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珠江隧道改造项目
所属分类:其他行业
发布日期:2018-08-28
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案例名称珠江隧道自动控制系统改造单位名称总包单位广东XXXX工程有限公司项目性质工程项目类项目负责人XXX技术担当XXX营业担当XXX支持类型负责设计、编程、调试改造背景:珠江隧道1995年建成至今已经14个年头,当初系统设计的日车流量为5W台,而如今隧道的日均车流量已经达到10几万台,控制系统沿用至今,在控制功能上已经满足不了要求,需要进行系统的升级改造,增加更多人性化的功能。珠江隧道总长120...

案例名称

珠江隧道自动控制系统改造

单位名称

总包单位广东XXXX工程有限公司

项目性质

工程项目类

项目负责人

XXX

技术担当

XXX

营业担当

XXX

支持类型

负责设计、编程、调试改造背景:珠江隧道1995年建成至今已经14个年头,当初系统设计的日车流量为5W台,而如今隧道的日均车流量已经达到10几万台,控制系统沿用至今,在控制功能上已经满足不了要求,需要进行系统的升级改造,增加更多人性化的功能。


珠江隧道总长1200多米,属于中长V型隧道,整个隧道包括:中央计算机系统、交通检测系统、火灾报警系统、通风及环境检测系统、照明系统、交通诱导系统等等。本次改造OMRON的CS1D系统一共有6个站分别安装在隧道夹层管廊里面,负责整合交通检测、通风及环境、照明、诱导等控制系统,按照控制对象,我们将它分成3个大系统:照明系统、交通检测及控制系统、通风系统。

一. 照明系统

1、          控制对象

隧道内照明系统由遮光棚段、过渡段、基本段照明组成,相应地主要控制内容分三种:

(1)过渡段控制:根据隧道两出入口的视野亮度对过渡段加强照明灯组按天气晴、阴分四级进行位式控制,使白天进洞前、后的亮度变化容易让司机适宜;

(2)根据日时钟对基本照明段的照明灯组分白天和深夜两级进行位式控制;

(3)根据日时钟和口部亮度对遮光棚的照明灯进行“全开/半开/停止”的位式控制。

2、照明级别划分

6个照明级别:1.烈日、2.晴天、3.云天、4阴天、5夜间、6深夜。

1 ~ 4四种照明级别主要针对加强段的照明控制。

² 烈日                    开全部加强照明、开基本段照明

² 晴天                    关小部分加强段照明、开基本段照明

² 云天                    关一半加强段照明、开基本段照明

² 阴天                    关大半加强段照明、开基本段照明

² 夜间                    关加强段照明、开基本段照明、开遮光棚段照明

² 深夜                    关加强段照明、基本段和遮光棚段照明减半

(基本段和遮光棚段照明减半时,两组回路按单双日交替使用)

注:亮度值与照明级别对照关系请看附录1.

3、          控制方式:光控制、时序控制、模式手动控制、完全手动控制;

说明:左孔、中孔可分别单独设置控制方式。

   4、  光控制:

光亮度值由隧道洞口处的8个亮度计检测所得,输出信号为4~20mA,量程为0~6500cd/,根据亮度检测装置检测到的光亮度值,实时开启或关闭相应的照明灯具,从而形成一个闭环控制。

说明:光控只针对白天照明系统的控制。

   5、  时序控制:

主要分为以下几种时间段:清晨、上午、中午、下午、旁晚、夜间、深夜。

6、          模式手动:

中心监控人员根据室外天气情况,人工判断、选择当前的“照明级别”。

   7、  完全手动:

在控制中心,手动独立控制所有回路的开关。

各个灯组以及亮度计在隧道中的位置,如下图

橙色框里面的是出入口的加强段照明,红色框里面的是出入口的遮光棚段照明,其余的是基本照明。

照明的控制流程图如下:

1535442703483060287.jpg

1535442703427015763.png

2、交通状态设置

在隧道出入口8个车道安装了两台超声波道路交通信息检测器,以RS485方式,每分钟向PLC1和PLC6发送一次长度为226个字节的车辆信息,此信息包括:各种车的流量、平均车速、占有时间、堵车时间。

根据道路交通信息的数据得到的车辆运行信息,又将隧道分成三中状态:

²    正常;

²    拥挤;

²    阻塞;

序号

交通状态

开启平均车速(km/h)

关闭平均车速(km/h)

持续时间

(min)

备注

1

正常

--

--

--

2

拥挤

<20

>30

10

车速缓慢

3

阻塞

<10

孔内无车

停滞不前

说明:

1)每种交通状态对应的交通量数据可以在中心软件设置;如判断堵车的速度,持续时间等;

2)对于关闭的车道,不予判断;

3)拥挤和阻塞也包括轻微交通事故造成的情况,如抛锚、追尾等;

(1)交通拥挤时,控制方案

隧道入口交通信号灯黄色闪烁(闪烁频率:1Hz,即1次/秒),提示驾驶人员减速慢行,关闭的车道保持红灯常亮;

(2)交通阻塞时,控制方案

隧道暂时关闭,相应入口交通信号灯:绿色——绿色闪烁(1Hz/5s)——黄色闪烁(1Hz/5s)——红色,等待洞内车辆全部通过隧道时,隧道重新开启,入口信号灯变为绿色。  由出口交通量检测器判断洞内车辆是否全部驶离隧道,可以预算一定时间T内,在该时间段内若没用检测到车辆表示全部车辆已经通过隧道,预算时间可在中心软件设置,如:T可取15秒。

3、交通系统控制方式

控制方式:模式手动控制、完全手动控制。

(1)模式手动控制

每个孔洞按以上7种模式进行控制,通过中心计算机机人工选择所需交通模式;

(2)完全手动控制

可以控制每个车道指示灯的状态,包括:绿箭、红叉、黑屏。

可以控制每个入口交通信号灯的状态,包括:红、黄、绿。

注:无论在哪一种模式,一旦发生拥挤、阻塞、事故、火灾时,自动执行相应程序,其中阻塞、事故和火灾需要人工确认后才能执行。

下图为交通诱导灯分布图:

1535442802579015368.jpg

三.通风系统

1、         控制原则

(1)     保持隧道内环境指标在标准范围内。主要指一氧化碳CO、能见度VI、风速;

(2)     隧道内某一段的CO或VI值含量达到门限值时,本段或最靠近此段的风机应首先启动,然后追加的风机按照运行时间最短优先启动的原则,以平衡各风机的劳逸度,延长风机使用寿命。另外,风机的启闭次数不应过频,纺织风机出现震荡现象。

(3)     若一条隧道因事故关闭,另一条隧道改为双向运行时,因交通量增长很多,若全部风机启动而环境指标达不到正常值,则应和洞口交通信号灯配合,利用信号灯空内控制进入隧道的车辆,以达到正常的环境指标。

(4)     正常运行时,风机为正向运转(即沿行车方向吹风),当火灾或双向行驶正向交通量小于逆向交通量时,风机才可能逆向吹风。如有需要逆向吹风时,应先停风机,再启动逆向运转。

 

 

2、         控制模式:自动控制、手动控制

自动控制

隧道采用纵向通风方式,通风控制的任务是通过检测隧道内的CO浓度、VI浓度以及风速、风向来控制隧道内13组(每组两台)风机的启停和正反转。

其中CO、VI环境检测器:CO的输出形式是4~20mA,量程为0~300ppm;VI的输出形式是4~20mA,量程为0~15(1/Km)。

风速风向检测器:风速的输出形式是4~20mA,量程为0~15m/s;风向输出形式是4~20mA,量程为0~360度。

系统控制方式为位式控制,在两个控制点间设置一段不灵敏区,控制点可在线修改。

 

控制点设置(预设)

控制点

一氧化碳COppm

能见度VI1/km

关闭点

10

3.00(透光率80%

开启点

15

5.00(透光率66.7%

报警点

75

12.00(透光率30%

正常控制模式(预设)


一氧化碳CO(ppm)

关系

能见度VI(1/km)

风机控制

间隔时间

(可修改)

说明

<5

<3.00

风机每隔Tfc分

钟停开一对

Tfc=20

运行时间长的风机先停

 

>15

>5.00

风机每隔Tfo分

钟增开一对

Tfo=10

第一组开最近风机,以后各组运行时间短的风机先开

>75,且持续

时间超过Tfon

>12.00

启动全部风机

Tfon=15

中心报警,并且交通管制

CO/VI与最近一组风机对应关系表(预设)

CO/VI检测器

CV1

CV3

CV5

CV7

对应风机

F1

F2F3

F4

F6F5

CO/VI检测器

CV2

CV4

CV6

CV8

对应风机

F13F12

F9F10

F8

F7

注:CO/VI与最近一组风机对应关系可以在中心计算机设置;控制点可在线修改,在隧道运营过程中不断优化;

手动控制

根据现场CO/VI值、交通量数据和CCTV的图像资料,人工控制风机的启停及运转方向,所有风机可以独立控制。

下图为风机以及CV检测器的布局图:

1535443369176023425.jpg

四、系统预案

1、         系统预案分类

系统预案分以下几类:

1)        阻塞

2)        事故

3)        检修

4)        火灾

以上预案模式左孔和右孔可以独立设置。

其中阻塞预案的处理方式上面已经说过了。

2、         系统预案触发方式

系统预案触发方式分为两种:

1)自动触发

² 自动触发的预案主要指“阻塞”和“火灾”;

² 阻塞预案由隧道孔交通量触发,火灾预案由现场报警按钮触发;

2)人工触发

² 阻塞、事故、检修、火灾都可以人工触发;

² 阻塞预案可以人工触发,触发后系统会自动恢复,并提示值班人员;

² 阻塞、事故、检修、火灾的预案处理完毕后,系统恢复到正常状态;

3、         检修预案处理方式

检修模式主要用在深夜隧道的清洗、夜间及深夜隧道孔的维护、维修。

处理步骤如下:

1)   双孔“夜间”照明级别开启,即开启基本照明段和遮光棚段的照明,关闭所有加强段照明;

2)   需检修的隧道孔开启“模式6”交通模式,封闭该隧道孔;

3)   另外一个隧道孔开启“模式4”,双向通行;

4)   对照明以及交通模式进行处理后,将照明和交通模式切换到完全手动控制,方面监控人员针对现场情况实时对照明灯和交通灯进行状态修改;被关闭的隧道孔风机仍由计算机进行自动控制;

5)   检修完毕后,系统恢复原先状态。

4、         火灾与事故预案处理

为了便于对隧道的交通进行组织,也方便监控人员操作,把隧道内部按照车道指示灯的位置分为以下几个区域,左孔和右孔各5个控制区域。

1535443369142034602.jpg

大型事故预案

大型交通事故需要控制中心值班人员通过CCTV系统判断,一般是指该事故造成两个车道完全堵塞,车辆无法通行,一旦确认大型交通事故发生,启动大型交通事故预案,“事故”预案只能人工触发。

处理步骤如下:

1)   人工点击“事故预案”按钮,触发事故预案;

2)   点击发生交通事故点的区域(Q1~Q10);

3)   判断隧道孔交通模式,如果是顺行或则是逆行,车辆行进方向区域及其上游的车道信号灯变为红叉“×”,禁止车辆通行;车辆行进方向区域下游的车道信号灯继续为绿箭“↓”,允许车辆继续前行;如果隧道孔是双向运行则关闭发生事故的隧道孔;

 

4)        发生事故的隧道孔入口红绿灯:黄闪(1Hz/5s)——红,禁止车辆进入隧道;

5)        执行完上述处理后,PLC自动将交通控制模式切换到完全手动,方面监控人员针对现场情况实时的修改交通灯状态。

6)        交通事故处理完毕后,系统恢复原先交通模式;

火灾预案

火灾处理分为几个步骤:

1)    报警阶段

通过现场紧急按钮、紧急电话或则CCTV系统发现火灾,监控人员进行确认。

2)    逃生阶段

报警确认完毕后,自动执行以下程序。

交通系统:

A.      值班人员通过中心计算机用鼠标点击发生火灾点的区域(Q1~Q10);

B.      PLC根根据隧道孔交通模式,不管是顺行还是逆行,车流方向火灾区域及其上游的车道信号灯变为红叉“×”,禁止车辆通行;车流方向火灾区域下游的车道信号灯继续为绿箭“↓”,允许车辆继续前行;如果隧道孔双向行驶则双向红叉“×”。

C.               隧道两孔的入口红绿灯:黄闪(1Hz/5s)——红,禁止车辆进入隧道;

D.               执行完上述处理,交通控制模式切换到完全手动。

照明系统:

E.                双孔开启“烈日”照明级别,即除遮光棚段以外,所有照明灯开启,方便驾乘人员撤离。

通风系统:

F.      火灾隧道孔的所有风机关闭;

G.      经过一段时间Tff(时间预设8分钟)后,根据隧道交通模式,开启火灾区域车流方向下游的所有风机;风机运转方向与车流方向相同;如果隧道孔双向通行,风机停止。

H.      执行完上述操作以后,将风机控制模式切换到手动控制,方便监控人员按需要增开会停开风机。

3)    灭火阶段

I.开启火灾隧道孔所有风机,增大风量,以利于灭火降温

4)    恢复阶段

J.人工恢复另外一个孔的正常运行

K.灭火结束后,发生火灾的隧道孔CO/VI值达到设定标准后,恢复隧道孔正常运行,风机按照设定时间间隔先启先停。

 

五、系统配置及网络


名称

型号

个数

电源单元

CS1D-PA207R

24

CPU单元

CS1D-CPU65H

12

冗余单元

CS1D-DPL01

6

底板单元

CS1D-BC052

6

扩展底板

CS1D-BC092

6

扩展电缆

CS1W-CN713

6

128MB工业扩展内存卡

HMC-EF183

6

16点数字量输入单元

CS1W-ID211

22

16点数字量输出单元

CS1W-OC211

22

工业以太网单元

CS1W-ETN21

6

8模拟量单元

CS1W-AD081-V1

6

串行通信单元

CS1W-SCU31-V1

4

空槽单元

CS1W-SP001

24

隧道控制系统的网络拓扑图如下:

1535443549061017108.jpg

隧道共有6个PLC控制分站,每个站都是OMRON的CS1D双电源和双CPU系统,选型时并没有选择双以太网卡,而是在网络搭建中,利用6个MOXA EDS308的交换机组成100M光纤以太网环网,6个PLC使用普通网线连接到就近的交换机上,IP地址分别为192.168.59.11~16。在1#和2#交换机上各有一条光纤通到监控中心机房的交换机上。这个在一定程度上实现网络的冗余。

网络处理:

1.数据交换

因为6个PLC在预设的时候不知道要交换什么数据,在程序开发的过程发现要交换的数据越来越多,而且地址也不连贯,为了后面的开发更容易简单,PLC的网络接通以后,预先做了一段通信程序,每个PLC都拿出100个字来作数据交换。

1535443548949073178.png

例如人工PLC2发现有数据需要交换其它的PLC的话,就将此数据发送到CIO4100~CIO4199的区域里面,有需要用到PLC2的数据的PLC就读取PLC2相应的区域就行。

使用指令CMND

1535443640862022076.png

意思是每天凌晨2点与IP地址为192.168.59.22上的Time Sever进行时间校准。

交通流量处理:

原选型时,是希望通过SCU31的485通信,使用协议宏或者是无协议方式来访问交通检测器的数据。但实际隧道中使用的交通检测器,只有232通信口或者是2线制RS485通信,而且是主动发送数据的,而不是接收PLC发送的指令来反馈信息的。也就是PLC只有接收无发送,而且接收的时刻完全由交通检测器决定。

CS1W-SCU31模块的485口,如果使用协议宏必须是主动发送读取命令,如果使用无协议方式,必须使用4线制。最后只能不使用SCU模块,而是使用CPU上自带的232口与检测器上的232口连接来解决。

交通检测器的数据包原始设计是没有头代码和结束码的,为了保证接收数据长度和数据块的完整,我要求他们对数据包作修改,增加头代码#AA,结束码#EF,每分钟向PLC发送一次数据。除了头代码结束码数据总长为232个字节,每个车道信息占56个字节,一共4个车道,其余字节为公共信息。

那位检测器发送数据是高字节PLC接收到检测器发送的数据后,要将高低字节互换才是我们需要的数据,这里使用SWAP指令,当数据接收并保存完成后执行一次SWAP指令。经过2个多月的使用,上位机车道信息报表中发现,一天中会有不规律的几个小时会出现平均车速或者车流量数据大得很不合理。经过多次改善数据处理程序依然会出现这种情况。为了找出原因,我使用DR,IR指针将每次发送过来的原始数据保存到了E0里面,将出现不合理数据时候的原始数据另存到E1里面,并将出现不合数据时的时间一并存储起来,结合上位机报表数据,比较正常时和不正常时候的数据,经过分析,原来是检测器发送过来的数据会不定期的出现部分信息为低字节先发;例如某车道一分钟的小客车流量是20台,那么正常的检测器发过来的数据应该是#1400,程序处理时将数据高低字节互换之后就是#0014了,但是如果检测器发送过来的时候就是#0014,程序再进行互换的话,流量就变成5120台了,而这种现象出现的机率几乎每个小时都有1次,出现在数据块的位置也不固定,但也有一个规律,就是当在数据块某个位置出现这种情况,这一块数据在这个位置后面的每个字都会出现同样的情况。鉴于这种现象厂家也处理不了,最后只能在做数据处理的时候,不对整块数据使用SWAP指令,而是对每一个字的信息都做一下判断,例如车流量,每分钟肯定不会超过60台,如果使用SWAP指令转后车流量数值超过了60台,那么就使用原始数据,而不使用经过SWAP指令处理后的数据。经过调整,这种现象就不再出现了。

 风机控制处理:

首先介绍一下每台风机所在的PLC以及每个环境检测器的信号接入到那台PLC。

 

 

PLC2

PLC3

PLC4

PLC5

PLC6

左孔

风机

F1、F2

F3

F4

F5、F6

 

COVI检测器

CV1

CV3

CV5

CV7

右孔

风机

F12、F13

F10、F11

F9

F7、F8

 

COVI检测器

CV2

CV4

CV6

CV8

1.  风机如何联合控制

风机的自动控制左右孔是独立的,同一个洞的风机相互之间是有着先后顺序的关系的。按照控制的要求,那个CV检测到CO/VI超标就启动就近的风机,看似很简单;但这里就有个问题了,因为风机不在一个PLC上,如果CV1超标了,PLC2控制优先启动F1,如果没过多久CV3也超标了,PLC3控制优先启动F3,而在经过一点时间Ton,如果CO/VI还是没有回到正常水平,那么PLC2自身控制会增开1台风机,PLC3也会,那样就满足不了劳逸结合的控制原则,以及节能的目的。如果把PLC2作为主控,所有风机都由PLC2来发号施令,所有CO/VI的数据都通过通信给到PLC2,让PLC2来统筹控制,这样看似控制起来就很简单,但有个问题就是当PLC2出现故障或者PLC2通信出现异常,那么所有的风机都不能启动了,这样的话,这种控制方式看起来就很脆弱。

这里我使用的控制方法,总结为风险平分、轮流做庄。以左孔为例,CV1、3、5、7,那个检测到超标,那么就由它所在的PLC做主控(如果是CV8超标PLC5做主控),进入CV超标控制流程,首先算出风机启动顺序来,然后按顺序按时间间隔Ton逐台启动,在这时候如果其它CV再出现超标会被屏蔽不作处理。这样就可以减低集中故障率,也使得控制更合理。在实际程序中,还要考虑以下情况:当自动开启风机后,如果监控人员发现特殊情况需要手动增开风机,然后又切换回自动,这过程中手自动切换时风机状态要保持;还有就是手动开启的风机切换到自动状态CV值回到正常后,能够把手动开启的风机也关停。

2.  风机如果按照劳逸结合来起停。

每个CV点超标后,都有一台就近优先启动风机,然后增开的风机都按照运行时间短的先启动。说起来很简单,但实际程序写起来相当复杂,没有什么技巧可言。风机的运行时间都是分钟为单位,而且都是双字,那么MAX、MIN指令都不合用,按照概率算法,左孔每个CV就近风机都有6种情况,第一台增开风机是5种情况,那么要确定一组启动顺序需要比较次数为6×5×4×3×2=5760。这样写起来程序量就相当大。会了简化程序,根据实际情况,风机开启4台或以上的情况比较少,所以只判断出现前3台需要启动的风机号,剩余3台按照那个风机号小的优先启动,那样比较次数就减少到120次。在写程序的时候还需要考虑以下情况:

某台风机检测到坏了,要自动跳到启动下一台;当出现CV正常后,风机关闭过程中CV值再次超标的现象,已经关闭了的风机要放到最后启动,也就是在关闭过程中要对启动序列进行修改,将第一台关闭的风机号放到启动序列的最后一位,然后将即将关闭的风机放到头位。

1535443757378030376.jpg

照明、交通、风机三种对象,每1个输出控制点,都需要经过很多判断条件,例如照明的加强灯,首先要判断手自动、光控时的各个照明级别、时序控制时的各个时段以及各种预案的情况;如果每个输出点都单独作判断,就需要并联串联很多条件,这样会导致每个输出点过于复杂。为了清晰控制思路,把控制过程分为以下的步骤:

1.      首先建立多个任务组:光控任务、时序控制任务、其它控制模式任务等;

1535443799192020085.jpg

2.      将工况相同的灯组组组合起来,预先将可能出现的动作状态保存到某些通道里面;

1535443798819068236.jpg

3.      在控制任务里面就只需要判断出各种照明级别标志位,根据判断出来标志位把预存的动作状态发送到执行通道;

1535443798811005867.jpg

4.      最后执行通道直接控制输出点。改变控制方式的时候,我们只TKON、TKOF来启用或关闭相应的控制任务就可以了。

1535443798682042617.jpg

使用多任务控制,照明为例,光控任务和时间控制任务的输出点都是一样的,都是输出烈日、晴天等标志位间接控制照明输出,但任务之间切换的时候,没OFF的任务的输出在主程序里面还是会为ON的。

 

不管是照明、交通、风机,手自动互相切换时状态都要保持,新的控制命令来到之后才能改变状态

模拟量问题,模拟量模块同时接有源和无源的4~20mA输入,会出现所有通道的值都变成4000多的现象,只要将所有通道的-极都接到0V上,模拟量转换值就恢复正常了。

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