基于PLC的风机控制技术在公路隧道中的应用——以南安金淘至厦门高速公路为例.pdf

Br i d g e u n n e E n g i n e e 基于 P L C的风机控制技术在公路隧道中的应用 以南安金淘至厦门高速公路为例 沈 瑞 昌 厦 门兴南洋信息技术有 限公司 ，福建厦门3 6 1 0 0 8 摘要 可编程控制 器 P L C 是一种以微 处理 器为核心 ，融合 了计算机技 术、 自动控制技术和 网络通信技术的通用工业控 制设备 P L C因其硬件配置灵活、组态方便 、编程 方法简便 、抗 干扰 能力强、能适应较恶劣的工业环境、维护方便等优 点， 在进行逻辑控 制方面广泛应用于工业控制 系统 的众多领 域。针对隧道通风机 的工作环境和 运行 特点 ，以 P L C为主要控制设 备 ．介 绍 了 南安 金 淘 至 厦 门高速 公 路 隧 道 通风 系统 的 组 成 及其 实现 自动 控 制 系统 的软 硬 件 构成 。 关键 词 P L C风 机 控制 技 术 ；公 路 隧 道 中圈分类号 U 4 5 3 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 2 4 7 8 6 2 0 1 3 2 3 0 1 4 0 0 4 App l i c a t i o n o f Fa n Co nt r o l Te c hno l o g y i n Hi g h wa y Tu nne l Ba s e d o n PLCTa k i n g J i n t a o o f Na n a n t o Xi a me n Fr e e wa y a s a n Ex a mp l e S HEN Ru i c ha n g Xi a me n Xi n g n a n y a n g I n f o r ma t i o n T e c h n o l o g y C o ． ， L t d ． ， Xi a me n 3 6 1 0 0 8 ， Ch i n a A b s t r a c t P r o g r a m ma b l e l o g i c c o n t r o l l e r P L C i s a k i n d o f g e n e r a l i n d u s t r i a l c o n t r o l e q u i p me n t w i t h a m i - c r o p r o c e s s o r a s t h e c o r e ，i n t e g r a t i ng c o mp u t e r t e c hn o l o g y ，a u t o ma t i c c o n t r o l t e c h n o l o g y a nd n e t wo r k c o mmun i c a - t i o n t e c h n o l o g y ． B e c a u s e o f i t s a d v a n t a g e s s u c h a s fl e x i b l e h a r d wa r e c o n fi g u r a t i o n ， c o n v e n i e n t c o n fi g u r a t i o n ， s i m p l e p r o g r a mmi n g me t h o d ，s t r o n g a n t i - i n t e r f e r e n c e a b i l i t y ，a d a p t i n g t o b a d i n d u s t r i a l e n v i r o n me n t ，c o n v e n i e n t ma i n t e n a n c e ，e t c ，i t s l o g i c c o n t r o l i s wi d e l y a p p l i e d i n ma n y fie l d s o f i n d us t r i a l c o n t r o l s y s t e m．I n t h e l i g h t o f wo r k e n v i r o n me n t a n d o p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e t u n n e l v e n t i l a t i o n ma c h i n e ， wi t h P L C a s t h e ma i n c o n t r o l d e v i c e ，t h e p a p e r i n t r o d u c e s t h e c o mp o s i t i o n o f v e n t i l a t i o n s y s t e m o f J i n t a o o f Na n a n t o Xi a me n F r e e wa y t u n n e l a n d i t s h a r d wa r e a n d s o f t wa r e c o n s t i t u t e t o r e a l i z e a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m． K e y wo r dsPLC；f a n c o n t r o l t e c h n o l o g y ；h i g h wa y t u n n e l O 引言 南安 金淘 至厦门高速公路主线起 于泉州南安 泉三高速公路金淘互通 ．经安溪县进入厦 门市同安 区 ，终于集 美 区 田厝 ．项 目全 长9 8 ． 1 k m，厦 门段长 为4 1 ． 4 4 1 k m。其中设有风机的隧道有 龙 门岭隧道 2 6 4 0 m 、小坪隧道 8 5 0 m 、后溪隧道 1 8 5 0 m 、 岩内下穿隧道 1 O l O m 、莲花隧道左洞 4 5 4 5 m 、 右洞 2 5 4 2 m 本文以南安金淘至厦门高速公路隧 道通风系统为例 ．阐述P L C 控制技术在公路隧道中 的应用 1 隧道通 风 汽车在行驶 中排放 的污染物主要有C 0和烟雾 颗粒 ，烟雾颗粒会造成隧道内能见度降低 ，影响 1 4 0 1交通标准化 驾驶员观察视线和行车安全 而通风系统能起到稀 释有害气体和污染物浓度的作用 ．对隧道的行车安 全有很大影响 依据 国家高速公路隧道和城市地下 隧道的有关设计规范．长度大于1 O 0 0 m的隧道应设 置机械排风设备Ⅲ 将隧道内的C O和烟雾浓度稀释 到安全范围 ．是隧道通风控制系统 的重要 目标 同 时隧道通风系统在火灾发生时控制合理的风速风向 是减 少伤亡事故 的重要措施 P L C 在 风机上 的应 用 ．使得隧道通风系统实现 自动控制。 1 ． 1 通 风 系统 功 能 通风系统能改变隧道内空气的化学组成和通风 条件 ．使之满足驾乘人员和车辆运行的安全和卫生 标准 ．以保证隧道正常运营 同时 ．当隧道内发生 火灾时．它还可 以抑制火灾蔓延 ．并为灭火工作创 造有利条件 隧道通风通常有两种换气方式 中、短隧道采 用纵向通风 ，选用射流通风机沿隧道纵向布设 ．依 靠射流风机 出口处气流产生的强劲推力 ．通过风机 间“ 接力” 排 除污气 特长隧道一般采用纵 向通风 和横向通风相结合 隧道纵向采用与 中短隧道一样 的通风方式 ．只是在横通道竖井 内输入新鲜空气 ． 选用立式轴流通风机排除道内污浊气体 当发生灾 情时还应配合其他管理措施才能防患于未然 ．将灾 情造成的损失降至最小 ，创造一个安全 、便捷 、高 效的交通环境 厦安高速隧道 中采用的通风方式为纵 向射流 纵向射流通风无论是工程建设投资还是运营管理费 用均较其他通风方式有 明显的经济效益 ．目前大部 分公路隧道通风都采用纵向射流通风 1 ． 2 隧道 风机 安装 方 式 风机在隧道洞顶上分散均匀地安装 ．采用预制钢 支架固定 在隧道洞顶上安装射流风机时，要求对每 块预埋铁构件进行相应的额定静载试验．每一块预埋 构件的强度、刚度和稳定性都要通过试验验证后才能 进行设备安装。射流风机的钢吊架选材、预制、安装 及焊接施工都要充分考虑到通风机长期悬空吊挂持续 行车方 向 c 荤 l l I 晕 窝 I 窝 I 窝 I 窝 I 窝 B rid g e ＆ T u n n e l E n g in e e r in g桥隧工程 运行的特殊要求 ．确保射流风机的运行安全。 1 ． 3 隧道射 流风机 布设 方 案 中短隧道风机每台为一组 ．长隧道风机每2 台 为一组。由于隧道两端均设置变电所 ，所以风机尽 量平均布设在隧道两端 ．距洞 口约2 0 0 m开始布设 ， 以后每组按1 5 0 m间距均匀布设 特长 隧道为避免 中间段 因距离 过长 没有 风机 ．不 利 于 防灾排 烟 ．所 以在特长隧道 中间段适当增设几组风机 由横通道排 风 ．竖井输入新鲜空气 1 ． 4隧道 风机 配置 根据隧道通风设计 以下工况正常行车 对应于 隧道设计行车速度3 0 ～ 8 0 k m ／ h ．按每1 0 k m ／ h 为一档 分别计算需风量 工况 、火灾工况及交通阻塞工况。 本 项 目射 流 风 机 选 用 天 津 中 隧 牌 直 径 为 1 1 2 0 ra m，技术参数 轴 向推力为1 0 4 0 N，出口风 速为3 2 m ／ s ，流量为3 3 m 3 ／ s ．电机功率不大于3 0 k W， 声压级为7 6 d B．单 台风机重为1 4 0 0 k g 。 各隧道射流风机设置情况 龙门岭隧道左右洞 各设风机7 台、小坪隧道右洞设风机2 台、后溪隧道 左右洞各设风机9 台 、岩 内下穿隧道左右洞各设风 机8 台、莲 花隧道左洞设风机l 4 台，右洞设风机 1 6 台远期左洞设风机1 4 台 。右洞设风机2 4 台 见 图 1 ．共设 置8 8 台风 机 蚕 薹 菱 ， 茎 茎 图 例 L 三 嚣 图1 莲花隧道射流风机平 面布置 图 2隧道 通风 系统 的组成 本项 目通 风系统主要 由传感器 车辆检 、 贝 4 器 、 C O 浓度检测仪、V I 烟雾浓度检测仪 、风速风向检测 仪 、区域控制器 由A ／ D转换 器 、P L C、触摸屏等 组成的自动控制装置 、射流风机以及 中心计算机等 导 l 垦 垂 l l 组成。其中C O 浓底检测仪 、烟雾浓度检测仪可以实 时准确地 自动测定隧道内的C O浓度和烟雾透过率等 数据，由区域控制器采集数据 ，控制系统将检测到的 数据与控制标准值进行比较，控制风机的启停 ；风速 风向检测仪．用来自动测定隧道内平行于隧道壁面的 2 0 1 3 年1 2 月 第2 3 期l 1 4 1 0 ∞ 卜 I -L 0 n I -L 0 n ∞ I 1 I． 桥隧工程 B r id g e ＆ T u n n e l E n g in e e rin g 风向、风速数值并检测风机的运行情况车辆检测器 用来检测隧道内的车流量和车速．为C O ／ V I 预设值提 供参考数据。隧道通风系统构成如图2 所示。 图2隧 道 通 风 系 统 构成 图 通 风 系统 分 为 自动控 制 和 手动 控 制 两 种方 式 自动控制方式是系统从 隧道环境实时检测值 C O ／ V I 与设定标准值进行比对 ．并发出风机启停指令。 特殊情况时按计算机处理 的通风方案确认后执行 手动控制方式可分别在监控中心计算机远程手动控 制或在 隧道变 电所现场控 制柜上手动完成闭 对于 自动控制方式 ．系统在每天设置的几个时 段 内对风 机进行 启停 控制 ．实 现隧 道通 风 自动控 制 效果 。保持隧道 内空气 良好 ．为行车安全创造 良好 的条件 。在 自动控制的同时也辅 以人工手动控制 ． 当系统 中带有火灾发生隐情及排烟控制方案提示 时．经人工确认后可以对风机实行远程控制 ．也可 以进行人工控制 操作员也可 以观察计算机屏幕上 显示 的隧道环境检测C O ／ V I 值 ． 以及各个风机 的 工作状态 ．并根据C O ／ V I 值对风机进行控制 ．直接 在计算机工作界面对应位置风机处点击右键 即可控 制风机的启停 。当有C O 值或烟雾浓度超标报警信 息进人监控系统时．会 由操作员进行确认以及信息 记录备案 。 3 隧道 通风P L C控制 系统 隧道通风控制是对 隧道 环境参 数及其通风设 备进行监测 ．监测数据通过计算机系统进行 比对 ． 判断 当前环境状况 ．并给 出相应 的控制方案 ．由 人工确认或 自动发送的方式控制射流风机启停等 ． 以达到诱导交通 、保证行 车“ 安全” 和道 路“ 畅通 ” 的 目的 。 根据传感器 C O、V I 、T W检测仪 采集 到的隧 道 内C O、V I 和风速值 ．并由通风控制P L C 通过D I 模 块采集风机的工作状态 ．结合隧道 内的状况按约定 的控制模型通过D O 模块对风机进行控 制。为 了控 制 回路 的 安全 ．对 D O模 块 采用 继 电器 隔离 ，防止 P L C的意外受损 ．提高 系统 的可靠性 。通 风控制 P L C以总 线 方 式 R S 4 8 5 通 过 通讯 控 制 处 理 机 与 控 制 中心计算机通讯 ．协调控制通风系统的工作 ．通 风控 制P L C和传 感 器 控 制器 将 所 采集 的信 息 经 R S 4 8 5 总线传输到监控 中心计算机 ．而中央控制计 算机按 当前隧道的状态 正常、堵塞、火灾等 和预 先约 定 的控 制模 型通 过通 风 控制P L C 控制 通 风 系统 的工作 ．或者操作员直接通过控制中心计算机直接 指令P L C 打开指定的风机 当控制中心计算机出现 故障或通讯出现故障时．系统会 自动降级 。由通风 控制P L C 按正常模式对通风系统进行控制 3 ． 1 通 风 系统的控 制 方式 3 ． 1 ． 1 正常模式 在 正常情况 下 ，根据 隧道 内C O、V I 、T W C O 浓 度、可见度、风速 检测器的检测数据和中国公路隧 道有关设计规范进行比较分析 ．在发现超过规定值时 通过通讯接V I 向中控室报警 ．并 自动打开相应的隧道 内的一 组 风 机 。当在 一 定 时 间 2 0 m i n 后 ，如 C O ／ VI 值仍未达到规定范围．则自动打开另一组风机．直 I] C O ／ V I 值低于规定值．则经过延时关闭风机。 3 ． 1 ． 2 交通阻滞或管制状态 在交通阻滞或管制状态下 ．控制 中心计算机将 通知通风控制P L C．当隧道 内C O ／ V I 值到达规定值 时打开相应侧风机 ．当2 0 mi n 后仍未低于规定值则 再打开其他风机 当交通恢复正常且C O ／ V I 值低于 规定值则延时顺序关闭风机 3 ． 1 - 3 火 灾模式 当发生火灾时 ．由控制中心计算机通知通风控 制P L C。由通风控制P L C 配合消防系统按T W值启 闭 相 应风 机 3 ． 1 ． 4养护维护模式 当在 养 护 维 护 状 态 时 ．V I 值 大 于0 ． 0 0 3 5 k m～ ， 则打开该侧隧道风机 3 ． 2 P L C 硬 件 配置 本项 目风机控制系统采用三菱F X 2 N系列P L C． 具有如下特点 集成型高性能C P U电源输入输出三 位一体 对6 种基本单元 ．最小8 点为单位连接输入 输 出扩展设备 。最大可扩展输入输 出2 5 6 点 高速 运算 ，基本指令为0 ． 0 8 s ／ 指令 、应用指令为1 ． 5 2 至 1 4 2 l 交通标 准化 几百ix s ／ 令 ；存储器规格较大 ．内置8 0 0 0 步R A M 存储器 ，安装存储 盒后 ，最大可扩展到1 6 0 0 0 步 软元件范围较宽 ，辅助继 电器3 0 7 2 点 ．定 时器2 5 6 点 ，计数器一般状态下1 6 位 ，锁定状态3 2 位 ．数据 寄存器锁定状态可达7 8 0 0 点 根据每个隧道风机数量 的不同．选不同型号的 P L C 模块 。莲花隧道选用三菱F X 2 N 一8 0 MR _ 0 1 型 P L C ．基本单元带4 0 点输 k ／ 4 o 点继电器输出 R 一继 电器输出，有触点 ，可带交直流负载 。龙门岭隧道、 小坪隧道 、后溪隧道 、岩 内下穿 隧道采用F x2 N - 3 2 MR _ - 0 0 1 型P L C ，输入点 1 6 。l 6 继电器输出。 3 ． 3触摸屏 的 选择 本项 目选用三菱触摸屏F 9 4 0 G O T F 9 4 0 G O T -- L WD C F 9 0 0 G 0 T 系列是人机介面与编程器二合为 一 的新型触模显示器 ．它可在触摸屏上直接对P L C 进行监控及编程。 图形操作终端 G O T 是一种操作触摸面板．可以 边观看画面．边显示信息．同时还能实现对可编程控 制器的各软元件的监视以及数据变化的控制。 G O T 可 以通 过操 作 界 面 实 现 开 关 设 定 、指 示 灯控制 、数据显示 、信号采集 、图形的显示等功 能 。还可以对P L C 的程序 、参数进行检查 、监视和 修改 。此外 ，G O T 还可以与计算机、变频器 、P L C 之 间进 行通 讯 F 9 4 0 G O T --L WD --C F 9 0 0 G O T 具有如下功能 a 能作指令编程 ．监察 ．强制O N ／ O F F 及改变 数据 ，模块监察及读写 b 1 5 级 口令 设定 e 背景灯寿命特长 2 ． 5 万h 1 2 ． 5 年 ； d 一台P L C 可连接4 台F 9 4 0 G O T 或F 9 3 0 G O T e 兼容F X 一5 0 D U的程序画面 f 可视 范围广阔 左右各3 O o ；竖 、俯视3 0 o ， 仰 视3 0 o F 9 4 0 WG O T 液 晶显示 器2 5 6 色 ，尺寸 m m 7 i n ，外壳 W x 1 3 3 H 触换屏 1 5 5 ． 5 W x 8 7 ． 8 H 触 析度4 8 0 2 3 4 ；存 储器 1 MB ．内存 通讯 12 R S 一 4 2 2 ／ RS 一 2 3 2 C 2； g 尺寸大 6 i n ，画面多，主屏幕最多可达5 0 0 画 面 h 寿命长 约5 万h i 可 水平 或垂 直安 装 F 9 4 0 WG O T 有一个屏幕分割功能 ，该功能可 将荧幕分割 ，使其 中一部分 或几部分 的荧幕显 B rid g e ＆ T u n n e l E n g in e e r in g桥隧工程 示不变 的资讯 ，而另一部分则显示变更的资讯 3 ． 4 P L C系统 软件 系 统采用 三菱P L C的编程 软件 G X D e v e l o D e r 。 这款软件适用多种 系列 可编程控制器 ．支持梯形 图、指令表 、S F C、S T 及F B、L a b e l 语言程序设计 ， 网络参数设定 可进行程序的线上更改 、监控及调 试 ．具有异地读写P L C 程序功能。 G X D e v e l o p e r 软件 主要 有 以下特 点 a 软件的通用性强 能够制作Q系列 、Q n A系 列 、A系列 包括运动控制 S C P U 、F X系列的数 据 ；能够转换成G P P Q、G P P A格式 的文档 ，此外 ， 选择F X系列 的情况下 ，还能变换成F X G P D O S 、 F X G P WI N 格式 的文档 b 兼容性强 ，可与Wi n d o W S、O ffic e r 等办公软 件兼容 e 程序的标准化 d 功 能模块 化 e 与可 编 程控 制器 C P U 连 接 灵 活 ．可 经 由 串行 通讯 口、U S B 、ME L S E C N E T ／ 1 O 、计算机插板等实 现可靠连接 f 丰 富 的调试 功能 4结语 根据本项 目使用P L C 来控制隧道通风系统的效 果来看 ．全线隧道风机控制实现远程和手动控制一 体化．有效地 降低了隧道有害气体 的浓度 ．为隧道 安全行车创造了有利条件 。同时因P L C 可靠性 高、 抗干扰能力强 的特点 ．可对隧道风机进行智能化控 制 ．有效避免 了风机频繁启动 ，大大提高了风机的 运行效率 ．延长了风机 的使用寿命 ，在一定程度上 降低 了隧道风机的维护和运营成本 ．值得推广和使 用 随着科 技 的进步 ．P L C 控制 技 术在 隧 道机 电 中 的作用将越来越大．自动化程度也会越来越高。 参 考文 献 [ 1 】J T J 0 2 6 ． 1 1 9 9 9 ，公路隧道通风照 明设计规范 [ S ] ． 『 2 ]李冰． 浅谈 高速公路 隧道机 电系统 的维护管理 及处治对策f J ] ． 交通工程 ，2 0 1 3 ， 3 2 7 8 2 7 9 ． 作者 简介 沈 瑞 昌 1 9 7 4 一 ，男 ，福建厦 门人 ，工程 师 ， 国家注 册一级建造 师、注册 监理 工程师 ，主要从 事高速公 路 交通工程通信 、收费 、监控 系统开发 与应用 、智能 交通 及隧道通风、照明、供配 电工程等方面的工作。 收稿 日期 2 0 1 3 一 l 1 1 8 2 01 3 年1 2月 第2 3 期I 1 4 3