蔡爱民

（盐城生物工程高等职业技术学校）

基于PLC的隧道照明控制系统设计

蔡爱民

（盐城生物工程高等职业技术学校）

随着经济建设需要，山区高速发展迅速，而隧道是整个公路的重要组成部分。对公路隧道而言，其照明系统将直接决定隧道能否正常通行，因此隧道照明系统是隧道公路建设的重要组成部分。传统公路隧道照明系统，存在耗电量大、照明亮度不均等缺点，这不仅造成了能源浪费，也存在着极大的安全隐患。因此，为了保证高速隧道合理运营，智能化的隧道照明系统十分重要。本文根据隧道照明系统的实际工况，结合以往隧道系统的特点，设计了一款基于PLC的照明系统，以此希望改变隧道照明系统高能耗的问题。设计过程中主要针对照明系统的控制模块，在分析照明控制系统各模块功能基础上设计出其控制模块的实现流程。本文的研究具有一定的实用价值，为相关的工程设计提供了理论参考。

PLC；隧道照明；上位机；控制系统

0 引言

公路隧道照明系统由多个部分组合而成，有PLC、通信设备、照明设备以及上位机等，这些部件在PLC照明控制中发挥了重要作用，它们扮演着不同的角色。控制系统是整个照明系统的大脑，能实现各部件之间的传输，以达到对整个系统的控制管理作用。可编程控制器PLC是隧道照明控制系统的核心，能直接把上位机与现场设备联系在一起，故称为隧道照明控制系统的“桥梁”。本文设计的隧道照明控制系统是基于PLC实现的，其软件模块是根据硬件部分各层次主要功能设计，本文这里主要阐述了各控制模块实现自身功能的流程。

1 隧道照明控制系统结构

要想确保隧道照明系统达到预期效果，降低维修成本，确保长期稳定的运行，各硬件设备间需进行合理配合，因此硬件系统的控制模块尤为重要，图1为隧道照明控制系统原理图。

图1 隧道照明控制系统

2 上位机调试软件模块

上位机调试软件模块是所有控制模块的枢纽，也把它作为控制系统的指挥中心，从特点来看它在整个系统中扮演着决策者的身份。上位机系统软件最终要为操作系统服务，只有上位机模块科学合理的设计，才能提供简洁的操作控制界面，方便管理人员或照明技术人员对隧道灯的管理。收集分析检测器提供的数值，由该数据判断出当前隧道灯照明亮度是否满足要求。如果照明亮度不符合要求，可以根据预先设定的算法，结合采集到的数据进行一系列复杂的运算，最终还要把计算结果输入到PLC中，在此基础上PLC会重新发出控制命令，实现对照明亮度的调整。除此之外，应注意到PLC给出的指令主要用来控制回路信息，最终信息要进入现场控制设备中。正规流程可以简化为检测器收集亮度信息，然后把信息传给PLC，经过PLC的分析判断是否满足要求。若不满足将会给现场控制设备重新发出指令。总节点控制执行相应的操作，通过调整电压的方式控制灯具的功率。

根据功能不同可以把上位机调试软件分为三部分，各部分的作用也有所不同，具体来说可以分为灯具控制、显示界面以及参数配置。

参数配置的主要功能是对上位机和下位机之间通信条件的设定，比如设定上位机与PLC的波特率、连接与断开模式；下位机与PLC的地址设定等。所谓通讯协议指的是上位机与下位机之间的通讯协议，它的意义在于控制隧道终端设备，利用通讯协议便可实现对隧道照明灯亮度的控制，此外，通讯协议还可以实现对其他设备的控制。根据通讯协议发送的数据可以把下位机收集的参数完整地展现在界面上，为管理人员开展工作提供了有利条件。

灯具控制就是对操作灯具信息的设定，比如通过设定节点编号和回路编号的方式对灯具进行控制，这样做的目的在于使整个控制流程清晰、简洁。查询信息、调节照明灯具功率和控制开关是操作的一些功能。

下面将要详细介绍显示界面的功能，显示界面主要是展示一些数据信息，能够直观地告诉操作人员系统运行情况。比如隧道内某一段灯具电压、电流值的变化以及区域控制模式的变化等。用户与控制系统进行交互的时候需要用到人机交互界面，它把人们获取的数据信息转换成系统可以读取的语言，完成数据的转化，为了便于控制，本次设计中在人机交互界面设置了多个选择按钮，通过输入灯具编号的方式便可完成对灯具的控制。灯具的信息实时显示人机交互界面，界面上包含的操作按钮具有打开、闭合的功能，不仅可以实现对隧道内某一段灯具的控制，而且还能控制单个灯具。查询灯具实时信息按钮的主要作用是让管理人员以及操作人员及时掌握灯具的运行状况。

3 PLC控制模块

根据不同的照明要求，PLC需要合理设计下位机程序，为了确保设计程序条理清晰，可以把下位机程序分为多个逻辑部分，控制多个逻辑部分便可实现预期的功能。这样做的优势不仅表现为条理清晰，而且有较好的可读取性，为日后开发人员维护、完善提供了便利。本文给出了PLC控制系统与结构设计模块之间的关系，根据软件模块结构完成设计工作。所设计的编程思想与软件流程图的设计流程类似，图2为PLC软件模块结构图。

图2 PLC控制模块

3.1 主循环程序控制模块

PLC工作过程中采用了循环扫描的方式，执行完梯形图程序以后会重新扫描并执行。为了提高执行速度，作为下位机的主循环程序来说应当尽可能缩短扫描时间。本系统设定在单次扫描过程中只完成执行程序的主功能，换句话说就是只接收或发送数据到系统其他部分的简单功能，只有可用的数据才可以转入到相应的程序段，这样一来会大大减少扫描所用的时间。数据的可用性主要是指对下位机系统具有执行功能的指令，而对于那些不可用的数据，下位机系统将不会作出任何处理。

PLC只通过主程序完成数据的收集处理，在系统运行过程中会收到非主程序产生的数据，这种情况下PLC是否发出指令主要根据数据有无关键信息决定。如果数据中携带了重要的信息，PLC会判断出这些数据来自哪个分支程序，随后进入到相应的模块中，最终根据数据源地址把数据发送到相应的设备中，完成一条指令后，会重新返回到主程序。

系统初始化设置是每一次主循环程序启动时不可缺少的一个步骤，初始化设置的流程为：先对每个灯具的运行情况进行扫描，检查灯具是否出现故障，比如常见的未接通问题；扫描过程中便启动测试程序，主循环程序使用的是上升沿启动定时程序，这样一来PLC只需启动一次，便可实现永久性循环执行。循环工作结束以后判断是否存在上位机控制指令，PLC把所有上位机发送的信息作为中断分支程序处理。若收到上位机发送的指令并已经进入到控制模块，可以准确判断指令属于哪个分支程序。PLC内部中断作为设定的中断，除了PLC内部中断以外，其余的均属于外部中断，图3为控制流程图。

图3 主循环程序控制模块流程

3.2 分支程序控制模块

分支程序控制模块的作用为判断是否执行接收的指令，如果数据满足执行条件，便开始执行并重新回到主程序。程序以跳转的方式进入到分支程序所包含的各个子路径中，满足执行条件则根据程序的书写顺序以及控制信息携带的关键信息判断属于哪一个子路径，图4为分支程序控制模块流程图。

图4 分支程序控制

（1）时间校正控制模块

为了确保上位机与下位机的一致性，对控制系统提出了严格的要求，从以往经验来看在下文机执行某一指令的时候很容易出现上位机下位机不一致的问题。为此在记录上位机接收数据或者是下位机系统某一时刻执行操作的时候，必须确保上下位机时间设置相同。记录相应的读取信息时间点，可以为日后管理人员对灯具的管理提供帮助，时间矫正控制模块流程图如图5所示。

图5 时间校正控制

（2）调光控制模块

调光控制模块的主要作用是控制灯具亮度，想要实现这一功能必须由上位机读取并计算传感器提供的信息。PLC中已经设定数值，如果发现灯具实际亮度信息与设定值不一致，可以自行调整亮度。给驾驶人员提供一个舒适的环境，减少安全事故并实现节能的作用，调光控制模块流程图如图6所示。

图6 调光控制

（3）查询控制模块

查询模块的意义在于查看隧道某一段或者是某一个灯的照明情况，查询指令往往通过下位机发出，并传送到PLC中。根据灯具的编号以及地址信息发送查询命令，灯具会提取自身的运行状态信息并发送至PLC中，最终由上位机判断是否执行下一步操作指令，图7为查询控制模块流程图。

图7 查询控制

（4）传感器信息采集控制模块

设定PLC时需要借助自身程序或者是上位机，从而实现对现场数据的收集，传感器负责信息的采集与传输，经传感器发送的数据由上位机软件进行处理。此外，还可以在执行预案过程中进行处理，其流程图见图8。

图8 传感器信息采集控制

（5）PLC预案存储控制模块

PLC具有的功能众多，而与上位机进行通信是至关重要的。首先，决策信息由上位计算机传送到PLC中，然后把控制指令发送给现场终端设备，从而实现对隧道灯具亮度的控制。从另外一方面来看，PLC发出控制命令到现场控制设备时，不仅可以收集灯具运行的信息，而且可以把这些信息实时反馈到上位机系统中，这样一来工作人员可以根据隧道照明情况及时作出决策。这种控制方式的实现离不开上位机与PLC之间的通信，只有二者之间保持实时通信才可以确保信息的及时传输。但是在系统运行过程容易受到外部因素的影响，使PLC与上位机出现短暂中断，这种情况下要想维持现场照明灯具的正常运行、实现节能环保的目的，PLC应具有上位机的控制地位，在紧急情况下它可以发挥出指挥中心的作用。由于PLC与上位机失去联系后，上位机将无法完成相应的指令，所以必须在PLC中内置一块用来存储紧急情况下执行程序的地址空间，图9为接收预案流程图。

图9 PLC预案存储控制

3.3 定时测试程序控制模块

为了确保上位机与PLC之间保持正常通信，必须每隔一定的时间进行测试，比如从PLC中发送测试数据到上位机中，如果上位机系统与PLC系统处于连通状态，那么上位机会接收并正确返回测试数据，表明系统正常运行。如果上位机系统在一定的时间内没有收到测试数据，说明通信中断。这种情况下系统会进入预案执行状态，为了让维修人员及时掌握故障信息，PLC系统还设置了自动报警系统，当通信中断时会发出报警，进而实现PLC代替上位机的部分功能。此外，上位机调试中也设置了PLC的连通指令，为隧道照明系统的正常运行提供了基础保障，设置连通指令也是检测PLC与上位机通信是否正常的另外一种方式。

定时测试程序的作用是通过设定一定的时间测试上位机是否联通的程序，设定的时间即为发送测试数据的时间，执行完毕后可以重新定时，定时流程图如图10所示。

图10 定时测试控制

3.4 紧急预案执行控制模块

为了避免上位机与PLC之间出现通信故障给照明系统带来影响，首先要在PLC中设定应急预案，并结合车辆信息、控制算法以及亮度信息调节照明灯具亮度的变化。真正克服了计算机集散系统无法脱离上位计算机的缺点，当局部照明系统出现故障后并不影响整体运行，也不会出现隧道照明灯具瘫痪的状况，图11为执行预案流程图。

图11 紧急预案执行控制

4 结束语

本文设计了控制系统的软件结构，根据实现控制功能的不同，把系统划分成不同的控制模块，并在此基础上设计了基于PLC隧道照明系统的软件控制流程，并给出了各层之间的通信协议。

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