摘 要：針對(duì)公路隧道內(nèi)能見(jiàn)度低，影響車(chē)輛行駛安全，人工運(yùn)營(yíng)成本高的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一套通風(fēng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以自動(dòng)化控制技術(shù)為支撐，對(duì)隧道內(nèi)部的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如粉塵顆粒物濃度、風(fēng)速、風(fēng)向和噪音等，對(duì)通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制和在線(xiàn)遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)已在三明市G534線(xiàn)石馬岬隧道安裝運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道內(nèi)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及通風(fēng)設(shè)備的自動(dòng)控制，為同類(lèi)型隧道工程的智慧節(jié)能建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：公路隧道;通風(fēng)系統(tǒng);自動(dòng)監(jiān)測(cè);控制技術(shù);遠(yuǎn)程控制

隨著我國(guó)交通公路建設(shè)的不斷發(fā)展，公路隧道數(shù)量明顯增加，且隧道內(nèi)的交通量大幅提升，隧道的通風(fēng)工作是保正隧道暢通和運(yùn)行安全的保障[1]。隨著隧道內(nèi)車(chē)流量的增加，尤其是商用車(chē)，隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量也隨之變差。由于自然環(huán)境和隧道結(jié)構(gòu)因素造成長(zhǎng)隧道內(nèi)通風(fēng)差，尤其是單洞雙行隧道，污染物不容易排出增加。過(guò)高的污染物使得隧道內(nèi)出現(xiàn)異味，而過(guò)高的粉塵顆粒濃度會(huì)出現(xiàn)消光，降低隧道內(nèi)的能見(jiàn)度，嚴(yán)重影響行車(chē)安全[2]。若采用定時(shí)定頻率的換氣工作[3]，既無(wú)法適應(yīng)隧道內(nèi)變化的交通量和環(huán)境變量，也增加不必要的能源消耗。傳統(tǒng)的隧道監(jiān)測(cè)以人工為主，而人為的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和安全性無(wú)法保證，發(fā)展通風(fēng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)已成為的必然趨勢(shì)。

隧道通風(fēng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)是以現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)，傳感器，計(jì)算機(jī)應(yīng)用為主動(dòng)，以通信網(wǎng)絡(luò)為傳輸媒介，以及可編程控制技術(shù)的綜合性控制系統(tǒng)。在正常交通工況下，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)對(duì)隧道內(nèi)粉塵顆粒濃度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確的對(duì)通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行控制，保障隧道內(nèi)良好的通風(fēng)環(huán)境;在異常交通工況下（火災(zāi)、交通阻塞等），可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況遠(yuǎn)程控制風(fēng)機(jī)，保障救援及疏散工作開(kāi)展。

1 通風(fēng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

1.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

通風(fēng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)采集儀，信息傳輸設(shè)備、控制系統(tǒng)和通風(fēng)設(shè)備等構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)環(huán)境信息的采集、傳輸、管理、控制和決策。通風(fēng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)可分為三層：由工控機(jī)或人機(jī)接口界面組成的管理層，有控制器實(shí)時(shí)采集控制設(shè)備組成的控制層，數(shù)據(jù)采集設(shè)備和射流風(fēng)機(jī)組成的設(shè)備層。每一層有若干個(gè)模塊，層與層之間采用通信協(xié)議連接。系統(tǒng)分為三種操作模式：自動(dòng)模式、手動(dòng)模式和時(shí)空模式。其中，自動(dòng)模式可以根據(jù)隧道內(nèi)粉塵情況和風(fēng)向情況，下位機(jī)自動(dòng)啟停射流風(fēng)機(jī)。根據(jù)有關(guān)國(guó)內(nèi)外研究資料，空氣環(huán)境中的PM2.5質(zhì)量濃度在50μg·m-3為能見(jiàn)度好轉(zhuǎn)的“拐點(diǎn)”。當(dāng)PM2.550μg·m-3值，自動(dòng)啟動(dòng)射流風(fēng)機(jī)，當(dāng)PM2.5<50μg·m-3值，風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn);手動(dòng)模式為通過(guò)上位機(jī)直接控制隧道內(nèi)的通風(fēng)設(shè)備運(yùn)作;時(shí)空模式為根據(jù)設(shè)置的時(shí)間段確定隧道內(nèi)通風(fēng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間。

1.2 系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)

根據(jù)隧道的實(shí)際情況和自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制要求，設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)硬件自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件構(gòu)成如下圖1所示。

通風(fēng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的硬件包括工控機(jī)，服務(wù)器，交換機(jī)，本體控制器，變頻器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備。其中，工控機(jī)是該系統(tǒng)的上位機(jī)，在工控機(jī)上可以監(jiān)控隧道內(nèi)環(huán)境參數(shù)、界面控制、輸出控制信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。服務(wù)器主要用于數(shù)據(jù)保存，實(shí)時(shí)交互數(shù)據(jù)和查詢(xún)。考慮到隧道內(nèi)需要長(zhǎng)距離傳輸數(shù)據(jù)，采用要求性能穩(wěn)定，傳輸速度快的以太網(wǎng)。本地控制器為可編程控制器（PLC），部分控制子模塊連接圖如圖2所示。PLC在自動(dòng)模式下，可自動(dòng)開(kāi)啟控制變頻器工作;變頻器接受PLC控制信號(hào)，對(duì)風(fēng)機(jī)繼續(xù)啟動(dòng)和變頻調(diào)速。數(shù)據(jù)采集儀是隧道通風(fēng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的“感知器”，包括各種環(huán)境參數(shù)采集傳感器。

1.3 控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

該系統(tǒng)軟件包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件。其中，上位機(jī)軟件是控制系統(tǒng)的人機(jī)界面，其采用Windows平臺(tái)的利用組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)的工業(yè)軟件程序，具有靈活的組態(tài)形式，易于構(gòu)建，界面美觀(guān)等特點(diǎn)。上位機(jī)軟件主要用于設(shè)定各種儀表參數(shù)、報(bào)警限制、顯示各種設(shè)備參數(shù)，可對(duì)下位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控和操作。

根據(jù)硬件系統(tǒng)，搭建下位機(jī)PLC程序。下位機(jī)對(duì)通風(fēng)設(shè)備的控制主要為啟動(dòng)，停止，改變旋轉(zhuǎn)方向和變頻這四種工作內(nèi)容?？紤]隧道內(nèi)容現(xiàn)場(chǎng)的手動(dòng)模式，在工控機(jī)直接控制PLC控制通風(fēng)設(shè)備。在自動(dòng)模式情況下，該程序判斷在每個(gè)采樣周期（20s）內(nèi)PM2.5數(shù)值是否大于50，自動(dòng)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制。

1.4 控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸

工控機(jī)內(nèi)部嵌入模數(shù)采集模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種信號(hào)機(jī)數(shù)據(jù)的采集和處理。工控機(jī)采用基于工業(yè)以太網(wǎng)，通信協(xié)議采用MODBUS-TCP，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)交換的統(tǒng)一。PLC與變頻器采用RS485通信接口實(shí)現(xiàn)集中控制。RS485通信接口支持MODBUS-RTU從站通信協(xié)議，通過(guò)通信協(xié)議設(shè)定變頻器運(yùn)行命名，修改或讀取變頻器工作狀態(tài)及故障信息等。

2 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

石馬岬隧道位于G534線(xiàn)上三明市大田縣和三元區(qū)交界處，全長(zhǎng)2.539km，單洞雙向通行。隧道原裝有射流風(fēng)機(jī)27臺(tái)，風(fēng)機(jī)間距92m，距洞口72m，原先采用接觸器啟動(dòng)，為人工單機(jī)控制。現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)為自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程控制，在保障行車(chē)安全方面發(fā)揮著重要作用。

2.1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括粉塵顆粒物PM2.5采集儀、風(fēng)速、風(fēng)向傳感器、噪聲采集儀和顯示屏等部件。

2.2 本地控制器

石馬岬隧道為雙向行駛，因此本地控制器采用兩套PLC控制兩側(cè)通風(fēng)設(shè)備。其中，每套PLC由1個(gè)CPU和9個(gè)子模塊構(gòu)成。本地控制器PLC輸出信號(hào)到變頻器控制風(fēng)機(jī)的啟停和速度，其控制器連接實(shí)物。

2.3 變頻器

本系統(tǒng)采用英捷思Y500系列變頻器，該變頻器采用矢量控制技術(shù)，良好的動(dòng)態(tài)特性、超強(qiáng)的過(guò)載能力。變頻器的使用，避免風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，電流過(guò)大，對(duì)電網(wǎng)容量產(chǎn)生較大沖擊，影響風(fēng)機(jī)的使用壽命。同時(shí)，快速限流也可以避免線(xiàn)路出現(xiàn)短路現(xiàn)象而引起風(fēng)機(jī)燒毀。

2.4 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)

為了方便現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)管理，在線(xiàn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)提供網(wǎng)頁(yè)（WEB）段和移動(dòng)手機(jī)端數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，方便管理人員監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)環(huán)境參數(shù)，實(shí)時(shí)對(duì)通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

2.5 通風(fēng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果

相對(duì)于原先隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備的人工控制，通風(fēng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果具體如下：有效的保證隧道內(nèi)空氣的清潔度，隧道內(nèi)能見(jiàn)度顯著提高;該自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制節(jié)能效果明顯，相對(duì)原先控制方式而言，僅從射流風(fēng)機(jī)負(fù)載用電情況統(tǒng)計(jì)，節(jié)電率可達(dá)20%;該系統(tǒng)可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)端和手機(jī)端實(shí)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制，大幅度節(jié)約隧道管理人力成本;降低機(jī)電設(shè)備故障率和維修成本，自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)發(fā)生故障或電纜出線(xiàn)缺相漏電情況，避免備事故升級(jí)，即使在異常交通工況狀態(tài)下，通風(fēng)設(shè)備能夠安全平穩(wěn)運(yùn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

本文開(kāi)發(fā)建立一套公路隧道通風(fēng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)通風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，再經(jīng)過(guò)通信光纖傳輸?shù)椒?wù)器及工控機(jī)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行控制自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了公路隧道運(yùn)營(yíng)管理的自動(dòng)化和信息化。該系統(tǒng)的建立為公路隧道運(yùn)營(yíng)管理提供技術(shù)支撐，極大程度節(jié)省了人力物力，也為同類(lèi)型隧道的建設(shè)提供參考，為實(shí)現(xiàn)公路隧道智能交通具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：蘇昌勝（1972— ），男，漢族，福建三明人，本科，機(jī)械工程師，三明市公路養(yǎng)護(hù)中心三元分中心，應(yīng)急股股長(zhǎng)，研究方向：石馬岬隧道通風(fēng)系統(tǒng)智能化節(jié)能改造。