基于PLC和MCGS的公路隧道通风监控系统设计*

苗荣霞　刘超飞　张立广

(西安工业大学　西安　710021)



基于PLC和MCGS的公路隧道通风监控系统设计*

苗荣霞刘超飞张立广

(西安工业大学西安710021)

由于公路隧道内的交通流量以及车流的速度是在时刻变化的,其排放的有害气体、烟尘以及产生的交通风量也是不断变化的。因此,保证隧道内人员安全的真实需风量也需要不断变化,这就要求隧道通风设备及其运行方式作出相应的调整,从而达到安全节能的目的。论文主要通过采用西门子S7-200PLC及MCGS7.6组态软件对隧道通风系统进行监控,并根据当前对隧道内的通风状况及风机运行状态,给出相应的控制方案,对隧道内风机的开启、停止、正反转等运行状态进行控制。该研究实现了对隧道通风的智能实时控制,在一定程度上既保障了行车安全又有效地降低了运营成本,避免资源的过度浪费。同时,隧道风机可以做到最少限度的启停,这样可以显著降低能耗并提高风机运营寿命。

隧道通风; PLC; MCGS7.6; 实时控制

Class NumberTP391

1　引言

由于隧道本身具有减少行车路程、缓解交通压力、保护自然生态环境,同时受恶劣天气的影响较小的特殊优越性,其应用越来越广泛。同时,随着施工技术的进步,隧道的修建使用环境更加复杂,而且一直在往更长、更大的方向发展,在给人们带来更多便利的同时,其隧道通风、照明、防火、监控等管理措施所需要的设备及技术方案必须更加完善。车辆在通行过程中,会不断地向隧道排放尾气,如CO、烟雾等,如果在正常公路上行驶,尾气会随之扩散到大气中,不会对司乘人员造成威胁,但是由于公路隧道相对来说比较封闭,空间环境狭窄,对于短隧道,由于受自然风和交通风的影响,通常情况下,有害气体不会积聚太多。但是,长大隧道由于长度太长,自然风、交通风等在空间内对空气的置换作用减小,如果不采取有效的措施来降低有害气体的浓度,则会危急隧道内人员的生命安全,对行车安全构成严重威胁。

2　公路隧道通风监控系统设计

本文根据某隧道长度及交通量的要求,隧道由四车道组成采用纵向式通风方式,隧道区域安装三组CO/VI浓度传感器。通过传感器的检测结果控制6组风机的启停。隧道控制系统中上位机采用MCGS7.6组态软件[3]设计人机交互界面,实现运行过程的自动监控及参数设置,下位机选取西门子S7-200PLC CPU226CN型号进行现场风机设备的直接控制。其中上位机与下位机的连接硬件结构原理图如图1所示。

图1　硬件结构原理图

城市隧道通风监控系统设计主要从两方面研究：第一,上位机系统操作界面的设计。第二,下位机PLC控制器的编程设计。

2.1上位机MCGS操作界面设计

根据城市隧道通风监控系统功能完成监控系统用户窗口主画面、数据报表和数据曲线画面设计,用户窗口主画面如图2所示。

图2　城市隧道通风监控系统主界面

1) 定义变量

为了确保系统上位机和下位机的连接,首先得确定MCGS7.6组态软件里的实时数据库和西门子S7-200PLC里面的变量一一对应连接,建立变量和数据之间的对应关系。

风机1#、2#、3#、4#、5#、6#手动运行通讯地址分别是I0.0、I0.1、I0.2、I0.3、I0.4、I0.5,风机启动对应地址分别为Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4、Q0.5。顺序启动、逆序停止则由输入I0.6和I0.7控制。如图3所示。

图3　变量连接

图4　变量选择

图5　实时数据库

城市隧道监控系统主界面主要由射流风机、CO/VI浓度检测仪、等构成。通风模式主要有两种,一种是手动运行方式、另一种是自动运行方式。在整个控制过程中自动控制模式无法正常运行的情况下才启用手动运行模式控制。

2) 定义动画连接

风机的动画连接,通过改变风机启动的颜色表明风机启动正常。同时编写风机启动脚本程序准确控制风机启动顺序与启停台数。 如图6所示。

3) 模拟量的采集

城市隧道中的CO、VI(可见度)浓度的采集,按照JTJ026.1-1999[1]公路隧道通风照明设计规范标准,本文中CO浓度小于等于250ppm、VI浓度小于等于0.0070m-1。模拟量扩展模块采用两组S7-200 EM231模块,其可实现4路AI、2路热电阻和4路热电偶输入。本系统选择采用CO和VI传感器合为一体的传感器,它也是隧道里常用的传感器。产品型号 REGALTunnelVICO740,测量范围,VI:0～351/km、CO:0～600ppm,模拟输出2通道:4mA～20mA。这一款设计用来在线采集VI/CO浓度数据信息,并提供给交通监控部门,为隧道通风及道路通行提供决策依据。

图6　风机动画连接

2.2下位机西门子S7-200PLC编程设计

本系统PLC主模块采用西门子S7-200系列CPU226CN型PLC,根据相关规范和交通量的要求[1],在编写PLC程序之前,要有整体的清晰的编程思路体系。那么隧道通风控制程序流程结构图就是必不可少的。

图7主要是当该控制系统上电后,系统判断无故障则按照程序步骤运行,当系统无故障时候自动控制模式开启,当CO/VI检测传感器采集的浓度大于国家设计规范标准时,控制器下达命令从而选择合适风机的开启台数,射流风机经过开启一段时间后,当周围CO浓度、VI浓度达到了允许标准范围那么基于模糊控制系统反馈调节从而停止合适的风机台数,以上通过风机的启停进而保证隧道内部污染气体的安全指数以及隧道人员的人身安全。

图7　隧道通风控制程序流程结构图

图8　主程序

本文隧道通风系统控制主要包含主程序和子程序两大部分,子程序主要包括：风机“初始化”子程序、“风机循环”测试子程序、风机“手动”运行子程序、“模拟量采集”子程序四部分。

主程序部分，如图8所示。

通过选择程序中手动控制模式、自动控制模式对风机的启停进行操作,急停按钮主要是在紧急状况下对控制系统的整体运行过程起到急停的作用进而保护控制系统的安全运行状况。

3　隧道通风控制策略

隧道通风控制方式根据操作方式可以分为三大类：手动控制、基本控制以及自动控制方式。

1) 手动控制,操作员直接根据检测数据及系统相关提示来手动操作风机的启停,操作简单灵活,但是耗时耗力,而且不能实现最优,所以现在它只是作为一种应急控制方式。

2) 基本控制方式,根据系统运行一段时间总结的经验,给出隧道内各变量状态的变化规律与时间的关系,然后进行控制。这种控制方式只是经验结论,应急性差,不能作为系统长时间的主要控制方式。

3) 自动控制方式,其关键是建立一个相对准确的控制模型,相关监测数据在传送到中控计算机后,计算机根据预先设定的模型进行滤波等各种数据处理,然后得出系统当前状态,给出相应的控制动作。由于不同隧道在形状、规模、隧道内交通流量等参数上都会存在显著差别,所以自动控制方式需要针对不同的隧道建立不同的控制模型,并且需要现场大量的调试来进一步完善。

总体来看,隧道的通风控制技术是一个从手动控制到半自动控制再到自动控制的转变过程,由于公路隧道内交通流其特殊性——大滞后不确定,传统的自动控制方式不能根据外界条件的变化迅速地做出反应来修改控制规则,所以使得隧道通风达不到最佳效果,不能达到节能的目的。而自动控制方式可以根据隧道内 CO、烟雾浓度、车流、风速等检测设备的检测结果对风机的启停进行相对实时的控制,因此,目前常用的隧道通风控制方式为自动控制方式,主要有反馈式、前馈式控制以及基于计算机的智能控制方式等。

本文采用基于模糊控制方式[15]对城市隧道通风系统进行了监控,通过CO/VI浓度传感器采集数据进行闭环控制,如图9、图10所示。

图9、图10分别说明了该智能通风控制系统的主要控制结构与控制原理,进而达到实时智能控制[15]的精准目的。

图9　模糊控制系统框图

图10　模糊控制原理图

4　结语

本文基于模糊控制系统且上位机系统采用了MCGS7.6组态软件,从而实现实时动态监控隧道通风系统运行过程状况。下位机主要采用了S7-200PLC控制器,实现CO、VI浓度模拟量的采集及处理方法,进而达到公路隧道节能需求,减少风机的启停频率从而延长了风机的使用寿命。

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Design of Highway Tunnel Ventilation Monitoring System Based on PLC and MCGS

MIAO RongxiaLIU ChaofeiZHANG Liguang

(Xi’an Technological University, Xi’an710021)

Due to the constant change of the traffic flow and the speed of traffic stream in the highway tunnel, and the change of emissions of harmful gases, dust and the generated traffic air quantity, the required ventilation quantity ensuring the security of people in the tunnel also needs to be constantly changed, which requires the tunnel ventilation equipment and its operation mode to be adjusted to achieve the purpose of energy security. By using Siemens S7-200PLC and MCGS7.6 configuration software, this research monitorss the tunnel ventilation system, and based on the current state of ventilation and the operation state of fans in the tunnel, the research offers the appropriate control scheme and control the start and stop, positive and negative going motion and other operating states of fans in the tunnel. This research realizes the intelligent real-time control of tunnel ventilation, which not only ensures the traffic safety and effectively reduces operating costs to a certain extent and avoids excessive waste of resources. Meanwhile,the fans in tunnel can start and stop at minimal degree, which can significantly reduce energy consumption and improve operational life of fans.

tunnel ventilation, PLC, MCGS7.6, real-time control

2016年4月11日,

2016年5月30日

陕西省西安市未央区科技计划(编号：201509)资助。

苗荣霞,女,硕士,副教授,研究方向：计算机测控技术。刘超飞,男,硕士,研究方向：控制工程。张立广,男,硕士,副教授,研究方向：微机测控。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.10.043