Dieser Artikel beschreibt die Anwendung einer programmierbaren Tunnelsteuerung (PCT) zur Automatisierung der Tunnelanlage der Schnellstraße Zhangzhou-Longyan in der Provinz Fujian. Ein integriertes System aus PCT und zentralem Steuerrechner ermöglicht die dezentrale Steuerung und zentrale Verwaltung der elektromechanischen Tunnelausrüstung sowie die Überwachung der internen und externen Umgebung und der elektromechanischen Ausrüstung. Dadurch werden nicht nur die Steuerungsanforderungen des Schnellstraßentunnels hinsichtlich Verkehr, Beleuchtung und Belüftung erfüllt, sondern auch die Koordination und Energieeinsparung des Gesamtsystems erreicht. Schlüsselwörter: Programmierbare Tunnelsteuerung, PCT, Tunnelanlage. Anwendung der PCT in der Tunnelanlage einer Schnellstraße. ZHANG Li-bing, ZHAO Yong-zhong, YAO Jin-xiang (Beijing YunXingYun Traffic Engineering Co.Ltd, Peking 100054). Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt die Anwendung der PCT in der Tunnelanlage der Schnellstraße Zhanglong in Fujian. Das Steuerungssystem besteht aus einem PCT-System und einem Zentralrechner, sodass Verkehr, Beleuchtung und Belüftung dezentral gesteuert und zentral verwaltet werden können. Dieses integrierte System erfüllt nicht nur verschiedene Steuerungsanforderungen, sondern gewährleistet auch eine gute Koordination und Energieeinsparung. Stichwörter: Programmierbare Tunnelsteuerung; PCT; Tunnelsteuerung 1 Einleitung Die Tunnelautomatisierung ist ein ganzheitliches Konzept, das Brandschutzsysteme, Verkehrsleitsysteme, Beleuchtungssteuerungssysteme, Belüftungssteuerungssysteme, Alarmsysteme, Videoüberwachungssysteme, Informationsmanagementsysteme, Stromversorgungs- und -verteilungssysteme sowie Verkehrsautomatisierung umfasst. Das Tunnelautomatisierungssystem, bestehend aus einem Zentralrechner und einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) für den Tunnel (Feldbus + SPS + Handbedienfeld), überwacht die elektromechanischen Anlagen und Umgebungsbedingungen im Tunnel und verwaltet Tunnelinformationen. Der Überwachungsbereich nutzt eine hochzuverlässige, SPS-basierte, verteilte Steuerungsstruktur, die die Gesamtzuverlässigkeit des Automatisierungssystems gewährleistet. Gleichzeitig kann die SPS eigenständig grundlegende Steuerungsaufgaben ausführen. Der Einsatz von Feldbussen wandelt Überwachungsaufgaben in verschiedenen Bereichen in verteilte Überwachungsaufgaben durch die entsprechenden SPSen um und vereinfacht und optimiert so die Tunnelverkabelung. Die flexible Konfiguration der SPS ermöglicht den Aufbau eines modularen Tunnelüberwachungssystems. Das SPS-System kann groß oder klein sein und je nach Standortanforderungen rationell verteilt werden. Im Folgenden wird anhand des Verkehrs-, Beleuchtungs- und Belüftungsüberwachungssystems der Tunnelgruppe, insbesondere des Dalongtou-Tunnels auf der Schnellstraße Zhangzhou-Longyan in der Provinz Fujian, die Entwicklung und praktische Anwendung der Tunnel-SPS erläutert. 2. Systemanforderungen: Die Schnellstraße Zhangzhou-Longyan umfasst sechs Tunnel: den Wansongguan-Tunnel, den Fengshuangling-Tunnel, den Dalongtou-Tunnel, den Houjuan-Tunnel und den Nanjing-Tunnel. Der Shikongmen-Tunnel (nicht Teil dieses Bauvorhabens) ist ebenfalls enthalten. Der Dalongtou-Tunnel ist ein zweiröhriger Autobahntunnel mit einer Länge von ca. 2,6 km. Die Auslegungsgeschwindigkeit beträgt 80 km/h für den Einbahnverkehr in beiden Tunneln und 60 km/h für den Zweibahnverkehr in einem Tunnel. Um diese Anforderungen zu erfüllen, gelten entsprechende Vorgaben für Verkehrsfluss, Beleuchtung und Belüftung in den Tunneln. Diese Vorgaben werden durch die Anzahl, Leistung und den Installationsort der jeweiligen elektromechanischen Anlagen bestimmt. Ein entsprechendes Steuerungs- und Überwachungssystem optimiert Beleuchtung und Belüftung in den Tunneln, um Energieeinsparung und sicheres Fahren zu gewährleisten. Beispielsweise sorgt das Beleuchtungsüberwachungssystem für einen gleichmäßigen Übergang der Beleuchtungsstärke vom Tunneleingang in den Tunnelinnenraum während des Tages und vermeidet so Blendung und Dunkelheit. Das Belüftungssteuerungssystem stellt sicher, dass CO₂-Konzentration, Sichtweite und Windgeschwindigkeit im Tunnel den Auslegungsvorgaben entsprechen. 3 Systemzusammensetzung 3.1 Einführung in die Tunnel-SPS Die Tunnel-SPS entspricht dem chinesischen Verkehrsindustriestandard JT/T 608-2004, der am 1. Januar 2005 in Kraft trat. Die Beijing Yunxingyu Transportation Engineering Co., Ltd. entwickelte das entsprechende Produkt YXY-RTU auf Basis dieses Industriestandards. Die Tunnel-SPS PCT ist ein integriertes Produkt aus Feldbus, SPS und Handdisplay. Dieses Produkt nutzt die hohe Stabilität der SPS, die hohe Effizienz des Feldbusses und die flexible Feldsteuerung des Handdisplays optimal, um eine sichere und stabile Steuerung von Autobahntunneln zu gewährleisten. Gemäß GB/T18567-2001 lassen sich Tunnel-SPS je nach Installationsort in Bereichs-SPS in der Tunnelüberwachungsstation und Bereichs-SPS im Tunnel unterteilen. 3.1.1 Die programmierbare Steuerung (SPS) in der Tunnelüberwachungsstation umfasst: a) den zentralen Knoten des Tunnelüberwachungssystems und den Knoten des Autobahnüberwachungssubsystems (Tunnelüberwachung); b) die Fernkommunikation mit der Autobahnüberwachungszentrale zur Ausführung der Aktionsbefehle des Host-Rechners der Zentrale und des Steuerungsprogramms der Maschine selbst. Das folgende Diagramm zeigt das Datenübertragungsnetz der Tunnelgruppe Zhanglong Road in der Provinz Fujian und veranschaulicht die Netzwerkverbindung zwischen der Tunnelbereichssteuerung und der Überwachungszentrale. Der Daten-Upload erfolgt über das Ethernet-Modul der lokalen Hauptsteuerung, das über einen digitalen optischen Transceiver direkt mit der Überwachungszentrale verbunden ist. Die Datenübertragung auf der Informationsschicht erfolgt über das TCP/IP-Protokoll. Abbildung 3-1: Datenübertragungsnetz der Tunnelgruppe. 3.1.2 Die Bereichs-SPS innerhalb des Tunnels umfasst: a) den Knoten des Tunnelüberwachungssystems (Bereichs- und Überwachungs-SPS) mit einer Ringnetzwerk- (oder Bus-)Topologie; b) die Ausführung von Aktionsbefehlen vom Host-Rechner der Tunnelstation und dem lokalen Steuerungsprogramm über optische und elektrische Übertragungsmedien. Abbildung 3-2 zeigt die Topologie des optischen Ringnetzwerks des Dalongtou-Tunnels an der Zhanglong Road. Das Feldsteuerungsnetzwerk des Tunnels nutzt das industrietaugliche Steuerungsnetzwerk Controller Link von OMRON, das sich durch hohe Zuverlässigkeit und Stabilität auszeichnet. Es verwendet 4-adrige Multimode-Glasfaserkabel, wobei jeder Feldcontroller über ein Controller-Link-Glasfaser-Schnittstellenmodul mit dem redundanten Multimode-Glasfaserring verbunden ist. Zwei Adern sind reserviert, sodass die Kommunikation auch bei einer Unterbrechung an einem beliebigen Punkt des Ringnetzwerks aufrechterhalten werden kann. Dies gewährleistet eine reibungslose Feldbusübertragung ohne externe Störungen und erhöht die Zuverlässigkeit der Datenübertragung. Merkmale: 1) Das Netzwerk ist ein Peer-to-Peer-Netzwerk. Der Ausfall eines Knotens beeinträchtigt den Betrieb des Hauptnetzes nicht. 2) Die Kommunikationsgeschwindigkeit des selbstheilenden Glasfaser-Ringnetzwerks beträgt 2 Mbit/s. 3) Der Glasfaser-ST-Kopf ist direkt im Modul integriert, wodurch Zwischenverbindungen reduziert und der Betrieb zuverlässiger wird. 4) Die Datenübertragung zwischen den Netzwerkknoten erfolgt ohne Programmierung, was die zukünftige Inspektion und Wartung vereinfacht. 3.1.3 Funktionen der Tunnel-SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) Die Überwachungsaufgaben der Tunnel-SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) lassen sich in folgende Bereiche unterteilen: (1) Im Automatikbetrieb werden anhand von Parametern wie Verkehr und Wetter die Verkehrsbedingungen berechnet und das entsprechende Steuerungsschema angewendet. Im manuellen Betrieb bestimmt der zentrale Steuerrechner oder die Bedienoberfläche den Verkehrsmodus entsprechend der jeweiligen Situation. (2) Über den Feldbus werden Verkehrsflussinformationen sowie CO/VI/TW-Informationen an CS1 gesendet, und der zentrale Steuerrechner generiert den Betriebszustand der Lüftung und Beleuchtung. (3) Die Lüftungs-SPS liest die Start-/Stopp-Steuerungsanforderungen der Lüftereinheit vom Feldbus und steuert diese vor Ort. (4) Die Beleuchtungs-SPS steuert die Tunnelbeleuchtung anhand der Beleuchtungsstärke oder durch Steuerung der Zeitvorgaben der zentralen Leitwarte. 3.2 Systemzusammensetzung der Zhanglong-Straßentunnelgruppe: Das Automatisierungskonzept dieser Tunnelgruppe basiert auf einem zentralen Steuerrechner und einer Tunnel-SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung, PCT) vom Typ YXY-RTU. Der zentrale Steuerrechner besteht aus mehreren miteinander verbundenen Industrie-PCs und bildet das Tunnelinformationszentrum. Dieses ist verantwortlich für die Erfassung und Verarbeitung verschiedener Tunnelinformationen, die Generierung und Ausgabe von Steuerbefehlen, die Steuerung der Tunnelsimulationsanzeige, die Erstellung von Berichten, die Bearbeitung von Notfällen sowie die Koordination des Gesamtsystems. Die Tunnel-SPS verwendet eine YXY-RTU der Beijing Yunxingyu Transportation Engineering Co., Ltd. Im Tunnel-PCT kommt ein Feldbus vom Typ OMRON Controller Link zum Einsatz. Die Haupt-SPS ist eine OMRON CS1-G-42H, ebenso wie die Feld-SPS. Das Datenübertragungsnetzwerk besteht aus einem Daten-Upload-Netzwerk und einem Feldsteuerungsnetzwerk. 4 Überblick über den Systemablauf: Ein Lichtintensitätsdetektor misst die Beleuchtungsstärke mit einem 4-20-mA-Signal und sendet dieses an die entsprechende Tunnel-SPS. Diese Steuerung regelt die zugehörigen Lichtschalter (Wechselstromschütze), um einen möglichst gleichmäßigen Übergang der Beleuchtungsstärke innerhalb und außerhalb des Tunnels zu gewährleisten. Die Lichtsteuerung kann auch saisonabhängig erfolgen. Jeder Kontrollpunkt verfügt über ein Rückmelde- und ein Alarmsignal. Die SPS übermittelt die Messwerte der Beleuchtungsanlage über den Feldbus an den zentralen Steuerrechner zur Informationsaggregation, -koordination und -anzeige auf dem Großbildschirm im Tunnel. Der VI/CO/TW-Detektor sendet elektrische Signale (4–20 mA) an die nächstgelegene Tunnel-SPS, die diese wiederum über den Feldbus an den zentralen Steuerrechner zurücksendet. Dieser prüft anhand der Parameter, ob die Lüfter eingeschaltet werden müssen, und passt die Lüfterleistung entsprechend an (z. B. durch Hinzufügen, Reduzieren oder Beibehalten der Leistung), ändert die Lüftersteuerungstabelle und sendet gleichzeitig Lüftersteuerungsbefehle an die Lüfterregler. Die Tunnelumgebungsinformationen werden auf dem Großbildschirm angezeigt. Die Verkehrsfluss-Erkennungsspule sendet serielle Codeinformationen an die entsprechende Tunnel-SPS, die diese ebenfalls über den Feldbus an den zentralen Steuerrechner zurücksendet. Basierend auf dem Verkehrsfluss ermittelt der zentrale Steuerrechner die Anzahl der einzuschaltenden Lüftergruppen, überträgt die Daten über den Feldbus an die Lüftersteuerung und steuert deren Start/Stopp. Die Lüftersteuerung erfasst gleichzeitig die Rückmelde- und Alarmsignale jedes Lüfters, sendet diese an den zentralen Steuerrechner zurück, um den ordnungsgemäßen Betrieb der Lüfter zu prüfen, zeigt die Ergebnisse auf dem Großbildschirm an und koordiniert das gesamte Lüftungssystem. 5. Weiterentwicklung der Steuerungssoftware: Die eingesetzte SPS ist die OMRON CS1-G-42H-Serie, der Feldbus der OMRON Controller Link. Die Software ist eine Weiterentwicklung der Steuerungskonfigurations- und Kommunikationssoftware CX-PROGRAMMER. Sie definiert die Kommunikationsadressen der einzelnen Steuerungen und ermöglicht den Datenaustausch. Die direkte Steuerungs- und Überwachungssoftware für jede Steuerung basiert auf der Systemhardware und kann mithilfe der Kontaktplan- oder Anweisungslistensprache von CX-PROGRAMMER entworfen und implementiert werden. Die erfolgreiche Implementierung des OMRON Controller Link Feldbusses vereinfacht die gesamte Programmierung und verkürzt den Entwicklungs- und Bauzyklus erheblich. 6. Zusammenfassung: Dieses System, das ein Tunnelautomatisierungs-Steuerungsschema mit einem zentralen Steuerrechner und einer speicherprogrammierbaren Tunnelsteuerung (SPS) nutzt, schöpft die flexible Konfiguration des Feldbusses voll aus. Dadurch wird der vollständige Informationsaustausch im gesamten System gewährleistet und die Systemintegration sowie die routinemäßige Wartung der zugehörigen Ausrüstung erleichtert. Gleichzeitig machen die Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikation der Controller-Verbindung und die hohe Zuverlässigkeit des selbstheilenden Glasfaser-Ringnetzwerks das gesamte Überwachungssystem optimal für Tunnelautomatisierungssysteme geeignet. Dies erhöht die Störfestigkeit des Gesamtsystems, verkürzt die Länge externer Signalleitungen und Steuersignalkabel und reduziert die Anzahl der Verdrahtungsanschlüsse. Diese Überwachungsmethode nutzt die jeweiligen Vorteile von Industrie-PCs und SPSen effektiv und schöpft die leistungsstarken Informationsmanagement- und Verarbeitungsfunktionen der Industrie-PCs sowie die Flexibilität der SPSen in der Vor-Ort-Steuerung voll aus. [Referenzen] [1] Zhang Libing. China Transportation Information Industry, 2004.12, S. 110–111 [2] Hu Jianbo. Anwendung von SPS in der Tunnelautomatisierung. Industrielle Instrumente und Automatisierungsgeräte, 2002.2, S. 35-38. Autoreninformationen: Zhang Libing, Produktentwicklungsabteilung, Beijing Yunxingyu Transportation Engineering Co., Ltd., Tel.: 010-60246342-29, E-Mail: [email protected]; Zhao Yongzhong, Produktentwicklungsabteilung, Beijing Yunxingyu Transportation Engineering Co., Ltd., Tel.: 010-60246342-28; Yao Jinxiang, Produktentwicklungsabteilung, Beijing Yunxingyu Transportation Engineering Co., Ltd.