第一層為信息層，主要負(fù)責(zé)大量信息及不同設(shè)備之間的信息傳輸，工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet為目前較常用的一種信息網(wǎng)絡(luò)，世界各大PLC生產(chǎn)廠商均支持工業(yè)以太網(wǎng)，并且他們?cè)谠蠺CP/IP的基礎(chǔ)上，相繼開發(fā)出實(shí)時(shí)性更高的工業(yè)以太網(wǎng)，如歐姆龍和羅克維爾支持的Ethernet/IP，施奈德支持的Modbus-TCP/IP以及西門子支持的ProfiNet等。由于Ethernet的信息量大，因此在隧道監(jiān)控上以太網(wǎng)主要用于各個(gè)隧道管理所與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸，包括各種交通流量信息，各傳感器數(shù)據(jù)等大量歷史數(shù)據(jù)信息。

　　第二層為控制層，主要采用現(xiàn)場(chǎng)總線組成隧道區(qū)域控制器網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是由于采用了標(biāo)準(zhǔn)總線組網(wǎng)，既能滿足實(shí)時(shí)通信的要求，又具有開放協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)接口，能在總線上方便的掛接各種外場(chǎng)設(shè)備，有利于監(jiān)控系統(tǒng)的擴(kuò)展。目前，現(xiàn)場(chǎng)總線有40多種，主要有Controller Link、LonWorks、Inetrtbus、Profibus、Can和Modbus。他們的共同特點(diǎn)是高速、高可靠，適合PLC與計(jì)算機(jī)、PLC與PLC及其它設(shè)備之間的大量數(shù)據(jù)的高速通訊。為使系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，控制層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多采用環(huán)網(wǎng)的方式組成，包括線纜型和光纖作為傳輸介質(zhì)，具體組網(wǎng)將在后面作出實(shí)例說明。

　　第三層為設(shè)備層，這一層用于PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、遠(yuǎn)程I/O端子及現(xiàn)場(chǎng)儀表之間的通訊，它們有DeviceNet、Modbus以及Profibus/DP等，其中DeviceNet已經(jīng)成為工業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)總線而得到了廣泛的應(yīng)用，而Profibus/DP雖然沒有成為標(biāo)準(zhǔn)，但是它的應(yīng)該也相當(dāng)廣泛。

　　近來年以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用使得人們把目光投向了現(xiàn)場(chǎng)總線上來，工業(yè)以太網(wǎng)是否最終將取代現(xiàn)場(chǎng)總線仍然是一個(gè)爭(zhēng)論的話題。然而，不論是Ethernet/IP還是Modbus-TCP/IP，當(dāng)前以太網(wǎng)在一些重要的性能指標(biāo)上仍然無法具有現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。從本質(zhì)上來講，以太網(wǎng)的載波幀聽沖突監(jiān)測(cè)CSMA/CD的訪問方式，實(shí)時(shí)性并沒有現(xiàn)場(chǎng)總線采用的令牌總線和令牌環(huán)的訪問方式高，不論人們采用何種方式，如協(xié)議封裝、分時(shí)訪問控制等，都只能改善以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性，起不到本質(zhì)的改變，隧道控制的一個(gè)核心思想是必須保證隧道的安全尤其是突發(fā)事件時(shí)候隧道的安全，如果突發(fā)事件的發(fā)生造成數(shù)據(jù)訪問發(fā)生碰撞，使得信息不能及時(shí)得到處理而導(dǎo)致重大事故，后果將不堪設(shè)想。在當(dāng)前技術(shù)還未完全成熟之前，現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用于控制層，是一個(gè)積極和穩(wěn)妥的選擇。但隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，今后其取代現(xiàn)場(chǎng)總線而用于控制層也是可能的。

區(qū)域控制器：

　　隧道監(jiān)控對(duì)PLC的性能提出了更高的要求，作為隧道監(jiān)控的核心控制器，其必須具備以下幾大功能特點(diǎn)：首先本身必須穩(wěn)定可靠，并具有預(yù)先處理數(shù)據(jù)和集中傳輸數(shù)據(jù)的能力，具有較高的故障保護(hù)能力；其次，區(qū)域控制器可以獨(dú)立承擔(dān)控制分區(qū)的基本控制任務(wù)，即使監(jiān)控站或者監(jiān)控中心因故障停止運(yùn)行，相鄰區(qū)域的控制器也能交換交通量信息；再次，當(dāng)某區(qū)域的交通量出現(xiàn)變化時(shí)，可按預(yù)定方案和程序采取相應(yīng)的算法，對(duì)相關(guān)區(qū)域的流量做出相應(yīng)的調(diào)整。因此，它必須至少有如下功能模塊，數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)處理功能（實(shí)現(xiàn)集中和獨(dú)立工作方式，尤其是在獨(dú)立控制時(shí)能與相鄰控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換）；通信功能、容錯(cuò)功能、自動(dòng)診斷功能和本地操作功能（即能帶觸摸屏）。

　　歐姆龍（Omron）、施奈德（Schneider）、西門子（Siemens）、羅克維爾（Rockwell）、通用電氣（GE）是全球五大PLC制造廠商和整體方案的提供者，他們的產(chǎn)品面向各自不同的領(lǐng)域，其中在隧道監(jiān)控的應(yīng)用方面，又以歐姆龍的應(yīng)用最為廣泛。

　　必須綜合考慮整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的性能要求和自然條件以及運(yùn)營周期對(duì)設(shè)備的要求進(jìn)行選擇，尤其在極端氣候和惡劣環(huán)境狀況條件。

　　特長隧道以及隧道變電站需要選擇性能更好的雙機(jī)熱備冗余的PLC，如Omron的CS1D系列、Schneider的2Quantom系列、Rockwell的2ControlLogix、Siemens的S7-417系列；區(qū)別在于Omron的冗余系統(tǒng)是在一個(gè)底板上實(shí)現(xiàn)，而其他廠家的冗余系統(tǒng)是兩個(gè)底板通過光纖連接。Omron的冗余系統(tǒng)配置很靈活，可以任意實(shí)現(xiàn)雙CPU雙電源、雙CPU單電源、單CPU單電源多種冗余系統(tǒng)。

　　中長隧道多采用標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)型作為現(xiàn)場(chǎng)控制器，如Omron的CS1系列、Schneider的Quantom140系列、Rockwell的ControlLogix、Siemens的S7-400系列等；他們都支持工業(yè)以太網(wǎng)和多種現(xiàn)場(chǎng)總線，控制方式采用遠(yuǎn)程帶CPU的智能分布式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)開放性和兼容性強(qiáng)，豐富的I/O及高功能模塊，完全滿足隧道監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)信號(hào)處理的要求。由于Schneider和Siemens的PLC體積較大，因此在施工過程中需要考慮預(yù)留洞的大小。

　　一般短隧道以及現(xiàn)場(chǎng)條件較好的工況下，為考慮成本可以選用經(jīng)濟(jì)型的機(jī)型作為現(xiàn)場(chǎng)控制器，如Omron 的CJ1系列、Siemens的S7-300系列等；他們的共同特點(diǎn)是體積小，各模塊采用側(cè)連接的方式，功能較為齊全；不足之處在于程序容量較小，模塊出現(xiàn)故障裝卸不便。

四、實(shí)際案例

　　下面以天津津薊高速公路為例，具體說明隧道監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。

　　天津津薊高速公路延長線工程起于薊縣縣城以西，與既有的津薊高速公路相接，經(jīng)薊縣西穿過盤山山區(qū)后與北京京平高速公路相接，路線全長15.47公里，設(shè)計(jì)4車道，包含2座隧道，蓮花嶺隧道和大嶺后隧道。

　　根據(jù)隧道監(jiān)控要求以及總體布局情況，隧道監(jiān)控自動(dòng)控制系統(tǒng)遵從“集中監(jiān)視管理、分散控制”的原則，包括中央監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)控制站、通訊網(wǎng)絡(luò)等。系統(tǒng)各部分有相對(duì)獨(dú)立性；22個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站根據(jù)工藝區(qū)域劃分，分別設(shè)于大嶺后隧道（12套PLC現(xiàn)場(chǎng)控制站）、蓮花嶺隧道（10套現(xiàn)場(chǎng)控制站）。根據(jù)設(shè)備分布和控制特點(diǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)控制站下還掛有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集單元，或?qū)Ｓ弥悄芸刂蒲b置。實(shí)現(xiàn)就地工藝區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控，并與調(diào)度管理站和其它控制站進(jìn)行通訊。

　　根據(jù)被控對(duì)象對(duì)連續(xù)運(yùn)行可靠性的要求，現(xiàn)場(chǎng)控制站的PLC選用OMRON公司高性能的CS1D系列處理器。PLC現(xiàn)場(chǎng)控制站通過光纖冗余環(huán)網(wǎng)Ethernet與中央控制室計(jì)算機(jī)聯(lián)接。遠(yuǎn)程I/O站通過DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)連接在相應(yīng)的PLC控制站上。現(xiàn)地控制站既能夠獨(dú)立進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)各開關(guān)量、模擬量的數(shù)據(jù)采集和控制，又能夠通過網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳送，將各儀表及泵閥等狀態(tài)信息傳送到上位機(jī)，完成中央控制室的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

　　下面以蓮花嶺隧道為例，介紹其監(jiān)控系統(tǒng)的組成。大嶺后隧道的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如之雷同。

圖（一） 蓮花嶺隧道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

　　根據(jù)隧道內(nèi)監(jiān)控設(shè)備的分布和工藝過程的要求，分別在大嶺后隧道設(shè)置12套現(xiàn)場(chǎng)控制分站（PLC1——PLC12）。蓮花嶺隧道設(shè)置10套現(xiàn)場(chǎng)控制分站（PLC1——PLC10）。

　　每一套PLC控制裝置作為一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站，或作為一個(gè)數(shù)據(jù)采集單元，監(jiān)視和控制就地區(qū)域的生產(chǎn)過程，并通過通訊網(wǎng)絡(luò)與調(diào)度管理站及其它現(xiàn)場(chǎng)控制站進(jìn)行通訊。中控室能夠觀察到一些重要的運(yùn)行狀態(tài)和工藝參數(shù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行操作及控制參數(shù)的設(shè)置和修改。

　　大嶺后隧道設(shè)置的PLC11和PLC12兩套現(xiàn)場(chǎng)控制分站將安裝于隧道的低壓配電室內(nèi)負(fù)責(zé)照明和通風(fēng)設(shè)備的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，其它10套現(xiàn)場(chǎng)控制分站均勻分布于隧道內(nèi)兩側(cè)負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)儀表及交通信號(hào)設(shè)備的控制及信號(hào)采集。各分站之間采用10/100 Mbit/s自適應(yīng)工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)(EtherNet/IP)，對(duì)等方式通訊。

　　蓮花嶺隧道設(shè)置的PLC9和PLC10兩套現(xiàn)場(chǎng)控制分站將安裝于隧道的低壓配電室內(nèi)負(fù)責(zé)照明和通風(fēng)設(shè)備的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。其它8套現(xiàn)場(chǎng)控制分站均勻分布于隧道內(nèi)兩側(cè)負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)儀表及交通信號(hào)設(shè)備的控制及信號(hào)采集，以上各分站之間采用10/100 Mbit/s自適應(yīng)工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)(EtherNet/IP)，對(duì)等方式通訊。

區(qū)域控制器的功能：

（1）收集本區(qū)段檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)的信息，包括CO檢測(cè)器、能見度檢測(cè)器、車輛檢測(cè)器等；

（2）對(duì)收集信息進(jìn)行預(yù)處理，并儲(chǔ)存在本地的存儲(chǔ)單元內(nèi)；

（3）隧道內(nèi)的區(qū)域控制器的存儲(chǔ)單元中處理好的信息上傳給隧道管理站計(jì)算機(jī)；

（4）接收隧道管理站計(jì)算機(jī)的各種控制命令，將控制命令和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)比較后，發(fā)出對(duì)下端執(zhí)行設(shè)備的控制指令。（如發(fā)給車道控制標(biāo)志、交通信號(hào)燈等的指令）。

（5）可存儲(chǔ)幾個(gè)常用和特殊的程序，如交通事故處理程序、火災(zāi)緊急處理程序等。

（6）本地控制器設(shè)有手動(dòng)控制單元。當(dāng)通信中斷或其它原因和上端失去聯(lián)系時(shí)，可進(jìn)行手動(dòng)聯(lián)動(dòng)操作，且手動(dòng)優(yōu)先。

（7）具有自檢功能。

五、改進(jìn)與發(fā)展

　　當(dāng)前我國隧道監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施正處于一個(gè)成長的時(shí)期，同時(shí)貴州省內(nèi)的高速公路正處于大規(guī)模建設(shè)的階段，如果建設(shè)更加可靠的隧道監(jiān)控系統(tǒng)，保證建設(shè)以及營運(yùn)的可靠是當(dāng)然我們必須面臨的問題。為此，我們必須考慮到以下幾點(diǎn)：

　　一方面要兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠與可控，也要反映系統(tǒng)的先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)與可擴(kuò)展，同時(shí)也要使操作便捷與維護(hù)方便；另一方面，針對(duì)不同的交通條件和功能要求確定系統(tǒng)的規(guī)模和冗余度的大小，確定系統(tǒng)的合理集成方式、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式以力求系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、先進(jìn)性與經(jīng)濟(jì)性的有機(jī)結(jié)合。

　　另外，除考慮系統(tǒng)的規(guī)模和設(shè)計(jì)方法外，也要考慮新技術(shù)的應(yīng)用，使整個(gè)系統(tǒng)既先進(jìn)又實(shí)用；從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來看，當(dāng)前普遍采用三級(jí)隧道管理和分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制方式，事實(shí)上，主從式結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)總線如Profibus，由于系統(tǒng)的可靠性受主控制器的制約，并不適用于全分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制，采用對(duì)等的自愈網(wǎng)絡(luò)是今后的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)；從系統(tǒng)的控制來看，當(dāng)前監(jiān)控普遍存在著只監(jiān)不控，或監(jiān)強(qiáng)控弱的現(xiàn)象，交通信息、環(huán)境信息得不到很好利用，對(duì)于隧道控制，要針對(duì)不同現(xiàn)象，采用不同的控制方法。

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