隧道通風監控系統的研究

西安石油大學 張金萍 張建軍 陳光景

隧道是一個相對封閉的區域，自然風和交通風無法完成隧道內空氣的轉換。當CO濃度很大時，會危及人的身體；煙霧粉塵則會給駕駛員的視野造成障礙，增大了交通事故的發生概率。所以必須采取機械通風方式，有效及時地排出隧道內的有害物質，降低空氣的污染程度。尤其在隧道內發生交通事故或者火災的特殊情況下，機械通風就越發顯得重要。因此在隧道中建立通風監控系統意義十分重大。

1.通風監控系統的組成

隧道通風監控系統主要由監控中心計算機、CO/VI檢測器、風向風速檢測器、風機和區域控制器等組成。

1.1 監控中心上位機

此隧道監控系統軟件的上位機系統是利用北京三維力控公司的Forcecontrol 6.1組態軟件進行設計。上位機可以發出指令給區域控制器，以便來控制隧道內的機電設備，也可以接受區域控制器的數據來分析和處理。

1.2 CO/VI檢測器

CO/VI檢測器由一氧化碳/能見度檢測探頭、評價控制單元、安裝支架、連接電纜等部分組成。一氧化碳檢測采用的是非擴散檢測紅外波段中的一定波長對非對稱分子吸收能力的變化值(即δ值)，再變換成電流的變量，把這一變量又用數字信號傳至隧道監控室中心計算機并顯示出來[1]。能見度測量是通過另一分離通道，由發射/接收單元發射光波，通過10米測量通道到達反射單元，反射光再經原來的10米測量路徑反射到發射/接受單元，光束經過衰減，得到的信號經過評價控制單元處理為測量值，就是能見度檢測值。

1.3 風速風向檢測器

風速風向檢測器采用超聲波的原理測量隧道的環境溫度和風速風向，由二個超聲波發射/接受單元、數據處理評價單元、安裝支架、連接電纜等部分組成，具有現場顯示功能。

1.4 區域控制器

此次設計下位機的區域控制器采用honeywell高性能可編程控制器(PLC)，負責管理和控制相關區域的現場設備。區域控制器由機架、CPU、電源模塊、I/O模塊、通訊模塊等組成。主要設備清單如表1所示。

2.隧道通風的方式

目前隧道機械通風方式可分為縱向式通風、半橫向通風和橫向式通風三種方式。縱向式通風是從一個洞口直接引進新鮮空氣，由另一洞口排出污染空氣的方式。這種通風方式一般適用于單向行車的隧道；半橫向式通風是將新鮮空氣經送風道直接吹向汽車的排氣孔高度附近，直接稀釋排氣，污染空氣在隧道上部擴散，經過兩端洞門排出洞外。使用這種方式的隧道僅需設置排風道，比較經濟；橫向式通風的特點是風在隧道的橫斷面方向流動，一般不發生縱向流動，因此有害氣體的濃度在隧道軸線方向的分布均勻。該通風方式有利于防止火災蔓延和處理煙霧。但需設置送風道和排風道，增加建設費用和運營費用[4]。在本系統中采取縱向式通風方式。

3.隧道通風監控系統的功能

3.1 數據的采集及顯示功能

該通風監控系統能檢測出隧道內CO濃度、能見度、風速和風向，并顯示在上位機監控界面上。

CO濃度(單位：PPM)和能見度(單位：1/km)都由CO/VI檢測儀檢測所得。風速主要采集的是縱向風速(單位：m/s)，風向指隧道內的縱向風向，分為正向和反向，用箭頭表示，數據由風速風向檢測儀檢測所得，輸出形式為一個繼電器輸出。

檢測到的CO/VI值和風速為模擬信號，在4-20MA之間。數據采集后要把模擬量轉換為數字量之后才能顯示在界面上。

3.2 風機狀態的監控功能

通風監控系統可以返回每一臺射流風機的運行狀態，包括風機的正/反轉、停止、故障等狀態信號，然后將這些狀態清晰、明了的顯示在監控系統界面上。該系統把處在一個斷面上的兩臺風機作為一組來進行控制。控制方式分為遠程自動、遠程手動和本地控制三種。遠程自動控制就是監控中心上位機將采集到的信息處理后，當達到一定的限值時實時地發出指令；遠程手動控制就是操作員根據現場實際情況人工發出指令來控制風機運行；本地控制就是操作人員在現場低壓柜按下風機的啟停按鈕。

3.3 輔助功能

1)報警功能：能夠對采集的數據進行分析和判斷，如果數據超過規定的報警限值或低于規定的報警限值，實時報警窗口就會自動彈出，報警數據、設備和區域就會在報警窗口顯示出來。用戶也可以設計報警聲音，以便更好的對操作員進行提示。

2)趨勢曲線：現場采集到的數據經過處理后依照實時數據和歷史數據進行儲存，通過趨勢曲線可以更好的對數據進行分析顯示。

表1 主要設備材料清單

圖1 I/O設備建立

圖2 隧道通風監控系統主界面

圖3 調用全局變量

3)報表：能夠對采集的數據進行顯示、存儲和打印等功能。

4)事件記錄：記錄操作人員的操作過程，并可記錄系統上位機相關程序的啟動、退出及異常的詳情。用戶可以通過記錄來對系統進行維護。

5)安全管理：安全管理主要包括用戶級別管理、安全區管理、系統安全管理及工程加密管理。

4.隧道通風監控系統設計

4.1 上位機軟件設計

(1)I/O設備建立

力控組態軟件實時數據庫通過I/O驅動程序對I/O設備進行數據采集與下置，實時數據庫與I/O驅動程序之間為客戶/服務器運行模式，一臺運行實時數據庫的計算機可通過多個I/O驅動程序完成與多臺I/O設備之間的通信。本監控系統中，首先對Honeywell PLC進行設備設置，通過標準MODBUS(TCP)協議建立相應的I/O設備，并輸入IP地址，以便和下位機建立通訊。I/O設備建立如圖1所示。

(2)數據庫組態點建立

點是實時數據庫系統保存和處理信息的基本單位。在創建一個新點時首先要選擇點類型和所在區域。點類型分為數字I/O點和模擬I/O點兩種，本系統中CO值、VI值和風速值為模擬點，風向、風機運行狀態的反饋及控制點均為數字點。每個點都需要對基本參數、報警參數、數據連接和歷史參數進行設置。

(3)界面建立及動畫連接

根據監控系統的要求，設計了監控主界面、手動控制界面、報警界面、趨勢曲線界面和報表界面等。畫面建立完成后，將畫面中圖像對象與變量或表達式建立連接，這樣就可以對系統中的各種設備進行監控。在監控主界面上可以清楚的顯示各檢測數據、風機在隧道中所處的位置以及風機的運行狀況。在監控界面上點擊風機控制按鈕，進入風機手動控制界面，操作員根據不同情況點擊正轉/反轉/停止狀態按鈕進行操作。隧道通風監控系統主界面如圖2所示。

(4)腳本程序

在隧道通風監控系統的設計中除了監控界面的建立，編寫腳本程序也是一項重要任務。

圖4 梯形圖編寫

在本系統中需要編寫的腳本程序有如下幾項：

1)每臺風機啟動時需要短暫的延時，上一臺風機達到額定轉速后，再啟動下一臺風機，以減少對變電站供電的沖擊。

2)風機控制時如果在左轉，此時右轉按鈕灰掉(即被屏蔽了)，必須先按停止后，才能再按右轉按鈕啟動風機。

3)通風系統遠程自動控制。

4.2 下位機軟件設計

本系統區域控制器應用的是Honeywell MasterLogic-200系列PLC，采用SoftMaster-200作為編程軟件。用戶可以進行系統配置和程序的編寫、調試、仿真、在線診斷PLC硬件配置狀態、控制PLC的運行狀態和I/O通道的狀態等。

(1)）首先通過CPU的USB接口連接PC機，在SoftMaster-200軟件中對PLC進行配置網絡地址并寫入，建立PC機與PLC之間的通信。

(2)配置I/O設備信息，明確上位機軟件數據庫組態點與PLC輸入點的對應關系，各輸出點與各輸出執行單元的對應關系，創建全局變量和本地變量。調用全局變量的步驟如圖3所示。

(3)按照控制要求編寫梯形圖程序。

在編寫梯形圖時要注意變量與上位機組態軟件數據庫組態中變量的對應關系；風機的延時啟動；風機的單點控制及自動控制；上位機監控界面中按鈕之間的互鎖等。梯形圖編寫界面如圖4所示。

(4)程序編程完成后，選擇“聯機[Online]”-“寫入數據[Write]”，然后選擇要傳輸到PLC的數據，然后點擊“確定[OK]”，將選定的數據傳輸到PLC。

(5)進行聯機調試。

5.結論

本設計對通風監控系統進行了詳細的工程設計，包括系統的結構設計，功能設計和模塊劃分和上下位軟件設計。應用力控Forcecontrol 6.1組態軟件設計了通風監控系統的主界面、風機顯示界面、風機控制界面和風機預案管理等。應用honeywell PLC進行區域控制器設計，并編寫了后臺控制程序，實現了通風監控系統的各項監控功能。

本系統有效地保證駕駛員、隧道養護人員免受有害氣體的危害，提高了車輛運行安全系數。整套系統已投入運行，經過多次現場驗證，取得了良好的效果。在本文中我們所做的研究工作還僅僅是初步的，今后仍有大量的工作值得深入探討。

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