SCADA hầm đường bộ: thông gió, chiếu sáng, PCCC và máy tính điều khiển

Một hầm đường bộ dài vài kilômét có thể chạy vài chục quạt phản lực, hàng nghìn bộ đèn, hàng trăm camera, cảm biến khí, đầu báo cháy, biển báo làn và trụ điện thoại khẩn cấp. Người trực ở trung tâm điều hành không thể nhìn từng thiết bị riêng lẻ. Thứ nối tất cả lại thành một màn hình điều khiển là SCADA hầm đường bộ, và chỗ yếu của nó thường không nằm ở phần mềm mà ở những chiếc máy tính, bộ PLC và switch đặt trong hốc kỹ thuật dọc hầm.

Bài viết này dành cho chủ đầu tư, tư vấn thiết kế và nhà tích hợp đang lập cấu hình cho hệ thống điều khiển hầm. Bài đi qua từng phân hệ, kiến trúc từ hiện trường lên trung tâm, rồi dừng lâu ở câu hỏi hay bị xem nhẹ: máy tính và thiết bị mạng đặt trong môi trường hầm phải chịu được gì. Nếu bạn cần ôn lại khái niệm chung về giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu, có thể đọc thêm bài hệ thống SCADA trên ipc247.com trước khi đi vào phần riêng của hầm.

SCADA hầm đường bộ làm những việc gì?

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition — giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu) trong hầm có ba nhiệm vụ. Thứ nhất, đọc trạng thái mọi thiết bị: quạt đang chạy chiều nào, đèn cấp sáng nào, đầu báo cháy nào đang cảnh báo, nguồn đang lấy từ lưới hay từ máy phát. Thứ hai, tự điều khiển theo luật đã lập trình: nồng độ khí tăng thì tăng quạt, trời sáng gắt thì tăng đèn cửa hầm. Thứ ba, chạy kịch bản sự cố: khi phát hiện cháy, hệ thống phải đồng loạt đổi biển báo làn, bật quạt theo hướng đẩy khói, chuyển camera về vị trí cháy và phát thông báo qua loa, radio — trong vài giây, không chờ người bấm từng nút.

Bộ sổ tay hầm đường bộ của Hiệp hội Đường bộ Thế giới PIARC và tiêu chuẩn phòng cháy NFPA 502 của Mỹ là hai nguồn được nhiều dự án tham khảo. Chúng không quy định nhãn hiệu thiết bị, nhưng định hình yêu cầu chức năng: phải đo được gì, phản ứng trong bao lâu, cấp điện dự phòng cho phụ tải nào. Hồ sơ thiết kế từng dự án sẽ dẫn chiếu chuẩn nào bắt buộc.

Các phân hệ chính trong hầm

Thông gió: điều khiển theo khí và tầm nhìn

Khí thải xe chứa CO (carbon monoxide) và các oxit nitơ NO, NO2. Bụi muội và hơi nước làm không khí trong hầm mờ đi; độ mờ này thường được đo dưới dạng hệ số tắt dần (K-value), gọi chung là cảm biến tầm nhìn VI (visibility). SCADA dùng các giá trị này để quyết định số quạt cần chạy. Đến khi có cháy, ưu tiên đổi hẳn: khói phải bị đẩy về một phía, xa đoàn xe đang kẹt, nên cảm biến tốc độ và hướng gió trở thành số đo quan trọng nhất.

Một ví dụ cụ thể từ trang sản phẩm của Endress+Hauser: cảm biến VISIC100SF kết hợp nguyên lý tán xạ ánh sáng thuận để đo tầm nhìn với tế bào điện hoá để đo khí. Dải đo hãng công bố: K-value 0–15 km⁻¹, CO 0–300 ppm, NO 0–100 ppm, NO2 0–5 ppm; nhiệt độ môi trường −20 °C đến +55 °C; khối cảm biến đạt IP66 và IP6K9K, khối điều khiển IP66; kết nối được qua PROFIBUS. Cấp IP6K9K có ý nghĩa thực tế: thành hầm được rửa bằng nước áp lực định kỳ, thiết bị gắn tường phải chịu được tia nước đó.

Chiếu sáng: vùng cửa hầm là bài toán khó nhất

Ban ngày, mắt người lái đang quen với độ sáng ngoài trời. Khi lao vào cửa hầm tối, mắt cần thời gian thích nghi; nếu cửa hầm quá tối so với bên ngoài, người lái thấy một "lỗ đen" và phanh gấp. Vì vậy chiếu sáng hầm chia vùng: vùng tiếp cận ngoài cửa, vùng ngưỡng ngay sau cửa sáng nhất, vùng chuyển tiếp giảm dần, vùng trong hầm ổn định và vùng lối ra. Cảm biến độ chói đặt ngoài cửa hầm, nhìn theo hướng người lái, đo độ chói bên ngoài; SCADA dùng số đo này để đổi cấp sáng vùng ngưỡng và vùng chuyển tiếp trong ngày. Ban đêm, cấp sáng vùng cửa giảm xuống gần bằng vùng trong để tiết kiệm điện.

Bên ngoài cửa hầm còn một số đo khác: tầm nhìn xa trong sương mù. Endress+Hauser mô tả VISIC620 là thiết bị đo tầm nhìn xa tiêu chuẩn với hai dải đo 10–500 m và 10–16.000 m, dùng nguyên lý tán xạ ánh sáng thuận, vỏ IP69K, làm việc từ −30 °C đến +55 °C. Số đo này cho phép SCADA hạ tốc độ giới hạn hiển thị trên biển báo trước khi xe vào vùng sương.

PCCC, camera AID và biển báo làn: ba phân hệ chạy chung kịch bản

Phát hiện cháy trong hầm thường dùng cáp báo cháy tuyến tính chạy dọc trần, kết hợp đầu báo khói và nút báo cháy tại các hốc. Camera có phần mềm AID (Automatic Incident Detection — phát hiện sự cố tự động) bổ sung một lớp nữa: nhận ra xe dừng giữa làn, xe đi ngược chiều, vật rơi hoặc khói trước khi nhiệt độ đủ cao để cáp báo cháy tác động. Nguyên lý của khối camera xử lý tại chỗ khá gần với camera ở nút giao mà bài camera phạt nguội và máy tính edge AI đã phân tích.

Khi một tín hiệu cháy được xác nhận, SCADA phải chạy cả chuỗi: đóng làn bằng biển báo làn và đèn đỏ ở cửa hầm, đổi nội dung các biển báo điện tử trên tuyến tiếp cận (cấu trúc biển và bộ điều khiển xem thêm bài biển báo điện tử VMS), đặt quạt theo chế độ khói, bật đèn lên mức tối đa, chuyển camera gần nhất lên màn hình chính, phát thông báo qua loa và radio trong hầm. Mỗi bước phải có trạng thái trả về xác nhận, không chỉ là lệnh đã gửi.

Điện, UPS và liên lạc khẩn cấp

Mất điện trong hầm không chỉ là tối đèn: quạt dừng, camera mất hình, biển báo tắt. Phụ tải an toàn (đèn khẩn cấp, SCADA, mạng, camera, liên lạc) thường được cấp qua UPS, rồi máy phát nhận tải. SCADA giám sát trạng thái máy cắt, UPS, máy phát và cần biết chính xác thiết bị nào đang chạy nguồn dự phòng. Trụ SOS đặt cách đều dọc hầm; mỗi cuộc gọi phải hiện vị trí trên màn hình và tự gọi camera gần nhất.

Kiến trúc: từ PLC hiện trường tới trạm vận hành

Kiến trúc phổ biến có bốn lớp:

• Lớp hiện trường: PLC hoặc bộ I/O phân tán đặt trong tủ tại các hốc kỹ thuật dọc hầm, đấu dây tới quạt, đèn, cảm biến, đầu báo cháy. Mỗi tủ phụ trách một đoạn hầm.
• Lớp mạng: switch công nghiệp tại mỗi tủ, nối với nhau bằng cáp quang thành mạng vòng (ring). Khi đứt cáp ở một điểm, lưu lượng đi vòng ngược lại. Thông thường có hai vòng tách biệt hoặc hai đường cáp đi hai bên thành hầm.
• Lớp máy chủ: máy chủ SCADA chạy dự phòng kép, máy chủ lưu dữ liệu lịch sử, máy chủ ghi hình camera, thường đặt ở nhà điều hành gần cửa hầm.
• Lớp vận hành: trạm vận hành, màn hình lớn, có thể nối tiếp về trung tâm điều hành giao thông của cả tuyến — phần này đã được mô tả trong bài công nghệ ITS là gì.

Thời gian khôi phục mạng vòng quan trọng hơn tốc độ băng thông. Ví dụ, datasheet Advantech EKI-7712G-4F/4FI ghi switch có 8 cổng Gigabit Ethernet và 4 cổng SFP cho cáp quang, giao thức vòng X-Ring Pro khôi phục dưới 20 ms, nguồn kép 12–48 VDC kèm một ngõ ra relay báo lỗi, vỏ kim loại IP40, lắp DIN-rail. Bản EKI-7712G-4FI làm việc −40 °C đến 75 °C và đạt NEMA TS-2 (chuẩn thiết bị điều khiển giao thông), trong khi bản 4F là −10 °C đến 60 °C; cả hai đạt EN 50121-4 cho thiết bị dọc đường sắt và đã thử sốc theo IEC 60068-2-27, rung theo IEC 60068-2-6. Hai mã cùng cổng nhưng khác dải nhiệt — đây là chỗ hồ sơ mời thầu phải ghi rõ. Cách đọc các thông số khác của switch công nghiệp có trong bài tìm hiểu switch công nghiệp.

Máy tính điều khiển trong hầm: chỗ yếu tố "công nghiệp" quyết định tất cả

Nhiều đề xuất cấu hình viết rất kỹ phần mềm SCADA nhưng dòng máy tính chỉ ghi "máy trạm CPU Core i7, RAM 32 GB". Đó là cách nghĩ "máy tính" và quên phần "công nghiệp". Hãy hình dung một máy tính đặt trong tủ ở hốc kỹ thuật giữa hầm để chạy gateway giao thức, ghi dữ liệu cục bộ hoặc chạy AID cho một cụm camera:

• Bụi muội và khí thải: máy có quạt hút không khí hầm qua tản nhiệt; sau vài tháng, muội dầu bám thành lớp trên lá tản nhiệt và quạt, nhiệt CPU tăng dần tới khi máy tự hạ xung hoặc treo. Máy không quạt, tản nhiệt bằng vỏ, loại bỏ được điểm hỏng này.
• Nhiệt độ: trong tủ kín ở hầm, nhiệt có thể cao hơn nhiều so với không khí bên ngoài, đặc biệt ở đoạn giữa hầm dài và khi quạt hầm dừng. Dải nhiệt hoạt động trên datasheet phải được đối chiếu với nhiệt đo trong tủ, không phải nhiệt ngoài trời.
• Rung: xe tải nặng đi qua liên tục làm thành hầm và giá đỡ rung. Ổ cứng cơ, khe cắm RAM lỏng, quạt mòn trục đều là điểm hỏng. Ổ SSD, RAM có khoá, máy đã thử rung và sốc theo chuẩn là yêu cầu tối thiểu.
• Nguồn: khi chuyển từ lưới sang UPS và máy phát, điện áp dao động. Máy nhận dải nguồn DC rộng, có chân đánh lửa (ignition) hoặc chức năng khởi động lại khi có điện, cùng watchdog phần cứng, sẽ tự phục hồi mà không cần người vào hầm bấm nút.
• EMC: cáp động lực của quạt công suất lớn chạy song song cáp tín hiệu. Thiết bị nên đạt tiêu chuẩn miễn nhiễm cho môi trường công nghiệp (EN 61000-6-2). Với hầm metro hoặc hầm dùng chung với đường sắt, hồ sơ thường dẫn chiếu thêm họ EN 50121 hoặc EN 50155 — xem bài EN 50155 và IEC 61373.

Một ví dụ máy cho vị trí cần hiệu năng cao (gom nhiều luồng camera, chạy AID hoặc gateway lớn): Cincoze DS-1500 dùng CPU Intel Core Ultra 200S (Arrow Lake-S), không quạt. Trang sản phẩm của hãng ghi dải nhiệt hoạt động −40 °C đến 60 °C với CPU 35 W; với CPU 65 W là −40 °C đến 50 °C và cần bộ quạt ngoài. Nguồn vào 9–48 VDC qua terminal 3 chân. Máy đạt rung và sốc theo MIL-STD-810H, có chứng nhận EN 50121-3-2 và EN 45545 (an toàn cháy trên phương tiện đường sắt), EN 62368-1, UL. Ở ví dụ này, chi tiết đáng chú ý không nằm ở dòng CPU mà ở hai dòng nhiệt: chọn CPU 65 W cho mạnh thì phải chấp nhận thêm quạt — tức là quay lại đúng điểm hỏng do muội bụi nêu ở trên. Với tủ trong hầm, CPU 35 W chạy không quạt thường là lựa chọn an toàn hơn.

Máy nào đặt ở đâu?

Danh sách kiểm tra trước khi chốt cấu hình

• Đo hoặc ước tính nhiệt độ trong tủ tại vị trí xấu nhất, so với dải nhiệt của từng mã máy, kể cả biến thể (như 4F và 4FI).
• Xác nhận dải nguồn vào của mọi thiết bị khớp với nguồn DC trong tủ và hành vi khi chuyển nguồn.
• Thử đứt cáp vòng thực tế khi nghiệm thu và đo thời gian khôi phục.
• Thử trọn kịch bản cháy: từ tín hiệu báo cháy tới khi biển báo, quạt, đèn, camera, loa đều trả trạng thái đúng.
• Kiểm tra giao thức của cảm biến (PROFIBUS, Modbus, analog 4–20 mA) có khớp với PLC hoặc gateway dự kiến.

Câu hỏi thường gặp

Có nên dùng máy tính văn phòng làm gateway trong hầm để tiết kiệm?

Không. Máy văn phòng có quạt hút, dải nhiệt hẹp, nguồn AC và không có watchdog. Trong môi trường muội và rung, chi phí cử người vào hầm xử lý sự cố — thường phải xin đóng làn — lớn hơn nhiều phần chênh lệch giá máy.

EN 50121 có áp dụng cho hầm đường bộ không?

EN 50121 là họ tiêu chuẩn tương thích điện từ cho đường sắt. Hầm đường bộ thuần tuý thường chỉ dẫn chiếu tiêu chuẩn EMC công nghiệp chung; EN 50121 hay EN 50155 xuất hiện khi hầm có đường sắt, metro đi chung hoặc khi chủ đầu tư muốn dùng thiết bị đã thử ở mức khắt khe hơn.

IPC247 hỗ trợ gì

IPC247 cung cấp hàng chính hãng máy tính công nghiệp không quạt, máy tính nhúng, switch và router công nghiệp của Advantech, Cincoze, AAEON, Siemens cho tủ điều khiển và phòng thiết bị của hệ thống hầm. Chúng tôi tư vấn cấu hình theo nhiệt độ tủ, nguồn điện, số cổng và giao thức tại từng vị trí, đối chiếu dải nhiệt và chuẩn với datasheet của hãng, báo giá trong 2 giờ làm việc và xác nhận tình trạng hàng khi báo giá. IPC247 cho mượn máy chạy thử với phần mềm SCADA của nhà tích hợp theo thoả thuận từng dự án. Sản phẩm được bảo hành chính hãng theo từng dòng máy, thời hạn ghi rõ trên báo giá. Gửi cho chúng tôi sơ đồ phân hệ, số tủ hiện trường và điều kiện môi trường để nhận đề xuất cụ thể.

Nguồn tham khảo

• Cincoze DS-1500 Series — trang sản phẩm (cincoze.com)
• Datasheet Advantech EKI-7712G-4F/4FI Managed Ethernet Switch (advantech.com)
• Endress+Hauser VISIC100SF — cảm biến tầm nhìn và khí trong hầm (endress.com)
• PIARC Road Tunnels Manual (piarc.org)
• NFPA 502 — Standard for Road Tunnels, Bridges, and Other Limited Access Highways (nfpa.org)