邢婭莉 曾少莉

（1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，廣東廣州510800；2.廣州力控元海信息科技有限公司，廣東廣州510500）

0 引言

隨著我國公路建設(shè)的快速發(fā)展，公路隧道迅速增加，通行車輛日益增多，隧道內(nèi)如何確保良好的行車環(huán)境，保證行車安全，以及系統(tǒng)如何節(jié)能降耗，成為社會日益關(guān)注的問題。但是，公路隧道系統(tǒng)具有較大的非線性、時滯性和時變性，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型。國內(nèi)在公路隧道建設(shè)方面起步相對較晚，對于公路隧道控制系統(tǒng)的探索及研究也要遠遠落后于歐美、日本等國。

以通風(fēng)子系統(tǒng)為例，我國傳統(tǒng)的隧道通風(fēng)控制多采用簡單的分級式控制，所開啟的風(fēng)機數(shù)由CO濃度或煙霧濃度值（VI）分別確定，沒有把兩者聯(lián)系起來綜合考慮，且采用簡單的門限控制方式，既浪費能源，控制效果又不理想。近年來，以長安大學(xué)為代表的眾多科研單位對公路隧道通風(fēng)的控制方法開展了大量的實驗和研究，相繼提出了基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的縱向通風(fēng)控制系統(tǒng)和基于經(jīng)驗的模糊縱向通風(fēng)控制系統(tǒng)[1-2]，這些智能控制方法能有效地控制公路隧道內(nèi)的CO、VI、空氣中異味等污染物濃度，取得了較好的效果。但這些方法多是在離線的情況下調(diào)試好控制規(guī)則，而在實際的隧道通風(fēng)系統(tǒng)中要根據(jù)控制效果不斷修正控制規(guī)則，才達到最佳的控制效果。因此，利用先進的控制理論和控制方式，應(yīng)用于隧道監(jiān)控系統(tǒng)具有很強的現(xiàn)實意義[3-5]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)由兩部分組成：

（1）上位機遠程控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由隧道通風(fēng)子系統(tǒng)、隧道照明子系統(tǒng)、隧道消防子系統(tǒng)、信息發(fā)布子系統(tǒng)、報警子系統(tǒng)、專家報表子系統(tǒng)、預(yù)案管理子系統(tǒng)七部分組成（圖1）。PC機通過智能監(jiān)控系統(tǒng)，可進行全天候監(jiān)視，完成對隧道現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)的收集、統(tǒng)計、分析、管理，對各項安全指標、環(huán)境參數(shù)等有效監(jiān)測和智能化管理實現(xiàn)遠程監(jiān)測。

（2）現(xiàn)場控制層。各個子系統(tǒng)通過相應(yīng)檢測裝置，實時采集主通風(fēng)機溫度、粉塵、氣動及電氣等參數(shù)，并將用戶通過上位機軟件傳來的控制命令，通過PLC作用至電機、變頻器、風(fēng)機等被控對象。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)利用力控Forcecontrol V7.1組態(tài)軟件，根據(jù)交通運輸部《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細則》（JTG/TD70/2-02—2014）以及高速公路隧道的實際運營需求設(shè)計了隧道智能控制系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)主控界面

系統(tǒng)主控界面共包含“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”“通風(fēng)”等13個子菜單項?？蓪崿F(xiàn)以下功能：查看隧道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；實時顯示隧道內(nèi)風(fēng)速、CO、VI等檢測數(shù)據(jù)；了解通風(fēng)、照明等系統(tǒng)的運行狀況；可根據(jù)風(fēng)量自動/手動調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速；可根據(jù)光強檢測值來控制照明和通過時間/季節(jié)變換來控制照明系統(tǒng)，保證省電、有效；可查詢歷史報警信息；可查詢各用戶登錄、注銷、控制方式切換，系統(tǒng)管理員可查詢用戶具體操作內(nèi)容等歷史數(shù)據(jù)；可設(shè)置設(shè)備日常運行參數(shù)；可自動生成各類專家報表，并根據(jù)需要打??；可繪制實時曲線、歷史曲線；操作人員可根據(jù)實際情況，選擇不同情況的預(yù)案并執(zhí)行；系統(tǒng)提供了3個級別的用戶操作權(quán)限，可進行用戶管理；系統(tǒng)可通過WEB瀏覽實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡(luò)控制。

隧道智能監(jiān)控系統(tǒng)主界面如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)I/O設(shè)備組態(tài)

創(chuàng)建好系統(tǒng)各個控制界面后，需要進行I/O設(shè)備組態(tài)，系統(tǒng)才能通過數(shù)據(jù)庫變量和I/O設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)控。以通信模塊為例，本系統(tǒng)通過標準MODBUS（TCP）協(xié)議選擇相應(yīng)型號的I/O設(shè)備，輸入IP地址、通信方式、接口設(shè)置等以便和下位機建立通信。I/O設(shè)備組態(tài)如圖3所示。

2.3 創(chuàng)建實時數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫DB負責(zé)整個應(yīng)用系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)的處理、歷史數(shù)據(jù)的存儲及統(tǒng)計、報警信息管理、數(shù)據(jù)服務(wù)請求管理，是整個應(yīng)用系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)僅風(fēng)機子系統(tǒng)就創(chuàng)建模擬數(shù)據(jù)點21個，各個點名及設(shè)置情況如圖4所示。

2.4 建立系統(tǒng)連接

通過建立系統(tǒng)連接將監(jiān)控系統(tǒng)中的對象與相應(yīng)變量之間建立關(guān)聯(lián)，當變量的值發(fā)生變化時，系統(tǒng)監(jiān)控畫面就以動態(tài)變化的方式體現(xiàn)出來，在監(jiān)控界面上可以清晰地顯示各檢測數(shù)據(jù)的運行狀況。以射流風(fēng)機的運行時間為例，通過將監(jiān)控界面與運行時間變量建立連接，即可實現(xiàn)運行時間的實時顯示，具體連接設(shè)置如圖5所示。

圖2 系統(tǒng)主控界面

圖3 I/O設(shè)備組態(tài)

圖4 數(shù)據(jù)庫組態(tài)

圖5 系統(tǒng)連接

2.5 編制腳本程序

系統(tǒng)部分功能僅靠組態(tài)無法滿足系統(tǒng)要求，需根據(jù)系統(tǒng)要求編寫腳本程序。以風(fēng)機控制子系統(tǒng)為例，首先根據(jù)行業(yè)專家經(jīng)驗建立控制規(guī)則表，結(jié)合PID參數(shù)整定確定PLC控制算法，從而確定出隧道總體的需風(fēng)量。

當風(fēng)機接到啟動指令時，通過對隧道內(nèi)CO、VI實時濃度檢測數(shù)據(jù)采樣，將風(fēng)機風(fēng)量期望值r與風(fēng)機風(fēng)量實際輸出值y的誤差e=r-y和誤差的變化率Δe=e（n）-e（n-1），傳送至PLC中的PID控制器、模糊控制器。根據(jù)e、Δe自適應(yīng)調(diào)節(jié)PID控制器的運行參數(shù)，并由PID控制器輸出控制量u，決定對應(yīng)的變頻器的輸出電壓，最終實現(xiàn)對風(fēng)機的控制。PLC控制風(fēng)機啟動，在變頻器作用下，風(fēng)機實現(xiàn)軟啟動和無級調(diào)速，根據(jù)風(fēng)機特性，當風(fēng)量減少、風(fēng)機轉(zhuǎn)速下降時，其功率將大幅下降，如若所需風(fēng)量是額定風(fēng)量的50%時，軸功率則下降到額定功率的12.5%。以1臺22 kW的風(fēng)機為例，24 h連續(xù)運行，其中每天10 h運行在90%負荷（頻率按46 Hz計算），14 h運行在50%負荷（頻率按20 Hz計算），全年運行時間按300天計算，則智能調(diào)速時每年的節(jié)電量可達101 093 kW·h。因此，系統(tǒng)采用可進行參數(shù)在線整定的Fuzzy-PID控制算法的變頻調(diào)速控制方式，相較于傳統(tǒng)控制節(jié)能效果顯著。此外，應(yīng)用模糊PID減少了風(fēng)機的頻繁啟停，延長了風(fēng)機的使用壽命。

監(jiān)控系統(tǒng)部分風(fēng)機腳本程序如下：

IF射流風(fēng)機BX_FJ_ZD1.PV==1&&射流風(fēng)機PLC3_SLFJ1_ZZZS.PV==0 THEN

射流風(fēng)機PLC3_SLFJ1_ZZ.PV=1;

ELSE

射流風(fēng)機PLC3_SLFJ1_ZZ.PV=0;

射流風(fēng)機BX_FJ_ZD1.PV=0;

ENDIF

IF射流風(fēng)機BX_FJ_ZD2.PV==1&&射流風(fēng)機PLC3_SLFJ3_ZZZS.PV==0 THEN

射流風(fēng)機PLC3_SLFJ3_ZZ.PV=1;

ELSE

射流風(fēng)機PLC3_SLFJ3_ZZ.PV=0;

射流風(fēng)機BX_FJ_ZD2.PV=0;

ENDIF

IF射流風(fēng)機BX_FJ_ZD3.PV==1&&射流風(fēng)機PLC1_SLFJ1_ZZZS.PV==0 THEN

射流風(fēng)機PLC1_SLFJ1_ZZ.PV=1;

ELSE

射流風(fēng)機PLC1_SLFJ1_ZZ.PV=0;

射流風(fēng)機BX_FJ_ZD3.PV=0;

ENDIF

IF射流風(fēng)機BX_FJ_ZD4.PV==1&&射流風(fēng)機PLC1_SLFJ3_ZZZS.PV==0 THEN

射流風(fēng)機PLC1_SLFJ3_ZZ.PV=1;

ELSE

射流風(fēng)機PLC1_SLFJ3_ZZ.PV=0;

射流風(fēng)機BX_FJ_ZD4.PV=0;

ENDIF

IF射流風(fēng)機BX_FJ_ZD5.PV==1&&射流風(fēng)機PLC1_SLFJ5_ZZZS.PV==0 THEN

射流風(fēng)機PLC1_SLFJ5_ZZ.PV=1;

ELSE

射流風(fēng)機PLC1_SLFJ5_ZZ.PV=0;

射流風(fēng)機BX_FJ_ZD5.PV=0;

ENDIF

3 結(jié)語

本系統(tǒng)操作界面友好，內(nèi)容豐富，功能齊全。特別是在風(fēng)機控制子系統(tǒng)中應(yīng)用模糊PID控制技術(shù)，能保證隧道通風(fēng)系統(tǒng)運行可靠、平穩(wěn)，系統(tǒng)通過變頻器實現(xiàn)風(fēng)機軟啟動，可降低系統(tǒng)噪聲和振動，減少機械沖擊，延長風(fēng)機使用壽命。無級調(diào)速既滿足了通風(fēng)質(zhì)量，又減少了電能消耗，節(jié)能環(huán)保，具有一定的應(yīng)用前景。