环境和便于交通诱导的机电设施，按功能划分可分为交通检测与诱导设施、通风检测与控制设施和照明检测与控制设施，相应为控制这些设施，使其服务于隧道行车，分别设置交通检测控制系统，通风检测控制系统，和照明检测控制系统。
2.1 交通检测控制系统
交通导控制系统主要作用在于控制交通诱导设施，如车道指示器，交通信号灯，可变情报板，可变限速标志等，用来诱导隧道内车辆行驶在单一车道上，通过可变情报板上面发布相关行车信息，通过可变限速标志设定隧道车辆的通行速度，并在必要时候（如，隧道内塞车、能见度值过低、一氧化碳含量太高等等）封闭隧道。车道指示器、交通信号灯显示信息通过PLC程序控制输出继电器来控制，可变情报板和可变限速标志的显示值通过PLC的串行通讯接口输出来控制改变。此外，对于隧道内设置的车辆通行情况检测器（即车辆监测器，可以检测车速，车流量，车道占有率等等参数）检测的隧道车辆通行数据，同样由PLC扩展串行通讯接口编程获取，存于PLC内存储器中。
2.2 通风检测控制系统
为监控隧道内行车环境，隧道内设置有风速仪、一氧化碳和能见度检测仪。通风控制系统即在实时检测这些环境参数的基础上，控制隧道内风机的开启，以使各项空气指标符合安全行车标准，达到既保障安全行车、同时节约能源的目的。各空气指标数据由PLC模拟量输入模块采集，风机的启停通过PLC的开关量输出模块程序控制中间继电器实现控制。
2.3 照明检测控制系统
照明检测控制系统的目标是在不断监测隧道洞外、隧道洞内光照度的前提下，调节隧道进出洞口加强段等照明回路，达到合适的隧道内光照度。避免使车辆驾驶员白天进入隧道和夜间离开隧道产生“黑洞效应”；避免使车辆驾驶员白天离开隧道和夜间进入隧道产生“眩光效应”（或称“白洞效应”），让驾驶员轻松适应进出隧道的光照度变化，减少交通事故，同时考虑节约能源。光照度等参数的采集由PLC模拟量输入模块完成，照明回路的控制则由PLC程序控制输出继电器来实现。
3 系统构成
高速公路隧道区域作为一个相对封闭区域，通风不畅，汽车尾气沉积，油污污染，高低压线缆布线的空间限制导致电磁干扰等等因素，使其成为一个非常恶劣的电气环境，对应用的电气设备的适应性提出很高的要求；而且隧道距离长，设备布设分散，也为监控系统的构建造成一定难度。
SIEMENS S7-300是模块化的中小型PLC系统，其大范围的各种功能模块可以非常好的满足和适应自动控制任务，简单实用的模块化和分散式结构使得其应用十分灵活，当控制任务增加时，可自由扩展。高电磁兼容性和强抗振动、抗冲击性使得其具有很高的工业环境适应性。并且基于以SIEMENS公司为主开发的PROFIBUS现场总线标准，S7-300 PLC还具有组网便捷的优势。易于实现分布，易于用户掌握，易于组建分布式现场网络等特点使得S7-300成为各种中小规模控制任务的方便又经济的解决方案。
鉴于以上原因，S7-300系列大量应用于隧道监控系统中，作为监控系统现场区域控制机的核心部件。
3.1 PLC配置设计
根据隧道长度，设备分布情况，以长1000米、2个行车道的隧道为例，隧道内每间隔250米设车道指示器（正反面各有红叉绿箭头）2套（2车道），隧道进洞口各设可变情报板、可变限速标志和交通信号灯各1套，每个隧道洞内设一氧化碳和能见度检测仪（VICO），光照度仪（LO），风速仪（TW）各2套，车辆检测器各4套，通风风机4组（1组为2台风机）。另外隧道供配电系统为隧道两头设变电所，从两端分别对隧道供电，故照明回路的电力供应分别从两端变电所供出，在两个变电所内分别设照明区域控制机1套，控制照明回路数为19路。据此统计隧道进口端的区域控制机（简称RTU1/RUT4）的配置（略）；隧道出口端的区域控制机（简称RTU2/RUT5）的配置点数（略）；变电所内的照明区域控制机（简称RTU3/RUT6）的配置点数（略）。
考虑系统的完整性、可操作性及点数冗余量，各区域控制机PLC系统硬件配置如图1、2、3所示。
图1 RTU1/RTU4硬件系统构成图
图2 RTU2/RTU5硬件系统构成图
图3 RTU3/RTU6硬件系统构成图
[NextPage]
3.2 系统网络配置设计
PROFIBUS是国际性的开放式的现场总线标准，即EN50 170欧洲标准；且现已成为IEEE国际标准和中国国家GB标准，具有传输速率高、传输距离远、可靠性高、响应速度快的优点。鉴于隧道电磁环境的现状，系统采用抗干扰能力强、传输距离大的光纤接口PROFIBUS网络。即每个区域控制器上设置PROFIBUS现场总线光缆OLM模块构筑整个系统的冗余环形光缆总线，为现场区域控制机之间，以及区域控制机与上位控制管理系统之间构筑了一个高可靠性的数据高速公路，即使在火灾、灾难、鼠害等极端情况下，也可保证整个系统的完整性和可靠性。PROFIBUS光纤冗余网络结构见示意图4所示。
图4 PROFIBUS冗余环形光纤总线
4 程序设计
4.1 设计思路
本程序采用SIEMENS STEP 7作为编程软件。根据各区域控制机所连接设备以及相应设备的工作方式特点，采用模块化编程的程序设计方法。各区域控制机内PLC程序框架如图5所示。设计过程如下：
图5 程序框架图
[NextPage]
（1）首先将项目划分为若干子任务。每一个子任务在程序中对应一个功能块（FB）或功能（FC）。功能块含有某个系统的一些设备和任务的逻辑指令，相当于一个子程序。由组织块（OB1）中的指令控制这些功能快的执行。
（2）规范并设定各输入/输出量，确定其类型和地址。为方便程序的编写和调试，增加程序的可读性。这里使用符号地址编程，即在程序中以符号名识别专门的绝对地址。程序中所有的变量、块和数据类型等都可以使用符号。符号名可以是不超过24个字符的字串，可以有80个字符的符号说明。其中输入/输出地址均采用符号地址，而其他地址则视情况选择使用，以避免符号过多。输入/输出符号地址表如表1所示。
表1 建立符号地址表
（3）建立可读/写的全局数据块（DB），用于保存全局使用的数据。其中，DB1用于保存与上位机交互的数据，DB2用于区域控制机之间的交互数据，等等。程序中每一个FC或FB或OB都可以读写一个全局共享数据块DB。
（4）为各程序模块分配中间变量，定时器以及计数器等资源。
（5）根据风机、照明回路、车道指示器等设备的工作方式，确定各输出信号与输入信号的逻辑关系，并转化成梯形图实现。
（6）根据可变情报板、可变限速标志、车辆检测器设备的通讯协议，通过串行通讯模块CP340，采用ASCII通讯方式编写通讯代码，发送符合协议的指令信息帧，查询或发布信息，从设备会传的信息帧中提取有效数据，并定期检查通讯状态。
（7）编写PLC之间的数据交换程序模块，确定需要交互的数据，分配此数据的存储空间，并定期刷新。
（8）编制、调试、连接所要求控制任务的各部分功能（块）。
（9）规划从组织块OB1中调用各部分功能（块）的程序执行功能。
（10）现场安装接线各外部输入/输出点，整定、调试程序，试运行，运行。
4.2 注意事项
（1）在硬件配置中设置CPU参数，主要包括启动特点、性能、循环中断、诊断/时钟、保护等。
（2）通过硬件组态工具设置模拟量模块的参数。本配置中，风速仪、照度仪、VICO检测仪均为4线制4～20mA输入信号，如果系统包括车道指示器的电流变送器，则为2线制4～20mA输入信号。
（3）在硬件配置中设定各区域机中PLC的PROFIBUS地址和MPI地址，确认各站具有唯一的地址。在需要交互数据的站与站之间建立数据连接，并将各站与上位机之间均建立连接，本配置中，站与站之间建立FDL连接（相对快速的连接），站与上位机之间建立S7连接（SIEMENS公司自主PROFIBUS应用层协议，适用于S7 300系列PLC与上位软件之间的信息交换）。
（4）在用户程序使用之前，符号必须在符号表下建立，并且用户程序的符号必须唯一。也就是说，一个符号或地址在符号表中只能出现一次。
（5）除OB1以外操作系统还可以调用其他的组织块以响应某些事件。在本程序中，通过定时循环中断OB35设定每隔5秒采样一次风速、照度、COVI等模拟量数据。OB35根据程序设定的时间间隔反复执行，时间间隔在CPU模块参数中设定。
（6）确定各部分状态的先后次序及连锁关系，使各动作间严格确保相互约束和定时关系，以提高程序的可靠性。
（7）灵活运用各逻辑指令，完成各部分功能的同时力求程序简洁。
5 结束语
高速公路的隧道监控工程是一个系统工程，构成复杂、数据采集量大，控制站点多，设备分布分散，而且隧道环境恶劣，系统可靠性要求高。既需要从车辆检测器以串行通讯方式获取大量交通数据，同时也需要以串行通讯方式向可变情报板发送大量信息，另外还要完成对风速、VICO、照度的模拟量的采集以及照明回路、车道灯等开关量信号的检测与连锁控制。通过采用PLC可编程序控制器，实现了所有数据采集发布以及控制功能，并提供优良的网络传输性能，整个系统性能优良。
