基于施耐德电气Unity-Quantum-PLC隧道监控系统的设计毕业论文.doc

基于施耐德电气Unity Quantum PLC的隧道监控系统设计 摘要本文主要介绍了施耐德Unity Quantum PLC在苏州南环湖底隧道综合监控系统中的应用，系统成功实施，运行稳定。关键词 ACU RTU DFB RIO 全局变量 Modbus/TCP一 概述 目前随着各个大中城市市政建设的发展，越来越多的城市快速路通过修建隧道跨过障碍，而城市快速环路的管理要求日益提高，需要监控系统更安全，更稳定，更高效，更易维护。苏州工业园区南环路东延桥隧工程西接东南环立交，东接星港街，总长度为7.37公里，其中高架桥长3.43公里、隧道长3.46公里，设计要求实现响应迅速，安全可靠的集成监控系统。其中设备监控系统担负着了通风、给排水、电力、照明、交通灯等设备的信息采集与控制，要求实现中控就地两级控制，并能降级使用。在系统初步设计投标阶段，我们通过方案比选，确定采用施耐德Unity Quantum PLC。该品牌PLC全面采用最新IT技术，产品系列丰富，开发功能完善，通信协议透明开放，非常易于和第三方智能设备通信集成。二 系统硬件网络结构该隧道工程共有10套ACU（区域控制器），3套RTU（变电所远端控制器），3套RIO（远程IO单元），每个ACU和RTU内部都选用一套Quantum 65150 PLC。所PLC都挂接在光环网上。RIO通过S908电缆与对应的ACU和RTU相连，实现远程较少IO点信息采集控制，减少设备配置，节省开支。RIO通过S908电缆最远可以控制1200m范围内的设备，非常适应现场分散设备点。Quantum 65150 PLC自带以太网通信接口，支持Modbus/TCP透明通信协议，为IO服务器SCADA软件的选择配置提供了最大的灵活性。在本项目中我们选用公司自有知识产权的监控组态软件iCentralView。基于iCentroView平台软件构建的本监控软件系统实现了对于隧道监控所需要的几大主要的系统支持，包括视频监控系统，交通参数与事故监测系统，紧急电话系统，大屏幕显示系统，交通诱导系统，报表生成系统以及联动预案调度系统。另外强化了监控照明、电力、水泵、风机、交通信号灯等自动化设备的监控，火灾报警系统，广播控制系统和UPS监测系统的连锁控制和监视。使得本监控软件系统更加全面完善的适用于隧道管理监控的需要。 图1 隧道监控系统硬件网络结构 PLC编程软件采用Unity Pro 2.3，其主要特点是：（1）通用的一体化软件，用于 Modicon Premium、Quantum以及 Atrium PLC，5 种标准的 IEC 61131-3 编程语言以及面向 C+ 的开放性，全面兼容Concept和PL7程序，可以方便导入导出。（2）轻松跨越生命周期的各个阶段，从设计、安装、运行到维护（3）基于施耐德电气在自动化软件领域的丰富经验而开发，综合了现有的 Concept 以及 PL7 软件各自的优点及长处，同时也提供了许多新的功能，以加速应用程序的开发。（4）开发程序标准化，提高可重用性。三 系统设计应用由于整个系统应用程序信息点众多，应用程序多种多样，不能一一涉及，本处只讨论几个特色应用，都是基于Quantum 系列PLC的开放性、标准重用性、全局可操作性以及工具易于开发使用的特性。1. DFB的应用由于本隧道距离长，部分种类设备重复性大，单一类型设备数量多，例如环控系统的射流风机，一共50台，沿线的交通灯，设计为双面显示一共将近400多个红绿信号灯，本系统中，充分利用了Unity Pro的DFB功能，开发针对一台射流风机的通用控制子程序以及以区域控制器控制范围为基础的交通灯控制子程序。Unity Pro的DFB开发可以设置32个输入引脚，32个输出引脚，可以满足比较复杂的单体设备控制应用。DFB在调用运行的过程中，非常稳定，每调用一次该子程序，就会在内存中开辟一块专门的区域用于存放运行中间变量，不会发生多次调用冲突。射流风机控制子程序DFB如下： 图2 射流风机通用控制DFB程序左侧为输入参数，DI信号来自现场，可以作为设备运行状态判断依据，MDO是来自HMI的控制指令，用完后自复位，右侧MDO RESET，还有火灾联动启动信号，COVI控制质量联动信号，超时故障处理，输出侧除了有DO命令送到现场以外，还有顺序启动下一个风机的中间指令，使得设备一一启动，防止同时启动对电网造成过大冲击。区域交通灯控制子程序DFB如下： 图3 区域交通灯控制DFB程序输入信号有就地远方选择按钮，可以实现就地控制，也可以中控操作，MDO指令来自HMI，用完自复位。DFB除了开发方便之外，调用也方便，只要在一个PLC项目里面开发调试完毕，直接导出存为*.XDB格式文件，再导入其他PLC应用程序中即可，自动自动更新，非常简便，值得一提的是导入不会冲掉已有的其他系统DFB。2. 全局变量的应用Quantum 系列PLC为了实现各个现场PLC之间的协同控制，提供了全局变量功能，这是一个发布订阅机制，无需编程，只需配置，就可以全局范围内实现数据共享，每个PLC可以发布64数据，也可以订阅其他PLC发布的数据。在本项目中，以环控系统为例，沿线设置4台COVI探测仪，实时获取隧道内一氧化碳浓度和可视度，然后控制沿线射流风机，由于COVI探测仪和50台射流风机都是挂接不同的区域控制器和RTU上，因此存在PLC之间的通信问题，协同控制该如何实现，以往的做法是通过中控收集COVI探测仪信号，进行分析处理，然后给各个ACU发送射流风机联动信号，但是这样虽然满足功能要求，但是不满足可靠以及降级使用功能，因此我们使用了控制网络级的全局变量，在PLC之间直接数据交互，实现数据共享，达到实时，可靠、降级控制功能。系统中COVI探测仪分别接入到ACU1，ACU6，ACU8，RTU2，综合处理在ACU6中，ACU1，ACU8，RTU2分别发布各自的COVI探测仪采样值，ACU6订阅，然后结合自身采样值综合处理，得出全局控制变量并发布，然后其他接有射流风机的ACU3和ACU4从ACU6订阅。 图4 全局变量发布订阅示意图3. 开放通信协议的应用Quantum 系列PLC支持开放的通信协议，65150PLC本身带有以太网网口，支持Modbus/TCP协议，DB9串口支持Modbus Plus网络，RJ45串口支持主从站Modbus RTU协议。本项目用到了以太网Modbus/TCP协议和主站Modbus RTU协议。设备监控系统中，供电、照明、水泵都是现场控制器通过通信口和PLC进行信息交互，这就要求PLC的通信协议能够和第三方厂家智能通信接口实现无缝集成。在项目实施过程中，我们选用了两种策略充分利用了Quantum 系列PLC对Modbus协议的支持。供电照明现场设备通信口支持RS485 Modbus RTU协议，我们选用施耐德TSXETG100 Modbus网关，转接到以太网，然后PLC通过自带的以太网Modbus通信库实现读写功能。水泵现场设备通信口同样支持RS485 Modbus RTU协议，我们利用了PLC RJ45串口支持主站RS232，Modbus RTU协议的功能，采用RS232转RS485再连接现场设备，通过读写时序的仔细考量，实现稳定的水泵监控。Unity Pro软件自带串口发送接受子程序（XXMIT），简单易用，参数设置灵活，能够实现标准的Modbus协议完整功能。由于该种方法只需要使用一个工业级RS232转RS485器件，节省集成成本。四 系统监控功能实现通风子系统通过PLC 本地IO实现，有自动、手动的风机控制方式，并预设置风量档次。一般采用自动控制模式进行控制，系统按照隧道内CO/VI浓度，交通流量等综合监控数据，与预设置或历史等指标比较，来决定风机开启的时间、数量等，实现自动调节隧道的通风，达到环保的标准。在程序异常时，可通过半自动或手动模式来实现控制。当隧道内出现交通拥堵或者是火灾时，风机进入异常运营模式。交通拥堵时执行预设定的堵塞通风模式。火灾时，监控软件能够根据FAS系统传来的火灾信息，确定火灾的地点，使风机自动执行紧急运行模式，消火栓泵和排烟装置根据火灾信息自动进入到预先设置的火灾运行模式。自动起动、停止相关非消防设施。给排水子系统通过通信口实现遥信、遥测和遥控，有手动、自动控制方式，自动方式下，根据各个泵房的水池水位自动启动停止水泵，中控室也可以根据水泵房水位手动启停。照明子系统也是通过通信口实现遥信、遥测和遥控，有手动、自动控制方式。自动控制方式下，可以根据时段开启或关闭节电照明和基本照明，根据洞口照度仪测量信号，控制出入口加强照明，防止“黑洞”和“白洞”影响司机行