（计算机应用技术专业论文）基于城市隧道照明控制的分析研究.pdf

摘要 隧道照明控制存在的最主要问题：当白天汽车从外部进入隧道的时候，由 于隧道内外的亮度存在差别，如果隧道内部照明不够充分，车辆从外部进入时 会产生“黑洞 和“黑框 现象，车辆进入隧道后，司机从一个明亮的环境进 入到相对黑暗的环境，需要一段时间来适应，这就给司机带来一定的心理压力， 容易出现事故。夜晚的情况刚好相反，司机从一个相对黑暗的环境进入到一个 相对明亮的环境，如果亮度差别太大，也会给司机造成一定的心理压力，容易 出现事故。如果隧道内部出现事故就相对难处理一点，这无疑就给本来压力重 重的城市交通带来更大的不便。 以武汉市中山路地下通道通道监控系统为基础，提出一个适合城市隧道的 照明控制策略，使之能根据实际情况对隧道的照明系统进行控制0 由于目前没 有现行的城市隧道照明控制的标准，参考公路隧道标准提出适合城市隧道照明 控制的一个新的可供参考的标准公式。同时在神经网络和模糊控制的基础上， 建立了一个智能控制模型。 详细介绍照明控制系统的总体功能需求和设计依据，同时介绍了p l c 控制 器和组态软件的基本情况及选型依据。详细的介绍了p l c 控制器和组态软件的 特点以及国内外这两种设备的发展和产品情况。同时详细地介绍的两种经典控 制系统：集散控制系统和现场总线控制系统，论述了两者的异同。 从整体上阐述了照明控制系统的系统结构，以及软硬件设备的选型。详细 的介绍了照明控制子系统的软件系统模块的划分，具体的分析了各个模块的功 能需求，并确定了照明显示、照明控制和照明预案管理三个核心模块。随后具 体的阐述了各个功能模块的设计与实现，介绍了系统功能界面的设计与是实现， 以及数据库功能的设计与实现。在照明控制模块和照明预案管理模块中对之前 提出的照明控制策略进行了实现。 最后阐述了系统完成后的实用结果，对采集到的数据进行分析，说明了通 过照明控制子系统的控制，在隧道的照明控制结果中取得了比较好的控制效果， 达到了预期目标。具体的说明了文章的尚未解决的问题和可以继续优化的方面， 为后期的研究提供的参考。 关键词 城市隧道，照明控制策略，照度，神经网络，p l c a b s t ra c t t h em a j o rp r o b l e me x i s ti nt h et u n n e li sw h e nt h ec a re n t e rt h et u n n e li nt h ed a y , t h e r ew o u l db eo c c u rt h e b l a c kf r a m e o rt h e b l a c kh o l e p h e n o m e n ab e c a u s eo ft h e d e f i c i e n c yo f t h ei l l u m i n a t i o ni nt h et u n n e l t h ed r i v e r sn e e da s p a nt i m et oa d a p tt h e d i f f e r e n c e sb e t w e e nt h ei l l u m i n i a t i o no u s i d et h et u n n e la n di l l u m i n a t i o ni n s i d et h e t u n n e l t h i sb r i n g st h ed r i v e r st oac e r t a i nd e g r e eo f p s y c h o l o g i c a lp r e s s u r e ，a n dm a k e t h ea c c i d e n te a s e l t oo c c u r t h er e v e r s ei st h ec a s et h en i g h t ，d r i v e r sc o m ei n t oa b r i g h t e re n v i r o n m e n tf r o mad a r k e re n v i r o n m e n t ，t h i sb r i n g st h ed r i v e r st oac e r t a i n d e g r e eo fp s y c h o l o g i c a lp r e s s u r ei ft h ed i f f e r e n c ei st o ob i g a se v e r y o n ek n o w s ，i ti s m u c hm o r eh a r d e rt od e a lw i t ht h ea c c i d e n ti nt h et u n n e la st h ea c c i d e n to u to ft u n n e l ， s ot h ei l l u m i n a t i o ni nt h ee i t yt u n n e lb e c a m em o r ea n dm o r d i m p o r t a n t t a k et h em o n i t e rs y s t e mo ft h ez h o n g s h a nr o a du n d e r g r o u n dp a s s a g ef o r e x a m p l e ，t op u tf o r w a r das t r a t e g yw h i c hi ss u i t a b l ef o rt h ee i t yt u n n e lt oc o n t r o lt h e i l l u m i n a t i o ns y s t e mi nt h et u n n e la c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o n i ti sb e c a u s et h e r e i sn os t a n d a r dw i t ht h ee i t yt u n n e lt o d a y , r e f e r e n c es t a n d a r d so fh i g h w a yt u n n e lt o p u tf o r w a r dan e wf o r m u l aw i t hc i t yt u n n e l t h e r ea l s oe s t a b l i s h e dai n t e l l i g e n tm o d e l w i t ht h en e u r a ln e t w o r ka n df u z z y - c o n t r 0 1 ， t oi n t r o d u c et h eo v e r a l lf u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t s a n dd e s i g nb a s i so f i l l u m i n a t i o ns y s t e mi nd e t a i l i ta l s oi n t r o d u c e sb a s i ci n f o r m a t i o no ft h ep l c c o n t r o l l e ra n dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e t h e nd e t a i l e da c c o u n to ft h ep l cc o n t r o l l e r a n dt h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ef e a t u r e sa n dp r o d u c td e v e l o p m e n ts i t u a t i o ni n s i d ea n d o u t s i d et h ec o u n t r y d i s c u s s e st h es i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e sb e t w e e nt h ed i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e ma n df i e l d b u sc o n t r o ls y s t e mi nd e t a i l t oe x p a t i a t et h es y s t e ma r c h i t e c t u r eo fi l l u m i n a t i o ns y s t e ma n dt h et y p eo f s o f e w a r ea n dh a r d w a r e t oi n t r o d u c e dt h ed i f f e r e n ts u b s y s t e mo ft h ei l l u m i n a t i o n s y s t e m ，a n da n a l y s et h e f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so ft h ed i f f e r e n ts u b s y s t e m s a sa r e s u l ti tc o n f i r m st h ei l l u m i n a t i o nd i s t i n c t n e s s ，i l l u m i n a t i o nc o n t r o la n di l l u m i n a t i o n p l a nm a n a g e m e n tt ob et h et h r e ek e ym o d u l e s t h e ne x p a t i a t et h ed e s i g na n de i m p l e m e n t a t i o no fe a c hf u n c t i o n a lm o d u l e t oi n t r o d u c eh o wt oi m p l e m e n t a t et h e u s e ri n t e r f a c eo fd i f f e r e n ts u b s y s t e m sa n dd a t a b a s ef u n c t i o n s i m p l e m e n t a t et h e i i s t a t e g yw h i c hp u tf o r w a r db e f o r ei nt h ei l l u m i n a t i o nc o n t r o lm o d u l e f i n a l l y , t oe x p a t i a t et h e r e s u ro ft h e s y s t e m c o n t r 0 1 i ts h o w st h a tt h e i l l u m i n a t i o ns y s t e mc a nc o n t r o lt h ei l l u m i n a t i o no fc i t yt u n n e lw e l lb ya n a l y s i st h e d e t a i l so ft h ec o l l e c i o nd a t a t h a ti st os a yt h ei l l u m i n a t i o na c h i e v e dt h ee x p e c t e d g o a l s i ti sa l s oe x p l a i nt h eu n f a t h o m e dp r o b l e m sa n dt h ef u n c t i o nc a nb eo p t i m i z e d i nt h ei l l u m i n a t i o ns y s t e m t h a tc o u l db et h er e f e r a c eo ft h el a t t e rr e s e a r c h k e y w o r d s c i t yt u n n e l ，i l l u m i n a t i o nc o n t r o ls t a t e g y , i l l u m i n a n c e ，n e u r a ln e t w o r k ，p l c ! 1 1 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：盛日期：趋翌2 ：! c _ a 学位论文使用授权书 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 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 聊( 弼日期沏7 。r 矽 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着中国经济的飞速发展以及人民生活水平的提高，中国各个城市中的汽 车数量越来越多。相对与汽车数量的增长，各城市交通的发展相对缓慢，于是 就导致了“行车难 问题的产生。近些年来，各个城市交通的发展已经从空中 逐渐转移到地下，以求最大限度的空间利用，其中城市隧道的兴起就是一个典 型的代表。 我国在隧道及地下工程方面已经取得快速发展和举世瞩目的成就，并成为 世界上隧道数目居多、建设规模最大、发展速度最快的国家，而城市轨道交通 也开始进入一个快速发展的新时期。隧道方面：截至2 0 0 3 年底，我国大陆拥 有铁路隧道7 4 0 0 余座，总长度达4 2 0 0 k m ；公路隧道拥有1 9 7 0 余座，总长度 达1 0 0 0 k m 。从最近几年的建设规模和速度来看，单洞长度达2 0 k m 多的特长铁 路隧道和连拱、单洞双连道和四车道的公路隧道、双层水下公路隧道均脱颖而 出。在发展速度方面，铁路隧道和公路隧道分别以每年约3 0 0 k m 和1 5 0 k m 的速 度在增长。地下工程方面：大批地下厂房、地下商场、娱乐场所和图书馆，集 中活动于地下。还有地下停车场、飞机库、油库等地下设施，充分利用地下空 间，创造了不少社会效益和经济效益。城市轨道交通方面：到2 0 0 4 年底，上 海、重庆、武汉、深圳、广州、天津等大城市将有约4 0 0 k m 的轨道交通投入运 营。其中2 0 0 1 - - 2 0 0 4 年4 年间新增加的线路长度超过了前3 0 年的总和，形成 了以地下线路为主，地面线、高架线、轻轨、快轨、跨座式单轨等多种轨道并 举的快速轨道交通新格局。 随之而来的就是城市隧道中的一系列问题，作为与人们日常生活密切相 关的一个重要因素，如何处理城市隧道中的各种问题，保证隧道的畅通和行 车的安全已经越来越被人们所重视。与公路隧道不同，城市隧道有着自身的 特点：城市隧道行车速度相对较慢，车辆在隧道内部逗留的时间较长，产生 的汽车尾气较多，车流量较大，事故造成的影响较大，同时城市隧道还是城 市中一个重要的景观。城市隧道中包含的问题包括：隧道内灯光的控制，汽 车尾气的处理，雨水的处理等一系列问题。 武汉理工大学硕士学位论文 隧道监控系统使解决上述问题的一种行之有效的方法。故监控系统的自动 化、智能化、合理化、规范化就显得尤为重要。照明控制作为城市隧道监控系 统中一个相对重要的子系统，目前还没有现行的控制标准，使得照明控制不够 规范和合理。而照明系统的控制多为手动控制，缺乏根据实际情况实现自动控 制的理论，使得自动化的监控系统不够自动化及智能化，从而增加了能耗，也 给安全行车带来隐患。 隧道照明控制存在的最主要问题：当白天汽车从外部进入隧道的时候，由 于隧道内外的亮度存在差别，如果隧道内部照明不够充分，车辆从外部进入时 会产生“黑洞和“黑框 现象川，车辆进入隧道后，司机从一个明亮的环境 进入到相对黑暗的环境，需要一段时间来适应，这就给司机带来一定的心理压 力，容易出现事故。夜晚的情况刚好相反，司机从一个相对黑暗的环境进入到 一个相对明亮的环境，如果亮度差别太大，也会给司机造成一定的心理压力， 容易出现事故。如果隧道内部出现事故就相对难处理一点，这无疑就给本来压 力重重的城市交通带来更大的不便，所以如何合理的控制城市隧道的灯光就显 得尤其重要“3 。 1 2 课题的来源 本论文课题来源于“武汉市首义广场地下通道监控系统 和“武汉市中 山路地下通道监控系统。 武昌首义广场地下通道全场6 2 0 多米，隧道为双向四车道，中间有中隔 墙分隔，设计车速为5 0 k m h 。整个监控系统共分为六个子系统：照明控制子 系统、交通控制子系统、通风控制子系统、视频监控子系统、广播电话子系 统和火灾报警子系统。 中山路隧道位于全国交通枢纽武昌火车站门前，隧道为双向四车道，中间 有中隔墙分隔，设计车速为5 0 k m h 。整个监控系统分为七个子系统：照明控 制子系统、交通控制子系统、通风控制子系统、视频监控子系统、广播电话报 警子系统、火灾报警子系统以及水泵控制子系统。本论文主要对其中的照明控 制子系统进行设计与实现。 1 3 课题的目的及意义 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 1 课题的目的 提出一个适合城市隧道的照明控制策略，使之能根据实际情况对隧道的 照明系统进行控制。由于目前没有现行的城市隧道照明控制的标准，参考公 路隧道标准提出适合城市隧道照明控制的一个新的可供参考的标准公式。同 时在神经网络和模糊控制的基础上，建立了一个智能控制模型。 1 3 2 课题的意义 设计照明控制系统，使之在新提出的智能控制策略下能够保证系统智能 自动的运行。并通过该系统能对城市隧道的照明起到积极的作用。为未来的 城市隧道的监控系统开发提供使用的参考价值。 1 4 国内外发展现状 世界各国都在发展智能交通系统。日本在公路隧道在前馈式通风控制技术 中的模糊控制，美国从1 9 6 8 年就开始进行异常检测的研究，到现在已进行了 3 0 多年的研究与实践，形成了单截面法、双截面法( 按检测界面分类) 宏观 法、微观法( 按输入数据类型分类) 平滑法、加洲法、h i o c c 法、卡尔曼滤波 法、互相关法、灾变法( 按数据处理方式分类) 等多种方法。 随着中国经济的飞速发展以及人民生活水平的提高，中国各个城市中的汽 车数量越来越多。相对与汽车数量的增长，各城市交通的发展相对缓慢，于是 就导致了“行车难问题的产生。近些年来，各个城市交通的发展已经从空中 逐渐转移到地下，以求最大限度的空间利用，其中城市隧道的兴起就是一个典 型的代表。各大城市纷纷将建设城市隧道作为解决城市行车难问题的有效方法 之一。继北京、上海等城市大力发展地下交通系统后，近些年来国内各大城市 的地下交通建设进入一个告诉发展的时期。就武汉市而言已建成洪山广场地下 通道、武昌阅马场地下通道、武汉理工大学地下通道、中山路地下通道，并有 拦江路地下通道等正在筹建中。 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 本章小结 本章首先阐述国内交通现状和地下交通的发展情况，同时说明了城市隧 道的优点和存在的问题。随后阐述了设计城市隧道监控系统的目的以及意义， 说明的课题的来源并初步介绍的城市隧道监控系统的主要部分以及本文主要 讨论方面既照明控制子系统。同时介绍了国内外智能交通系统的发展现状。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章照明控制系统的总体设计 2 1 系统的功能需求 照明控制子系统可以说是隧道监控系统的核心组成部分之一，合理且合 适的设计一个照明控制系统，不仅仅可以保证隧道内部灯组的自动控制，更 可以有效的降低隧道内部事故的发生率，为交通安全提供必要的保证。 总体上来说照明控制系统需要实现三个基本功能：数据的采集与显示、 灯组的控制以及专家预案功能的设置。 1 ) 数据的采集与显示功能是照明控制系统的基本功能模块。设计并实现 在计算机上的照明控制系统，通过安装在现场的各种设备，采集用于说感兴趣 的数据信息，并实时的将其显示出来，同时可以保存用户所需要的各种数据到 数据库中。 2 ) 灯组的控制是照明控制系统的核心内容，照明控制系统提供手动和自 动两种控制模式来满足用户的需求。用户可以根据实际情况自主的选择手动控 制模式或者自动控制模式。手动模式是：用户通过系统设计的模拟界面，便捷 地改变隧道内部灯组的状态。自动控制模式是：用户通过自己选择的专家预案， 由系统采用相应的控制策略自动调出预案实现灯组的自动控制。 3 ) 专家预案功能是系统提供的由具备高级权限的用户根据实际的需要和 实际的情况设定的符合特定条件的控制模式。该用户可以自主的设定控制预案 和预案执行的方式，使得系统在运行时更高效更有针对性。 2 2 系统的设计依据 长度大于l o o m 的隧道应设置照明。隧道白天按区段可分为入口段、过渡 段、中间段和出口段，各区段应有合适的长度和亮度值以满足人眼的视觉特 性。 照明设计路面亮度总均匀度u o 应不低于表2 - 1 的要求，路面亮度纵向均 匀度u 1 应不低于表2 - 2 的要求。 5 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 1 设计交通量n ( 辆h ) u o 双车道单向交通双车道双向交通 2 4 0 01 3 0 0 o 4 7 0 0 3 6 0o 3 表2 - 2 设计交通量n ( 辆h ) u 1 双车道单向交通双车道双向交通 2 4 0 01 3 0 0 0 6 - - 0 7 7 0 03 6 0 o 5 入口段：为了给汽车驾驶员提供一个良好的视觉环境，确保安全，在隧道 入口段的开头需要相对较高的亮度。入口段照明参数将在第4 章中详细阐述。 中间段的要求： 1 ) 中间段的亮度要求按表2 3 取值。 表2 - 3 计算行车速双车道单向交通n 2 4 0 0 辆双车道单向交通n 2 4 0 0 度( k m h ) h辆h 或双车道双向交通n 1 3 0 0或双车道双向交通n 辆h1 3 0 0 辆h 1 0 09 04 0 8 04 5 2 o 6 02 51 5 4 01 5 1 5 2 ) 当双车道单向交通在7 0 0 辆h 与2 4 0 0 辆h 之间，双向交通在3 6 0 辆 h 与1 3 0 0 辆h 之间且通过隧道的行车时间超过1 3 5 s 时，可按表2 3 的8 0 取值。 3 ) 人车混合通行的隧道中，中间段亮度不得低于2 5c d m 。 4 ) 隧道两侧墙面2 m 高范围内，宜铺设反射率小于0 7 的墙面材料。 5 ) 中间段灯具的平面布置形式可采用单光带布置、两侧交错布置或两侧 对称布置。 6 ) 灯具布置应满足闪烁频率低于2 5 h z 或者高于1 5 h e 的要求 6 武汉理工大学硕士学位论文 7 ) 紧急停车带宜采用荧光灯光源，其照明亮度应大于7c d m 2 。 8 ) 连接通道亮度应大于2c d m 。 出口段照明： 1 ) 在单向交通隧道中，应设置出口段照；出口段长度宜取6 0 m ，亮度宜取 中间段亮度的5 倍。 2 ) 在双向交通隧道中，可补设出口段照明瞄1 。 2 3p l c 控制器的选择 p l c 英文全称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 ，中文全称为可编程逻辑 控制器，定义是：一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计 的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序 控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入 输出控制各种类型的机械或生产过程p l c 是可编程逻辑电路，也是一种和硬 件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地 方就有p l c 。p l c 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电 子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、 顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令h 。，并能通过数字式或模拟式 的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。p l c 及其有关的外围设备都 应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 p l c 具有以下特点： 1 ) 高可靠性是电气控制设备的关键性能。p l c 由于采用现代大规模集成电 路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有 很高的可靠性。 2 ) 配套齐全，功能完善，适用性强。p l c 发展到今天，已经形成了大、中、 小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理 功能以外，现代p l c 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。 近年来p l c 的功能单元大量涌现，使p l c 渗透到了位置控制、温度控制、c n c 等各种工业控制中。加上p l c 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 p l c 组成各种控制系统变得非常容易。 3 ) p l c 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容 7 武汉理工大学硕十学位论文 易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和 继电器电路图相当接近，只用p l c 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实 现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使 用计算机从事工业控制打开了方便之门。 4 ) p l c 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控 制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使 同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生 产场合。 5 ) 体积小，重量轻，能耗低。以超小型p l c 为例，新近出产的品种底部尺 寸小于l o o m m ，重量小于1 5 0 9 ，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部， 是实现机电一体化的理想控制设备。 长期以来，p l c 始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自 动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。p l c 技术发展的最终趋势仍然是人 们所争论的焦点之一。大多数人认为，p l c 将会继续失去市场份额：更有甚者认 为，在工业p c 面前，p l c 将会一步一步走向死亡，但也有一部分人相信，一些 特殊工业应用领域仍将为p l c 提供一定的市场份额晦训。 在全球工业计算机控制领域，围绕开放与再开放过程控制系统、开放式过 程控制软件、开放性数据通信协议，已经发生巨大变革，几乎到处都有p l c ， 但这种趋势也许不会继续发展下去。随着软p l c ( s o f tp l c ) 控制组态软件技 术的诞生与进一步完善和发展，安装有s o f tp l c 组态软件和基于工业p c 控制 系统的市场份额正在逐步得到增长，这些事实使传统p l c 供应商在思想上已 经发生了戏剧性的变化，他们必须面对现实，在传统p l c 的技术发展与提高方 面做出更加开放的高姿态。对于控制软件来讲，这是p l c 控制器的核心，p l c 供应商正在向工业用户提供开放式的编程组态工具软件，而且对于工业用户 表现得非常积极。此外，开放式通信网络技术也得到了突破，其结果是将p l c 融入更加开放的工业控制行业哺。 全世界p l c 及其网络系统的研究与制造达2 0 0 多家公司，生产着4 0 0 多 个系列的产品，但若按其发展的历史渊源和所受的地域影响来划分，大体可 分为三个流派，即美国产品、日本产品及欧洲产品。美国产品种以a _ b 公司 的p l c 及其网络产品为代表，日本产品则以o m r o n 公司的产品为代表，欧洲 产品则以著名的德国s i e m e n s 公司的产品为典型代表旧1 0 。国产p l c 今年来 8 武汉理工大学硕士学位论文 也得到了长足的发展，但无论是产品的规模还是应用范围相对而言仍有不小 的差距，赶超世界领先水平尚需时日。 作为隧道监控的核心控制器，所使用p l c 经常放置于隧道内部机柜中， 其环境恶劣对控制器的性能提出了更高的要求。其必须具备以下几大功能特 点： 1 ) 控制器本身必须稳定可靠，并且可以预先处理数据和集中传输数据， 具有较高的故障保护能力。 2 ) 控制器可以独立承担控制分区的基本控制任务，在监控中心因故障导 致上层软件不能使用时，控制器可以自动的与现场设备交换信息。 所以控制器的数据采集存储处理功能实现集中和独立工作方式，尤其在独 立控制时主控制器能与各从控制器实现数据交换。本次采用的就是控制器的主 从设置，运行在主控制器上的程序可以保证在上层控制系统故障时自主的控制 各个从控制器。本系统选用三菱公司的f x 2 系列的p l c ，该类型的p l c 在我国 应用比较广泛，性能也比较稳定，属于一款性价比较高的产品n 妇 1 2 jf l 引。 2 4 组态软件的选择 组态软件，又称监控组态软件，译自英文s c a d a ，即s u p e r v i s i o n ，c o n t r o l a n dd a t aa c q u i s i t i o n ( 数据采集与监视控制) ，组态软件的应用领域很广，它 可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制 以及过程控制等诸多领域。组态软件是有专业性的。一种组态软件只能适合 某种领域的应用。组态的概念最早出现在工业计算机控制中。如d c s ( 集散控 制系统) 组态，p l c ( 可编程控制器) 梯形图组态u 制。人机界面生成软件就叫 工控组态软件。其实在其他行业也有组态的概念，人们只是不这么叫而已。 如a u t o c a d ，p h o t o s h o p ，办公软件( p o w e r p o i n t ) 都存在相似的操作，即用软 件提供的工具来形成自己的作品，并以数据文件保存作品，而不是执行程序。 组态形成的数据只有其制造工具或其他专用工具才能识别。但是不同之处在 于，工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的。组态工具的解释引擎， 要根据这些组态结果实时运行。从表面上看，组态工具的运行程序就是执行 自己特定的任务。 虽然说组态就是不需要编写程序就能完成特定的应用。但是为了提供一 9 武汉理工大学硕士学位论文 些灵活性，组态软件也提供了编程手段，一般都是内置编译系统，提供类b a s i c 语言，有的甚至支持v b 。组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件， 它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态 方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件 工具。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提 供分布式数据管理和网络功能。对应于原有的h m i ( 人机接口软件，h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ) 的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的 h m i 的软件工具或开发环境。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工 或委托第三方编写h m i 应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专 用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难 与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现， 把用户从这些困境中解脱出来，可以利用组态软件的功能，构建一套最适合 自己的应用系统。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、s c a d a 、通讯 及联网、开放数据接口、对i o 设备的广泛支持已经成为它的主要内容，随 着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。 自2 0 0 0 年以来，国内监控组态软件产品、技术、市场都取得了飞快的发 展，应用领域日益拓展，用户和应用工程师数量不断增多。充分体现了“工 业技术民用化 的发展趋势。监控组态软件是工业应用软件的重要组成部分， 其发展受到很多因素的制约，归根结底，是应用的带动对其发展起着最为关 键的推动作用。关于新技术的不断涌现和快速发展对监控组态软件会产生何 种影响，有人认为随着技术的发展，通用组态软件会退出市场，例如有的自 动化装置直接内嵌“w e bs e r v e r 实时画面供中控室操作人员访问。用户要 求的多样化，决定了不可能有哪一种产品囊括全部用户的所有的画面要求， 最终用户对监控系统人机界面的需求不可能固定为单一的模式，因此最终用 户的监控系统是始终需要“组态和“定制 的。这就是监控组态软件不可 能退出市场的主要原因，因为需求是存在且不断增长的。监控组态软件是在 信息化社会的大背景下，随着工业i t 技术的不断发展而诞生、发展起来的。 在整个工业自动化软件大家庭中，监控组态软件属于基础型工具平台。监控 组态软件给工业自动化、信息化、及社会信息化带来的影响是深远的，它带 动着整个社会生产、生活方式的变化， 件作为新生事物尚处于高速发展时期， l o 这种变化仍在继续发展。因此组态软 目前还没有专门的研究机构就它的理 武汉理工大学硕士学位论文 论与实践进行研究、总结和探讨，更没有形成独立、专门的理论研究机构。 近5 年来，一些与监控组态软件密切相关的技术如o p c 、o p c - x m l 、现场总线 等技术也取得了飞速的发展，是监控组态软件发展的有力支撑。 组态( c o n f i g u r a t i o n ) 为模块化任意组合。通用组态软件主要特点： 1 ) 延续性和可扩充性。用通用组态软件开发的应用程序，当现场( 包括 硬件设备或系统结构) 或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成 软件的更新和升级； 2 ) 封装性( 易学易用) ，通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用 户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术( 甚至不 需要编程技术) ，就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能： 3 ) 通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层 设备( p l c 、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等) 的i od r i v e r 、开放式 的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历 史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。 国内外组态软件有着广泛的应用。在国外：w o n d e r w a r e 的i n t o u c h 软件 是最早进入我国的组态软件。在8 0 年代末、9 0 年代初，基于w i n d o w s 3 1 的 i n t o u c h 软件曾让我们耳目一新；g ef a n u c 智能设备公司由美国通用电气公 司( g e ) 和日本f a n u c 公司合资组建，提供自动化硬件和软件解决方案，帮 助用户降低成本，提高效率并增强其盈利能力；c i t 公司的c i t e c h 也是较早 进入中国市场的产品。c i t e c h 具有简洁的操作方式，但其操作方式更多的是 面向程序员，而不是工控用户；s i m e n s 的w i n c e 也是一套完备的组态开发环 境，s i m e n s 提供类c 语言的脚本，包括一个调试环境。w i n c e 内嵌o p c 支持， 并可对分布式系统进行组态。在国内也有：北京亚控科技发展有限公司生产 的组态王；北京三维力控科技有限公司的三维力控f o r c e c o n t r o l ；紫金桥软 件技术有限公司的紫金桥r e a l i n f o 。 本次选用的：北京亚控科技发展有限公司生产的组态王软件：组态王 6 5 2 。该软件具有如下特点： 1 ) 组态王对大容量工程具有高度的可靠性和实时性、数据采集性能、网 络通讯性能、画面刷新性能、脚本执行性能。 2 ) 组态王具有易用性特点：操作简单、直观、易理解，符合工控行业使 用习惯，简单实用。 武汉理工大学硕士学位论文 3 ) 组态王具有扩展性：易于进行功能扩展。 4 ) 组态王具有良好开放性：提供完善的a p i 接口，利于与其他系统对 k i n g v i e v 系统的整合，接口内容包括：实时数据的访问接口、历史数据的访 问接口、报警数据的访问接口、安全用户的访问接口、变量对象的配置接口、 设备对象的配置接口、用户对象的配置接口。 5 ) 组态王6 5 2 具有良好可维护性：具有诊断、监视、记录工具，能够 进行快速的故障定位和排除。 6 ) 组态王6 5 2 具有可定制性：定制o e m 版本快速方便。 组态王6 5 2 技术参数如下： 1 ) 实时数据：报警事件冗余切换小于2 秒 2 ) 历史数据：存储速度：1 0 0 0 0 点i s , 存储时间范围：可由客户订制， 精确到毫秒级；查询：历史库查询数据时间小于3 秒；同一数据可按照年、 月、日、时查询，时间相差在秒级以内；历史冗余切换时间小于2 秒。 3 ) 冗余切换：i o s e r v e r 之间切换小于2 秒；i o s e r v e r 可进行最长7 天 的数据缓存。 4 ) 画面系统：画面最大尺寸可达到1 0 2 4 0 x 7 6 8 0 ( 或更大) ；画面数目没 有限制。 5 ) 曲线趋势图：最多同时显示4 个绘图区；最多同时显示6 4 条曲线；最 多可以同时具有1 6 条数据轴；可同时具有2 条时间轴。 6 ) 门户：可以支持2 0 0 个以上的客户端同时访问。 综上所述，组态王6 5 2 具有界面化强、直观性好、开发速度快、对各种 设备的支持完备、功能齐全。在系统设计中可以很大程度降低开发人员的负 担，快速便捷的开发出高效的系统。 2 5 本章小结 本章详细的介绍照明控制系统的总体功能需求和设计依据，同时介绍了 p l c 控制器和组态软件的基本情况及选型依据。详细的介绍了p l c 控制器和组 态软件的特点以及国内外这两种设备的发展和产品情况。通过比较和综合衡 量之后，根据隧道监控的实际情况选定了相应的p l c 控制器和组态软件。其 中p l c 选用三菱公司的f x 2 系列，组态软件选用北京亚控公司的组态王6 5 2 。 1 2 武汉理t 大学硕士学位论文 第3 章照明控制系统的系统架构 3 1 经典系统结构 3 1 1 集散控制系统 集散控制系统也叫分布式控制系统，是相对于集中式控制系统而言的一 种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。 集散控制系统( d c s ) ，是以多个微处理机为基础利用现代网络技术、现代控制 技术、图形显示技术和冗余技术等实现对分散控制对象的调节、监视管理的 控制技术。其特点是以分散的控制适应分散的控制对象，以集中的监视和操 作达到掌握全局的目的。系统具有较高的稳定性、可靠性和可扩展性。 在系统功能方面，d c s 和集中式控制系统的区别不大，但在系统功能的实 现方法上却完全不同。首先，d c s 的骨架系统网络，它是d c s 的基础和核 心。对于d e s 的系统网络来说，它必须满足实时性的要求，即在确定的时间限 度内完成信息的传送。这里所说的“确定 的时间限度，是指在无论何种情况 下，信息传送都能在这个时间限度内完成，而这个时间限度则是根据被控制过 程的实时性要求确定的。因此，衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率， 即通常所说的每秒比特数( b p s ) ，而是系统网络的实时性，即能在多长的时间 内确保所需信息的传输完成。系统网络还必须非常可靠，无论在任何情况下， 网络通信都不能中断。其次，这是一种完全对现场i o 处理并实现直接数字控 制( d o s ) 功能的网络节点。一般一套d c s 中要设置现场i o 控制站，用以分 担整个系统的i o 和控制功能。这样既可以避免由于一个站点失效造成整个系 统的失效，提高系统可靠性，也可以使各站点分担数据采集和控制功能，有利 于提高整个系统的性能。d c s 的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界 面( h m i - h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e 或o p e r a t o ri n t e r f a c e ) 功能的网络节点。 系统网络是d c s 的工程师站，它是对d c s 进行离线的配置、组态工作和在线的 系统监督、控制、维护的网络节点，其主要功能是提供对d e s 进行组态，配置 工作的工具软件( 即组态软件) ，并在d c s 在线运行时实时地监视d c s 网络上 各个节点的运行情况，使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及一 些系统参数的设定，使d c s 随时处在最佳的工作状态之下。与集中式控制系统 1 3 武汉理t 大学硕士学位论文 不同，所有的d c s 都要求有系统组态功能，可以说，没有系统组态功能的系统 就不能称其为d c s 。 d c s 自1 9 7 5 年问世以来，已经经历了二十多年的发展历程。在这二十多 年中，d c s 虽然在系统的体系结构上没有发生重大改变，但是经过不断的发展 和完善，其功能和性能都得到了巨大的提高。总的来说，d c s 正在向着更加开 放，更加标准化，更加产品化的方向发展。作为生产过程自动化领域的计算机 控制系统，传统的d c s 仅仅是一个狭义的概念。如果以为d c s 只是生产过程的 自动化系统，那就会引出错误的结论，因为现在的计算机控制系统的含义已被 大大扩展了，它不仅包括过去d c s 中所包含的各种内容，还向下深入到了现场 的每台测量设备、执行机构，向上发展到了生产管理，企业经营的方方面面。 传统意义上的d c s 现在仅仅是指生产过程控制这一部分的自动化，而工业自动 化系统的概念，则应定位到企业全面解决方案，即t o t a ls o l u t i o n 的层次。 只有从这个角度上提出问题并解决问题，才能使计算机自动化真正起到其应有 的