基于西门子PLC控制的隧道风机系统设计

杨 东 雷 勇 涂国强 潘振宇 俞巧军

(四川大学电气信息学院，四川 成都 610065)

基于西门子PLC控制的隧道风机系统设计

杨 东 雷 勇 涂国强 潘振宇 俞巧军

(四川大学电气信息学院，四川 成都 610065)

介绍了基于PLC的隧道风机控制系统的方案设计，包括系统硬件设计、PLC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PLC控制，其中6台从站PLC又受控于一台同型号的主站PLC。主站PLC通过RS-485端口对从站PLC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PLC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。

PLC 控制系统 隧道风机 RS-485通信 人机界面

0 引言

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[1]。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PLC控制系统中，为实现协调控制，PLC之间常采用主从网络连接，即选择1个PLC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[2-3]。主从站PLC应用Modbus通信协议进行通信[4-7]。系统以触摸屏为人机界面，实现数据的显示和操作控制[8-10]。

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PLC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、PLC以及触摸屏等主要设备组成，现场模拟图如图1所示。

图1 隧道风机现场模拟图

1.2 隧道风机控制系统流程

1.2.1 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PLC的控制下，实现风机自动启停。

① 车流量控制。在主站PLC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，PLC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300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 min。

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(0～360°)。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0～180°时风机启动为正转、180～360°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 PLC选型

考虑到项目的需求，此次设计选用的是西门子S7-200 SMART系列的PLC。该系列PLC具有以下特点。

① 机型丰富，更多选择。该PLC提供不同类型、I/O 点数丰富的 CPU 模块，单体 I/O 点数最高可达 60 点，可满足大部分小型自动化设备的控制需求。此外，CPU 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 0.15 μs，在同级别小型 PLC 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。CPU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 PLC 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CPU 模块、触摸屏、计算机进行通信，轻松组网。

④ 通用 SD 卡，方便下载。本机集成 Micro SD 卡插槽，使用市面上通用的 Micro SD 卡即可实现程序的更新和 PLC 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PLC 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/O端口传递到PLC中，由PLC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

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PLC中，通过PLC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。

表2 风力传感器参数

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

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60 s时，说明堵车，且当风速小于3级时，启动风机；当不超过60 s且风速大于3级时，不启动风机。当车流量大于300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300辆/h时，不启动风机。

图2 风机启停控制流程图

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 Modbus通信主站指令

① Addr表示远方(从站)Modbus协议的40001起始地址,特别注意该地址是立即数或VD型变量，但该地址的计数却是按VW即word型。

② Count是立即数或VW, 但计数却是与Addr参数的范围有关,如果Addr是 0xxxx和1xxxx, 则Count表示bit数。如果Addr是 3xxxx和4xxxx, 则Count表示word数。

③ Dataptr表示本地数据区首地址, 必须为VB类型，且需加&表示指针。如果写为VW，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 Smart系列的Bug

从一个程序Copy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 Delphi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如图3～图5所示。

图3 控制系统主界面

图4 过程监视界面

图5 参数设置界面

4 结束语

本系统采用了硬件直连控制柜进行现场控制，并采用了西门子S7-200 smart PLC 作为隧道风机远程控制系统的控制模块，同时由Delphi软件编写了触摸屏界面，实现了由主站同时控制多个从站。可靠性是电气设备的关键性能，PLC采用现代大规模集成电路技术和严格的生产工艺来制造内部电路，具有先进的抗干扰能力；此外，PLC还具有控制能力强、构成系统简单、设计周期短以及可维护性好等特点，从而严格保证了隧道风机系统的安全。在高速公路日益增多的情况下，交通安全必须重视，而隧道安全更是重中之重。目前，本系统已经投入雅安市石棉县联和村隧道使用中，整个使用期间有效、高效地保证了整个隧道系统的安全。

[1] 徐从常，王大荣.风机在高速公路隧道中的运用[J].中国交通信息产业，2008(3):109-110

[2] 葛锁良，张瑞祥.基于PLC的4色平台式丝网印刷机控制系统的设计[J]合肥工业大学学报：自然科学版，2013，36(8):29-32.

[3] 宋伯生．PLC网络系统配置指南[M]．北京：机械工业出版社，2011:65-73．

[4] 王刚，周军，牛绿源，等.基于PLC的溴化锂中央空调控制系统[J].自动化技术与应用，2012，31(11):45-46.

[5] 李善林.PLC技术在煤矿提升机电控制系统中的应用[J].煤炭技术,2013,32(5):36-39.

[6] 殷佳琳，谭孝辉，罗华富.PLC控制系统干扰及抗干扰措施研究[J].控制工程,2013,20(4):5-7.

[7] 冯腾飞，潘晓飞.基于PLC的船舶辅锅炉控制系统的设计[J].机电工程技术，2013,42(1):10-11.

[8] 廖常初.PLC编程及应用[M].北京:机械工业出版社,2007.

[9] 严盈富.监控组态软件与PLC入门[M].北京:人民邮电出版社,2007.

[10]吕品.PLC和触摸屏组合控制系统的应用[J].自动化仪表，2010,31(8):42-44.

Design of the Tunnel Fan Control System Based on Siemens PLC

The scheme design of the PLC-based tunnel fan control system is introduced, including systematic hardware design, PLC software design, and man machine interface design, etc. The system is composed of seven groups of fans, each group of fans is controlled by a slave PLC station, and six of the slave PLC stations are controlled by a master PLC station with the same model of PLC. The data transmission and synchronous control of the slave stations are conducted by the master station via RS-485 port; local and remote control and operation are implemented by the control system through touch screen. The tunnel fan control system improved by PLC features high reliability and powerful anti-interference capability, it saves man power and is possible to flexibly handle various emergency situations, effectively guarantees the proportion of oxygen in the tunnel, thus possesses higher practical values.

PLC Control system Tunnel fan RS-485 communication Human machine interface(HMI)

杨东(1988-)，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。

TP273

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201509016

修改稿收到日期：2015-05-04。