西安石油大學(xué) 張金萍 張建軍 陳光景

隧道是一個相對封閉的區(qū)域，自然風(fēng)和交通風(fēng)無法完成隧道內(nèi)空氣的轉(zhuǎn)換。當(dāng)CO濃度很大時，會危及人的身體；煙霧粉塵則會給駕駛員的視野造成障礙，增大了交通事故的發(fā)生概率。所以必須采取機(jī)械通風(fēng)方式，有效及時地排出隧道內(nèi)的有害物質(zhì)，降低空氣的污染程度。尤其在隧道內(nèi)發(fā)生交通事故或者火災(zāi)的特殊情況下，機(jī)械通風(fēng)就越發(fā)顯得重要。因此在隧道中建立通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)意義十分重大。

1.通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)的組成

隧道通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心計算機(jī)、CO/VI檢測器、風(fēng)向風(fēng)速檢測器、風(fēng)機(jī)和區(qū)域控制器等組成。

1.1 監(jiān)控中心上位機(jī)

此隧道監(jiān)控系統(tǒng)軟件的上位機(jī)系統(tǒng)是利用北京三維力控公司的Forcecontrol 6.1組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計。上位機(jī)可以發(fā)出指令給區(qū)域控制器，以便來控制隧道內(nèi)的機(jī)電設(shè)備，也可以接受區(qū)域控制器的數(shù)據(jù)來分析和處理。

1.2 CO/VI檢測器

CO/VI檢測器由一氧化碳/能見度檢測探頭、評價控制單元、安裝支架、連接電纜等部分組成。一氧化碳檢測采用的是非擴(kuò)散檢測紅外波段中的一定波長對非對稱分子吸收能力的變化值(即δ值)，再變換成電流的變量，把這一變量又用數(shù)字信號傳至隧道監(jiān)控室中心計算機(jī)并顯示出來[1]。能見度測量是通過另一分離通道，由發(fā)射/接收單元發(fā)射光波，通過10米測量通道到達(dá)反射單元，反射光再經(jīng)原來的10米測量路徑反射到發(fā)射/接受單元，光束經(jīng)過衰減，得到的信號經(jīng)過評價控制單元處理為測量值，就是能見度檢測值。

1.3 風(fēng)速風(fēng)向檢測器

風(fēng)速風(fēng)向檢測器采用超聲波的原理測量隧道的環(huán)境溫度和風(fēng)速風(fēng)向，由二個超聲波發(fā)射/接受單元、數(shù)據(jù)處理評價單元、安裝支架、連接電纜等部分組成，具有現(xiàn)場顯示功能。

1.4 區(qū)域控制器

此次設(shè)計下位機(jī)的區(qū)域控制器采用honeywell高性能可編程控制器(PLC)，負(fù)責(zé)管理和控制相關(guān)區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備。區(qū)域控制器由機(jī)架、CPU、電源模塊、I/O模塊、通訊模塊等組成。主要設(shè)備清單如表1所示。

2.隧道通風(fēng)的方式

目前隧道機(jī)械通風(fēng)方式可分為縱向式通風(fēng)、半橫向通風(fēng)和橫向式通風(fēng)三種方式?？v向式通風(fēng)是從一個洞口直接引進(jìn)新鮮空氣，由另一洞口排出污染空氣的方式。這種通風(fēng)方式一般適用于單向行車的隧道；半橫向式通風(fēng)是將新鮮空氣經(jīng)送風(fēng)道直接吹向汽車的排氣孔高度附近，直接稀釋排氣，污染空氣在隧道上部擴(kuò)散，經(jīng)過兩端洞門排出洞外。使用這種方式的隧道僅需設(shè)置排風(fēng)道，比較經(jīng)濟(jì)；橫向式通風(fēng)的特點(diǎn)是風(fēng)在隧道的橫斷面方向流動，一般不發(fā)生縱向流動，因此有害氣體的濃度在隧道軸線方向的分布均勻。該通風(fēng)方式有利于防止火災(zāi)蔓延和處理煙霧。但需設(shè)置送風(fēng)道和排風(fēng)道，增加建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)營費(fèi)用[4]。在本系統(tǒng)中采取縱向式通風(fēng)方式。

3.隧道通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)的功能

3.1 數(shù)據(jù)的采集及顯示功能

該通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)能檢測出隧道內(nèi)CO濃度、能見度、風(fēng)速和風(fēng)向，并顯示在上位機(jī)監(jiān)控界面上。

CO濃度(單位：PPM)和能見度(單位：1/km)都由CO/VI檢測儀檢測所得。風(fēng)速主要采集的是縱向風(fēng)速(單位：m/s)，風(fēng)向指隧道內(nèi)的縱向風(fēng)向，分為正向和反向，用箭頭表示，數(shù)據(jù)由風(fēng)速風(fēng)向檢測儀檢測所得，輸出形式為一個繼電器輸出。

檢測到的CO/VI值和風(fēng)速為模擬信號，在4-20MA之間。數(shù)據(jù)采集后要把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量之后才能顯示在界面上。

3.2 風(fēng)機(jī)狀態(tài)的監(jiān)控功能

通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)可以返回每一臺射流風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，包括風(fēng)機(jī)的正/反轉(zhuǎn)、停止、故障等狀態(tài)信號，然后將這些狀態(tài)清晰、明了的顯示在監(jiān)控系統(tǒng)界面上。該系統(tǒng)把處在一個斷面上的兩臺風(fēng)機(jī)作為一組來進(jìn)行控制。控制方式分為遠(yuǎn)程自動、遠(yuǎn)程手動和本地控制三種。遠(yuǎn)程自動控制就是監(jiān)控中心上位機(jī)將采集到的信息處理后，當(dāng)達(dá)到一定的限值時實(shí)時地發(fā)出指令；遠(yuǎn)程手動控制就是操作員根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況人工發(fā)出指令來控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行；本地控制就是操作人員在現(xiàn)場低壓柜按下風(fēng)機(jī)的啟停按鈕。

3.3 輔助功能

1)報警功能：能夠?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷，如果數(shù)據(jù)超過規(guī)定的報警限值或低于規(guī)定的報警限值，實(shí)時報警窗口就會自動彈出，報警數(shù)據(jù)、設(shè)備和區(qū)域就會在報警窗口顯示出來。用戶也可以設(shè)計報警聲音，以便更好的對操作員進(jìn)行提示。

2)趨勢曲線：現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后依照實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存，通過趨勢曲線可以更好的對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析顯示。

表1 主要設(shè)備材料清單

圖1 I/O設(shè)備建立

圖2 隧道通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)主界面

圖3 調(diào)用全局變量

3)報表：能夠?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲和打印等功能。

4)事件記錄：記錄操作人員的操作過程，并可記錄系統(tǒng)上位機(jī)相關(guān)程序的啟動、退出及異常的詳情。用戶可以通過記錄來對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。

5)安全管理：安全管理主要包括用戶級別管理、安全區(qū)管理、系統(tǒng)安全管理及工程加密管理。

4.隧道通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

4.1 上位機(jī)軟件設(shè)計

(1)I/O設(shè)備建立

力控組態(tài)軟件實(shí)時數(shù)據(jù)庫通過I/O驅(qū)動程序?qū)/O設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與下置，實(shí)時數(shù)據(jù)庫與I/O驅(qū)動程序之間為客戶/服務(wù)器運(yùn)行模式，一臺運(yùn)行實(shí)時數(shù)據(jù)庫的計算機(jī)可通過多個I/O驅(qū)動程序完成與多臺I/O設(shè)備之間的通信。本監(jiān)控系統(tǒng)中，首先對Honeywell PLC進(jìn)行設(shè)備設(shè)置，通過標(biāo)準(zhǔn)MODBUS(TCP)協(xié)議建立相應(yīng)的I/O設(shè)備，并輸入IP地址，以便和下位機(jī)建立通訊。I/O設(shè)備建立如圖1所示。

(2)數(shù)據(jù)庫組態(tài)點(diǎn)建立

點(diǎn)是實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)保存和處理信息的基本單位。在創(chuàng)建一個新點(diǎn)時首先要選擇點(diǎn)類型和所在區(qū)域。點(diǎn)類型分為數(shù)字I/O點(diǎn)和模擬I/O點(diǎn)兩種，本系統(tǒng)中CO值、VI值和風(fēng)速值為模擬點(diǎn)，風(fēng)向、風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的反饋及控制點(diǎn)均為數(shù)字點(diǎn)。每個點(diǎn)都需要對基本參數(shù)、報警參數(shù)、數(shù)據(jù)連接和歷史參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

(3)界面建立及動畫連接

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的要求，設(shè)計了監(jiān)控主界面、手動控制界面、報警界面、趨勢曲線界面和報表界面等。畫面建立完成后，將畫面中圖像對象與變量或表達(dá)式建立連接，這樣就可以對系統(tǒng)中的各種設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。在監(jiān)控主界面上可以清楚的顯示各檢測數(shù)據(jù)、風(fēng)機(jī)在隧道中所處的位置以及風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況。在監(jiān)控界面上點(diǎn)擊風(fēng)機(jī)控制按鈕，進(jìn)入風(fēng)機(jī)手動控制界面，操作員根據(jù)不同情況點(diǎn)擊正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)/停止?fàn)顟B(tài)按鈕進(jìn)行操作。隧道通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)主界面如圖2所示。

(4)腳本程序

在隧道通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計中除了監(jiān)控界面的建立，編寫腳本程序也是一項(xiàng)重要任務(wù)。

圖4 梯形圖編寫

在本系統(tǒng)中需要編寫的腳本程序有如下幾項(xiàng)：

1)每臺風(fēng)機(jī)啟動時需要短暫的延時，上一臺風(fēng)機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，再啟動下一臺風(fēng)機(jī)，以減少對變電站供電的沖擊。

2)風(fēng)機(jī)控制時如果在左轉(zhuǎn)，此時右轉(zhuǎn)按鈕灰掉(即被屏蔽了)，必須先按停止后，才能再按右轉(zhuǎn)按鈕啟動風(fēng)機(jī)。

3)通風(fēng)系統(tǒng)遠(yuǎn)程自動控制。

4.2 下位機(jī)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)區(qū)域控制器應(yīng)用的是Honeywell MasterLogic-200系列PLC，采用SoftMaster-200作為編程軟件。用戶可以進(jìn)行系統(tǒng)配置和程序的編寫、調(diào)試、仿真、在線診斷PLC硬件配置狀態(tài)、控制PLC的運(yùn)行狀態(tài)和I/O通道的狀態(tài)等。

(1)）首先通過CPU的USB接口連接PC機(jī)，在SoftMaster-200軟件中對PLC進(jìn)行配置網(wǎng)絡(luò)地址并寫入，建立PC機(jī)與PLC之間的通信。

(2)配置I/O設(shè)備信息，明確上位機(jī)軟件數(shù)據(jù)庫組態(tài)點(diǎn)與PLC輸入點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系，各輸出點(diǎn)與各輸出執(zhí)行單元的對應(yīng)關(guān)系，創(chuàng)建全局變量和本地變量。調(diào)用全局變量的步驟如圖3所示。

(3)按照控制要求編寫梯形圖程序。

在編寫梯形圖時要注意變量與上位機(jī)組態(tài)軟件數(shù)據(jù)庫組態(tài)中變量的對應(yīng)關(guān)系；風(fēng)機(jī)的延時啟動；風(fēng)機(jī)的單點(diǎn)控制及自動控制；上位機(jī)監(jiān)控界面中按鈕之間的互鎖等。梯形圖編寫界面如圖4所示。

(4)程序編程完成后，選擇“聯(lián)機(jī)[Online]”-“寫入數(shù)據(jù)[Write]”，然后選擇要傳輸?shù)絇LC的數(shù)據(jù)，然后點(diǎn)擊“確定[OK]”，將選定的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC。

(5)進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試。

5.結(jié)論

本設(shè)計對通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的工程設(shè)計，包括系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，功能設(shè)計和模塊劃分和上下位軟件設(shè)計。應(yīng)用力控Forcecontrol 6.1組態(tài)軟件設(shè)計了通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)的主界面、風(fēng)機(jī)顯示界面、風(fēng)機(jī)控制界面和風(fēng)機(jī)預(yù)案管理等。應(yīng)用honeywell PLC進(jìn)行區(qū)域控制器設(shè)計，并編寫了后臺控制程序，實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)的各項(xiàng)監(jiān)控功能。

本系統(tǒng)有效地保證駕駛員、隧道養(yǎng)護(hù)人員免受有害氣體的危害，提高了車輛運(yùn)行安全系數(shù)。整套系統(tǒng)已投入運(yùn)行，經(jīng)過多次現(xiàn)場驗(yàn)證，取得了良好的效果。在本文中我們所做的研究工作還僅僅是初步的，今后仍有大量的工作值得深入探討。

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