隧道区域控制器RTU技术描述070627欧姆龙DOC.docx
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隧道区域控制器RTU技术描述070627欧姆龙DOC
隧道区域控制器技术描述
一概述
监控系统可分为中央控制系统和区域控制系统两部分。
中央控制系统设置在监控中心内，中央控制系统可以通过交通和环境参数检测系统、闭路电视监视系统、紧急电话系统、火灾自动检测报警系统等获取有关交通和环境异常状况信息，由中央控制计算机，通过区域控制器（RTU）向道路现场的各种外场控制设备发布控制指令，从而完成对通风、照明和交通诱导设施的控制。
区域控制器（RTU）是交通监控系统的重要组成部分，它能够为下端的检测控制设备提供通道，能不间断的采集路段上的交通、环境信息，根据其预控方案完成对与之相连的相关交通控制设备的控制，同时将采集的信息向中央控制系统中的中心计算机上传，并接受中心计算机的控制指令。
中心控制计算机向RTU现场控制终端发布命令，使其执行预先存储在主机系统中的相关控制方案，完成控制。
RTU与中央计算机系统的网络通信采用光纤自愈环连接，数据传输采用全光纤数字通信。
RTU具有信息采集、状态检测、控制、通信等功能。
CO/VI探测器、风向风速仪和火灾自动探测器等信息，以及各种外场设备的工作状态信息，经RTU预处理后，上传至中央控制计算机系统。
RTU的通信单元能提供多个RS232口、RS485口及以太网口等各种通信端口。
在通信正常情况下，RTU接受控制中心计算机的控制指令后，直接控制交通信号灯、车道控制灯、可变限速标志、风机控制动力柜、照明控制动力柜等。
在通信传输故障时，RTU根据其内部设定的控制方案，实现本地控制功能。
中央控制的优先级高于本地控制。
隧道机电监控系统中与区域控制器RTU相关的控制功能主要有：
交通控制功能、通风控制功能、照明控制功能、横通道、消防控制功能等。
二控制功能
交通控制
交通控制功能为整个隧道监控系统的基本功能，为实现隧道通行的全自动和本地控制，交通控制子系统具有如下基本功能：
全自动控制：
根据采集到的有关信息和信息处理结果，系统自动产生相应的控制方案，完成对相应外场设备的控制。
远程遥控：
根据采集到的有关信息和信息处理结果，系统调取相应的控制预案，经操作员认可或者修改后，完成对相应外场设备的控制。
当本地控制器与隧道现场光纤环网失去通信后，可以实现本地控制。
本地控制器可以存储其挂接设备所采集的信息，也可以通过该本地控制器向其挂接设备发出控制命令。
基本交通控制功能：
隧道入口设置可变情报板、可变限速标志和三色（红、绿、黄）交通信号灯诱导交通，交通信号灯与本车道的车道指示标志（红、黄、左转箭头绿，直行箭头绿）及另一车道反向显示的指示信号灯有逻辑联锁关系。
同时洞口、洞内设置的车辆检测器实时采集通行车辆的车型,速度并统计交通流量信息。
应急交通处理功能：
当隧道内出现交通堵塞，交通事故，火灾，CO浓度超过300ppm（20分钟），VI浓度大于0.012m
时（由通风控制系统采集信号而得），应能自动或手动关闭（转为红灯，以下同）隧道入口处信号灯和洞内车道指示标志。
当交通量基本平衡，且单向交通量超过限制交通量的1/2时或当交通量严重不平衡，双向交通量之和小于限制交通量，但单一方向交通量大于限制交通量的60%时，控制台发出声光报警，经操作人员确认并清除报警信号后，入口信号灯应能自动周期地开关。
确定信号开关周期时，应以控制进洞车辆不超过限制交通量为度。
可以按照操作员的意图手动开放或关闭任一面车道指示标志，操作结果符合联锁关系（操作过程有菜单提示）。
能经简单操作，快速地开放包括该车道指示标志在内的该车道下流方面的全部车道指示标志，关闭包括该车道车道指示标志在内的该车道上流方面的全部车道指示标志。
检测出隧道内发生火灾，并经值班人员确认后，能自动关闭火灾区上流方面的全部车道指示标志，同时自动关闭两端隧道入口信号灯，入口车道指示标志。
可变限速标志能与隧道内行驶车辆的平均速度及车道占用情况相适应，以便平衡隧道出入的交通流，避免或缓解隧道内拥挤堵塞情况。
当发生火灾，CO浓度值超过300ppm（20分钟），VI浓度大于0.012m
，以及发生交通堵塞等情况时，可变限速标志随着隧道入口信号红灯自动转至空档。
当操作员手动控制时，能按操作员的意图灵活转换可变限速标志的显示，手动控制优先。
通风控制
通风控制子系统由区域控制器控制通风控制柜内的接触器对风机的启动和停机进行控制。
区域控制器根据检测到的透过率（能见度）、CO浓度数据、交通量数据，控制风机的运行台数、风向和运行时间，实现节能运行和保持风机较佳寿命的控制运行。
在发生火灾时，根据不同地点，进行相应的火灾排烟处理，以保证隧道的安全及运行环境的舒适性。
监控中心与隧道通风设施的接口要求：
监控系统对风机的控制采用区域控制的方式。
监控系统对每台风机有正转、反转、停机控制，提供相应继电器及至风机控制装置的连接电缆。
通风系统将每台风机的状态（正转、反转、停机）、自动手动状态、总故障信号传给监控系统。
通风控制系统采用二级控制模式。
一般情况下，机场路监控中心监控计算机网络根据CO/VI检测值、交通流量等信息通过综合计算，实现风机运行的全自动控制；如果需要，操作员也可以在机场路监控中心、钟鼓山隧道管理站根据CO/VI检测值、交通流量等信息作出判断后，对风机的运行进行远程遥控。
当机场路监控中心、钟鼓山隧道管理站监控计算机网络发生故障时，可以实现本地风机的控制。
通风控制子系统由监控计算机、隧道区域控制器、通风控制柜、隧道内风机、一氧化碳CO和透过率VI检测器、连接电缆、电源电缆等组成。
在正常情况下，系统定期巡检每一检测点处的CO值、VI值和TW值，并能根据检测数据计算其变化率和平均值。
能根据TW值判断隧道内风流的方向，并计算出隧道CO浓度的分布规律。
以CO/VI检测值作为控制的主要参数，结合交通流量，通过通风控制模型对风机实施控制。
在监控工作站界面上，能显示每一检测点的CO、VI和某条隧道CO、VI、TW的平均值。
单向行车时以测得CO值作为主要控制参数，同时检查VI值不超标。
双向行车时以限制交通流为主，监视CO，VI及车流量不超过预定值。
控制周期一般为10分钟。
火灾工况：
风机以火灾工况模式动作，以利于排烟和疏导车辆走出隧道。
隧道发生火灾，一般通风排烟的方向为顺行车方向。
当起火点靠近入口时风向应转向入口。
交通阻滞工况：
风机以交通阻滞模式动作。
通风计算控制周期取10分钟。
风机启停时间间隔取10分钟，特殊情况下，同一台风机的启停时间间隔不小于2.5分钟。
系统能平衡风机的使用频率和时间，保证风机尽可能处于良好的机械状态，延长风机的使用寿命。
通风控制原则应遵照JTJ026.1-1999《公路隧道通风照明设计规范》和相应的国家或国际标准。
1、保证隧道内内环境指标在标准范围内。
a）隧道内CO正常运营时允许浓度：
200～250ppm，交通阻滞（隧道内各车道均以怠速行驶，平均车速为10km/h）时可为300ppm，经历时间不超过20min。
b）隧道内烟雾允许浓度为7.0×10-3（m－1）。
2、CO浓度由低－－高、能见度检测值由高－－低分为几个级别，投入的风机数量和运转时间在隧道正常运营时由此确定。
3、隧道风机应有运行时间统计功能，风机的运行应根据CO浓度、能见度值、交通量状况、火灾报警等综合情况进行控制，具体原则是：
a）应根据隧道营运过程中的交通状况，适时调整通风量，在保证交通安全的前提下，以最经济的动力给隧道提供满足营运条件的通风量。
b）隧道内某一位置的CO或透过率值先达到风机启动值，则最靠近此检测器的风机应首先启动。
c）累计运行时间最短的风机应首先启动，以便平衡各台风机的劳逸程度，延长风机的使用寿命。
d）因风机起动瞬间冲击电流很大，故各台风机的启动应有短暂的延时，以减少对变电站供电的冲击。
e）风机的启闭次数不应过频，防止风机出现振荡现象。
风机控制采用由区域控制器在变电所集中控制每台风机的方式。
通过控制子系统控制方式有如下三级：
a）机场路监控中心、钟鼓山隧道管理站：
自动控制、人工远程控制
b）PLC：
自动控制、人工手动控制
c）变电所开关柜处：
人工手动控制
正常情况下隧道变电所的风机控制转换开关置于“自动”位，由机场路监控中心、钟鼓山隧道管理站实现通风控制子系统的监控，自动完成子系统的各项功能。
系统在故障或需要时经过转换应在前三级的任一级上维持系统的正常运行。
在对通风设备和通风控制子系统需要进行维修和测试时则可以采取隧道监控区域控制器人工、变电所开关柜处人工控制的方式。
控制方式的优先权为：
人工高于自动，人工方式是按三级顺序优先级由低到高；自动方式时是隧道监控室控制级高于隧道区域控制器控制。
风机自动控制模式有两种：
一种是在一些特定情况下选用某种预先编制的控制程序通过人工确认后进行风机自动控制，另一种是根据CO/VI检测器检测到的实际数据与环境指标的标准值比较，来实时调节风机的运转。
照明控制
机场路隧道：
隧道基本照明控制采用安装于变电所、隧道现场的照明智能控制器控制（属于照明工程），机场路管理中心控制系统仅在隧道内发生火灾或其他异常情况时通过设置在梧村山入口和万石山出口变电所智能照明控制系统的网络转换接口实现智能照明控制网络与现场总线网络的通信，进而实现管理中心对基本照明进行控制。
隧道加强照明由区域控制器控制照明设备配电箱内的接触器对灯具的开启、关闭进行控制。
钟鼓山隧道：
由区域控制器控制照明设备配电箱内的接触器对灯具的开启、关闭进行控制。
机场路隧道控制原理：
机场路加强段金卤灯通过增减开启照明灯具的方式，基本段荧光灯通过调光模块控制灯具亮度。
钟鼓山隧道控制原理：
通过增减开启照明灯具的方式，实现照明亮度控制。
控制方式
①远程自动控制
隧道监控中心计算机系统周期采集现场设备送来的各种信号，如故障报警信息以及车流量、摄像机监视图象，以及现场设备运行的反馈信号；在异常情况，按预定的控制方案，计算判断照明级别，发出指令，也可通过控制台键盘或计算机向可编程控制器输入指令。
指令通过现场总线传到隧道内智能照明控制系统设备，控制隧道灯具开启及调光。
②手动控制
通过中心计算机的控制软件及隧道照明配电柜上分别完成，隧道配电房中的手动照明用于维修的需要。
如遇火灾，无论照明现状是什么，照明控制系统应将隧道照明开到最大程度，以利于救火。
隧道照明系统由三部分组成：
洞内昼夜正常照明、应急安全照明及洞内事故应急疏散照明。
隧道内各路照明控制均设在变电所低压配电屏上。
电气系统为照明回路设置了现场手动控制和远程计算机控制两种控制方式。
隧道内各路照明控制均设在变电所低压配电屏上。
在照明控制电气线路上，为照明自动控制系统提供了相应的控制触点。
照明分白天/夜间多种工况，分回路实现分级自动控制、远程手动控制及就地手动控制。
可实现如下功能：
（1）由于停电隧道进入紧急照明状态时，可通知洞外一定距离外车辆减速通过隧道，以防事故。
（2）通过中央控制室照明控制计算机上的照明模拟显示图，可掌握各照明回路（工况）的工作状态，以便及时进行人工干预或排除故障。
隧道照明控制子系统由监控计算机、隧道内区域控制器、照明控制柜、隧道内灯具、连接电缆等组成。
控制室计算机、区域控制器都可进行照明控制，在隧道至监控中心的通信出现故障时，可直接在区域控制器上操作，以保证隧道正常运营。
照明根据需要亮度采用分级控制,共分6级.
1级:
基本照明,常开,不需控制
2级:
基本照明+左侧基本照明
3级:
基本照明+左侧基本照明+右侧基本照明
4级:
基本照明+左侧基本照明+右侧基本照明+左侧加强照明
5级:
基本照明+左侧基本照明+右侧基本照明+左侧加强照明+右侧加强照明
6级:
所有照明全部开启（5级照明+应急照明）
在遇到火灾报警处理时，自动开启6级照明方便交通撤离。
横通道、消防控制
横通道控制系统主要是为隧道发生火灾时，能为行人与车辆迅速提供便于逃生的出口，车行横洞门实现远程自动控制及现场手动控制；人行横洞门不进行控制，现场人员可手动推开通道门。
车行横洞照明控制
车行横洞内照明灯正常时处于熄灭状态，以便节约能源，当发生火灾或检修隧道时，可由中央控制室远程控制开启或本地手动控制开启。
其与车行横洞门处于互联状态，状态信息和控制命令经由区域控制器传到中央控制室。
车行横洞门控制
车行横通道都设置车行横通道门。
正常时处于关闭状态，当发生火灾时，中央控制室可根据火灾位置和控制方案，远程开启车行横通道门。
控制原理如图所示：
通道门控制原理
人行横洞门控制
人行横洞门不控制，由人员现场推启；行人横洞内设置具有红外线感应开闭功能的照明装置，同时将状态反馈到中央控制系统。
消防控制
消防水泵和雨水集水池水泵控制，均由安装于水池的液位计联动控制（属于消防工程合同段），本合同段仅采集水泵状态和消防水池和雨水集水池的液位信号。
三、区域控制器
区域控制器是隧道监控的核心部分，对其合理的设计选型，是隧道监控能否高效、可靠运行的关键。
总体来说，目前区域控制器的网络通讯可从高到低划分为三个层次：
信息层、控制层和设备层。
第一层为信息层，即各级监控中心、分中心及各个隧道管理所之间的数据传输。
目前随着通信技术的发展，信息层以普遍采用了交换技术，百兆以太网，千兆以太网都得到了广泛应用。
第二层为控制层，即隧道内区域控制器之间的网络互连。
在控制层网络，工业以太网也得到了很大应用。
本方案即采用工业以太网作为控制层网络，借助光纤交换机将隧道内区域控制器组成光纤冗余环网。
光纤以太环网不仅具有10/100Mbps的快速传输速度，同时具有自愈功能，即使某一时刻环网某处光纤断裂，网络仍然能够通过反向通路正常通信。
同时，还可利用交换机网管软件实时维护和监控整个网络交换机设备的运行状态。
第三层网络为设备层，它们有ControllerLink、DeviceNet、Modbus等，这一层用于控制器与现场设备、远程I/O端子及现场仪表之间的通讯，设备层网络应是与现场设备连接方便，并能起到省配线的作用，成本低廉。
根据招标文件以及隧道机电监控的实际需求，区域控制器（RTU）应采用可编程序控制器（PLC）。
PLC的选型应充分考虑其先进性、实用性。
应采用世界知名公司的最新产品，且应考虑选择货源充足中文资料丰富、备品备件容易，技术服务方便、国内有维修处的生产商的产品。
PLC系统应结构简洁、使用方便，特别是程序编制方法应简单易学。
控制点数应留有余量，并具有可扩充性。
综上考虑，我们选用欧姆龙（OMRON）公司的CS1系列PLC作为区域控制器。
欧姆龙公司创立于1933年，是全世界自动化行业的著名跨国公司，目前在全球有五大地区总部，其中中国总部已被我国商务部认定为地区级总部。
目前欧姆龙在全球有40多家生产厂、1500个分支机构和超过24000名员工。
公司通过了ISO9000系列认证。
欧姆龙在传感与控制领域处于世界领先地位，其产品符合UL，CE等多项国际国内标准。
欧姆龙在中国有大型的研发、生产、技术支持、客户服务中心，有一整套完善的培训、维护、售后服务体系，能够为客户提供便利、可靠的服务。
CS1系列PLC为欧姆龙公司的主要大型PLC机型，目前在隧道机电监控行业已有多年的成功应用业绩，目前市场占有率达60％以上，全国高速公路累计约有一百多条隧道上采用了CS1系列PLC。
CS1系列采用模块化结构，32位RISC精简指令系统，处理速度最快可达每条基本指令0.02µs，存储空间可扩展至64M。
支持工业以太网和多种现场总线和协议宏，功能十分强大。
本工程中选用的区域控制器可实现的功能：
CPU模块负责区域控制器的程序控制和程序存储，同时提供必要的网络接口。
CPU模块分别控制总线通讯、程序运算、网络通讯处理等，具有高速运算、并行处理的能力。
CPU模块内置通讯卡插槽，提供网络/总线通讯插卡扩展功能。
CPU模块内置存储器扩展插槽，便于扩展各种类型存储器。
提供应用层开放的10/100MbpsTCP/IP以太网接口模件。
操作员可以通过彩色触摸屏对整个隧道内设备进行控制。
I/O板:
具体点数由各子系统确定。
AI板：
具体点数由各子系统确定。
通讯接口：
由子系统确定。
电源：
220VAC±10％，50Hz±3％。
区域控制器技术指标
本工程区域控制器的选型符合或不低于下面所列标准或规范之一：
ISO国际标准化组织
IEC国际电工委员会
GB中国国家标准
JIS日本工业标准
UL（美国）保险商实验标准
CSA加拿大标准协会
NK日本海事协会
LLOYD英国劳氏船级社
EC欧洲安全标准
ODVA开放型设备网制造商协会
区域控制器由CPU模块、电源模块、输入/输出模块、以太网模块及底板模块等组成，具体指标如下：
ØCPU
CS1系列PLC采用完全机架式设计,基站和扩展I/O采用同系列底板，所有I/O模块采用与CPU对应等级的、同系列的I/O模块。
CPU采用工业级32位精简指令系统RISC芯片，基本指令处理时间最快可达0.02µs，运算性能优于PentiumⅡ型芯片/主频133MHz。
内存容量可扩展至64MB。
支持Modbus、TCP/IP（热备端口）、USB等多种通讯端口和内存卡插槽，便于与其它设备实现数据交换。
集成LED状态显示，便于显示系统的运行、故障、通讯等状态信息和设置系统的相关参数。
支持钥匙开关和多种口令保护，保证系统可靠、稳定运行。
无需编程即可提供系统、模块甚至通道级（模块的所有通道）的诊断功能。
PLC采用背板总线，其通讯速率不低于80M，且恒定不变。
所有模块（通信、I/O等）在背板上可任意安装，与背板槽位无关。
采用模块化结构，所有模块（包括CPU和电源模块）都支持带电插拔。
CPU通过SPU存储器可达512MB，支持可扩展的PCMCIA存储器。
所有开关量输出、模拟量输出模块都支持故障状态预置功能，保证控制系统中CPU或通讯出现故障时，能将系统事故损失降低到最小。
提供各种信号要求（各种电压等级的开关量、电流、电压、RTD、TC模拟量等）的IO模块和高速计数器、伺服控制、ASCII码通讯、中断、事件顺序记录模块等。
所有IO模块的接线端子采用同一型号的接线端子条。
提高模块的互换性，减少系统的备件量。
可提供支持各种通讯协议的通讯模板（如Ethernet、ControllerLink、Modbus、Devicenet、ProfibusDP、CAN、ASCII等），方便于与各种系统和第三方厂家产品进行数据交换
通讯速率支持10/100Mbps。
利用通用的以太网设备即可实现设备间的数据交换。
编程软件采用IEC标准编程软件，配备一套PLC编程开发软件（含授权和密匙）。
软件支持常见的IEC61131-3国际标准编程语言。
编程环境采用图形化的编程界面，可提供单步、连续、断点等程序调试方式。
编程软件中集成在线操作员监视画面，便于控制程序的调试、在线监视及控制。
软件中集成有离线程序仿真功能，可方便控制程序的仿真，以及PLC与触摸屏、监控软件等的交叉仿真功能。
利用编程软件及相应的连接方式可支持本地、远程的程序上/下载，在线监视和参数修改、程序修改。
所有PLC模块工作温度:
0～55℃（符合IEC和JIS标准）,工作相对湿度:
10%～90%，存储温度:
-20～75℃。
具有CSA,UL,CE等认证；
具备自定义协议宏（ProtocolMacro）功能，能与非本公司产品进行数据交换,便于和现场智能仪表相连。
Ø电源模块
输入电压：
100～240VAC（波动范围：
85~264VAC）
频率范围47～63HZ
功率：
30W/45W
提供电源模块各种LED指示状态
提供主电源输入端子、报警继电器输出端子、24VDC电压输出端子
提供熔断器保护功能
支持带电插拔
电源模块分为独立电源、冗余电源等类型
具有UL,cUL,CE等认证。
ØI/O模块
数字输入模块（DI）：
输入通道数：
16点/32点；
输入电压：
24VDC；
具有光电隔离功能和LED状态指示；
连接方式：
可拆卸式端子排；
支持带电热插拔功能，便于维护。
数字输出模块（DO）：
支持双向晶体管输出；
输出通道数：
16点/32点；
输入电压：
24VDC；
具有光电隔离功能和LED状态指示；
连接方式：
可拆卸式端子排；
支持带电热插拔功能，便于维护。
模拟输入模块（AI）：
多量程模拟量输入；
输入点数：
8点；
支持多种信号输入规格:
1～5V，0～10V，-10～+10V，4～20mA；
分辨率：
1/8000；
转换速度：
≤1ms/点；
具有光电隔离功能和LED状态指示；
外部连接：
可拆卸式端子排。
Ø串行通信单元
端口类型：
隔离RS-485口；
速率：
1200~19200bps；
通讯介质：
屏蔽双绞线；
最大通讯距离：
1000米；
支持多种协议，支持Modbus协议，能以字符串方式与任何第三方设备串行通讯。
Ø以太网通讯单元
端口类型：
标准的RJ45接口；
通讯介质：
屏蔽双绞线；
通讯速率：
10/100bpsM自适应；
以太网的传输层和网络层协议：
支持TCP/IP；
以太网的应用层协议：
全开放，计算机无需专用卡件或专用接口软件即可直接连接PLC进行通讯和数据采集；
具有互联网号码分配机构赋予的标准MAC地址，便于基于互联网的无缝、开放连接和访问。
支持完善的以太网应用功能；
提供内嵌Web-server，支持HTTP，提供内嵌网页的基于IE浏览器的远程维护和诊断，实现远程管理维护。
支持SNMP，提供简单网络管理功能。
支持SMTP,提供Email报警定制功能。
支持基于以太网的数据库直接连接功能，可以提供SQLServer、Oracle、MySQL等数据库接口。
支持DHCP/BOOTP,提供FDR（故障设备自动更换）功能。
支持SNTP,提供以太网络时钟同步功能。
Ø15寸彩色触摸屏
处理器：
64-bits266MHzRISCCPU
屏幕显示：
65535色，TFT
内部存储：
32MB（应用程序），512KB（数据备份）
扩展存储：
支持CF卡扩展，最大值1GB，可用于扩展用户程序存储空间
铝合金前面板，坚固耐用，便于散热
软件性能：
支持JAVA脚本语言
支持多串口同时与不同的控制器进行通讯，支持ModbusSlaveRTU（TCP/IP），支持在线通讯诊断，支持在线通讯参数修改
支持Webserver远程监控
视频接口：
带视频输入接口
电源功耗：
24VDC，42W
符合标准：
IEC61131-2，IEC61000-6-2，FCC（ClassA），UL508/1604
产品认证：
CE、UL、CSA、RoHS
工作温度：
0~50℃
相对湿度：
10%~90%（无冷凝）
防护等级：
IP65，符合IEC60925、NEMA4X
触控区域：
模拟电阻式触摸屏，分辨率10241024，
背光寿命：
50000小时（25℃下连续使用）
支持字体：
ASCII码（包括欧洲字符）、日文、简繁体中文、韩文通信连接：
COM1DB9接口（RS232/422/485，通过软件设定）、COM2RJ45接口（RS485，兼容西门子MPI，187.5Kbps）、RJ45接口以太网（10MBase/100MBase自适应）下载接口：
USBV1.1以上
升级会员 