摘要：從優(yōu)化公路隧道測(cè)控系統(tǒng)的目標(biāo)出發(fā)，針對(duì)公路隧道的特殊環(huán)境，結(jié)合公路隧道機(jī)電設(shè)施多而分散的特征，充分利用PLC抗干擾性好，機(jī)電一體化程度高，通信和網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，將PLC作為現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域控制器，論述了Controller Link網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)、硬件配置原則、通信設(shè)置及實(shí)現(xiàn)方法，搭建了以光纖作為傳輸介質(zhì)的PLC冗余環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳遞容量大、通信速率快、傳輸距離遠(yuǎn)、可靠性高的測(cè)控系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)控制；隧道測(cè)控；PLC；網(wǎng)絡(luò)；通信 引言 隧道是公路中的一個(gè)特殊路段，其管狀的構(gòu)造和封閉的環(huán)境容易誘發(fā)諸如追尾、擁堵、火災(zāi)等事故的發(fā)生，為保證車輛在隧道中能夠安全行駛，營造舒適的行車環(huán)境，在隧道中安裝了通風(fēng)、照明、監(jiān)控、消防等交通工程設(shè)施，這些設(shè)施相對(duì)均勻的分布在隧道當(dāng)中，為實(shí)施對(duì)這些設(shè)施的控制，并將布設(shè)在隧道內(nèi)的各種檢測(cè)裝置所采集的交通流參數(shù)值、車輛運(yùn)行的環(huán)境指標(biāo)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀況等信息能夠準(zhǔn)確、及時(shí)的傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，則需要建立一套快速、安全、可靠的隧道測(cè)控系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，PLC的性能和功能得到了很大的改善和提高，特別是PLC的高可靠性、高抗干擾能力及高機(jī)電一體化的特點(diǎn)，使得PLC更適應(yīng)在公路隧道這樣的特殊環(huán)境中應(yīng)用，加上其通信和網(wǎng)絡(luò)功能大大增強(qiáng)，可以方便的實(shí)現(xiàn)PLC與計(jì)算機(jī)、PLC與PLC、PLC與其它現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的鏈接。此外，PLC系統(tǒng)可極大的節(jié)省配線，方便安裝，簡(jiǎn)化系統(tǒng)維護(hù)。因此基于PLC網(wǎng)絡(luò)的隧道測(cè)控系統(tǒng)正在得到廣泛的推崇和應(yīng)用。 1、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 1.1 系統(tǒng)方案 隧道測(cè)控系統(tǒng)上位管理計(jì)算機(jī)較多，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用二層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，第一層為管理層（即信息層），采用Ethernet局域網(wǎng)，承擔(dān)管理、決策和控制任務(wù)；第二層為控制層，采用PLC的光纖環(huán)型網(wǎng)絡(luò)（Controller Link），實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備的控制。現(xiàn)場(chǎng)PLC網(wǎng)絡(luò)由主PLC通過以太網(wǎng)模塊與局域網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信。這種控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了區(qū)域控制器的現(xiàn)場(chǎng)控制，并且信號(hào)傳輸實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化，從底層到頂層均采用通信網(wǎng)絡(luò)連接；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用全分散化，由現(xiàn)場(chǎng)的控制器直接控制設(shè)備；上層通信網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)通信，可方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了FCS控制控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)環(huán)型網(wǎng)絡(luò)上的僅有一點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，數(shù)據(jù)可正常傳輸，系統(tǒng)可正常工作，當(dāng)有多點(diǎn)故障時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)PLC可獨(dú)立工作，等待系統(tǒng)恢復(fù)正常后再接受指令，交換數(shù)據(jù)，大大增強(qiáng)了控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。 1.2 Controller Link網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn) Controller Link網(wǎng)絡(luò)即控制器網(wǎng)絡(luò)，是FA領(lǐng)域用于在PLC之間、計(jì)算機(jī)和PLC之間進(jìn)行大容量數(shù)據(jù)交換的網(wǎng)絡(luò)。計(jì)算機(jī)可通過Controller Link支持軟件對(duì)網(wǎng)絡(luò)上的PLC進(jìn)行監(jiān)控，用于個(gè)人計(jì)算機(jī)的CLK支持卡有兩種：一種是線纜型的3G8F5-CLK21-E，另一種是光纜型的3G8F5-CLK11-E。Controller Link網(wǎng)絡(luò)支持?jǐn)?shù)據(jù)鏈接、數(shù)據(jù)共享和信息通信，數(shù)據(jù)鏈接區(qū)域可自由設(shè)定構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)鏈接系統(tǒng)。 （1）通信介質(zhì)可采用雙絞線或光纜 線纜型的Controller Link網(wǎng)采用雙絞線連接，雙絞線比同軸電纜或光纜容易處理和維護(hù)，減少連網(wǎng)費(fèi)用。通信距離可達(dá)1km。 光纜型的Controller Link網(wǎng)采用光纖連接，能夠獲得更多大容量的數(shù)據(jù)鏈接和更長距離的通信，它的通信距離可達(dá)20km。 （2）高速度的數(shù)據(jù)通信 控制器網(wǎng)絡(luò)的通信波特率可達(dá)2Mbps，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于PC Link網(wǎng)的128Kbps。 （3）大容量的數(shù)據(jù)鏈接 每臺(tái)PLC發(fā)送字?jǐn)?shù)可達(dá)1K，發(fā)送和接收總字節(jié)數(shù)可達(dá)8K。數(shù)據(jù)鏈接可以自動(dòng)設(shè)置，也可以根據(jù)實(shí)際需要人工設(shè)置，非常靈活。 （4）信息通信 信息通信是在用戶程序中執(zhí)行通信指令SEND、RECV、CMND來實(shí)現(xiàn)的。通過執(zhí)行通信指令可很方便的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。 （5）靈活的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián) Controller Link網(wǎng)絡(luò)可以配置成單級(jí)，即所有的PLC僅安裝一個(gè)CLK單元，并由線纜連接起來，單級(jí)的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)為32。若有一臺(tái)PLC安裝2個(gè)或2個(gè)以上的CLK單元，分別與其它PLC的CLK單元連接成各自的子網(wǎng)，則形成多級(jí)系統(tǒng)。一臺(tái)PLC可同時(shí)安裝Controller Link單元和Ethernet單元，使用通信命令可實(shí)現(xiàn)三級(jí)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的無縫通信。 （6）改進(jìn)的錯(cuò)誤處理 由于出錯(cuò)記錄中有錯(cuò)誤發(fā)生的時(shí)間和細(xì)節(jié)，使得快速處理錯(cuò)誤成為可能。當(dāng)令牌節(jié)點(diǎn)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)變成令牌節(jié)點(diǎn)，防止了網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)節(jié)點(diǎn)出錯(cuò)影響其它節(jié)點(diǎn)，保證了系統(tǒng)的可靠性。 1.3硬件配置 正確選擇PLC對(duì)于保證整個(gè)控制系統(tǒng)的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)起著重要作用。選擇PLC，包括機(jī)型的選擇、容量的選擇、I/O模塊的選擇、電源的選擇等。 為保證PLC與上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)通信的穩(wěn)定性，中央控制室設(shè)置一臺(tái)CS1D系列PLC控制器用于與以上所述的區(qū)域控制器相連，用來接收信息和發(fā)布中央控制室命令。CS1D系列PLC采用更快速度的CPU并可通過兩個(gè)以太網(wǎng)模塊CS1W－ETN21D與上位機(jī)（帶雙以太網(wǎng)卡）相連，大大增強(qiáng)系統(tǒng)通信的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。 由于隧道測(cè)控系統(tǒng)選用的區(qū)域控制器需支持以太網(wǎng)功能、遠(yuǎn)程通信功能，而且控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，區(qū)域控制器要有一定的存儲(chǔ)能力，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)PLC的選擇應(yīng)根據(jù)被控對(duì)象對(duì)控制性能的要求，及PLC的輸入量、輸出量的類型和特點(diǎn)，確定出PLC的型號(hào)和硬件配置。對(duì)于整體式PLC，應(yīng)確定基本單元和擴(kuò)展單元的型號(hào)；對(duì)模塊式PLC應(yīng)確定框架（或底板）的型號(hào)，及所需模塊的型號(hào)和數(shù)量。CS1系列PLC能完成對(duì)隧道現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制，節(jié)省區(qū)域控制箱的空間，減少控制設(shè)備的投資，因此選用CS1系列PLC。 2、通信設(shè)置及實(shí)現(xiàn) 2.1 通信設(shè)置 以薛公嶺隧道為例，系統(tǒng)中設(shè)主控PLC1臺(tái)，現(xiàn)場(chǎng)PLC（區(qū)域控制器）8臺(tái)，2＃、3＃、4＃、6＃、7＃、8＃主要用于隧道交通控制與環(huán)境檢測(cè)，1＃、5＃站主要用于隧道通風(fēng)、照明控制。Controller Link網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)置三步完成： （1） 用GI型光纜將由Controller Link模塊CS1-CLK52-V1組成的網(wǎng)絡(luò)連接起來。 （2） 通過撥動(dòng)CS1-CLK52-V1面板UNIT No和NODE No旋鈕并按照站的編號(hào)設(shè)置相應(yīng)數(shù)值的節(jié)點(diǎn)號(hào)，單元號(hào)。通過C-NET軟件給每個(gè)站以以太網(wǎng)為2號(hào)網(wǎng)絡(luò)、Controller Link 網(wǎng)絡(luò)為1號(hào)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建路由表并將路由表內(nèi)容下傳給對(duì)應(yīng)的控制站。 （3） 數(shù)據(jù)鏈接表設(shè)置。數(shù)據(jù)鏈接表的設(shè)定有兩種方式：自動(dòng)方式和手動(dòng)方式。設(shè)置方式選擇可使用手握編程器或CX-P軟件在啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)PLC的CPU單元DM區(qū)設(shè)置。 ①自動(dòng)方式設(shè)定時(shí)可以用來建立簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)鏈接，所有的接收節(jié)點(diǎn)共享發(fā)送節(jié)點(diǎn)相同的數(shù)據(jù)。第1區(qū)從區(qū)位IR、CIO和LR中選擇，第2區(qū)從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)DM和EM中選擇。每個(gè)節(jié)點(diǎn)不允許只接收或只發(fā)送數(shù)據(jù)的一部分，所有節(jié)點(diǎn)都可以被指定為加入或不加入數(shù)據(jù)鏈接。 ②手動(dòng)設(shè)置數(shù)據(jù)鏈接區(qū)分幾種情況，其中：（a）發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)的次序是自由的；（b）一些節(jié)點(diǎn)可以只發(fā)送而不接收數(shù)據(jù)；（c）一些節(jié)點(diǎn)可以只接收而不發(fā)送數(shù)據(jù)；（d）一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以只接收從區(qū)域起點(diǎn)開始指定數(shù)量的字；（e）一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以只接收從指定字位置開始的指定字?jǐn)?shù)的數(shù)據(jù)，開始字被設(shè)置成一個(gè)從發(fā)送數(shù)據(jù)起始處開始的偏移量。由于高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)中區(qū)域控制器之間全部需要通信，因此本文在設(shè)置數(shù)據(jù)鏈接表時(shí)接收節(jié)點(diǎn)共享發(fā)送節(jié)點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)次序采用自由格式，每臺(tái)區(qū)域控制器設(shè)置鏈接區(qū)域大小為800字，發(fā)送均從D1000開始。 2.2 通信實(shí)現(xiàn) （1）啟動(dòng)數(shù)據(jù)鏈接表實(shí)現(xiàn)PLC之間通信 通過啟動(dòng)數(shù)據(jù)鏈接表可實(shí)現(xiàn)上述設(shè)定數(shù)據(jù)鏈接表鏈接區(qū)的數(shù)據(jù)共享，達(dá)到通信的目的。這種方式實(shí)現(xiàn)起來簡(jiǎn)單、方便，但不靈活，PLC不能實(shí)現(xiàn)其它內(nèi)存區(qū)的數(shù)據(jù)共享。起、停數(shù)據(jù)鏈接表有三種方式： ①使用編程設(shè)備或用戶程序 CS1系列PLC的啟動(dòng)位是啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)字DM30000×CLK單元號(hào)中的第0位。設(shè)置啟動(dòng)位從OFF變?yōu)镺N或當(dāng)接通電源時(shí)已為ON時(shí)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)鏈接，啟動(dòng)位從ON變?yōu)镺FF時(shí)停止數(shù)據(jù)鏈接。 ②使用Controller Link支持軟件 在上位機(jī)或上位機(jī)節(jié)點(diǎn)上，使用Controller Link支持軟件向數(shù)據(jù)鏈接中的節(jié)點(diǎn)發(fā)出啟動(dòng)/停止數(shù)據(jù)鏈接命令。 ③使用FINS命令 使用網(wǎng)絡(luò)通信指令CMND從一個(gè)Controller Link節(jié)點(diǎn)（PLC或計(jì)算機(jī)）向一個(gè)數(shù)據(jù)鏈接中的節(jié)點(diǎn)發(fā)送RUN（“0401”）/STOP（“0402”）指令來啟動(dòng)/停止數(shù)據(jù)鏈接。 （2）網(wǎng)絡(luò)指令通信 在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)通過發(fā)送網(wǎng)絡(luò)指令SEND、RECV和CMND可實(shí)現(xiàn)FINS通信。這種通信方式靈活，可對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)PLC進(jìn)行任何操作。發(fā)送網(wǎng)絡(luò)指令是先將需發(fā)送的命令數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到給定的內(nèi)存區(qū)，確定連接的本地內(nèi)存地址和目標(biāo)站內(nèi)存地址，通過網(wǎng)絡(luò)指令就可實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程站通信。 （3）操作過程 基于PLC網(wǎng)絡(luò)的隧道測(cè)控系統(tǒng)的操作步驟是區(qū)域控制器首先根據(jù)控制器狀態(tài)、內(nèi)存區(qū)狀態(tài)、端口狀態(tài)診斷控制器是否在正常狀態(tài)下工作。其次，區(qū)域控制器采集本地控制的輸入設(shè)備的輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理后并將結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)鏈接共享區(qū)，同時(shí)讀取其它控制器共享到數(shù)據(jù)鏈接區(qū)的數(shù)據(jù)，通過對(duì)所有的采集數(shù)據(jù)來判斷整個(gè)隧道的狀態(tài)，并按照判斷結(jié)果質(zhì)詢上位機(jī)是否執(zhí)行相應(yīng)程序，得到確認(rèn)后，現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域控制器立即執(zhí)行相應(yīng)的程序。若區(qū)域控制器長時(shí)間沒有得到上位機(jī)命令，根據(jù)具體情況按照規(guī)定的預(yù)案進(jìn)行控制。根據(jù)預(yù)案程序的運(yùn)行改變現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制狀態(tài)，并按照控制狀態(tài)對(duì)應(yīng)邏輯真值表輸出到顯示設(shè)備中，PLC執(zhí)行完外部響應(yīng)和控制程序，I/O刷新則將結(jié)果輸出到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中。 3、結(jié)語 以PLC作為本地控制器，用PLC網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)隧道測(cè)控，集數(shù)據(jù)采集控制于一體，避免了錯(cuò)綜復(fù)雜的布線，減少了出錯(cuò)的概率。從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和安全性。 本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于，將PLC及其網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于公路隧道測(cè)控系統(tǒng)，一方面使PLC抗干擾性好，機(jī)電一體化程度高，通信和網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大等特點(diǎn)得到了充分的利用，拓寬了PLC的應(yīng)用領(lǐng)域；另一方滿足了隧道內(nèi)溫度、濕度、噪音、灰塵、振動(dòng)、汽車點(diǎn)火高頻干擾等惡劣環(huán)境的要求，確保了測(cè)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。