电力隧道环境监控及设备自动化控制系统
系统是基于REAL-TIME电缆综合智能数据管理平台通过电力隧道综合监控主机和现场远程采集、控制单元对隧道内各种环境参量的综合采集和远程控制。
在线监测采集的环境参量包括：
空气含氧量
人体有害气体检测（PPM级微量：一氧化碳、硫化氢）
可燃气体监测（如甲烷等）
烟雾环境监测
水位采集
温湿度采集
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在线监测运行状态远程控制的参量包括：
风机运行状态及风机装置远程控制
水泵运行状态入水泵装置远程控制
照明系统运行状态及照明系统状态远程控制
隧道环境监控系统概述：
高速公路与一般公路相比，具有线型好、交通流量大、行车速度快等特点，高速公路隧道又是高速公路路网的咽喉地段，如不采用的监控管理措施，在交通量大、气候恶劣的情况下，极易发生交通事故和交通堵塞。对于高速公路隧道的监控方案主要考虑到隧道入口、中间段、出口处的实时图像状况、隧道内的车流量和流速检测、通风设备工作状态检测、电力设备参数检测和交通监控、控制诱导等环节。高速公路隧道网络视频监控系统的建立可实施高速公路咽喉地段交通流量金和交通运行监视，对关键路段适时控制，及时发现各种异常情况并采取应急措施，以确保高速公路高速、安全、舒适、经济地运营。在道路视频信息给交通管理部门提供了及时的、关键的、可靠的信息、帮助交管部门做出突发事件应急处理等关键性决策的同时，作为交通决策支持系统的关键信息源——视频信息还必须在各决策部门中共享。
系统的构成及功能：
一、现场控制子系统 该自动化系统采用了上的控制器，系统为模块化结构，所有硬件都是制造厂的标准产品或标准选件。所有模板均通过机构的安全认证，包括：UL、CSA、CE等。
二、闭路电视监视子系统
隧道闭路电视子系统对隧道洞内的交通流量、车流密度及道路使用状况进行监视，可及时地直观得到关于交通阻塞等现场情况和原因的画面，进一步辨认事故、火灾及其严重程度、事故、火灾类型及其原因；并能采集必要的交通数据资料，必要时还能对视频图像进行、打印以便分析及。
三、信息采集系统功能
1、车辆检测器
系统在隧道内车行横洞附近设置视频车辆检测器，通过全光数字远端机传至隧道管理站，然后进入视频车辆检测处理器。视频车辆检测器应可以测定隧道内车流量、车速、占有率等参数；并应提供交通事件检测，交通事件的定义包括所有可能导致隧道正常交通发生混乱的情况如: 车辆停驶、交通拥堵、车辆逆行、行人出现、车辆慢行、车辆违章、物品遗撒、火焰等。
2、光强检测器，用于检测隧道洞内、外光照度，为隧道照明控制提供依据。
3、CO/VI检测器，用于检测隧道洞内的CO浓度、烟雾浓度等环境指标，为隧道通风控制提供依据。
4、风向/风速检测器，用于检测隧道洞内的风向、风速等环境指标，为隧道通风控制提供依据。
四、信息发布子系统
信息发布子系统包括隧道内可变情报板、洞内车道控制标志、电光指示标志、电光诱导标志。
五、隧道紧急电话及广播子系统
当隧道出现紧急情况时，可以通过隧道紧急电话向隧道管理站报警，隧道管理站也可以利用隧道广播系统进行广播，及时疏导交通。
六、火灾报警子系统
1、系统采用光纤光栅火灾自动报警装置，并在隧道消防设备旁同址设置手动报警按钮。
2、火灾报警主机数据采用双通道进行传输，一路通过数据光端机将火灾报警信息上传至隧道管理站监控计算机网络，一路接入隧道本地控制器进行传输。
七、隧道联动控制功能
此系统能够实现对隧道区段各类设备的联动控制，充分发挥隧道区段各类监控设备的作用，提高系统的整体功效。
八、通风控制功能
一般情况下，隧道管理站监控计算机网络可以根据CO/VI、风速风向、交通流量等检测数据信息通过综合计算，实现风机运行的全自动控制；如果需要，操作员也可以在隧道管理站根据CO/VI、风速风向、交通流量等数据信息作出判断后，对风机的运行进行远程遥控。
当隧道管理站监控计算机网络发生故障时，可以利用隧道光纤冗余工业以太环网实现远端风机的控制。
当本地控制器与隧道光纤冗余工业以太环网失去通信后，可以实现本地风机的手动控制。
风机的控制包括正转、反转和停机的控制。
九、照明控制功能
隧道照明控制根据洞内外亮度检测器检测到的亮度值、交通量变化及白天、黑夜等情况控制隧道内照明，也可以通过时段进行照明控制。
随着交通道路的不断发展，作为其中一个重要环节的隧道，其数量也在不断增加。由于我国复杂的地理环境以及隧道本身的特点，隧道监控系统在隧道的运营、管理以及事故处理中发挥着极其重要的作用。因此，建设可靠、稳定、、经济以及可扩展的合理的隧道监控系统成为工程界和公路营运管理部门共同关心的话题。微电子、通信及计算机技术的发展大大提高了公路交通的信息化和智能化程度，与3C技术相结合的PLC以其的可靠性、抗干扰性和灵活的控制方式成为隧道监控系统的核心控制器，PLC与开放的网络通信系统一起，共同推动着隧道监控系统向智能化程度的发展。
系统构成
隧道按照长度分类，分别有短隧道（L<250m）、中隧道（250m<L<1000m）、长隧道（1000m<L<3000m）和特长隧道（L>3000m）。隧道的长度越长，需要考虑的监控设施就越多。从目前上对隧道的设计标准来看，长隧道和特长隧道需要监控系统以保证隧道内行车的安全和畅通。
隧道监控系统按照各个子系统可分为：照明系统、通风系统、交通诱导系统、CCTV系统、火灾报警系统、消防
控制系统
、紧急电话系统及广播系统等。按照设备的类型可分为：检测设备、控制设备、显示设备和通信设备。检测设备如：火灾报警探头、车辆检测器、COVI、能见度检测仪及风速风向仪等；控制设备如：交通区域控制器、照明区域控制器及通风区域控制器等；显示设备如：计算机工作站、大屏幕监视器及声光报警器等；通信设备如：交换机、集线器、串口信号传输设备及光端机等。
隧道监控的难易程度不仅与隧道的长度有关，而且与隧道的交通车流量有关。依据对隧道监控和管理的要求，又将隧道分为A、B、C、D四个等级，其中*对监控要求高，B级次之，其余类推。当前在工程界*认同的隧道监控模式主要分为两种，一种是适用于短隧道的集散式控制模式，一种是适用于长隧道的分布式现场总线控制模式。前者布线复杂，造价较高，由中控室对现场设施进行控制与管理；后者施工方便，不但造价较低，而且可靠性较高。适用于长隧道的分布式现场总线控制模式又可分为全分布式现场总线控制和集中式现场总线控制。全分布式现场总线控制模式，中控室对现场设施不直接进行控制，由现场各种设施的控制器进行控制。分布式现场总线控制模式从网络构成来看，一般分3个层次：上层为中央计算机系统，即本地控制中心，中间是由各区域控制器组成的控制层，下层为各种检测设备和控制及诱导设备组成的设备层。
隧道控制的核心思想就是将所有纵向及横向的系统有机地结合起来，通过算法分析，实现智能化控制。区域控制器就是其实现的核心。各区域控制器负责采集现场检测设备的信息，处理后传给本地控制中心，而本地控制中心的控制命令则发给区域控制器，再由区域控制器直接控制相应设备。在本地控制中心与区域控制器通信中断的情况下，区域控制器仍然具备独立控制现场设备的能力。因此区域控制器应高效且高度可靠。作为区域控制器的核心控制部分，PLC应用多，其稳定性、实时性以及对环境很强的适应能力，非常适用于隧道的现场环境。
本地控制中心一般由现场监控工作站(控制计算机)、监控系统软件、主区域控制器及相应的附属设施构成，用于实现对整个隧道监控系统的统一监控。监控系统软件运行于现场监控工作站上，并不断与PLC控制器交换数据，实时地把所有设备的当前状态以图表、颜色、闪烁及数值等方式显示在操作界面上；而操作人员在操作界面的每个动作，也由监控系统软件将相关的命令、参数写入PLC，实现设备的手动控制。
除现场控制设备，整个系统的通信网络则是保证系统能否高效运行的关键。长隧道、特长隧道以及隧道群的出现已经越来越多，单洞内的区域控制器就越来越多，这就意味着网络的结点在不断增加。通信网络不仅要具有较高的通信速率以保证大量数据的有效传输，还必须具有容错的能力以提高通信的可靠性，即网络上出现故障时能够实现自恢复，同时，构成通信网络的设备必须满足工业级要求，以适应隧道内苛刻的工作环境。系统还需要具有很好的可扩展性，使得设备更新与增加、功能改善与变化，都能应用于原有系统。
隧道监控的环境相对比较特殊，隧道所处的山野防雷非常重要，隧道中的控制箱经常会遇到潮湿甚至漏水的侵扰，而一些高原隧道面临严寒和低空气密度，特别是长大隧道中的汽车烟尘很容易附着在密封不好的控制箱中的设备上，这些烟尘具有一定的导电性，从而造成本地控制器等设备的早期故障或损坏。从国内隧道监控系统的实际应用情况来看，对隧道监控环境的认识，在一些项目中，重视成度还不够，一些隧道控制箱远没有达到IP65以上的防护等级，这样的监控系统是很不安全的。
解决方案
监控系统通信网络和PLC是隧道监控系统的核心组成部分，它们的性能对隧道监控系统会起到决定性的作用。根据隧道本身的特点和监控需求选择合适的PLC及通信网络是保证隧道监控系统性能的重要因素。
1.通信网络
在隧道监控系统的结构上，国内在管理体制上主要采用三级管理，即监控总中心、区域监控分中心和监控站。由于监控站不直接对隧道的外场设备进行直接控制，因此工程界按照系统结构的划分把监控系统划分为信息层、控制层和设备层。
*层为信息层，主要负责大量信息及不同厂家不同设备之间的信息传输，工业以太网Ethernet为目前较常用的一种信息网络，世界各大PLC生产厂商均支持工业以太网，并且他们在原有TCP/IP的基础上，相继开发出实时性更高的工业以太网，如Omron和Rockwell支持的Ethernet/IP，Schneider支持的Modbus-TCP/IP以及Siemens支持的ProfiNet等。由于Ethernet的信息量大，因此在隧道监控上以太网主要用于各个隧道管理所与监控中心的数据传输，包括各种交通流量信息，各传感器数据等大量历史数据信息。
第二层为控制层，主要采用现场总线组成隧道区域控制器网络，其特点是由于采用了标准总线组网，既能满足实时通信的要求，又具有开放协议的标准接口，能在总线上方便地挂接各种外场设备，有利于监控系统的扩展。目前，现场总线有40多种，在公路监控系统中应用的现场总线主要有Controller Link、LonWorks、Inetrtbus、Profibus、CAN和Modbus+。它们的共同特点是高速、高可靠，适合PLC与计算机、PLC与PLC及其他设备之间的大量数据的高速通信。为使系统的稳定可靠，控制层的网络结构多采用环网的方式组成，包括线缆型和光纤作为传输介质，具体组网将在后面做出实例说明。
第三层为设备层，这一层用于PLC与现场设备、远程I/O端子及现场仪表之间的通信，包括DeviceNet、Modbus以及Profibus/DP等，其中DeviceNet已经成为工业界的标准总线而得到了广泛的应用，而Profibus/DP虽然没有成为标准，但是其应用也相当广泛。
值得指出的是，近年来以太网的广泛应用使得人们把目光投向了现场总线上来，工业以太网是否将取代现场总线仍然是一个争论的话题。然而，不论是Ethernet/IP还是Modbus-TCP/IP，以太网在一些重要的性能指标上仍然无法具有现场总线的特点和优势。从本质上来讲，以太网的载波帧听冲突监测CSMA/CD的访问方式，实时性并没有现场总线采用的令牌总线和令牌环的访问方式高，不论人们采用何种方式，如协议封装、分时访问控制等，都只能改善以太网的实时性，得不到本质的改变。隧道控制的一个核心思想是必须保证隧道的安全尤其是突发事件时隧道的安全，如果突发事件的发生造成数据访问产生碰撞，使得信息不能及时得到处理而导致重大事故，后果将不堪设想。在当前技术还未*成熟之前，现场总线应用于控制层，是一个积极和稳妥的选择。随着以太网技术的不断发展，今后其取代现场总线而用于控制层也是很有可能的。
2.监控分中心及上位监控软件
监控分中心一般将设置多台SCADA工作站（工控机）。分别用于交通监控、消防报警、图形控制、通风照明控制、视频监控等，完成隧道内各种设备的状态显示、自动控制、半自动控制、打印报警、分析报表等工作。同时，监控分中心还将设置多台服务器，为其他计算机提供支援和与监控总中心进行通信。
图2 Omron CS1系列
3.PLC的选择
隧道监控对PLC的性能提出了更高的要求，作为隧道监控的核心控制器，其必须具备以下几大功能特点：首先本身必须稳定可靠，并具有预先处理数据和集中传输数据的能力，具有较高的故障保护能力；其次，区域控制器可以独立承担控制分区的基本控制任务，即使监控站或者监控中心因故障停止运行，相邻区域的控制器也能交换交通量信息；再次，当某区域的交通量出现变化时，可按预定方案和程序采取相应的算法，对相关区域的流量做出相应的调整。因此，其必须至少有如下功能模块，数据采集存储处理功能（实现集中和独立工作方式，尤其是在独立控制时能与相邻控制器实现数据交换）；通信功能、容错功能、自动诊断功能和本地操作功能（即能带触摸屏）。
必须综合考虑整个监控系统的性能要求和自然条件以及运营周期对设备的要求进行选择，尤其在气候和恶劣环境状况条件下长、特长隧道的时候，需要选择性能更好的双机热备冗余的PLC。如Schneider的Quantum系列、Rockwell的ControlLogix、Omron的CS1D系列以及Siemens的S7-417系列。
在一般的环境状态以及中、长隧道中，多采用标准的机型作为现场控制器，如Schneider的Quantum140系列、Rockwell的ControlLogix、Omron的CS1系列及Siemens的S7-400系列等；它们都支持工业以太网和多种现场总线，控制方式采用远程带CPU的智能分布式结构，系统开放性和兼容性强，丰富的I/O及高功能模块，*隧道监控系统对信号处理的要求。
应用案例
下面以山西晋城至阳城高速公路隧道为例，具体说明隧道监控系统的实际应用。
晋城至阳城段高速公路，设计范围36.029km。其中高速公路长27.47km，封闭二级公路长8.5598km。道路起点接长晋高速公路，终点与阳城市区道路相接。本路全线有隧道4座，包括五佛山隧道（514m），牛王山隧道（1880m/1860m），天坛山隧道（1008m），管道岭隧道（1300m）。本监控方案主要就牛王山隧道机电监控系统进行说明。
整个隧道机电监控网络由设在远端的监控通信中心和隧道内(包括牛王山隧道变电所)的本地控制器以及相关的通信线路组成。监控中心内设有交通状况模拟显示大屏幕、工作站、监控计算机群、打印机、服务器和CCTV视频墙等设备，供操作人员监视和指挥隧道内和道路的运营情况。
在牛王山隧道监控系统中，包括8套本地控制器，其中一套主控本地控制器置于牛王山隧道变电所内，其余的本地控制器分散布置在牛王山隧道上下行的各个位置，所有本地控制器通过100Mb/s速率的以太网形成光纤冗余环网。光纤环网使得环路上任意两个区域控制器间通信有两条物理链路，这样即使某处光纤出现断裂故障,系统仍可以自动寻找到反方向的通信链路继续维持通信，既增加了通信可靠性，又提供了在线不停机检修通信的功能。牛王山隧道变电所内的主控本地控制器也通过100Mb/s速率的光纤以太网与监控通信中心相连，保证了监控数据和指令的实时海量数据传输。
各PLC对照明、通风、本地控制系统信息进行采集，同时按所设定的程序以及上位机的指令进行相应的动作。采集的信息经光纤以太环网传至控制室中央计算机上，实现联网。另外，在主控制器上还配有液晶触摸屏，用来对给设备操作和显示其反馈信息及检查所辖各设备的状态，同时它可以取代手持式编程器对PLC进行编程；而且，在隧道监控中心的服务器上汇集了隧道各个设备实时信息，所以本地控制器不仅要能快速交换实时数据，进行数据采集，并能接受和执行上位机的指令，通过服务器可对现场任一设备（照明、通风、本地控制器）发布操作命令。在牛王山隧道变电所选用了Omron的 CS1D系列PLC作为本地控制器，如图1所示。CS1D系列PLC具有双CPU模块，双电源模块，支持热插拔，极大提高了主控制器的可靠性，使得整个系统可以实现不停机检修功能。在隧道内的7台本地控制器我们选用Omron的CS1系列PLC，其具有高速信息交换能力和良好控制功能，CS1系列PLC作为隧道内的区域控制器。如图2所示。在每台PLC上安装有RS-485/RS422或RS-232通信端口，以便与多参数智能变送器、限速控制器、可变情报板显示控制器等仪表控制设备相连，串行通信的数据协议是随着制造商和设备而变的。协议的差别，使得不同厂商生产的设备间的通信非常困难，即使它们的电气标准相同，Omron通过建立的易用于匹配所连接的设备的协议宏功能解决了这个问题，协议宏使得开发方不需要编写专门的通信程序与第三方设备进行通信，原则上OmronPLC能和任何带RS-232C，RS-422或RS-485接口的设备进行通信。在本控制系统中用于控制照明、通风、电力及交通等设备的各个区域控制器均采用独立的控制程序。控制室两台中央计算机则通过Ethernet与上级控制中心。
改进与发展
当前我国隧道监控系统的设计和实施正处于一个成长期，系统的需求、设计、结构以及系统的控制仍然存在不完善的地方，同时技术的发展也给监控系统的改进创造了条件和基础，也使建设合理的隧道监控系统成为可能。
从系统的需求来看，一方面要兼顾系统的稳定、可靠与可控，也要反映系统的、经济与可扩展，同时也要使操作便捷与维护方便；另一方面，针对不同的交通条件和功能要求确定系统的规模和冗余度的大小，确定系统的合理集成方式、系统网络的构成与拓扑结构形式以力求系统的可靠性、稳定性、性与经济性的有机结合；从系统的设计来看，除考虑系统的规模和设计方法外，也要考虑新技术的应用，使整个系统既又实用；从系统的控制来看，当前我国公路监控普遍存在着只监不控，或监强控弱的现象，交通信息、环境信息得不到很好利用，对于隧道控制，要针对不同现象，采用不同的控制方法。
今后我国的隧道监控系统的发展是在原有基础上，按照监测与控制适当分离，集中监测，灵活机动的现场控制的总体思想，逐步改进，使得隧道监控系统的建设更趋合理。
概述
随着我国高速公路建设里程的增长，隧道占新建设高速公路里程的比例越来越大。隧道在空间上呈封闭带状分布的结构特征，给行车环境带来了一系列变化，往往构成高速公路交通事故的多发区，并且极易引发二次交通事故，引起高速公路堵塞，造成重大经济损失。隧道安全运营问题显得越来越突出，隧道内环境监测与控制成为保证高速公路隧道安全及安全运行的重要手段。
本系统主要建设对隧道内的综合环境监测与控制，主要实现以下几个方面：
（１）通过在隧道内安装温湿度传感器、光线感应器、以及积水监测仪来对环境进行监测，主要包括对有害气体、能见度、风速、水位、烟雾、明火、含氧量等进行实时监测；
（２）对前端监测的数据进行分析，当发现有异常时，自动给出报警提示，并能判断到当积水超*排水磊是否工作，当发现隧道内有害气体超标时，自动启动和控制通风系统进行及时换气；
３）通过建立监控中心，及时地掌握各个公路隧道内的环境情况及各控制设施的运行状态。集中化管理道路报警信息，实现对报警的统计和分析，实现环境异常与其它控制的设施的联动控制。
高速公路隧道综合环境监测系统用于对公路隧道内环境进行监测，可以实现隧道内的风速、能见度、含氧量等进行实时监测，通过将这些采集的数据进行分析和处理，能为减少交通事故的发生提供安全保障。系统在整体上由前端采集系统、通信传输系统和监控中心系统三大部分组成。
本系统主要采集以下数据：
１、有害气体
通过在隧道内安装在害气体传感器，一般安装在隧道洞壁上，每隔500m安装一只传感器，传感器通过ＷＳＮ网络进行数据传输。
２、含氧量
通过在隧道中间安装含氧量探测仪，实时掌握隧道内的空气情况，为驾驶人员安全驾驶提供保障。
３、积水
通过在隧道内安装积水测试仪，及时掌握隧道内是否由于天气原因导致隧道内有严重积水等现象，通过积水探测仪与排水系统进行联动控制，可实现当积水超过标准时，排水系统自动开始启动排水泵进行排水处理。
４、烟雾、明火
在隧道内发生火灾会导致迅速的有害气体增加，再加上汽车尾气等，在隧道内气温也会快速升温，在短时间内可能会造成爆炸。监测隧道内是否有烟雾、明火等显得非常重要。通过烟雾传感器报警后与消防系统及通风系统联动后，可以快速地灭火处理及改善隧道内的空气质量。
控制
通过在隧道内安装光线传感器感应隧道内的光照情况，根据每个位置的不同，所测量的光照度也不同，系统根据每个位置的能见度情况，自动调整每个照明灯的光线，从而来满足隧道内的光照满足标准。
通过烟雾探测器实时监测隧道内是否发生火灾，当有发现有火灾发生时，根据烟雾浓度自动开启消防系统以及通风系统，通过消防喷淋系统进行及时灭火；通风系统会在隧道内有害气体浓度超标，含氧量过少时自动开启通风系统，进行排气换风处理，从而来保证隧道内的空气能满足要求。
数据传输
在隧道内安装传感器，需要将采集的数据传送到监控中心，而隧道内由于处于山中，没有ＧＰＲＳ信号覆盖，导致公路运行人员不能及时了解到隧道内的环境及设备的状态。通过在隧道内增加ＷＳＮ节点，利用ＷＳＮ无线网络将采集的数据传输到隧道洞口，再由安装在隧道口的传输设备将数据传回到监控中心。监控中心就能及时了解到隧道内的环境情况。
监控中心
监控中心将部署于公路运行中心，它的功能主要是由运行于后台服务器上的隧道综合环境监测管理软件来实现的。主要为用户提供信息服务，实时采集隧道内的环境参数，隧道内消防、照明等子系统的运行状态等。
综合环境监测管理系统每十分钟会采集隧道内的环境数据，通过对采集数据进行分析，从而可掌握到隧道内的环境情况，为交通部门提供依据。通过系统可了解到隧道内的照明系统、消防系统、通风系统的运行情况及这些设施是否有损坏现象等。
隧道环境系统监测方案
