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基于PLC网络的公路隧道测控系统的实现 |
| 摘 要：从优化公路隧道测控系统的目标出发，针对公路隧道的特殊环境，结合公路隧道机电设施多而分散的特征，充分利用PLC抗干扰性好，机电一体化程度高，通信和网络功能强大的特点，将PLC作为现场区域控制器，论述了Controller Link网络的特点、硬件配置原则、通信设置及实现方法，搭建了以光纤作为传输介质的PLC冗余环网，实现了数据传递容量大、通信速率快、传输距离远、可靠性高的测控系统。 关键词：计算机控制; 隧道测控; PLC; 网络; 通信 0 引言 隧道是公路中的一个特殊路段，其管状的构造和封闭的环境容易诱发诸如追尾、拥堵、火灾等事故的发生，为保证车辆在隧道中能够安全行驶，营造舒适的行车环境，在隧道中安装了通风、照明、监控、消防等交通工程设施，这些设施相对均匀的分布在隧道当中，为实施对这些设施的控制，并将布设在隧道内的各种检测装置所采集的交通流参数值、车辆运行的环境指标和现场设备的运行状况等信息能够准确、及时的传输到监控中心，则需要建立一套快速、安全、可靠的隧道测控系统。随着计算机技术的发展，PLC的性能和功能得到了很大的改善和提高，特别是PLC的高可靠性、高抗干扰能力及高机电一体化的特点，使得PLC更适应在公路隧道这样的特殊环境中应用，加上其通信和网络功能大大增强，可以方便的实现PLC与计算机、PLC与PLC、PLC与其它现场设备的链接。此外，PLC系统可极大的节省配线，方便安装，简化系统维护。因此基于PLC网络的隧道测控系统正在得到广泛的推崇和应用。 1 网络结构 1.1 系统方案 隧道测控系统上位管理计算机较多，整个网络采用二层网络结构，第一层为管理层（即信息层），采用Ethernet局域网，承担管理、决策和控制任务;第二层为控制层，采用PLC的光纤环型网络（Controller Link），实施现场数据采集、数据传输和设备的控制。现场PLC网络由主PLC通过以太网模块与局域网连接，实现以太网通信。这种控制系统实现了区域控制器的现场控制，并且信号传输实现了全数字化，从底层到顶层均采用通信网络连接;系统结构采用全分散化，由现场的控制器直接控制设备;上层通信网络采用以太网通信，可方便地实现数据共享。此网络结构体现了FCS控制控制系统的优势，当环型网络上的仅有一点发生故障时，数据可正常传输，系统可正常工作，当有多点故障时，现场PLC可独立工作，等待系统恢复正常后再接受指令，交换数据，大大增强了控制系统运行的可靠性。系统构成如图1所示。  1.2 Controller Link网络特点 Controller Link网络即控制器网络，是FA领域用于在PLC之间、计算机和PLC之间进行大容量数据交换的网络。计算机可通过Controller Link支持软件对网络上的PLC进行监控，用于个人计算机的CLK支持卡有两种：一种是线缆型的3G8F5-CLK21-E，另一种是光缆型的3G8F5-CLK11-E。Controller Link网络支持数据链接、数据共享和信息通信，数据链接区域可自由设定构成一个数据链接系统。 （1）通信介质可采用双绞线或光缆 线缆型的Controller Link网采用双绞线连接，双绞线比同轴电缆或光缆容易处理和维护，减少连网费用。通信距离可达1km。 光缆型的Controller Link网采用光纤连接，能够获得更多大容量的数据链接和更长距离的通信，它的通信距离可达20km。 （2）高速度的数据通信 控制器网络的通信波特率可达2Mbps，远远高于PC Link网的128Kbps。 （3）大容量的数据链接 每台PLC发送字数可达1K，发送和接收总字节数可达8K。数据链接可以自动设置，也可以根据实际需要人工设置，非常灵活。 （4）信息通信 信息通信是在用户程序中执行通信指令SEND、RECV、CMND来实现的。通过执行通信指令可很方便的实现网络通信。 （5）灵活的网络互联 Controller Link网络可以配置成单级，即所有的PLC仅安装一个CLK单元，并由线缆连接起来，单级的最大节点数为32。若有一台PLC安装2个或2个以上的CLK单元，分别与其它PLC的CLK单元连接成各自的子网，则形成多级系统。一台PLC可同时安装Controller Link单元和Ethernet单元，使用通信命令可实现三级网络内的无缝通信。 （6）改进的错误处理 由于出错记录中有错误发生的时间和细节，使得快速处理错误成为可能。当令牌节点发生错误时，另一个节点会自动变成令牌节点，防止了网络中一个节点出错影响其它节点，保证了系统的可靠性。 1.3硬件配置 正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术与经济性能指标起着重要作用。选择PLC，包括机型的选择、容量的选择、I/O模块的选择、电源的选择等。 为保证PLC与上位监控计算机通信的稳定性，中央控制室设置一台CS1D系列PLC控制器用于与以上所述的区域控制器相连，用来接收信息和发布中央控制室命令。CS1D系列PLC采用更快速度的CPU并可通过两个以太网模块CS1W-ETN21D与上位机（带双以太网卡）相连，大大增强系统通信的实时性和稳定性。 由于隧道测控系统选用的区域控制器需支持以太网功能、远程通信功能，而且控制系统稳定可靠，区域控制器要有一定的存储能力，对于现场PLC的选择应根据被控对象对控制性能的要求，及PLC的输入量、输出量的类型和特点，确定出PLC的型号和硬件配置。对于整体式PLC，应确定基本单元和扩展单元的型号;对模块式PLC应确定框架（或底板）的型号，及所需模块的型号和数量。CS1系列PLC能完成对隧道现场设备的控制，节省区域控制箱的空间，减少控制设备的投资，因此选用CS1系列PLC。 2 通信设置及实现 2.1 通信设置 以薛公岭隧道为例，系统中设主控PLC1台，现场PLC（区域控制器）8台，2#、3#、4#、6#、7#、8#主要用于隧道交通控制与环境检测，1#、5#站主要用于隧道通风、照明控制。Controller Link网络通信设置三步完成： （1） 用GI型光缆将由Controller Link模块CS1-CLK52-V1组成的网络连接起来。 （2） 通过拨动CS1-CLK52-V1面板UNIT No和NODE No旋钮并按照站的编号设置相应数值的节点号，单元号。通过C-NET软件给每个站以以太网为2号网络、Controller Link 网络为1号网络创建路由表并将路由表内容下传给对应的控制站。 （3） 数据链接表设置。数据链接表的设定有两种方式：自动方式和手动方式。设置方式选择可使用手握编程器或CX-P软件在启动节点PLC的CPU单元DM区设置。 ①自动方式设定时可以用来建立简单的数据链接，所有的接收节点共享发送节点相同的数据。第1区从区位IR、CIO和LR中选择，第2区从数据存储区DM和EM中选择。每个节点不允许只接收或只发送数据的一部分，所有节点都可以被指定为加入或不加入数据链接。 ②手动设置数据链接区分几种情况，其中：（a）发送和接收节点的次序是自由的;（b）一些节点可以只发送而不接收数据;（c）一些节点可以只接收而不发送数据;（d）一个节点可以只接收从区域起点开始指定数量的字;（e）一个节点可以只接收从指定字位置开始的指定字数的数据，开始字被设置成一个从发送数据起始处开始的偏移量。由于高速公路隧道监控系统中区域控制器之间全部需要通信，因此本文在设置数据链接表时接收节点共享发送节点的所有数据，发送节点和接收节点次序采用自由格式，每台区域控制器设置链接区域大小为800字，发送均从D1000开始。 2.2 通信实现 （1）启动数据链接表实现PLC之间通信 通过启动数据链接表可实现上述设定数据链接表链接区的数据共享，达到通信的目的。这种方式实现起来简单、方便，但不灵活，PLC不能实现其它内存区的数据共享。起、停数据链接表有三种方式： ①使用编程设备或用户程序 CS1系列PLC的启动位是启动节点字DM30000×CLK单元号中的第0位。设置启动位从OFF变为ON或当接通电源时已为ON时，启动数据链接，启动位从ON变为OFF时停止数据链接。 ②使用Controller Link支持软件 在上位机或上位机节点上，使用Controller Link支持软件向数据链接中的节点发出启动/停止数据链接命令。 ③使用FINS命令 使用网络通信指令CMND从一个Controller Link节点（PLC或计算机）向一个数据链接中的节点发送RUN（“0401”）/STOP（“0402”）指令来启动/停止数据链接。 （2）网络指令通信 在网络内通过发送网络指令SEND、RECV和CMND可实现FINS通信。这种通信方式灵活，可对目标节点PLC进行任何操作。发送网络指令是先将需发送的命令数据存储到给定的内存区，确定连接的本地内存地址和目标站内存地址，通过网络指令就可实现对远程站通信。 （3）操作过程 基于PLC网络的隧道测控系统的操作步骤是区域控制器首先根据控制器状态、内存区状态、端口状态诊断控制器是否在正常状态下工作。其次，区域控制器采集本地控制的输入设备的输入数据，进行处理后并将结果数据发送到数据链接共享区，同时读取其它控制器共享到数据链接区的数据，通过对所有的采集数据来判断整个隧道的状态，并按照判断结果质询上位机是否执行相应程序，得到确认后，现场区域控制器立即执行相应的程序。若区域控制器长时间没有得到上位机命令，根据具体情况按照规定的预案进行控制。根据预案程序的运行改变现场设备的控制状态，并按照控制状态对应逻辑真值表输出到显示设备中，PLC执行完外部响应和控制程序，I/O刷新则将结果输出到现场设备中。 3 结语 以PLC作为本地控制器，用PLC网络实现隧道测控，集数据采集控制于一体，避免了错综复杂的布线，减少了出错的概率。从而提高了整个系统的可靠性和安全性。 本文的创新点在于，将PLC及其网络应用于公路隧道测控系统，一方面使PLC抗干扰性好，机电一体化程度高，通信和网络功能强大等特点得到了充分的利用，拓宽了PLC的应用领域;另一方满足了隧道内温度、湿度、噪音、灰尘、振动、汽车点火高频干扰等恶劣环境的要求，确保了测控系统的稳定性和可靠性。 |