苗榮霞　劉超飛　張立廣

(西安工業(yè)大學　西安　710021)

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基于PLC和MCGS的公路隧道通風監(jiān)控系統(tǒng)設計*

苗榮霞劉超飛張立廣

(西安工業(yè)大學西安710021)

由于公路隧道內(nèi)的交通流量以及車流的速度是在時刻變化的,其排放的有害氣體、煙塵以及產(chǎn)生的交通風量也是不斷變化的。因此,保證隧道內(nèi)人員安全的真實需風量也需要不斷變化,這就要求隧道通風設備及其運行方式作出相應的調(diào)整,從而達到安全節(jié)能的目的。論文主要通過采用西門子S7-200PLC及MCGS7.6組態(tài)軟件對隧道通風系統(tǒng)進行監(jiān)控,并根據(jù)當前對隧道內(nèi)的通風狀況及風機運行狀態(tài),給出相應的控制方案,對隧道內(nèi)風機的開啟、停止、正反轉(zhuǎn)等運行狀態(tài)進行控制。該研究實現(xiàn)了對隧道通風的智能實時控制,在一定程度上既保障了行車安全又有效地降低了運營成本,避免資源的過度浪費。同時,隧道風機可以做到最少限度的啟停,這樣可以顯著降低能耗并提高風機運營壽命。

隧道通風; PLC; MCGS7.6; 實時控制

Class NumberTP391

1　引言

由于隧道本身具有減少行車路程、緩解交通壓力、保護自然生態(tài)環(huán)境,同時受惡劣天氣的影響較小的特殊優(yōu)越性,其應用越來越廣泛。同時,隨著施工技術的進步,隧道的修建使用環(huán)境更加復雜,而且一直在往更長、更大的方向發(fā)展,在給人們帶來更多便利的同時,其隧道通風、照明、防火、監(jiān)控等管理措施所需要的設備及技術方案必須更加完善。車輛在通行過程中,會不斷地向隧道排放尾氣,如CO、煙霧等,如果在正常公路上行駛,尾氣會隨之擴散到大氣中,不會對司乘人員造成威脅,但是由于公路隧道相對來說比較封閉,空間環(huán)境狹窄,對于短隧道,由于受自然風和交通風的影響,通常情況下,有害氣體不會積聚太多。但是,長大隧道由于長度太長,自然風、交通風等在空間內(nèi)對空氣的置換作用減小,如果不采取有效的措施來降低有害氣體的濃度,則會危急隧道內(nèi)人員的生命安全,對行車安全構(gòu)成嚴重威脅。

2　公路隧道通風監(jiān)控系統(tǒng)設計

本文根據(jù)某隧道長度及交通量的要求,隧道由四車道組成采用縱向式通風方式,隧道區(qū)域安裝三組CO/VI濃度傳感器。通過傳感器的檢測結(jié)果控制6組風機的啟停。隧道控制系統(tǒng)中上位機采用MCGS7.6組態(tài)軟件[3]設計人機交互界面,實現(xiàn)運行過程的自動監(jiān)控及參數(shù)設置,下位機選取西門子S7-200PLC CPU226CN型號進行現(xiàn)場風機設備的直接控制。其中上位機與下位機的連接硬件結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1　硬件結(jié)構(gòu)原理圖

城市隧道通風監(jiān)控系統(tǒng)設計主要從兩方面研究：第一,上位機系統(tǒng)操作界面的設計。第二,下位機PLC控制器的編程設計。

2.1上位機MCGS操作界面設計

根據(jù)城市隧道通風監(jiān)控系統(tǒng)功能完成監(jiān)控系統(tǒng)用戶窗口主畫面、數(shù)據(jù)報表和數(shù)據(jù)曲線畫面設計,用戶窗口主畫面如圖2所示。

圖2　城市隧道通風監(jiān)控系統(tǒng)主界面

1) 定義變量

為了確保系統(tǒng)上位機和下位機的連接,首先得確定MCGS7.6組態(tài)軟件里的實時數(shù)據(jù)庫和西門子S7-200PLC里面的變量一一對應連接,建立變量和數(shù)據(jù)之間的對應關系。

風機1#、2#、3#、4#、5#、6#手動運行通訊地址分別是I0.0、I0.1、I0.2、I0.3、I0.4、I0.5,風機啟動對應地址分別為Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4、Q0.5。順序啟動、逆序停止則由輸入I0.6和I0.7控制。如圖3所示。

圖3　變量連接

圖4　變量選擇

圖5　實時數(shù)據(jù)庫

城市隧道監(jiān)控系統(tǒng)主界面主要由射流風機、CO/VI濃度檢測儀、等構(gòu)成。通風模式主要有兩種,一種是手動運行方式、另一種是自動運行方式。在整個控制過程中自動控制模式無法正常運行的情況下才啟用手動運行模式控制。

2) 定義動畫連接

風機的動畫連接,通過改變風機啟動的顏色表明風機啟動正常。同時編寫風機啟動腳本程序準確控制風機啟動順序與啟停臺數(shù)。 如圖6所示。

3) 模擬量的采集

城市隧道中的CO、VI(可見度)濃度的采集,按照JTJ026.1-1999[1]公路隧道通風照明設計規(guī)范標準,本文中CO濃度小于等于250ppm、VI濃度小于等于0.0070m-1。模擬量擴展模塊采用兩組S7-200 EM231模塊,其可實現(xiàn)4路AI、2路熱電阻和4路熱電偶輸入。本系統(tǒng)選擇采用CO和VI傳感器合為一體的傳感器,它也是隧道里常用的傳感器。產(chǎn)品型號 REGALTunnelVICO740,測量范圍,VI:0～351/km、CO:0～600ppm,模擬輸出2通道:4mA～20mA。這一款設計用來在線采集VI/CO濃度數(shù)據(jù)信息,并提供給交通監(jiān)控部門,為隧道通風及道路通行提供決策依據(jù)。

圖6　風機動畫連接

2.2下位機西門子S7-200PLC編程設計

本系統(tǒng)PLC主模塊采用西門子S7-200系列CPU226CN型PLC,根據(jù)相關規(guī)范和交通量的要求[1],在編寫PLC程序之前,要有整體的清晰的編程思路體系。那么隧道通風控制程序流程結(jié)構(gòu)圖就是必不可少的。

圖7主要是當該控制系統(tǒng)上電后,系統(tǒng)判斷無故障則按照程序步驟運行,當系統(tǒng)無故障時候自動控制模式開啟,當CO/VI檢測傳感器采集的濃度大于國家設計規(guī)范標準時,控制器下達命令從而選擇合適風機的開啟臺數(shù),射流風機經(jīng)過開啟一段時間后,當周圍CO濃度、VI濃度達到了允許標準范圍那么基于模糊控制系統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)從而停止合適的風機臺數(shù),以上通過風機的啟停進而保證隧道內(nèi)部污染氣體的安全指數(shù)以及隧道人員的人身安全。

圖7　隧道通風控制程序流程結(jié)構(gòu)圖

圖8　主程序

本文隧道通風系統(tǒng)控制主要包含主程序和子程序兩大部分,子程序主要包括：風機“初始化”子程序、“風機循環(huán)”測試子程序、風機“手動”運行子程序、“模擬量采集”子程序四部分。

主程序部分，如圖8所示。

通過選擇程序中手動控制模式、自動控制模式對風機的啟停進行操作,急停按鈕主要是在緊急狀況下對控制系統(tǒng)的整體運行過程起到急停的作用進而保護控制系統(tǒng)的安全運行狀況。

3　隧道通風控制策略

隧道通風控制方式根據(jù)操作方式可以分為三大類：手動控制、基本控制以及自動控制方式。

1) 手動控制,操作員直接根據(jù)檢測數(shù)據(jù)及系統(tǒng)相關提示來手動操作風機的啟停,操作簡單靈活,但是耗時耗力,而且不能實現(xiàn)最優(yōu),所以現(xiàn)在它只是作為一種應急控制方式。

2) 基本控制方式,根據(jù)系統(tǒng)運行一段時間總結(jié)的經(jīng)驗,給出隧道內(nèi)各變量狀態(tài)的變化規(guī)律與時間的關系,然后進行控制。這種控制方式只是經(jīng)驗結(jié)論,應急性差,不能作為系統(tǒng)長時間的主要控制方式。

3) 自動控制方式,其關鍵是建立一個相對準確的控制模型,相關監(jiān)測數(shù)據(jù)在傳送到中控計算機后,計算機根據(jù)預先設定的模型進行濾波等各種數(shù)據(jù)處理,然后得出系統(tǒng)當前狀態(tài),給出相應的控制動作。由于不同隧道在形狀、規(guī)模、隧道內(nèi)交通流量等參數(shù)上都會存在顯著差別,所以自動控制方式需要針對不同的隧道建立不同的控制模型,并且需要現(xiàn)場大量的調(diào)試來進一步完善。

總體來看,隧道的通風控制技術是一個從手動控制到半自動控制再到自動控制的轉(zhuǎn)變過程,由于公路隧道內(nèi)交通流其特殊性——大滯后不確定,傳統(tǒng)的自動控制方式不能根據(jù)外界條件的變化迅速地做出反應來修改控制規(guī)則,所以使得隧道通風達不到最佳效果,不能達到節(jié)能的目的。而自動控制方式可以根據(jù)隧道內(nèi) CO、煙霧濃度、車流、風速等檢測設備的檢測結(jié)果對風機的啟停進行相對實時的控制,因此,目前常用的隧道通風控制方式為自動控制方式,主要有反饋式、前饋式控制以及基于計算機的智能控制方式等。

本文采用基于模糊控制方式[15]對城市隧道通風系統(tǒng)進行了監(jiān)控,通過CO/VI濃度傳感器采集數(shù)據(jù)進行閉環(huán)控制,如圖9、圖10所示。

圖9、圖10分別說明了該智能通風控制系統(tǒng)的主要控制結(jié)構(gòu)與控制原理,進而達到實時智能控制[15]的精準目的。

圖9　模糊控制系統(tǒng)框圖

圖10　模糊控制原理圖

4　結(jié)語

本文基于模糊控制系統(tǒng)且上位機系統(tǒng)采用了MCGS7.6組態(tài)軟件,從而實現(xiàn)實時動態(tài)監(jiān)控隧道通風系統(tǒng)運行過程狀況。下位機主要采用了S7-200PLC控制器,實現(xiàn)CO、VI濃度模擬量的采集及處理方法,進而達到公路隧道節(jié)能需求,減少風機的啟停頻率從而延長了風機的使用壽命。

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Design of Highway Tunnel Ventilation Monitoring System Based on PLC and MCGS

MIAO RongxiaLIU ChaofeiZHANG Liguang

(Xi’an Technological University, Xi’an710021)

Due to the constant change of the traffic flow and the speed of traffic stream in the highway tunnel, and the change of emissions of harmful gases, dust and the generated traffic air quantity, the required ventilation quantity ensuring the security of people in the tunnel also needs to be constantly changed, which requires the tunnel ventilation equipment and its operation mode to be adjusted to achieve the purpose of energy security. By using Siemens S7-200PLC and MCGS7.6 configuration software, this research monitorss the tunnel ventilation system, and based on the current state of ventilation and the operation state of fans in the tunnel, the research offers the appropriate control scheme and control the start and stop, positive and negative going motion and other operating states of fans in the tunnel. This research realizes the intelligent real-time control of tunnel ventilation, which not only ensures the traffic safety and effectively reduces operating costs to a certain extent and avoids excessive waste of resources. Meanwhile,the fans in tunnel can start and stop at minimal degree, which can significantly reduce energy consumption and improve operational life of fans.

tunnel ventilation, PLC, MCGS7.6, real-time control

2016年4月11日,

2016年5月30日

陜西省西安市未央?yún)^(qū)科技計劃(編號：201509)資助。

苗榮霞,女,碩士,副教授,研究方向：計算機測控技術。劉超飛,男,碩士,研究方向：控制工程。張立廣,男,碩士,副教授,研究方向：微機測控。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.10.043