基于PLC的風機控制技術在公路隧道中的應用——以南安金淘至廈門高速公路為例

沈瑞昌

（廈門興南洋信息技術有限公司，福建 廈門 361008）

0 引言

南安（金淘）至廈門高速公路主線起于泉州南安泉三高速公路金淘互通，經安溪縣進入廈門市同安區，終于集美區田厝，項目全長98.1km，廈門段長為41.441km。其中設有風機的隧道有：龍門嶺隧道（2 640m）、小坪隧道（850m）、后溪隧道（1 850m）、巖內下穿隧道（1 010m）、蓮花隧道左洞（4 545m）、右洞（2 542m）。本文以南安金淘至廈門高速公路隧道通風系統為例，闡述PLC控制技術在公路隧道中的應用。

1 隧道通風

汽車在行駛中排放的污染物主要有CO和煙霧（顆粒），煙霧顆粒會造成隧道內能見度降低，影響駕駛員觀察視線和行車安全。而通風系統能起到稀釋有害氣體和污染物濃度的作用，對隧道的行車安全有很大影響。依據國家高速公路隧道和城市地下隧道的有關設計規范，長度大于1 000m的隧道應設置機械排風設備[1]。將隧道內的CO和煙霧濃度稀釋到安全范圍，是隧道通風控制系統的重要目標。同時隧道通風系統在火災發生時控制合理的風速風向是減少傷亡事故的重要措施。PLC在風機上的應用，使得隧道通風系統實現自動控制。

1.1 通風系統功能

通風系統能改變隧道內空氣的化學組成和通風條件，使之滿足駕乘人員和車輛運行的安全和衛生標準，以保證隧道正常運營。同時，當隧道內發生火災時，它還可以抑制火災蔓延，并為滅火工作創造有利條件。

隧道通風通常有兩種換氣方式：中、短隧道采用縱向通風，選用射流通風機沿隧道縱向布設，依靠射流風機出口處氣流產生的強勁推力，通過風機間“接力”排除污氣。特長隧道一般采用縱向通風和橫向通風相結合。隧道縱向采用與中短隧道一樣的通風方式，只是在橫通道豎井內輸入新鮮空氣，選用立式軸流通風機排除道內污濁氣體。當發生災情時還應配合其他管理措施才能防患于未然，將災情造成的損失降至最小，創造一個安全、便捷、高效的交通環境。

廈安高速隧道中采用的通風方式為縱向射流。縱向射流通風無論是工程建設投資還是運營管理費用均較其他通風方式有明顯的經濟效益，目前大部分公路隧道通風都采用縱向射流通風。

1.2 隧道風機安裝方式

風機在隧道洞頂上分散均勻地安裝，采用預制鋼支架固定。在隧道洞頂上安裝射流風機時，要求對每塊預埋鐵構件進行相應的額定靜載試驗，每一塊預埋構件的強度、剛度和穩定性都要通過試驗驗證后才能進行設備安裝。射流風機的鋼吊架選材、預制、安裝及焊接施工都要充分考慮到通風機長期懸空吊掛持續運行的特殊要求，確保射流風機的運行安全。

1.3 隧道射流風機布設方案

中短隧道風機每臺為一組，長隧道風機每2臺為一組。由于隧道兩端均設置變電所，所以風機盡量平均布設在隧道兩端，距洞口約200m開始布設，以后每組按150m間距均勻布設。特長隧道為避免中間段因距離過長沒有風機，不利于防災排煙，所以在特長隧道中間段適當增設幾組風機由橫通道排風，豎井輸入新鮮空氣。

1.4 隧道風機配置

根據隧道通風設計以下工況：正常行車（對應于隧道設計行車速度30～80km／h，按每10km／h為一檔分別計算需風量）工況、火災工況及交通阻塞工況。

本項目射流風機選用天津中隧牌直徑為1 120mm，技術參數：軸向推力為1 040N，出口風速為32m／s，流量為33m3／s，電機功率不大于30kW，聲壓級為76dB，單臺風機重為1 400kg。

各隧道射流風機設置情況：龍門嶺隧道左右洞各設風機7臺、小坪隧道右洞設風機2臺、后溪隧道左右洞各設風機9臺、巖內下穿隧道左右洞各設風機8臺、蓮花隧道左洞設風機14臺，右洞設風機16臺；遠期左洞設風機14臺，右洞設風機24臺（見圖1），共設置88臺風機。

圖1 蓮花隧道射流風機平面布置圖

2 隧道通風系統的組成

本項目通風系統主要由傳感器（車輛檢測器、CO濃度檢測儀、VI煙霧濃度檢測儀、風速風向檢測儀）、區域控制器（由A／D轉換器、PLC、觸摸屏等組成的自動控制裝置）、射流風機以及中心計算機等組成。其中CO濃底檢測儀、煙霧濃度檢測儀可以實時準確地自動測定隧道內的CO濃度和煙霧透過率等數據，由區域控制器采集數據，控制系統將檢測到的數據與控制標準值進行比較，控制風機的啟停；風速風向檢測儀，用來自動測定隧道內平行于隧道壁面的風向、風速數值并檢測風機的運行情況；車輛檢測器用來檢測隧道內的車流量和車速，為CO／VI預設值提供參考數據。隧道通風系統構成如圖2所示。

圖2 隧道通風系統構成圖

通風系統分為自動控制和手動控制兩種方式。自動控制方式是系統從隧道環境實時檢測值（CO／VI）與設定標準值進行比對，并發出風機啟停指令，特殊情況時按計算機處理的通風方案確認后執行。手動控制方式可分別在監控中心計算機遠程手動控制或在隧道變電所現場控制柜上手動完成[2]。

對于自動控制方式，系統在每天設置的幾個時段內對風機進行啟停控制，實現隧道通風自動控制效果，保持隧道內空氣良好，為行車安全創造良好的條件。在自動控制的同時也輔以人工手動控制，當系統中帶有火災發生隱情及排煙控制方案提示時，經人工確認后可以對風機實行遠程控制，也可以進行人工控制。操作員也可以觀察計算機屏幕上顯示的隧道環境檢測CO／VI值，以及各個風機的工作狀態，并根據CO／VI值對風機進行控制，直接在計算機工作界面對應位置風機處點擊右鍵即可控制風機的啟停。當有CO值或煙霧濃度超標報警信息進人監控系統時，會由操作員進行確認以及信息記錄備案。

3 隧道通風PLC控制系統

隧道通風控制是對隧道環境參數及其通風設備進行監測，監測數據通過計算機系統進行比對，判斷當前環境狀況，并給出相應的控制方案，由人工確認或自動發送的方式控制射流風機啟停等，以達到誘導交通、保證行車“安全”和道路“暢通”的目的。

根據傳感器（CO、VI、TW檢測儀）采集到的隧道內CO、VI和風速值，并由通風控制PLC通過DI模塊采集風機的工作狀態，結合隧道內的狀況按約定的控制模型通過DO模塊對風機進行控制。為了控制回路的安全，對DO模塊采用繼電器隔離，防止PLC的意外受損，提高系統的可靠性。通風控制PLC以總線方式（RS485）通過通訊控制處理機與控制中心計算機通訊，協調控制通風系統的工作，通風控制PLC和傳感器控制器將所采集的信息經RS485總線傳輸到監控中心計算機，而中央控制計算機按當前隧道的狀態（正常、堵塞、火災等）和預先約定的控制模型通過通風控制PLC控制通風系統的工作，或者操作員直接通過控制中心計算機直接指令PLC打開指定的風機。當控制中心計算機出現故障或通訊出現故障時，系統會自動降級，由通風控制PLC按正常模式對通風系統進行控制。

3.1 通風系統的控制方式

3.1.1 正常模式

在正常情況下，根據隧道內CO、VI、TW（CO濃度、可見度、風速）檢測器的檢測數據和中國公路隧道有關設計規范進行比較分析，在發現超過規定值時通過通訊接口向中控室報警，并自動打開相應的隧道內的一組風機。當在一定時間（20min）后，如CO／VI值仍未達到規定范圍，則自動打開另一組風機，直到CO／VI值低于規定值，則經過延時關閉風機。

3.1.2 交通阻滯或管制狀態

在交通阻滯或管制狀態下，控制中心計算機將通知通風控制PLC，當隧道內CO／VI值到達規定值時打開相應側風機，當20min后仍未低于規定值則再打開其他風機。當交通恢復正常且CO／VI值低于規定值則延時順序關閉風機。

3.1.3 火災模式

當發生火災時，由控制中心計算機通知通風控制PLC，由通風控制PLC配合消防系統按TW值啟閉相應風機。

3.1.4 養護維護模式

當在養護維護狀態時，VI值大于0.003 5km－1，則打開該側隧道風機。

3.2 PLC硬件配置

本項目風機控制系統采用三菱FX2N系列PLC，具有如下特點：集成型高性能CPU電源輸入輸出三位一體；對6種基本單元，最小8點為單位連接輸入輸出擴展設備，最大可擴展輸入輸出256點；高速運算，基本指令為0.08μs／指令、應用指令為1.52至幾百μs／指令；存儲器規格較大，內置8 000步RAM存儲器，安裝存儲盒后，最大可擴展到16 000步；軟元件范圍較寬，輔助繼電器3 072點，定時器256點，計數器一般狀態下16位，鎖定狀態32位，數據寄存器鎖定狀態可達7 800點。

根據每個隧道風機數量的不同，選不同型號的PLC模塊。蓮花隧道選用三菱FX2N—80MR—001型PLC，基本單元帶40點輸入/40點繼電器輸出（R--繼電器輸出，有觸點，可帶交直流負載）。龍門嶺隧道、小坪隧道、后溪隧道、巖內下穿隧道采用FX2N—32MR—001型PLC，輸入點：16，16繼電器輸出。

3.3 觸摸屏的選擇

本項目選用三菱觸摸屏F940GOT。F940GOT—LWD—CF900GOT系列是人機介面與編程器二合為一的新型觸模顯示器，它可在觸摸屏上直接對PLC進行監控及編程。

圖形操作終端（GOT）是一種操作觸摸面板，可以邊觀看畫面，邊顯示信息，同時還能實現對可編程控制器的各軟元件的監視以及數據變化的控制。

GOT可以通過操作界面實現開關設定、指示燈控制、數據顯示、信號采集、圖形的顯示等功能。還可以對PLC的程序、參數進行檢查、監視和修改。此外，GOT還可以與計算機、變頻器、PLC之間進行通訊。

F940GOT—LWD—CF900GOT具有如下功能：

a）能作指令編程，監察，強制ON／OFF及改變數據，模塊監察及讀寫；

b）15級口令設定；

c）背景燈壽命特長（2.5萬h＝12.5年）；

d）一臺PLC可連接4臺F940GOT或F930GOT；

e）兼容FX—50DU的程序畫面；

f）可視范圍廣闊：左右各30°；豎、俯視30°，仰視30°；F940WGOT液晶顯示器256色，尺寸（mm）：7in，外殼（W）×133（H）觸換屏155.5（W）×87.8（H）觸析度480×234；存儲器1MB，內存通訊口RS－422／RS－232C×2；

g）尺寸大（6in），畫面多，主屏幕最多可達500畫面；

h）壽命長（約5萬h）；

i）可水平或垂直安裝；

j）F940WGOT有一個屏幕分割功能，該功能可將熒幕分割，使其中一部分（或幾部分）的熒幕顯示不變的資訊，而另一部分則顯示變更的資訊。

3.4 PLC系統軟件

系統采用三菱PLC的編程軟件GX Developer。這款軟件適用多種系列可編程控制器，支持梯形圖、指令表、SFC、ST及FB、Label語言程序設計，網絡參數設定；可進行程序的線上更改、監控及調試，具有異地讀寫PLC程序功能。

GX Developer軟件主要有以下特點：

a）軟件的通用性強：能夠制作Q系列、QnA系列、A系列（包括運動控制（SCPU））、FX系列的數據；能夠轉換成GPPQ、GPPA格式的文檔，此外，選擇FX系列的情況下，還能變換成FXGP（DOS）、FXGP（WIN）格式的文檔；

b）兼容性強，可與Windows、Officer等辦公軟件兼容；

c）程序的標準化；

d）功能模塊化；

e）與可編程控制器CPU連接靈活，可經由串行通訊口、USB、MELSECNET／10、計算機插板等實現可靠連接；

f）豐富的調試功能。

4 結語

根據本項目使用PLC來控制隧道通風系統的效果來看，全線隧道風機控制實現遠程和手動控制一體化，有效地降低了隧道有害氣體的濃度，為隧道安全行車創造了有利條件。同時因PLC可靠性高、抗干擾能力強的特點，可對隧道風機進行智能化控制，有效避免了風機頻繁啟動，大大提高了風機的運行效率，延長了風機的使用壽命，在一定程度上降低了隧道風機的維護和運營成本，值得推廣和使用。隨著科技的進步，PLC控制技術在隧道機電中的作用將越來越大，自動化程度也會越來越高。

[1]JTJ 026.1—1999，公路隧道通風照明設計規范[S].

[2]李冰.淺談高速公路隧道機電系統的維護管理及處治對策[J].交通工程，2013，（3）：278-279.