摘要:本文通過分析交通行業對監控軟件實時性和可擴展性要求，介紹了KingSCADA3.0軟件在吉林省赤柏隧道中的應用，并詳細分析了交通、通風、照明以及WEB發布幾個子系統的功能與特性。

1. 背景

赤柏隧道位于通化至沈陽高速公路中吉林省境內。通化至沈陽高速公路（簡稱“通沈高速公路”）是國家交通部《振興東北老工業基地公路水路交通發展規劃綱要》中規劃的“五縱、八橫、兩環、十聯”中第七橫的一部分，是我國東北東部地區運輸的大通道之一，也是吉林省東南部山區的第一條高速公路。通沈高速公路（吉林段）全長45.544公里，工程總預算16.72億元，建設期3年，是吉林省目前地形最復雜、施工難度最大的高速公路項目之一。作為通沈高速重要的組成部分，赤柏隧道設計標準為雙洞四車道，左洞全長1812米，右洞全長1878米，機電主要采用歐姆龍CS1D系列PLC，通過光纖環網連接PLC監控交通信號燈、車道指示燈等設備。根據吉林省高速公路監控系統軟件統一規劃要求，吉林省高速公路管理局通信中心于2010年初選用亞控公司的 KingSCADA3.0對赤柏隧道的監控軟件進行升級改造。

2. 需求分析

隧道監控系統集通信技術、計算機技術、自動控制技術于一體，需要為隧道管理人員提供完整和清晰的隧道運行狀況，是保障隧道安全運行的支撐平臺。針對隧道監控系統的重要性提出以下需求：
1.實時掌握隧道內部設備狀態
赤柏隧道中機電設備比較多，在設備出現故障時，監控中心需要派工程師到現場解決問題。同樣，監控中心為了了解現場運營狀況，也需要定期派運營管理工程師去了解情況。如果監控中心能夠建立一套監控系統，實時顯示現場設備狀況，則可節省工程師的巡視時間和成本。
2.及時下發控制指令
實時監控現場設備的狀態，可在第一時間獲取設備的反饋，工程師可針對采集上來的信息對設備運行狀態進行更改。當緊急事故發生時，監控系統可通過工程師或上級領導的確認，下發緊急預案，實現重大事故時的緊急決策。
3.記錄與查詢
監控系統應具備對報警信息、各設備采集信息、歷史操作等數據的進行記錄、查詢、統計、報警、報表、預覽、打印等功能，為緊急預案的制定提供足夠的數據依據。
4.豐富接口
隧道監控系統中，機電設備種類較多，數據采集接口種類繁多，給信息采集帶來了困難。根據不同項目和不同接口編制軟件，會造成路網內路段之間無法共享交通信息，無法實現跨路段交通信息采集、處理、發布和交通指揮、調度。監控軟件應具有通用的接口解決此類問題。
目前高速公路監控系統中存在兩種軟件形式，一種是針對不同項目編制的軟件，一種是組態軟件。組態軟件，譯自英文SCADA,即 Supervisory Control and Data Acquisition(數據采集與監視控制)，是指數據采集與過程控制的專用軟件。組態軟件使用靈活的組態方式，為用戶提供快速構建工業自動控制系統監控功能的、通用層次的軟件工具。亞控公司提供的KingSCADA3.0軟件，擁有開放性接口，支持各種國際標準通訊協議和在線組態的功能，具備完美的圖形展示、報表、趨勢曲線系統和對底層設備的直接控制能力，因此在赤柏隧道中，選擇使用KingSCADA3.0軟件進行機電升級改造

3.項目方案

3.1系統配置

針對赤柏隧道監控系統實際需求，系統監控軟件配置如下：服務器上安裝KingSCADA3.0具備開發功能和運行功能的完全版軟件，監控計算機上安裝 KingSCADA3.0運行版軟件，與服務器配置成采集與展示雙冗余，確保數據的無損采集與展示。軟件授權全部為不限點，下圖為監控系統總結構圖和監控軟件總結構圖。
監控網絡拓撲圖

監控系統功能圖

3.2軟件系統設計

在監控系統中，KingSCADA3.0軟件將為使用人員呈現立體的現場效果，讓使用人員通過監控畫面直觀的了解隧道內部設備的情況。監控系統中針對不同設備，不同功能，分別開發了子系統，下面分別介紹幾個子系統的功能。

照明控制系統
照明控制系統由隧道內外的亮度檢測儀，隧道內的照明回路和區域控制器等設備組成。系統通過IOServer采集亮度檢測儀檢測到的隧道洞口內外的亮度數據，將這些信息傳送到連接照明控制回路的區域控制器和監控計算機上的KingSCADA3.0軟件中，KingSCADA3.0軟件對收到的信息進行實時處理判斷、轉換和存儲，生成相應的控制命令控制照明回路，實現洞內的照明控制。同時通過監控計算機將IOServer檢測到的亮度數據顯示、統計、計算和打印。監控中心控制服務器上的KingSCADA3.0軟件也能通過區域控制器，手動控制隧道內的照明回路。在隧道至監控中心的通信出現故障時，區域控制器自動接管并轉入區域控制器自動控制方式，以保證隧道正常運營。
照明控制系統是根據隧道照明設計中所確定的照明區段、不同時段氣候條件下的照明要求，控制各個照明回路的開關，從而達到滿足隧道的照明亮度要求、保證行車安全、節省能源的目的。照明控制系統可以按照IOServer采集到的隧道外光照強度自動調節隧道內的照明，也可以按照時序進行控制。用戶可以通過 KingSCADA3.0軟件界面實現不同控制方式的切換。綜合以往設計經驗以及實際應用的控制方案，照明控制系統中對于過渡段照明的控制采用隧道光強檢測器控制為主，時間控制為輔的控制策略；基本照明控制應遵循省電原則，應采用時間控制為主，隧道光強檢測器控制為輔的控制策略；但火災情況下，無論照明現狀如何，照明控制系統都應將隧道照明開到最大程度。

通風控制系統
通風控制系統主要構成包括隧道內的CO/VI檢測儀，風向、風速檢測儀，風機控制柜、風機以及相關的區域控制器。通風控制系統主要通過 KingSCADA3.0軟件控制隧道內的射流風機，調節隧道中的空氣質量達到用戶能接受的程度（規范標準）；同時在隧道發生火災時，也能迅速將煙霧排出隧道。
通風系統通過IOServer周期性地檢測隧道內的CO、VI和風速、風向的環境數據（巡檢周期≤10s）,并將檢測結果通過區域控制器送入KingSCADA3.0監控系統中,根據檢測數據計算其變化率和平均值。
在控制系統與現場控制系統通信正常時，監控中心監控計算機網絡根據CO、VI和風速、風向值、交通流量等信息通過KingSCADA3.0軟件的混合型綜合計算，實現風機運行的全自動控制。監控中心操作員也可以根據IOServer采集的信息做出綜合性的判斷之后，通過控制臺操作鍵盤控制風機控制柜，對風機的運行進行遠程遙控；緊急情況下也能通過現場的風機電氣控制柜手動直接控制風機的運轉和停止。被檢測到的CO、VI等環境周期實時值和風機運行狀態，實時地動態顯示在KingSCADA3.0監控畫面中；當隧道內的環境變化達到了報警條件以及主要設備發生故障，報警信息會立即彈出報警對話框。 KingSCADA3.0管理服務器能夠記錄隧道內CO、VI變化曲線，每天、每周、每月非正常情況下通風控制統計報表，以及手動操作控制風機的時間及控制內容，并可以輸出打印。
在控制系統與現場控制系統通信中斷時，區域控制器會檢測到的CO、VI等環境周期實時值和風機運行狀態，按閥值回差法進行計算，實現風機運行的全自動控制。
另外當隧道發生火災時，系統接收到火災報警系統的信息，KingSCADA3.0軟件系統將根據事先確定的風機控制預案啟動風機。
隧道通風除了要考慮一氧化碳濃度、火災外，還要考慮風機運轉平衡，延長設備壽命，所以在風機自動啟動時，運行時間最短的風機將被優先啟動。同時考慮到風機啟動時，有較大的啟動電流，所以在多臺風機均要啟動時，采用間隔啟動法，保障風機在啟動時，不會對電網造成巨大沖擊。

交通控制系統
交通控制系統由隧道內車道指示燈、洞口交通信號燈、橫通道指示標志、車輛檢測器、可變情報板、可變限速標志、區域控制器等組成。為了保證控制的完整性和有效性，隧道區域控制器內置了交通控制方案，通過指定控制方案完成對隧道交通系統的控制。所有信號標志是都是連鎖動作，不允許用戶對單獨某個交通信號設備進行控制，因此不會出現矛盾的信號燈色顯示，實現安全控制功能。
交通控制系統具有自動控制、遠程遙控兩種控制方式。自動控制即根據IOServer采集到的有關信息和信息處理結果，自動產生相應的控制方案，完成對相應外場設備的控制；遠程遙控即根據IOServer采集到的有關信息和信息處理結果，系統調取相應的控制預案，經操作員認可或者修改后，完成對相應外場設備的控制。
同樣當隧道發生火災，系統接收到火災報警系統的報警信息，根據事先確定的交通控制預案，經過操作員確認后下發執行。

報警系統
報警系統主要是對控制系統預設閥值的監控報警。IOServer采集到的數據值超出閥值或低于閥值，都會在報警系統產生報警信息，并在用戶界面上，以醒目閃動方式顯示設備故障、報警信息，并配有故障（或報警）聲音提示。用戶可以通過點擊故障（報警）圖形或菜單打開故障（或報警）顯示窗口。在模擬量報警中還可根據閾值設置報警級別，例如高報警，高高報警，低報警，低低報警等。還可以對數據報警設置約束條件，避免某些誤報警，客戶可以通過過濾功能，找出符合條件的報警并打印出來。

報表系統
報表系統主要針對CO值、VI值、光強值、風速值進行統計記錄。 KingSCADA3.0報表分實時報表和歷史報表。實時報表可以實時顯示當前CO值、VI值、光強值、風速值的采集值。歷史報表記錄了以上四種值的歷史記錄，用戶可以查詢歷史報表某時間段內的記錄值。可以進行打印設置和打印，報表排序等功能。

火災預警系統
火災預案系統將為用戶呈現火災報警信息情況。火災預案系統通過不同的形狀和顏色來表示不同的狀態。圓形代表火探報警器的相關信息，三角形代表手動報警器的相關信息，紅色代表報警，綠色正常，灰色代表設備故障。火災預案系統中還可以檢測PLC的狀態，觀測主PLC與其它PLC連接情況。當IOServer采集到的火災信號報警時，控制人員可根據火災發生地點，火勢等情況選擇KingSCADA3.0系統中的預案，確定后下發預案指令。

趨勢曲線系統
趨勢曲線系統主要是針對CO值、VI值、光強值、風速值的實時趨勢曲線式和歷史趨勢曲線的展現。運行狀態下，用戶可以設置歷史趨勢曲線的查詢時間和跨度；通過右邊圖例，用戶可以選擇需要顯示的曲線，選擇需要的曲線進行對比。

WEB發布系統
KingSCADA3.0系統具有B/S功能模塊，能夠對工作站上的組態監控畫面進行網絡發布，使管理層的計算機在不需要額外安裝軟件的情況下，使用IE瀏覽器即可查看到現場運行的畫面，進行數據的監視、報警查看、報表查詢等功能，并在相應權限下進行操作。

3.3項目的功能特點

• 實時性強
  可以適應不同外場設備的采集周期，輪詢周期可短至1秒，實際輪詢周期根據設計要求和現場實際情況確定，系統對采集到的數據立即進行分類處理、運算并實時顯示。
• 可擴展性
  軟件的開放性接口和在線組態功能，使系統具有進一步擴展功能的能力，適應隧道及交通控制的需要。
• 優化控制策略
  系統根據采集到的各種交通、環境、火災數據和報警信息進行綜合分析，完成對照明、通風、交通等系統的自動控制和聯動控制。
• 報表系統
  報表格式內置成模板，并提供大量的內置函數，實現運算、分析、統計等功能。支持保存成多種格式，支持導入導出功能。

4.系統特點
隧道監控組態軟件選用北京亞控科技發展有限公司KingSCADA3.0版本進行開發。隧道監控系統是保證隧道正常運營的關鍵，為防止通信鏈路中斷或其它原因帶來的控制中斷，監控系統從硬件和軟件兩個方面很好的進行解決。

• 硬件方面：監控中心局域網通過中心配置的以太網交換機與現場的工業以太網相連。現場網絡結構為自愈環拓撲結構形式，在環的某處發生斷路，它將重新配置網絡，使網絡通訊得以繼續，可靠性高。
• 軟件方面：監控系統實施二級控制。正常情況下，利用監控中心監控計算機網絡實現全自動控制或者遠程遙控；通訊中斷時，利用本地控制器對掛接在該本地控制器上的設備實現本地控制。

在監控中心的值班人員可以對隧道及相關路段進行全面的監視和控制，本系統所提供的監控系統具備7*24小時不間斷連續運轉的能力，系統自身具有完善的網絡互聯功能和通信接口處理功能。

5.結束語
本系統采用亞控公司提供的KingSCADA3.0軟件平臺，開發出了立體形象的監控系統。軟件的C/S架構，能有效的執行交通預案，B/S模塊讓系統更具靈活性，系統的可擴展性，為將來建立省級監控中心打下良好的基礎。