基于西门子PLC控制的隧道风机系统设计.pdf

基于西 门子 P L C控制的隧道风机系统设计杨 东 ， 等 基于西 门子 P L C控制的隧道风机系统设计 De s i g n o f t h e Tu n n e l F a n Co n t r ol S y s t em Ba s e d o n Si emen s PL C 饧 亏 需 勇 治 国琵 馐矩 穹 俞 穹 四川大学电气信息学院， 四川 成都 6 1 0 0 6 5 摘要 介绍了基于P L C的隧道风机控制系统的方案设计， 包括系统硬件设计、 P L C软件设计和人机界面设计等。系统共 7组风机， 每 一 组风机由一台从站 P L C控制 ， 其 中6台从站P L C又受控于一台同型号的主站P L C 。主站 P L C通过 R S - 4 8 5端口对从站P L C进行数据传 输和同步控制； 控制系统通过触摸屏实现本地控制操作和远程控制操作。由P L C改进的隧道风机控制系统可靠性高、 抗干扰能力强， 能 够在节省人力资源的同时， 实时、 灵活地处理隧道 中各种突发情况 ， 从而有效地保障了隧道氧气 比例 ， 具有很高的实用价值。 关键词 P L C 控制系统隧道风机R S - 4 8 5通信人机界面 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码A D O I 1 0 ． 1 6 0 8 6 ／ j ． c n k i ． i s s n l 0 0 0 0 3 8 0 ． 2 0 1 5 0 9 0 1 6 Abs t r a c t Th e s c h e me d e s i g n o f t h e PL C b a s e d t u n ne l f a n c o n t r o l s y s t e m i s i n t r o d u c e d，i n c l u d i n g s y s t e ma t i c h a r d wa r e d e s i g n-P LC s o f t wa r e d e s i g n，a n d ms n ma c h i n e i n t e rfa c e d e s i g n-e t c．Th e s y s t e m i s c o mp o s e d o f s e v e n g r o u p s o f fan s 。e a c h g r o up o f f a n s i s c o n t r o l l e d b y a s l a v e PL C s t a t i o n，a n d s i x o f t h e s l a v e P LC s t a t i o n s a r e c o n tro l l e d b y a ma s t e r PL C s t a t i o n wi t h t h e s a me mo d e l o f P LC．Th e d a t a t r a n s mi s s i o n a n d s y n c h r o n o u s c o n tro l o f the s l a v e s t a t i o n s a r e c o n d u c t e d b y t h e ma s t e r s t a t i o n v i a RS - 4 8 5 p o d；l o c a l a n d r e mo t e c o nt r o l a n d o p e r a t i o n are i mp l e me n t e d b y t h e c o n t r o l s y s t e m t h r o u g h t o u c h s c r e e n．Th e t un n e l f a n c o n t r o l s y s t e m i mp r o v e d b y P LC f e a t u r e s h i g h r e l i a b i l i t y a n d p o we rfu l a n t i i n t e rfe r e n c e c a p a b i l it y，i t s a v e s ma n p o we r a n d i s p o s s i b l e t o fle x i b l y h a n d l e v a r i o u s e me r g e n c y s i t u a t i o n s I e f f e c t i v e l y g u a r a nt e e s the p r o p o r ti o n o f o x y g e n i n t h e t u n n e l l t h u s p o s s e s s e s h i g h e r p r a c t i c a l v a l u e s ． Ke y wo r d s P L C C o n t r o l s y s t e m T u n n e l fan R S - 4 8 5 c o mm u n i c a t i o n H u m a n ma c h i n e i n t e rf a c e HMI 0 引言 现数据的显示和操作控制 。 。 高速公路隧道利用两点之间直线最短的几何原 理 ， 减少了对自然环境的破坏， 解决了道路坡度等问 题 ， 具有极高的实用价值 。与此同时， 由于隧道内汽 车排放 的废气 、 行驶 时带起路 面 的烟气 和粉 尘不 易扩 散 ， 对人体危害非常严重， 也影响行车安全， 因此保持 隧道 内 良好 的空气是隧道行车安 全的必要 条件 。随着 高 速公路 隧道的 日益增多 ， 道路安全事 故的加剧 ， 隧道 安全 已经逐渐成为人们 日常关心 的焦点 问题 。本文将 针对这 方面展开研究与讨论 。 在 多 P L C控 制 系 统 中 ， 为 实 现 协调 控 制 ， P L C之 间常采 用主从 网络 连接 ， 即选 择 1 个 P L C为 主站 ， 其 余 为从 站。主 站管 理 从站 ， 并 发 起通 信 ； 从 站 接受 管 理 ， 响应通信。这样的系统模式容易实现集中管理与 监控 ， 安全 性高。本系统采用 的是 主从 网络 ， 1 个 为主 站 ， 6个站点为从站 。主从站 P L C应 用 M o d b u s 通 信协议进行通信 。 。系统以触摸屏为人机界面， 实 修 改稿 收 到 日期 2 0 1 5 0 5 0 4 。 第一作者杨 东 1 9 8 8一 ， 男， 现为四川大学控制工程专业在读硕 士 研究生； 主要从事四旋翼飞行器相关应用方面的研究。 自动化仪表 第 3 6卷第 9期2 0 1 5年 9月 1 隧道风机控制系统概述 1 ． 1 隧道风机系统原理 本 系统利用地感线 圈和风力传感器测得隧道 内车 流量以及风力风 向情况， 并将实时信 息传递 到 P L C 中， 通过预先设定的阈值判断是否启动风机， 从而保证 整个隧道 的含氧量 ， 提 高 了隧道 内的行 车安全 。隧道 风机控制系统主要由风机 组 、 风力传感器 、 地感线 圈、 P L C以及 触摸 屏 等 主要 设 备组 成 ， 现场 模拟 图如 图 1 所示 。 垄塑 行 车 地 感线 圈 道路 中线 风力 传 感器 位于控制柜上方 风机 B 地感线圈 控制 柜 P L C、触摸屏等 行车 图 1 隧道 风机 现场模拟 图 F i g ． 1 S i t e s i mu l a t i o n d i a g r a m o f t u n n e l f a n 6 5 基于西 门子 P L C控 制的隧道风机系统设计杨东 ， 等 1 ． 2隧道风机控制系统流程 1 ． 2 ． 】 手动控制 在道路一侧 的控制 柜里设 有手 动控制 装置 ， 配备 有启动 、 正转、 反转以及停止等 4个按钮 ， 供紧急情况 或检修工作人员测试使用 。 1 ． 2 ． 2自动控制 整个硬件系统安装 完成 接上 电源开关 后 ， 整个 隧 道 的车流量 以及 隧道 内风力情况都处 于监测之 中。当 满足 以下 条 件 时 ， 在 P L C的 控 制 下 ， 实 现 风 机 自动 启停 ① 车流量控制。在主站 P L C附近道路来往方向 各配备有一个地感线 圈 ， 每 当车辆通过 1次 ， P L C计 数 自动加 1 ， 以辆／ h为单位 ， 当检测值大于或等于预先设 定值时， 风机 自动启动 根据风力传感器所测得风向 数据综合判断出风机正反转 。本项 目设定预设值为 3 0 0辆／ h 。 ② 隧道堵车控 制 。当隧道 内 出现 紧急情 况造 成 交通堵塞时， 一旦系统检测车辆停 留在地感线圈的值 大于等于预先设定值 ， 风机 自动启动 根据风力传感 器所测得 风向数据综合 判断风 机正反转 。本项 目设 定 值为 2 m i n 。 ③ 隧道风力 过小控 制 。本 系统 配备 了英 国进 口 的风力传 感器 ， 实时监 测隧 道 内风 力情况 。 当隧道 内 风力小于等于预先设定值时， 风机 自动启动。本项 目 预设值为 3级 。 传感器测得风力级数 以及 风 向 0～3 6 0 。 。根据 当地情况 据测试 判 断大 多数 风 向为贡 噶方 向 及 各 种综合因素 ， 规定朝贡嘎方 向运转为正转方 向， 则风力 传感 器所 测得 风 向数据 在 0～1 8 0 。 时 风机 启 动为 正 转 、 1 8 0～ 3 6 0 。 时为反转 。 1 ． 2 ． 3 故 障报警 控制柜里预设 了正 常 和故障两 个指示 灯 ， 当整个 系统 工作时 ， 风机启停条件满足后 ， 一旦风机 出现故 障 或者风机与控制柜之间出现通信故障， 故障灯常亮 ， 便 于工作人员及 时检修 。 2 控制系统硬件部分设计 2 ． 1 P L C选型 考 虑到项 目的 需求 ， 此 次设 计选 用 的是 西 门子 7 - 2 0 0 S M A R T系 列 的 P L C 。该 系 列 P L C具 有 以 下 特点 。 ① 机型丰富 ， 更 多选择 。该 P L C提 供不 同类 型 、 I ／ O点数丰富的 C P U模块 ， 单体 I ／ 0点数最高可达 6 0 点 ， 可满 足大部 分小 型 自动化设 备的控制需求 。此 外 ， C P U模块配备标准型和经济型供用户选择 ， 对于不同 的应用 需 求 ， 产 品 配 置 更 加 灵 活 ， 最 大 限 度 地 控 制 成本 。 ② 高速芯片， 性能卓越。配备西门子专用高速处 理器芯片 ， 基本 指令 执行时 间可达 0 ． 1 5 s ， 在 同级别 小型 P L C中遥遥 领先 ， 在 应对 繁琐 的程 序逻 辑 、 复杂 的工艺要求时表现得从容不迫 。 ③ 以太互联 ， 经济便捷。C P U模块本体标配以太 网接口， 集成了强大的以太网通信功能。一根普通的 网线 即可将程序下 载 到 P L C 中， 方 便快 捷 ， 省去 了 专 用编程电缆 。通过 以太 网接 口还可 与其他 C P U模块 、 触摸屏 、 计算机进行通信， 轻松组网。 ④ 通用 S D 卡 ， 方便下 载。本机集成 M i c r o S D卡 插槽 ， 使用市面 上通用 的 Mi c r o S D卡 即可 实现程序 的 更新和 P L C固件升级 ， 极 大地方便 了客户 工程师对最 终用户 的服务支持 ， 也省去 了因 P L C固件升级 返厂服 务 的不便 。 2 ． 2地感线圈 地感线圈监测整个 隧道 的来往车流量 ， 并通过 车 辆 在 线 圈上 的停 留时 间来 判 断 隧 道 是 否 出现 堵 车 情况 。地感 线 圈 将 采 集 到 的 数 据 通 过 I ／ 0端 口 传 递到 P L C中， 由 P L C综合 判断是否使风 机发生 动 作 。 地感线 圈选择 为巢骏 车辆 检测地感线 圈。其参 数 如 表 1所示 。 表 1 地感线圈参数 Tab． 1 Pa r a m e t e r s o f t he s e n s e c o i l 2 ． 3 风 力传 感器 风力传 感器用来测量 和监 控风 力和风 向， 监 测 的 数据实时传输到 P L C中， 通过 P L C综合其他外界条 件， 判断是否使风机发生动作。对市场进行调查并配 合项 目需求 ， 本次选择 了北京 星火创 仪 电子科技 有 限 公 司风力传感器 ， 产 品参数如表 2所示 。 6 6 PROCES S AUTOMATI ON I NS TRUM ENTATI ON Vo 1 ． 3 6 No ． 9 S e p t e mb e r 2 0 1 5 基于西 门子 P L C控制的隧道风机 系统设计杨 东 ， 等 2 ． 2 I ／ O 分配 结合风机控制的功能要求， I ／ O分配如表 3所示。 表 3 I ／ o分配图 Tab． 3 Al l o c a t i o n 0 f I ／ 0 程序代码 I ／ O端 口 功 能 程序代码 I ／ O端 口 功能 S t o p L e d 1 1 0 0 风机 A停止指示灯 E r r L e d 2 I 1 l 风机 B错误指示灯 P o s i t i v e L e d l 1 0 1 风机 A正转指示灯 S t a r t i n g L e d 2 I 1 2 风机 B软启动 中指示灯 N e g a t i v e L e d 1 1 0 2 风机 A反转指示灯 Gn d S e n s o r 2 I l 3 地感线 圈 2 E r r L e d l 1 0 3 风机 A错误指示灯 P l s Mo t o r l P Q 0 2 风机 A正转按钮 S t a r t i n g L e d 1 1 0 4 风机 A软启动 中指示灯 P l s Mo t o r l N Q 0 3 风机 A反转按钮 G n d S e n s o r 1 1 0 5 地感线圈 1 P l s Mo t o r l S t o p Q 0 4 风机 A停止按钮 S t o p L e d 2 1 0 6 风机 B停 止指示 灯 P l s Mo t o r 2 S t o p Q 0 5 风机 B反转按钮 P o s i t i v e L e d 2 1 0 7 风机 B正转指示灯 P l s M o t o r 2 P Q 0 6 风机 B 停止按钮 N e g a t i v e L e d 2 I l 0 风机 B反 转指示 灯 P l s Mo t o r 2 N Q 0 7 风机 B正转按钮 3软件部分设计 3 ． 1 程序流程 风机启停控 制流程如 图 2所示 。当车在地感线 圈 停 留超过 6 0 S 时 ， 说明堵车 ， 且 当风 速小 于 3级 时 ， 启 动风机 ； 当不超 过 6 0 S 且 风速 大 于 3级 时 ， 不启 动 风 机。当车流量大于 3 0 0辆／ h时， 与风力传感器结合判 断是否启 动风机 ； 当车 流量 小 于 3 0 0辆／ h时 ， 不启 动 风机 。 图 2风 机 启 停 控 制 流程 图 F i g ． 2 F l o wc h a r t o f s t a r t u p a n d s h u t d o wn c o n t r o l of f a n s 3 ． 2 编程 注意 事项 在编程 时遇到各种小 问题 ， 现将部分 总结 如下。 3 ． 2 ． 1 M o d b u s 通信主站指令 ① A d d r 表示远方 从站 Mo d b u s 协议 的 4 0 0 0 1起 始地址 ， 特别注 意该地 址是立 即数或 V D型变量 ， 但 该 自动化仪表 第 3 6卷第 9期2 0 1 5年 9月 地址的计数却是按 V w 即 w o r d 型 。 ② C o u n t 是立即数或 V w， 但计数却是与 A d d r 参 数的范 围有关 ， 如果 A d d r 是 0 x x x x和 I x x x x ， 则 C o u n t 表示 b i t 数 。如果 A d d r 是 3 x x x x 和 4 x x x x ， 则 C o u n t 表 示 w o r d 数 。 ③ D a t a p t r 表示本地数据区首地址 ， 必须为 V B类 型 ， 且需加 表示指针。如果写为 V w ， 则虽编译下 载 均无错误， 但运行结果不对， 且不能调试 ， 联机调试将 会提示 比较程序通不过 。 3 ． 2 ． 2 S m a r t 系列的 B u g 从一个程序 C o p y 程序段到另一程序时 ， 如果有子 程序调用 ， 则虽然显示的子程序名都 正确 ， 目的程序 中 其子程序号也不变 ， 但 目的程序 中子程 序号很 可能不 同， 这将导致 以下后果。①若有该号子程序， 则误调 用 ； ②若无 ， 则 出“ 系统内部 比较 错误 ” ， 且 难 以找 到真 实原 因。其解决办法是 在 目的程序 中先删 除该调 用 ， 再重新加上该调用 ， 则子程序号对应正确。 3 ． 3触摸屏软件设计 系统采用 D e l p h i 软件 编写 了触 摸屏 界 面。历 史 车辆总数将便 于工作人员对整个过往车流量进行监 测 ； 车流量数是监测每小时隧道 内来 往车辆 总数 ， 并 以 此作为判断风机启停 的条件之 一 ； 当前 风速是 由风 力 传感器所测得的实 时数 据 ， 作为 风机启 停 的一 项重 要 指标； 当前风向也是风力传感器测得的实时数据 ， 作为 风机正反转的唯一判断条件 。隧道 风机 系统 主要界 面 6 7