摘 要:從優(yōu)化公路隧道測控系統(tǒng)的目標(biāo)出發(fā),針對公路隧道的特殊環(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)、可靠性高的測控系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞:計算機(jī)控制; 隧道測控; PLC; 網(wǎng)絡(luò); 通信
0 引言
隧道是公路中的一個特殊路段,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)施相對均勻的分布在隧道當(dāng)中,為實施對這些設(shè)施的控制,并將布設(shè)在隧道內(nèi)的各種檢測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)場設(shè)備的運(yùn)行狀況等信息能夠準(zhǔn)確、及時的傳輸?shù)奖O(jiān)控中心,則需要建立一套快速、安全、可靠的隧道測控系統(tǒng)。隨著計算機(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),可以方便的實現(xiàn)PLC與計算機(jī)、PLC與PLC、PLC與其它現(xiàn)場設(shè)備的鏈接。此外,PLC系統(tǒng)可極大的節(jié)省配線,方便安裝,簡化系統(tǒng)維護(hù)。因此基于PLC網(wǎng)絡(luò)的隧道測控系統(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
隧道測控系統(tǒng)上位管理計算機(jī)較多,整個網(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),實施現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備的控制。現(xiàn)場PLC網(wǎng)絡(luò)由主PLC通過以太網(wǎng)模塊與局域網(wǎng)連接,實現(xiàn)以太網(wǎng)通信。這種控制系統(tǒng)實現(xiàn)了區(qū)域控制器的現(xiàn)場控制,并且信號傳輸實現(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,當(dāng)環(huán)型網(wǎng)絡(luò)上的僅有一點(diǎn)發(fā)生故障時,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,現(xiàn)場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)。計算機(jī)可通過Controller Link支持軟件對網(wǎng)絡(luò)上的PLC進(jìn)行監(jiān)控,用于個人計算機(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)成一個數(shù)據(jù)鏈接系統(tǒng)。
?。?)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。
?。?)大容量的數(shù)據(jù)鏈接
每臺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)鏈接可以自動設(shè)置,也可以根據(jù)實際需要人工設(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來實現(xiàn)的。通過執(zhí)行通信指令可很方便的實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。
?。?)靈活的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)
Controller Link網(wǎng)絡(luò)可以配置成單級,即所有的PLC僅安裝一個CLK單元,并由線纜連接起來,單級的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)為32。若有一臺PLC安裝2個或2個以上的CLK單元,分別與其它PLC的CLK單元連接成各自的子網(wǎng),則形成多級系統(tǒng)。一臺PLC可同時安裝Controller Link單元和Ethernet單元,使用通信命令可實現(xiàn)三級網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的無縫通信。
?。?)改進(jìn)的錯誤處理
由于出錯記錄中有錯誤發(fā)生的時間和細(xì)節(jié),使得快速處理錯誤成為可能。當(dāng)令牌節(jié)點(diǎn)發(fā)生錯誤時,另一個節(jié)點(diǎn)會自動變成令牌節(jié)點(diǎn),防止了網(wǎng)絡(luò)中一個節(jié)點(diǎn)出錯影響其它節(jié)點(diǎn),保證了系統(tǒng)的可靠性。
1.3硬件配置
正確選擇PLC對于保證整個控制系統(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)控計算機(jī)通信的穩(wěn)定性,中央控制室設(shè)置一臺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)通信的實時性和穩(wěn)定性。
由于隧道測控系統(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能力,對于現(xiàn)場PLC的選擇應(yīng)根據(jù)被控對象對控制性能的要求,及PLC的輸入量、輸出量的類型和特點(diǎn),確定出PLC的型號和硬件配置。對于整體式PLC,應(yīng)確定基本單元和擴(kuò)展單元的型號;對模塊式PLC應(yīng)確定框架(或底板)的型號,及所需模塊的型號和數(shù)量。CS1系列PLC能完成對隧道現(xiàn)場設(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,現(xiàn)場PLC(區(qū)域控制器)8臺,2#、3#、4#、6#、7#、8#主要用于隧道交通控制與環(huán)境檢測,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CS1-CLK52-V1面板UNIT No和NODE No旋鈕并按照站的編號設(shè)置相應(yīng)數(shù)值的節(jié)點(diǎn)號,單元號。通過C-NET軟件給每個站以以太網(wǎng)為2號網(wǎng)絡(luò)、Controller Link 網(wǎng)絡(luò)為1號網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建路由表并將路由表內(nèi)容下傳給對應(yīng)的控制站。
?。?) 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:自動方式和手動方式。設(shè)置方式選擇可使用手握編程器或CX-P軟件在啟動節(jié)點(diǎn)PLC的CPU單元DM區(qū)設(shè)置。
?、僮詣臃绞皆O(shè)定時可以用來建立簡單的數(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)存儲區(qū)DM和EM中選擇。每個節(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。
?、谑謩釉O(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 通信實現(xiàn)
(1)啟動數(shù)據(jù)鏈接表實現(xiàn)PLC之間通信
通過啟動數(shù)據(jù)鏈接表可實現(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。這種方式實現(xiàn)起來簡單、方便,但不靈活,PLC不能實現(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:
?、偈褂镁幊淘O(shè)備或用戶程序
CS1系列PLC的啟動位是啟動節(jié)點(diǎn)字DM30000×CLK單元號中的第0位。設(shè)置啟動位從OFF變?yōu)镺N或當(dāng)接通電源時已為ON時,啟動數(shù)據(jù)鏈接,啟動位從ON變?yōu)镺FF時停止數(shù)據(jù)鏈接。
?、谑褂肅ontroller 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/停止數(shù)據(jù)鏈接命令。
?、凼褂肍INS命令
使用網(wǎng)絡(luò)通信指令CMND從一個Controller Link節(jié)點(diǎn)(PLC或計算機(jī))向一個數(shù)據(jù)鏈接中的節(jié)點(diǎn)發(fā)送RUN(“0401”)/STOP(“0402”)指令來啟動/停止數(shù)據(jù)鏈接。
?。?)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可實現(xiàn)FINS通信。這種通信方式靈活,可對目標(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)指令就可實現(xiàn)對遠(yuǎn)程站通信。
?。?)操作過程
基于PLC網(wǎng)絡(luò)的隧道測控系統(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),通過對所有的采集數(shù)據(jù)來判斷整個隧道的狀態(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)場設(shè)備的控制狀態(tài),并按照控制狀態(tài)對應(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)場設(shè)備中。
3 結(jié)語
以PLC作為本地控制器,用PLC網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)隧道測控,集數(shù)據(jù)采集控制于一體,避免了錯綜復(fù)雜的布線,減少了出錯的概率。從而提高了整個系統(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、汽車點(diǎn)火高頻干擾等惡劣環(huán)境的要求,確保了測控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
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