（计算机应用技术专业论文）基于plc与组态软件的城市隧道监控系统的集成.pdf

武汉理t 大学硕士学位论文 摘要 当今城市交通建设的发展步伐越来越快，公路隧道越来越多，隧道的监控 系统也伴随着城市建设迅速地发展了起来。本文以武汉首义广场地下通道为背 景，详细阐述了基于p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) 、c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ( c a n ) 总线以及组态软件的隧道监控系统的集成方法。 本文在研究组态软件、p l c 与c a n 总线的基础上，结合实例介绍了p l c 的程序设计以及c a n 总线的网络互联，并根据整个系统的结构，详细介绍了各 个子系统模块的设计、功能以及特点。然后，从界面集成和数据集成两方面描 述了本系统的集成。具体集成工作如下： ( 1 ) 界面集成首先介绍了界面集成技术的一般要求和流程，并根据本项目中 各子系统模块的开发情况，从状态显示界面和设备控制界面两个部分介绍了本 系统的界面集成。然后介绍了组态软件功能强大的图形工具箱，并详细说明了 利用组态软件对本系统进行界面集成的过程，并展示说明了实现后的界面效果 图。 ( 2 ) 数据集成首先，详细介绍了连接上位机组态软件和下位机p l c ，起到桥 梁作用的实时数据库的基本要求，描述了实时数据库的特点、功能以及结构， 其次设计了本系统数据库。然后在介绍了基于组态软件的数据集成方法的基础 上，根据本系统的特点，采用了组态软件与p l c 的串行通讯来进行数据集成。 详细阐述了通过组态软件创建的虚拟i o 设备与实际p l c 之间的变量映射，实 现对终端设备数据进行交换与集成，并通过组态软件利用创建记录体和表格模 板的方式实现与s q l 数据库进行数据交换、存储。最后，使用v c 编写车检器 串行通信的接口程序，并结合组态软件的动态数据交换( d d e ) ，实现了对车检器 子系统的集成。 关键词：p l c ，组态软件，串行通信，界面集成，数据集成 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y st h ed e v e l o p m e n ts t e p so fu r b a nt r a f f i c i sm o r ea n dm o r eq u i c k ， t u n n e l st r a f f i ci sm o r ea n dm o r e ，a l o n gw i t ht h eq u i c kd e v e l o p m e n to fu r b a nt r a f f i c c o n s t r u c t i o n ，t u n n e lm o n i t o ra n dc o n t r o l l e rs y s t e mh a sg o t t e nq u i c k l yd e v e l o p m e n t t h i st h e s i si sb a s e do nt h et u n n e lo fs h o u y is q u a r ei nw u h a n ，w h i c he l a b o r a t e st h e i n t e g r a t i o nm e t h o d so ft u n n e l m o n i t o ra n dc o n t r o l l e rs y s t e mb a s eo np l ca n d c a n - b u sa n dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e t h i st h e s i si sb a s e do np l ca n dc a n b u sa n dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，r e f e rt o p r a c t i c et o s h o wt h ep r o g r a m m ed e s i g n i n gi np l ca n dt h en e t w o r ks t r u c t u r eo f c a n b u s i nt h et h e s i se l a b o r a t e sd e s i g n i n g 、f u n c t i o n sa n dc h a r a c t e r s o fe v e r y m o d e la c c o r d i n gt ot h ew h o l es t r u c t u r eo fs y s t e m t h e n ，f r o mi n t e r f a c e si n t e g r a t i o n a n dd a t ai n t e g r a t i o nt w oa s p e c t sd i s c u s ss y s t e mi n t e g r a t i o n t h em a i nc o n t e n t so f ( 1 ) i n t e r f a c ei n t e g r a t i o n f i r s t l y , i n t r o d u c e sc o m m o nr e q u i r e m e n t sa n d w o r k f l o w s o fi n t e r f a c e i n t e g r a t i o nt e c h n o l o g i e s ，e l a b o r a t e s t h ei n t e r f a c e i n t e g r a t i o nf r o m d i s p l a y i n g s t a t ei n t e r f a c e sa n dc o n t r o l l i n gd e v i c e si n t e r f a c e sa c c o r d i n gt ot h e d e v e l o p m e n ts t a t i o no fe v e r ym o d e li nt h ew h o l es y s t e m t h e ni n t r o d u c e st h eb i g p o w e rf u n c t i o n a lg r a p h i ct o o l sb o x ，i nd e t a i l ss h o wt h ep r o c e s so ft h ei n t e g r a t i o n s y s t e mb yu s i n gc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，t oi m p l e m e n ti n t e r f a c e s f o ri l l u s t r a t i n g o p e r a t i o ne f f e c t ( 2 ) d a t ai n t e g r a t i o n f i r s t l y , e l a b o r a t e s t h eb a s i cr e q u i r e m e n t so fr e a lt i m e d a t a b a s ew h i c hi su s e dc o n n e c t i o nf o rl i n k i n gw i t hc o n f i g u r a t i o na n dp l c ，t o i l l u s t r a t et h ec h a r a c t e r s 、f u n c t i o n sa n ds t r u c t u r e ，t h e nd e s i g n st h es y s t e md a t a b a s e b a s e so ni n t r o d u c i n gt h ed a t ai n t e g r a t i o nm e t h o d so fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，w h i c h i st oa d o p ts e r i a lc o m m u n i c a t i o nf o ri m p l e m e n t i n gd a t ai n t e g r a t i o n b e t w e e n c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea n dp l ca c c o r d i n gt o t h ew h o l es y s t e mc h a r a c t e r s t h e n e l a b o r a t e st h ev a r i a b l em a pb yu s i n gc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eb e t w e e nc r e a t i n gv i r t u a l f od e v i c e sa n dp l c ，r e a l i z ed a t ae x c h a n g ea n di n t e g r a t i o nf o rt e r m i n a ld e v i c e s ，a n d i m p l e m e n t sd a t ae x c h a n g ea n di n t e g r a t i o nw i t hs q l d a t a b a s eb yc r e a t i n gb i n da n d 武汉理工大学硕士学位论文 t a b l et e m p l a t ei nc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e a tl a s t ，w i t ht h ed y n a m i cd a t ae x c h a n g e ( d d e ) a v a i l a b l ei nc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，d e s i g ns e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o g r a m m e b ym y s e l fu s i n gv c t or e a l i z et h ei n t e g r a t i o no ft h ec a rm o n i t o r s u b s y s t e m k e yw o r d s ：p l c , c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o n ，i n t e r f a c e s i n t e g r a t i o n ，d a t ai n t e g r a t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名1 破： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：血跏躲重 嗍：q 丛矽 武汉理- t 大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 现在的城市交通发展日新月异，公路隧道越来越多。与普通的路段相比，隧 道具有空气污染严重、空间高度有限、内外亮度差大等缺点，这些都使隧道成 为事故易发路段。为了提高隧道的营运能力、应急状态下的事故处理能力及增 强隧道内行车的安全性，有必要实现隧道的智能化操作、管理，建立一个统一 集成的隧道智能监控系统。近年来隧道监控系统呈现出网络化、智能化、综合 化、组态化等特点。隧道监控系统应体现统一监控、集中管理的分散控制原则， 并构成一个网络，对隧道的各个子系统进行集成、协调，使各个子系统能够交 换信息、联合运作。以确保通道的安全运营，实现行车、环境、设备以及通道 本身结构等状态的监视与控制；达到通道行车畅通、提高通道通过能力、改善 通道运营环境的目的；及时发现和排除可能引发交通事故、火灾、水灾或其它 灾害等的异常情况，减少通道运营中的各类灾害；通过预设的防救灾措施，将 通道灾情控制在最小的范围内，减少灾害损失1 1 , 2 j 。 1 2 课题研究的国内外现状 随着城市公路、高速公路的大规模建设，长、特长隧道、隧道群大量地出 现在各种公路中，对于保证隧道安全运行的隧道监控系统也越来越得到工程建 设者和管理者的重视，相关的新技术、新设备不断地得到应用，对隧道监控系 统的功能要求更完善，性能要求更高，隧道监控成为公路交通工程最受关注的 问题之一。 城市公路长、特长隧道监控系统已经在许多省都有开通的工程，但是，能 较好地实现隧道多子系统综合监控的工程案例很少。在隧道发生火灾、交通事 故等事件时，能够在人员疏散、消防灭火、清除故障、恢复交通运行各阶段， 实现交通信号、交通疏导、通风排烟等有机地联动控制的监控系统更是难以见 到。本课题研究的就是通过系统集成来增强隧道监控应用软件功能、实现综合 武汉理j 大学硕士学位论文 监控。增强隧道监控应用软件的以下功能：系统正常运行时，能实现交通拥堵、 交通事故等事件的预测和处理；不同环境、交通量时，能控制风机的运行台数、 风向、运行时间，实现节能和风机较佳寿命的运行；根据洞外的照度及交通量 的变化，对洞内照明进行调节控制，实现节约用电和降低运营费用；在隧道发 生火灾、交通事故等事件时，能够提供疏散、救援、清除故障、恢复交通阶段 中的交通信号和交通诱导的控制；在隧道正常运行、发生火灾、交通事故等事 件时，实现多子系统的联动监控1 3 j 。 1 3 课题研究的目标 本课题研究的目标就是通过对系统的多个子系统进行集成，将各子系统的 状态能第一时间更直观的显示在操作员面前，并将所有系统的数据统一存储， 备份与集成，最终建立一个以现代科技为手段，多子系统相互配合、具有较高 自动化水平的通道综合智能监控系统。 1 4 论文结构 第1 章为绪论，第2 章到第5 章为本文的主体部分，第6 章为结束语。 第1 章是绪论部分，概述了课题的背景和研究的意义，介绍了国内外隧道 监控系统的发展现状及其趋势，以及论文的研究目标等。 第2 章介绍了本论文项目中所使用的主要核心技术：总线技术、p l c 以及 组态软件。 第3 章概述了整个系统的结构与组成，并对各子系统的功能、特点进行了 介绍。 第4 章根据用户需求对本系统的主界面进行了设计，并利用组态软件进行 了实现。然后，根据效果图说明了实现后的主界面和控制界面。 第5 章首先研究了组态软件的核心技术实时数据库，对实时数据库的特点， 和运行机制进行了分析。最后结合本项目情况，阐述了对本系统数据库的设计， 并以部分表的实例进行了说明。 第6 章对基于组态软件与p l c 的数据集成的常用方法做了介绍并说明了本 课题数据集成的方法。详细描述了数据集成、处理和备份的过程。并且对数据 2 武汉理工大学硕十学位论文 在每个通信阶段的状况进行了分析，对p l c 、组态软件、数据库的通信做了仔 细的说明。最后利用v c 编写串行通信模块以及组态软件的动态数据交换( d d e ) 功能，实现了车检器的数据集成。 第7 章总结了全文并以此项目为背景，对项目的完善与扩展进行了展望。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章相关关键技术 本隧道监控系统以及其各子系统所涉及到的主要技术包括：组态软件，p l c ， c a n 总线等等，当然还包括它们之间的数据以及信息通信。下面，我就详细介 绍一下这些技术的情况。 2 1 组态软件 根据本隧道监控系统的需求，我们选择了北京亚控开发的组态王 k i n g v i e w 6 5 2 来作为本项目的上位机软件，具体情况将在后面章节详细介绍。 下面介绍一下工程监控用的组态软件技术及其特点。 2 1 1 监控组态软件背景 监控组态软件是伴随着计算机技术的突飞猛进发展起来的。6 0 年代虽然计 算机开始涉足工业过程控制，但由于计算机技术人员缺乏工厂仪表和工业过程 的知识，导致计算机工业过程系统在各行业的推广速度比较缓慢。7 0 年代初期， 微处理器的出现，促进了计算机控制走向成熟。首先，微处理器在提高计算能 力的基础上，大大降低了计算机的硬件成本，缩小了计算机的体积，很多从事 控制仪表和原来一直就从事工控制计算机的公司先后推出了新型控制系统。这 一历史时期较有代表性的就是1 9 7 5 年美国h o n e y w e l l 公司推出的世界上第一套 d c st d c ，2 0 0 0 。而随后的2 0 年间，d c s 及其计算机控制技术日趋成熟得到了 广泛应用，此时的d c s 己具有较丰富的软件，包括计算机系统软件( 操作系统) 、 组态软件、控制软件、操作站软件以及其他辅助软件( 如通信软件) 等i | 7 1 。 组态软件之所以能够得到用户和d c s 厂商两方面的认可，主要有以下两个 原副5 】： ( 1 ) 计算机操作系统同趋稳定可靠，实时处理能力加强且价格便宜。 ( 2 ) 个人计算机的软件及开发上具丰富，使组态软件的功能强大开发周期相 应缩短，软件升级和维护也较方便。 目前多数组态软件都是在w i n d o w s3 1 或3 2 操作系统下逐渐成熟起来的。 4 武汉理：【大学硕士学位论文 国外少数组态软件可以在o s 2 或u n i x 环境下运行。目前前绝大多数组态软件 都运行在w i n d o w s9 8 n t 环境下。较理想的环境是w i n d o w sn t 2 0 0 0 操作系统。 因为其内核是原来的v m s 的变种，可靠性和实时性都好于w i n d o w s9 8 。 2 1 2 监控组态软件的特点与功能 监控组态软件与传统的工业控制软件相比，有其自身的特剧6 j ： ( 1 ) 监控组态软件最突出的特点是实时多任务。例如，数据采集与输出，数 据处理与算法实现，图形显示及人机对话，实时数据及历史数据的存储和检索， 实时通讯等多个任务要在同一台计算机上同时进行。 ( 2 ) 安全性和可靠性。要求在计算机和数据采集控制设备正常上作的情况下， 软件系统能够连续不问断的安全可靠的工作并兼具故障诊断和故障恢复功能。 ( 3 ) 适应性。系统配置灵活，对现场适应性好，可根据应用规模和用的要求 配置各种大、中、小型监控系统。 ( 4 ) 系统可维护性。需要提供大量用户可维护的工具和接e l ，提高其可维护 性。 监控组态软件的功能： ( 1 ) 监控功能即系统的实时测量和控制功能，包括对远程设备和仪表的开关 量输入输出、模拟量的输入输出的测量、控制功能。 ( 2 ) 组态功能即人机图形界面功能，包括根据实际控制网络及对象给出形象 而具体的图形界面，方便操作人员进行实时监视和控制。 ( 3 ) 数据库管理功能，要求监控组态软件应支持实时和历史数据库操作，对现 场全部运行当前及历史数据进行存储、查询和分析的功能。 根据本项目的特点，以及组态软件和p l c 在工程中的优势，所以本课题软 件系统选择了组态王k 1 n g v i e w 6 5 2 软件来实现。组态王工控组态软件由北京 亚控自动化软件公司开发，以w i n d o w s2 0 0 0 中文操作系统为操作平台，充分利 用了w i n d o w s 的图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点。它使采用微 机开发的系统工程比以往使用专用机开发的工业控制系统更具通用性，大大减 少了工控软件开发者的重复性工作，并可运用微机丰富的软件资源进行开发。组 态王k i n g v i e w 6 5 2 上位机监控软件采用当今世界先进技术，系统的配置和画面 组态方便，系统结构灵活开放，在w i n d o w s2 0 0 0 平台上运行，通过策略和画面 组态在上位机上实现对工业控制系统的监视和控制，具有动态画面、事件触发、 5 武汉理上火学硕士学位论文 报警、趋势、报表输出，历史数据存储等功能，体现了良好的通用性、灵活性、 开放性、可靠性和性能价格比，并且有中文操作模式，能够进行中文画面组态。 2 2p l c 可编程控制器( p l c ) 是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可修改的程 序存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过 模拟和数字输入、输出等功能组件，控制各种机械或工作程序。长期以来，p l c 一直在各个行业的自动化控制领域得到广泛的使用，为各种各样的自动化设备 提供了非常可靠的控制应用。 在p l c 出现之前，监控系统多采用v i s u a lc + + 和单片机来实现，整个设计 工作繁琐，开发周期长，界面单调，实现功能也较少。随着工业自动化程度的日 益提高，可编程控制器( p l c ) 的使用越来越普遍。p l c 使用简单方便，故障率低， 对现场环境要求不高，因而倍受青睐。在现在的很多自控系统中，常常选用p l c 作为现场级的控制设备，用于数据采集和控制；而在系统上位机( 通常为工控机) 上利用工控组态软件来完成工业流程及控制参数的显示，实现生产监控和管理 等功能用。 2 2 1p l c 的特点 p l c 融合了继电器控制、半导体无触点控制和计算机控制的诸多特点。它 不仅可以代替继电器控制，使硬件软化，提高系统的可靠性和柔性，而且还具有运 算、计数、定时、通讯联网等功能，是现代工业控制技术的一个飞跃。它具有以 下特点【8 j ： ( 1 ) 通用性强 它采用了微型计算机的基本结构，而其接口电路依工业控制技术进行设计， 输出接口的驱动功能强，可直接驱动接触器、继电器、电磁阀线圈等，免除了微型 计算机二次开发的困难。因而，不同的控制对象可采用不同的硬件，只要改变软件 程序即可实现不同的控制。 ( 2 ) 可靠性高 可靠性高是p l c 的又一个突出特点。由于p l c 在硬件、软件两方面采取了 种种措施，使其对偶发性故障能够抵御和控制，对于永久性故障能够限制、诊断、 6 武汉理工大学硕士学位论文 指示，因而，使它的运转率非常高。 ( 3 ) 编程简单 不需要昂贵的开发系统，不需要很深的计算机编程。它的编程面向控制对象， 所以容易掌握。尤其是p l c 采用了梯形图编程，就更容易掌握，电气工人经过很短 时间培训学习，便可掌握其基本原理及使用、编程方法。 ( 4 ) 接线简单 只要将提供输入信息的按钮、限位开关、光电开关等接至p l c 的输入接口， 将输出控制对象接触器、继电器、电磁阀、电磁铁功能输出线圈接至p l c 的输 出接口，然后接到相应电压的电源上就完成了全部接线任务。 ( 5 ) 抗干扰能力强 可将p l c 直接安装于生产机械设备上，能抵抗1 0 0 0 w 1 【l s 电脉冲的干扰，又具 有故障自诊断功能。 ( 6 ) 对电源要求不高 对直流2 4 v 供电的p l c ，电压允许在1 6 3 2 v 之间，以交流2 2 0 v 供电的p l c ， 电压允许在1 9 p - 2 6 0 v 之间波动。p l c 一般都具有锂电池进行电源掉电保护。 ( 7 ) 扩充方便、组合灵活 p l c 产品一般都具有扩展单元，可以很方便地组成适应于不同工业控制需要 的输入输出( i o ) 点数的系统。 ( 8 ) 有不同的输出形式 适用于不同负载的要求。有继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出。 2 2 2p l c 的编程 p l c 所采用的编程软件是f x g p - 、矾c ，c a n s e t 软件的运行需要v b 或 v c 的支持。 p l c 程序设计流程图如图2 - 1 所示： 7 武汉理工大学硕十学位论文 阿i 面耵该硐 ! ! q 篓撞囤 塑苎 n o 囤y e s y e s l 编辑技术文档 ：i一 图2 - 1p l c 程序设计流程图 其中p l c 梯形图的设计分为如下几步降j ： 1 1 分析问题，明确所要解决问题的要求和目标 2 1 确定控制过程时序流程图 3 1 确定采用的编程语言和算法子程序 钔根据流程图和输入输出参数编制p l c 逻辑控制程序 5 1 总装调试：通过p l c 编程器输入程序，按照硬件设计图现场接线并调试。 下面给出了一个梯形图的例子( 如图2 2 ) ，它完成的功能是对p l c 进行初 始化，然后通过c a n 网获得相关的控制命令( 控制风机) ，并将它所控制的设 备( 风机) 的状态返回给主控p l c 。 8 圃 母 ，一控一 上旗一 赢一 壹 函 瓦一 一圈一 一图一 篇 一 程一 一形一 甫 一 ，流一上梯一丧堕 制一 一计一 藿室 一 一绘 一设一 翁 一 一 一 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3p l c 的联网 图2 - 2 梯形图 p l c 系统的工作任务相对简单，且需要传输的数据量一般不会太大，所以 常见的p l c 系统为一层网络结构。p l c 一般应用在小型自控场所，比如设备的 控制或少量模拟量的控制及联锁。小范围的集中式控制环境是p l c 发挥功能的 最佳舞台。 目前，只有少量型号的p l c 集成有e t h e r n e t 或现场总线c a n b u s 通讯接口， 价格也较贵；一般常见p l c 型号没有随本机集成通讯功能，不便于组建多台p l c 构成的中型控制网络。但是，随着应用技术的发展，经常会出现一些应用场合， 在面积较大的范围内，需要n 台p l c 协同完成一个系统的综合控制。此时，原 有集中控制的单一p l c 控制方案就显得力所不及，p l c 网络的需求也应运而生 【1 5 ，1 6 】 o 本项目是使用的一种基于现场总线c a n b u s 的p l c 网络方案，能够对多台 联网的p l c 实现远程配置、数据通信，并能够在投入较低硬件成本的基础上， 实现良好的系统运行性能。这个方案也充分发挥了现场总线c a n b u s 的通信特 点：实时、可靠、高速、远距离、易维护等。此方案是现场总线技术与集中控 制技术的有机结合，联网后的p l c 网络可以构成一个性能优秀的d c s 系统； 用户在同一个主控制器上可以远程监控、改变任何一台联网p l c 的程序或状态。 通过一个r s 2 3 2 r s 4 8 5 转c a n b u s 网关进行信号转换，独立p l c 就具有了 现场总线c a n b u s 通讯接口。多台具有现场总线c a n b u s 通讯接口的p l c 之 间相互连接，即可以组建p l c 网络。多台p l c 联网，由1 台主控p l c 作为主 控制器。在数据集成章节将详细介绍本系统结构。 9 武汉理_ t 大学硕士学位论文 2 3c a n 总线技术 p l c 的联网关键在于c a n 总线。c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 意为控制器 局域网络，是目前比较流行的一种现场总线，最早用于汽车内部检测部件与执行 部件间的数据通信。由于本身的特点，其应用范围已不再局限于汽车工业，而 向过程控制、机械工业、纺织工业、机器人、数控机床、医疗器械、智能建筑 等领域发展。c a n 已经形成国际标准，通信协议符合i s o l l 8 9 82 0 a 和s d s ， 并已经被公认为几种最有效的现场总线之一。c a n 总线目前主要有两种技术规 范：即q 气n 2 0p a r t a 和( a n 2 0p a r tb 。 c a n 总线属于总线型串行通信网络，有下列诸多特点【捌： ( 1 ) 采用多主工作方式，节点之间不分主从，依据优先级进行总线访问，通信 方式灵活。 ( 2 ) 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，按优 先级发送。 ( 3 ) 借助接收滤波的多地址帧传送。 ( 4 ) 远程数据请求。c a n 的直线通信距离最远可达1 0k m ( 速率5 k b p s 以下) 通信速率最高可达1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0m ) 。 ( 5 ) 全系统数据兼容，系统灵活。不关闭总线即可任意挂接或拆除节点。 ( 6 ) 通信介质可采用双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。现场布线和安装简 单，易于维护，经济性好。 ( 7 ) 严格的错误检测和界定。c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输 出的功能，以使总线上其它节点的操作不受影响。 ( 8 ) c a n 总线上的节点数主要取决于总线驱动电路，在c a n 2 0b 标准中， 其报文标识符几乎不受限制。 总之，c a n 总线具有实时性强、可靠性高、通信速率快、结构简单、互操 作性好、总线协议具有完善的错误处理机制、灵活性高和价格低廉等特点。在 联网方面，现场总线c a n b u s 网络的拓扑结构一般使用直线结构。所有c a n b u s 设备节点通过短分支线连接至c a n b u s 网络的主干线；短分支线不宜过长，一 般必须小于3 0 米。如果因网络布线、地理环境等因素，需要改变c a n b u s 网 络的拓扑结构，则可以通过c a n b r i d g e 网桥或c a n h u b 集线器【矧。 1 0 武汉理下大学硕十学位论文 2 4 本章小结 本章论述组态软件、p l c 以及c a n 总线的特点和它们在工程项目中的优势。 其中介绍了组态软件不同于其它软件的自身特点，给出了组态软件系统的总体 结构以及基本功能。再介绍了p l c 的特点，以及多个p l c 通过c a n 总线进行 联网通信的方法。并引用本课题项目实例介绍了p l c 的程序设计过程。最后， 简单介绍了c a n 总线的特点。 武汉理工大学硕十学位论文 第3 章系统整体概述 系统的总体设计是整个系统得以实现的最重要的环节之一。它的正确性、 可行性、先进性等因数自接决定了系统的功能和性能，并对系统的可靠性、实 时性、可扩展性以及运行效率等性能指标有很大的影响。 3 1 概述 本课题的项目源于武汉市首义广场地下通道监控系统，位于武汉市武昌区交 通枢纽武珞路与长江一桥的交汇处，全长6 2 0 米双向四车道。本工程建成后是 武汉市主干公路网的重要组成部分，处于城市公路交通网的咽喉地段，无替代 道路可选择，救援、维修比较困难。因此，保持通道的安全畅通对整个武汉市 主干公路网的正常运行非常重要。隧道监控系统是保障隧道交通安全畅通、提 高隧道交通通行效率和舒适度的关键系统。本系统涉及视频、交通、照明以及 隧道通风等几大部分，所以外场设备数量多，安装位置遍布整条隧道，及其分 散。这就需要根据情况按区域进行划分。 3 2 系统功能 本系统的主要实现功能： ( 1 ) 实现隧道的集中监控管理，提供安全有序的行车环境。 实现隧道内交通的全线实时监控，能够自动采集和分析主要的交通数据， 管理部门对隧道内的交通及道路状况能及时掌握和处理：对交通流进行基本的 控制，合理组织资源，防止交通阻塞，减少交通延误，减少由于异常事件、交 通事故、隧道维护、施工等因素对交通的影响，同时也最大限度地保障隧道使 用者的人身和财产安全。 ( 2 ) 对隧道平纵线形标准较低的路段进行重点监控 一方面减少事故的发生，另一方面在发生事故后能快速发观并及时采取处 理措施。同时可以通过对重点地段检测数据的处理分析，使交通控制更具有针 1 2 武汉理工大学硕十学位论文 对性，提高隧道的管理水平。在发生交通事件( 包括交通事故、火灾、车辆抛 锚、货物散落等) 的情况下： 1 ) 可以通过监控设备和管理手段，具有快速反应、综合应变能力，以及对事 件中需要救助的人员能进行及时紧急救援，监控系统与交警、隧道养护管理、 消防、医疗急救等部门保持通讯联系，在事件发生后能以最快的速度来保障隧 道使用者生命和财产的安全； 2 ) 如事件对隧道交通影响的严重程度不高，只阻塞部分车道，可实行车道运 行状态控制，通过对车道的通行、关闭、变道指示控制，配合语音广播，进行 相应的交通组织管理，降低事件对隧道交通影响的严重程度，有效地预防二次 事故的发生，尽可能保证隧道交通的正常运行； 3 ) 如事件严重影响隧道交通，造成单向的隧道交通中断，则需要对隧道入1 3 进行及时的关闭。 ( 3 ) 实时掌握隧道运营状况，提高实现隧道服务水准 为合理配置隧道养护维修资源提供决策信息，为降低隧道运营维护成本提 供科学技术依据，保证隧道检查维修策略制定具有针对性、及时性和高效性； 3 3 视频图像监控子系统 本系统是通过多个适当布设于现场的视频图像摄像机，获得覆盖整个隧道 空间9 0 以上的图像信息。 系统功能如下： ( 1 ) 监视整条隧道、出入口的运营状况，协助值班人员指挥行车； ( 2 ) 在事件报警情况下，通过控制台将电视墙监视画面切换至相关区段，使 中央控制室能更加清晰地监视事故现场情况，特别是火灾时，能及时了解现场 的灾害规模及车辆、乘客疏散情况。 ( 3 ) 系统能对视频信号进行数字化存储和回放，普通视频信息存储周期大于 一周，敏感信息可保存三个月以上，特殊信息可保存一年以上。 3 4 广播通讯和紧急电话子系统 在隧道内设置紧急电话和隧道广播系统，当隧道出现紧急情况时，监控中 武汉理工大学硕士学位论文 心可以利用紧急电话和隧道广播系统呼叫，及时疏导交通。也可以通过隧道紧 急电话向监控分中心报警，或在监控分中心通过闭路监控和火灾报警发现紧急 情况，用隧道广播呼叫，疏导交通，隧道内紧急电话既可向监控分中心通报紧 急事件信息，又可监听隧道内隧道广播效果。 在首义广场地下隧道采用紧急电话和广播系统二合一的控制方式，主要是 隧道广播系统与紧急电话系统综合在一起，即共用一个控制主机，共用同一软 件平台，综合利用2 芯光纤作为传输媒质。在监控中心设置一套a s i 紧急电话 控制台，控制和管理隧道内所有紧急电话分机和广播，负责呼叫网的运行，处 理接收到的信息，同时对隧道洞内外进行广播，指挥调度，疏导交通和组织救 援等，呼叫隧道广播时可同时接听紧急电话。 3 5 交通控制子系统 本系统根据中央计算机信息系统得到的交通参数，通过交通控制系统主控 站发出自动或手动控制信号，控制隧道口交通信号灯和隧道内车道控制灯，调 整控制隧道的交通状况。交通信号灯有自动、手动方式，均受交通控制操作台 控制。通常情况下交通信号灯显示通行信号，在交通阻塞或出现特殊状况时， 由中控室操作人员手动控制交通信号灯。车道灯主要用于根据隧道现场状况， 控制各车道禁行或通行，通常情况下为通行状态，若出现交通事故或其它特殊 状况，该车道禁行。 3 6 交通流及环境监控子系统 本子系统包含两个大功能模块：交通流检测与隧道环境参数检测。 ( 1 ) 交通流检测 隧道交通流信息主要指隧道内实时的交通参数和交通事件信息，采用环形 线圈检测器进行交通流检测，保证检测结果的可靠性和准确性。主要检测以下交 通参数：每一车道和同一行驶方向上所通过的车流量、车辆速度、每一车道的 车辆占有率等信息。交通流检测是交通监控子系统的重要组成部分，本系统在 隧道全线范围内，实时收集各类交通运行信息，对全线交通流的变化进行监视。 ( 2 ) 隧道环境参数检测 1 4 武汉理工大学硕十学位论文 完成隧道内能见度、c o 浓度、纵向风速和洞口自然光光强的检测。这些环 境参数是保障隧道内行车安全，实现通风、照明节能控制的重要基础。 系统通过c o l 检测仪( 分别在左、右隧道内综合信息节点( 隧道中点) 处设置1 套c o i 检测仪) ，实时检测隧道内一氧化碳浓度和能见度。 系统通过风向风速检测仪( 分别在左、右隧道内综合信息节点( 隧道中点) 处设置1 套风向风速仪) 实时检测车行隧道风速。 系统通过隧道专用照度计( 分别设于主隧道某端入洞口) ，实时检测隧道口 的光强( 或照度) 。 ( 3 ) 交通流与环境监控软件功能 1 ) 实时准确获取各车道交通运行参数( 车速、流量、占有率) ，并存入数据 库。 2 ) 系统具有交通资料显示、统计、查询、打印的功能。 3 ) 系统能显示交通信号灯及车道控制灯的位置和状态，并能进行控制( 如能 选择行车方向，禁闭或开通任意车道或车道各段) 。 4 ) 根据交通参数按一定的模型，推断出隧道内各区段的交通状况( 正常、拥 挤、阻塞) ，根据预定的控制模式发出指令，通过信号灯对车辆进行控制。 5 ) 系统能显示隧道内一氧化碳浓度及能见度值，隧道纵向风速、隧道洞e l 自 然光光强等环境信息，当一氧化碳浓度超出安全浓度时，发出报警。 系统提供一定扩展接e l 。 界面实现图( 3 2 ) 交通流检测界面和图( 3 3 ) 环境检测界面如下： 1 5 武汉理j = 大学硕士学位论文 ! 型o ! ! ! ! ! _ _ i ! 女! j 图3 2 交通流检测界面 l ：= = ：= ：；：誓箸= 鲨鲁- _ 譬= i - 一 纠、境敏捌韫q i 界面 m4 3 6 92 t t _ 。1 08 8m - _ ol-_o t _ 9 7 80 - t tr - 6 3 4 e 一4 】一2 2 6 n e 二二二 图3 - 3 环境监测界面 武汉理工大学硕士学位论文 3 7 其它外围设备子系统 整个系统十分完善，其他外围设备及相关子系统如下： ( 1 ) 通风及其控制系统 如果隧道内通风不畅，汽车运行时引起的扬尘、汽车排放的尾气等沉积于 隧道，既对人的健康不利，又影响驾驶员的视线，当隧道内一氧化碳( c o ) 浓度 达到某个界限时，就可能会引起火灾，所以通风系统是否能正常运转对隧道运 行管理是十分重要的。 ( 2 ) 照明及其控制系统 照明系统是隧道机电系统中最重要的设施之一，也是整个机电工程中投资 最大的一个系统，它给隧道内提供一个良好的视觉环境，对于洞内设施养护、 维修、确保行车安全起着重要作用。 ( 3 ) 供配电系统 供配电系统是隧道机电系统的关键系统，它一旦出故障，整个隧道机电系 统也将陷于瘫痪，因此该系统运行好坏，直接关系到整个隧道能否正常运行。 ( 4 ) 火灾检测、报警及其控制系统 由于隧道是一种特殊的构筑物，一旦洞内发生火灾，烟雾便会迅速充满整 个隧道，对隧道主体工程和人身危害特别大，因此及时发现火灾，制止火灾扩 大，防止造成严重后果是火灾检测与报警系统的目的，也是隧道机电系统中最 重要的部分之一。 ( 5 ) 防雷接地系统 随着计算机技术的发展，对隧道机电设备普遍采用计算机技术控制。但是 同时也带来了新的问题，由于计算机控制电路板采用大规模、超大规模集成电 路元件，在雷电过压情况下使系统非常脆弱。为了隧道的安全运行，机电系统 的防雷接地问题已显得日益突出。 3 8 本章小结 本章介绍了整个系统的设计目标、功能以及结构，描述了各子系统的功能、 参数及设计。这些为整个系统的集成提供了基础。 1 7 武汉理r 大学硕士学位论文 第4 章系统界面集成 上章节已经详细介绍了整个系统是如何划分为各子系统模块的。子系统 模块分由各专门负责的人员实现各自的状态界面以及控制面板来实现与下位机 p l c 的数据通信和对相应设备的控制。本章节就来介绍如何将这些子系统模块 集成为一个主系统界面来方便操作员实现对整个隧道的监控。 4 1 界面集成的策略 在本系统中，人机接口是其中相当重要的一部分。它负责把用户输入的信 息转换成系统能够处理的内部表现形式，同时负责把系统输出的内部信息转换 为用户易于理解的外部表现形式显示给用户。因此，对于最终系统来说人机接 口就是整个系统，人机界面的设计质量直接影响用户对软件产品的评价，从而 影响软件产品的质量和寿命，因此，我们必须对人机界面的设计给以充分重视 1 2 4 1 o 4 1 1 界面的设计原则 本系统软件的最终用户是企业中的操作人员，他们精通专业领域的知识， 却不能熟练地操作计算机，因此本系统软件宜采用基于图形的直接操纵式界面。 本监控系统软件是一种具有高度交互性的人机系统，它的界面设计有着更高的 要求和独特之处，因此我们有必要对其界面设计进行专门研究。 界面设计的好坏与设计者的经验有直接有关系，有些原则对几乎所有良好 的人机界面的设计都是适用的，一般地可从可交互性、信息显示、数据输入等 方面考虑f 2 5 御： ( 1 ) n 交互性 一般可交互性原则涉及信息显示、数据输入和整体系统的控制，因此下面 这些原则是全局性的。提高可交互性的措施如下： 1 ) 在同一用户界面中，所有的菜单选择、命令输入、数据显示和其他功能应 始终保持同一种形式和风格，风格一致的人机界面会给人一种简洁、和谐的美 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 感。 2 1 通过向用户提供视觉和听觉上的反馈，以保证在用户与界面之间建立双向 通信。 3 ) 按功能分类组织界面上的活动。下拉菜单的一个主要优点就是能按动作类 型组织命令。设计者应该尽力提高命令和动作组织的“内聚性”。 4 1 人机界面应该提供上下文敏感的求助系统，让用户及时获得帮助。 ( 2 ) 信息显示原则 为了较好地满足用户地需求，界面显示的信息应该是完整的、清晰的，并 且必须容易让人理解。下面是信息显示的形式和方式的一些原则： 1 ) 仅显示与当前上下文有关的信息。用户在获得有关系统的特定功能的信息 时，不必看到与之无关的数据、菜单和图形。 2 ) 采用简单明了的表达方式，便于用户迅速地吸取信息。采用统一的标号、 约定俗成的缩写和预先定义好的颜色。显示的含义应该很明确，用户不必参照 其他信息源就能理解。 3 ) 合理划分并高效使用显示屏。允许用户对可视环境进行维护：如放大、缩 小图像；