隧道智能監控系統研究與實現

邢婭莉 曾少莉

（1.廣東交通職業技術學院機電工程學院，廣東廣州510800；2.廣州力控元海信息科技有限公司，廣東廣州510500）

0 引言

隨著我國公路建設的快速發展，公路隧道迅速增加，通行車輛日益增多，隧道內如何確保良好的行車環境，保證行車安全，以及系統如何節能降耗，成為社會日益關注的問題。但是，公路隧道系統具有較大的非線性、時滯性和時變性，很難建立精確的數學模型。國內在公路隧道建設方面起步相對較晚，對于公路隧道控制系統的探索及研究也要遠遠落后于歐美、日本等國。

以通風子系統為例，我國傳統的隧道通風控制多采用簡單的分級式控制，所開啟的風機數由CO濃度或煙霧濃度值（VI）分別確定，沒有把兩者聯系起來綜合考慮，且采用簡單的門限控制方式，既浪費能源，控制效果又不理想。近年來，以長安大學為代表的眾多科研單位對公路隧道通風的控制方法開展了大量的實驗和研究，相繼提出了基于模糊神經網絡的縱向通風控制系統和基于經驗的模糊縱向通風控制系統[1-2]，這些智能控制方法能有效地控制公路隧道內的CO、VI、空氣中異味等污染物濃度，取得了較好的效果。但這些方法多是在離線的情況下調試好控制規則，而在實際的隧道通風系統中要根據控制效果不斷修正控制規則，才達到最佳的控制效果。因此，利用先進的控制理論和控制方式，應用于隧道監控系統具有很強的現實意義[3-5]。

1 系統總體設計

系統由兩部分組成：

（1）上位機遠程控制系統。系統由隧道通風子系統、隧道照明子系統、隧道消防子系統、信息發布子系統、報警子系統、專家報表子系統、預案管理子系統七部分組成（圖1）。PC機通過智能監控系統，可進行全天候監視，完成對隧道現場運行數據的收集、統計、分析、管理，對各項安全指標、環境參數等有效監測和智能化管理實現遠程監測。

（2）現場控制層。各個子系統通過相應檢測裝置，實時采集主通風機溫度、粉塵、氣動及電氣等參數，并將用戶通過上位機軟件傳來的控制命令，通過PLC作用至電機、變頻器、風機等被控對象。

圖1 系統結構圖

2 系統設計與實現

本系統利用力控Forcecontrol V7.1組態軟件，根據交通運輸部《公路隧道通風設計細則》（JTG/TD70/2-02—2014）以及高速公路隧道的實際運營需求設計了隧道智能控制系統。

2.1 系統主控界面

系統主控界面共包含“系統結構”“通風”等13個子菜單項。可實現以下功能：查看隧道系統結構；實時顯示隧道內風速、CO、VI等檢測數據；了解通風、照明等系統的運行狀況；可根據風量自動/手動調節風機轉速；可根據光強檢測值來控制照明和通過時間/季節變換來控制照明系統，保證省電、有效；可查詢歷史報警信息；可查詢各用戶登錄、注銷、控制方式切換，系統管理員可查詢用戶具體操作內容等歷史數據；可設置設備日常運行參數；可自動生成各類專家報表，并根據需要打印；可繪制實時曲線、歷史曲線；操作人員可根據實際情況，選擇不同情況的預案并執行；系統提供了3個級別的用戶操作權限，可進行用戶管理；系統可通過WEB瀏覽實現遠程網絡控制。

隧道智能監控系統主界面如圖2所示。

2.2 系統I/O設備組態

創建好系統各個控制界面后，需要進行I/O設備組態，系統才能通過數據庫變量和I/O設備進行數據交換，實現數據的監控。以通信模塊為例，本系統通過標準MODBUS（TCP）協議選擇相應型號的I/O設備，輸入IP地址、通信方式、接口設置等以便和下位機建立通信。I/O設備組態如圖3所示。

2.3 創建實時數據庫

數據庫DB負責整個應用系統的實時數據的處理、歷史數據的存儲及統計、報警信息管理、數據服務請求管理，是整個應用系統的核心，本系統僅風機子系統就創建模擬數據點21個，各個點名及設置情況如圖4所示。

2.4 建立系統連接

通過建立系統連接將監控系統中的對象與相應變量之間建立關聯，當變量的值發生變化時，系統監控畫面就以動態變化的方式體現出來，在監控界面上可以清晰地顯示各檢測數據的運行狀況。以射流風機的運行時間為例，通過將監控界面與運行時間變量建立連接，即可實現運行時間的實時顯示，具體連接設置如圖5所示。

圖2 系統主控界面

圖3 I/O設備組態

圖4 數據庫組態

圖5 系統連接

2.5 編制腳本程序

系統部分功能僅靠組態無法滿足系統要求，需根據系統要求編寫腳本程序。以風機控制子系統為例，首先根據行業專家經驗建立控制規則表，結合PID參數整定確定PLC控制算法，從而確定出隧道總體的需風量。

當風機接到啟動指令時，通過對隧道內CO、VI實時濃度檢測數據采樣，將風機風量期望值r與風機風量實際輸出值y的誤差e=r-y和誤差的變化率Δe=e（n）-e（n-1），傳送至PLC中的PID控制器、模糊控制器。根據e、Δe自適應調節PID控制器的運行參數，并由PID控制器輸出控制量u，決定對應的變頻器的輸出電壓，最終實現對風機的控制。PLC控制風機啟動，在變頻器作用下，風機實現軟啟動和無級調速，根據風機特性，當風量減少、風機轉速下降時，其功率將大幅下降，如若所需風量是額定風量的50%時，軸功率則下降到額定功率的12.5%。以1臺22 kW的風機為例，24 h連續運行，其中每天10 h運行在90%負荷（頻率按46 Hz計算），14 h運行在50%負荷（頻率按20 Hz計算），全年運行時間按300天計算，則智能調速時每年的節電量可達101 093 kW·h。因此，系統采用可進行參數在線整定的Fuzzy-PID控制算法的變頻調速控制方式，相較于傳統控制節能效果顯著。此外，應用模糊PID減少了風機的頻繁啟停，延長了風機的使用壽命。

監控系統部分風機腳本程序如下：

IF射流風機BX_FJ_ZD1.PV==1&&射流風機PLC3_SLFJ1_ZZZS.PV==0 THEN

射流風機PLC3_SLFJ1_ZZ.PV=1;

ELSE

射流風機PLC3_SLFJ1_ZZ.PV=0;

射流風機BX_FJ_ZD1.PV=0;

ENDIF

IF射流風機BX_FJ_ZD2.PV==1&&射流風機PLC3_SLFJ3_ZZZS.PV==0 THEN

射流風機PLC3_SLFJ3_ZZ.PV=1;

ELSE

射流風機PLC3_SLFJ3_ZZ.PV=0;

射流風機BX_FJ_ZD2.PV=0;

ENDIF

IF射流風機BX_FJ_ZD3.PV==1&&射流風機PLC1_SLFJ1_ZZZS.PV==0 THEN

射流風機PLC1_SLFJ1_ZZ.PV=1;

ELSE

射流風機PLC1_SLFJ1_ZZ.PV=0;

射流風機BX_FJ_ZD3.PV=0;

ENDIF

IF射流風機BX_FJ_ZD4.PV==1&&射流風機PLC1_SLFJ3_ZZZS.PV==0 THEN

射流風機PLC1_SLFJ3_ZZ.PV=1;

ELSE

射流風機PLC1_SLFJ3_ZZ.PV=0;

射流風機BX_FJ_ZD4.PV=0;

ENDIF

IF射流風機BX_FJ_ZD5.PV==1&&射流風機PLC1_SLFJ5_ZZZS.PV==0 THEN

射流風機PLC1_SLFJ5_ZZ.PV=1;

ELSE

射流風機PLC1_SLFJ5_ZZ.PV=0;

射流風機BX_FJ_ZD5.PV=0;

ENDIF

3 結語

本系統操作界面友好，內容豐富，功能齊全。特別是在風機控制子系統中應用模糊PID控制技術，能保證隧道通風系統運行可靠、平穩，系統通過變頻器實現風機軟啟動，可降低系統噪聲和振動，減少機械沖擊，延長風機使用壽命。無級調速既滿足了通風質量，又減少了電能消耗，節能環保，具有一定的應用前景。