基于PLC的風(fēng)機(jī)控制技術(shù)在公路隧道中的應(yīng)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(shù)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(jīng)安溪縣進(jìn)入廈門市同安區(qū)，終于集美區(qū)田厝，項(xiàng)目全長98.1km，廈門段長為41.441km。其中設(shè)有風(fēng)機(jī)的隧道有：龍門嶺隧道（2 640m）、小坪隧道（850m）、后溪隧道（1 850m）、巖內(nèi)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(fēng)系統(tǒng)為例，闡述PLC控制技術(shù)在公路隧道中的應(yīng)用。

1 隧道通風(fēng)

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(huì)造成隧道內(nèi)能見度降低，影響駕駛員觀察視線和行車安全。而通風(fēng)系統(tǒng)能起到稀釋有害氣體和污染物濃度的作用，對(duì)隧道的行車安全有很大影響。依據(jù)國家高速公路隧道和城市地下隧道的有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，長度大于1 000m的隧道應(yīng)設(shè)置機(jī)械排風(fēng)設(shè)備[1]。將隧道內(nèi)的CO和煙霧濃度稀釋到安全范圍，是隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)的重要目標(biāo)。同時(shí)隧道通風(fēng)系統(tǒng)在火災(zāi)發(fā)生時(shí)控制合理的風(fēng)速風(fēng)向是減少傷亡事故的重要措施。PLC在風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用，使得隧道通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

1.1 通風(fēng)系統(tǒng)功能

通風(fēng)系統(tǒng)能改變隧道內(nèi)空氣的化學(xué)組成和通風(fēng)條件，使之滿足駕乘人員和車輛運(yùn)行的安全和衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，以保證隧道正常運(yùn)營。同時(shí)，當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，它還可以抑制火災(zāi)蔓延，并為滅火工作創(chuàng)造有利條件。

隧道通風(fēng)通常有兩種換氣方式：中、短隧道采用縱向通風(fēng)，選用射流通風(fēng)機(jī)沿隧道縱向布設(shè)，依靠射流風(fēng)機(jī)出口處氣流產(chǎn)生的強(qiáng)勁推力，通過風(fēng)機(jī)間“接力”排除污氣。特長隧道一般采用縱向通風(fēng)和橫向通風(fēng)相結(jié)合。隧道縱向采用與中短隧道一樣的通風(fēng)方式，只是在橫通道豎井內(nèi)輸入新鮮空氣，選用立式軸流通風(fēng)機(jī)排除道內(nèi)污濁氣體。當(dāng)發(fā)生災(zāi)情時(shí)還應(yīng)配合其他管理措施才能防患于未然，將災(zāi)情造成的損失降至最小，創(chuàng)造一個(gè)安全、便捷、高效的交通環(huán)境。

廈安高速隧道中采用的通風(fēng)方式為縱向射流。縱向射流通風(fēng)無論是工程建設(shè)投資還是運(yùn)營管理費(fèi)用均較其他通風(fēng)方式有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，目前大部分公路隧道通風(fēng)都采用縱向射流通風(fēng)。

1.2 隧道風(fēng)機(jī)安裝方式

風(fēng)機(jī)在隧道洞頂上分散均勻地安裝，采用預(yù)制鋼支架固定。在隧道洞頂上安裝射流風(fēng)機(jī)時(shí)，要求對(duì)每塊預(yù)埋鐵構(gòu)件進(jìn)行相應(yīng)的額定靜載試驗(yàn)，每一塊預(yù)埋構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性都要通過試驗(yàn)驗(yàn)證后才能進(jìn)行設(shè)備安裝。射流風(fēng)機(jī)的鋼吊架選材、預(yù)制、安裝及焊接施工都要充分考慮到通風(fēng)機(jī)長期懸空吊掛持續(xù)運(yùn)行的特殊要求，確保射流風(fēng)機(jī)的運(yùn)行安全。

1.3 隧道射流風(fēng)機(jī)布設(shè)方案

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

1.4 隧道風(fēng)機(jī)配置

根據(jù)隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)以下工況：正常行車（對(duì)應(yīng)于隧道設(shè)計(jì)行車速度30～80km／h，按每10km／h為一檔分別計(jì)算需風(fēng)量）工況、火災(zāi)工況及交通阻塞工況。

本項(xiàng)目射流風(fēng)機(jī)選用天津中隧牌直徑為1 120mm，技術(shù)參數(shù)：軸向推力為1 040N，出口風(fēng)速為32m／s，流量為33m3／s，電機(jī)功率不大于30kW，聲壓級(jí)為76dB，單臺(tái)風(fēng)機(jī)重為1 400kg。

各隧道射流風(fēng)機(jī)設(shè)置情況：龍門嶺隧道左右洞各設(shè)風(fēng)機(jī)7臺(tái)、小坪隧道右洞設(shè)風(fēng)機(jī)2臺(tái)、后溪隧道左右洞各設(shè)風(fēng)機(jī)9臺(tái)、巖內(nèi)下穿隧道左右洞各設(shè)風(fēng)機(jī)8臺(tái)、蓮花隧道左洞設(shè)風(fēng)機(jī)14臺(tái)，右洞設(shè)風(fēng)機(jī)16臺(tái)；遠(yuǎn)期左洞設(shè)風(fēng)機(jī)14臺(tái)，右洞設(shè)風(fēng)機(jī)24臺(tái)（見圖1），共設(shè)置88臺(tái)風(fēng)機(jī)。

圖1 蓮花隧道射流風(fēng)機(jī)平面布置圖

2 隧道通風(fēng)系統(tǒng)的組成

本項(xiàng)目通風(fēng)系統(tǒng)主要由傳感器（車輛檢測(cè)器、CO濃度檢測(cè)儀、VI煙霧濃度檢測(cè)儀、風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)儀）、區(qū)域控制器（由A／D轉(zhuǎn)換器、PLC、觸摸屏等組成的自動(dòng)控制裝置）、射流風(fēng)機(jī)以及中心計(jì)算機(jī)等組成。其中CO濃底檢測(cè)儀、煙霧濃度檢測(cè)儀可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地自動(dòng)測(cè)定隧道內(nèi)的CO濃度和煙霧透過率等數(shù)據(jù)，由區(qū)域控制器采集數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)與控制標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，控制風(fēng)機(jī)的啟停；風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)儀，用來自動(dòng)測(cè)定隧道內(nèi)平行于隧道壁面的風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)值并檢測(cè)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況；車輛檢測(cè)器用來檢測(cè)隧道內(nèi)的車流量和車速，為CO／VI預(yù)設(shè)值提供參考數(shù)據(jù)。隧道通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

圖2 隧道通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成圖

通風(fēng)系統(tǒng)分為自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種方式。自動(dòng)控制方式是系統(tǒng)從隧道環(huán)境實(shí)時(shí)檢測(cè)值（CO／VI）與設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)，并發(fā)出風(fēng)機(jī)啟停指令，特殊情況時(shí)按計(jì)算機(jī)處理的通風(fēng)方案確認(rèn)后執(zhí)行。手動(dòng)控制方式可分別在監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程手動(dòng)控制或在隧道變電所現(xiàn)場(chǎng)控制柜上手動(dòng)完成[2]。

對(duì)于自動(dòng)控制方式，系統(tǒng)在每天設(shè)置的幾個(gè)時(shí)段內(nèi)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行啟停控制，實(shí)現(xiàn)隧道通風(fēng)自動(dòng)控制效果，保持隧道內(nèi)空氣良好，為行車安全創(chuàng)造良好的條件。在自動(dòng)控制的同時(shí)也輔以人工手動(dòng)控制，當(dāng)系統(tǒng)中帶有火災(zāi)發(fā)生隱情及排煙控制方案提示時(shí)，經(jīng)人工確認(rèn)后可以對(duì)風(fēng)機(jī)實(shí)行遠(yuǎn)程控制，也可以進(jìn)行人工控制。操作員也可以觀察計(jì)算機(jī)屏幕上顯示的隧道環(huán)境檢測(cè)CO／VI值，以及各個(gè)風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，并根據(jù)CO／VI值對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，直接在計(jì)算機(jī)工作界面對(duì)應(yīng)位置風(fēng)機(jī)處點(diǎn)擊右鍵即可控制風(fēng)機(jī)的啟停。當(dāng)有CO值或煙霧濃度超標(biāo)報(bào)警信息進(jìn)人監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，會(huì)由操作員進(jìn)行確認(rèn)以及信息記錄備案。

3 隧道通風(fēng)PLC控制系統(tǒng)

隧道通風(fēng)控制是對(duì)隧道環(huán)境參數(shù)及其通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行比對(duì)，判斷當(dāng)前環(huán)境狀況，并給出相應(yīng)的控制方案，由人工確認(rèn)或自動(dòng)發(fā)送的方式控制射流風(fēng)機(jī)啟停等，以達(dá)到誘導(dǎo)交通、保證行車“安全”和道路“暢通”的目的。

根據(jù)傳感器（CO、VI、TW檢測(cè)儀）采集到的隧道內(nèi)CO、VI和風(fēng)速值，并由通風(fēng)控制PLC通過DI模塊采集風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，結(jié)合隧道內(nèi)的狀況按約定的控制模型通過DO模塊對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制。為了控制回路的安全，對(duì)DO模塊采用繼電器隔離，防止PLC的意外受損，提高系統(tǒng)的可靠性。通風(fēng)控制PLC以總線方式（RS485）通過通訊控制處理機(jī)與控制中心計(jì)算機(jī)通訊，協(xié)調(diào)控制通風(fēng)系統(tǒng)的工作，通風(fēng)控制PLC和傳感器控制器將所采集的信息經(jīng)RS485總線傳輸?shù)奖O(jiān)控中心計(jì)算機(jī)，而中央控制計(jì)算機(jī)按當(dāng)前隧道的狀態(tài)（正常、堵塞、火災(zāi)等）和預(yù)先約定的控制模型通過通風(fēng)控制PLC控制通風(fēng)系統(tǒng)的工作，或者操作員直接通過控制中心計(jì)算機(jī)直接指令PLC打開指定的風(fēng)機(jī)。當(dāng)控制中心計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障或通訊出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)降級(jí)，由通風(fēng)控制PLC按正常模式對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

3.1 通風(fēng)系統(tǒng)的控制方式

3.1.1 正常模式

在正常情況下，根據(jù)隧道內(nèi)CO、VI、TW（CO濃度、可見度、風(fēng)速）檢測(cè)器的檢測(cè)數(shù)據(jù)和中國公路隧道有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行比較分析，在發(fā)現(xiàn)超過規(guī)定值時(shí)通過通訊接口向中控室報(bào)警，并自動(dòng)打開相應(yīng)的隧道內(nèi)的一組風(fēng)機(jī)。當(dāng)在一定時(shí)間（20min）后，如CO／VI值仍未達(dá)到規(guī)定范圍，則自動(dòng)打開另一組風(fēng)機(jī)，直到CO／VI值低于規(guī)定值，則經(jīng)過延時(shí)關(guān)閉風(fēng)機(jī)。

3.1.2 交通阻滯或管制狀態(tài)

在交通阻滯或管制狀態(tài)下，控制中心計(jì)算機(jī)將通知通風(fēng)控制PLC，當(dāng)隧道內(nèi)CO／VI值到達(dá)規(guī)定值時(shí)打開相應(yīng)側(cè)風(fēng)機(jī)，當(dāng)20min后仍未低于規(guī)定值則再打開其他風(fēng)機(jī)。當(dāng)交通恢復(fù)正常且CO／VI值低于規(guī)定值則延時(shí)順序關(guān)閉風(fēng)機(jī)。

3.1.3 火災(zāi)模式

當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由控制中心計(jì)算機(jī)通知通風(fēng)控制PLC，由通風(fēng)控制PLC配合消防系統(tǒng)按TW值啟閉相應(yīng)風(fēng)機(jī)。

3.1.4 養(yǎng)護(hù)維護(hù)模式

當(dāng)在養(yǎng)護(hù)維護(hù)狀態(tài)時(shí)，VI值大于0.003 5km－1，則打開該側(cè)隧道風(fēng)機(jī)。

3.2 PLC硬件配置

本項(xiàng)目風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)采用三菱FX2N系列PLC，具有如下特點(diǎn)：集成型高性能CPU電源輸入輸出三位一體；對(duì)6種基本單元，最小8點(diǎn)為單位連接輸入輸出擴(kuò)展設(shè)備，最大可擴(kuò)展輸入輸出256點(diǎn)；高速運(yùn)算，基本指令為0.08μs／指令、應(yīng)用指令為1.52至幾百μs／指令；存儲(chǔ)器規(guī)格較大，內(nèi)置8 000步RAM存儲(chǔ)器，安裝存儲(chǔ)盒后，最大可擴(kuò)展到16 000步；軟元件范圍較寬，輔助繼電器3 072點(diǎn)，定時(shí)器256點(diǎn)，計(jì)數(shù)器一般狀態(tài)下16位，鎖定狀態(tài)32位，數(shù)據(jù)寄存器鎖定狀態(tài)可達(dá)7 800點(diǎn)。

根據(jù)每個(gè)隧道風(fēng)機(jī)數(shù)量的不同，選不同型號(hào)的PLC模塊。蓮花隧道選用三菱FX2N—80MR—001型PLC，基本單元帶40點(diǎn)輸入/40點(diǎn)繼電器輸出（R--繼電器輸出，有觸點(diǎn)，可帶交直流負(fù)載）。龍門嶺隧道、小坪隧道、后溪隧道、巖內(nèi)下穿隧道采用FX2N—32MR—001型PLC，輸入點(diǎn)：16，16繼電器輸出。

3.3 觸摸屏的選擇

本項(xiàng)目選用三菱觸摸屏F940GOT。F940GOT—LWD—CF900GOT系列是人機(jī)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(duì)PLC進(jìn)行監(jiān)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(shí)還能實(shí)現(xiàn)對(duì)可編程控制器的各軟元件的監(jiān)視以及數(shù)據(jù)變化的控制。

GOT可以通過操作界面實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)定、指示燈控制、數(shù)據(jù)顯示、信號(hào)采集、圖形的顯示等功能。還可以對(duì)PLC的程序、參數(shù)進(jìn)行檢查、監(jiān)視和修改。此外，GOT還可以與計(jì)算機(jī)、變頻器、PLC之間進(jìn)行通訊。

F940GOT—LWD—CF900GOT具有如下功能：

a）能作指令編程，監(jiān)察，強(qiáng)制ON／OFF及改變數(shù)據(jù)，模塊監(jiān)察及讀寫；

b）15級(jí)口令設(shè)定；

c）背景燈壽命特長（2.5萬h＝12.5年）；

d）一臺(tái)PLC可連接4臺(tái)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(chǔ)器1MB，內(nèi)存通訊口RS－422／RS－232C×2；

g）尺寸大（6in），畫面多，主屏幕最多可達(dá)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(gè)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(tǒng)軟件

系統(tǒng)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(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定；可進(jìn)行程序的線上更改、監(jiān)控及調(diào)試，具有異地讀寫PLC程序功能。

GX Developer軟件主要有以下特點(diǎn)：

a）軟件的通用性強(qiáng)：能夠制作Q系列、QnA系列、A系列（包括運(yùn)動(dòng)控制（SCPU））、FX系列的數(shù)據(jù)；能夠轉(zhuǎn)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(qiáng)，可與Windows、Officer等辦公軟件兼容；

c）程序的標(biāo)準(zhǔn)化；

d）功能模塊化；

e）與可編程控制器CPU連接靈活，可經(jīng)由串行通訊口、USB、MELSECNET／10、計(jì)算機(jī)插板等實(shí)現(xiàn)可靠連接；

f）豐富的調(diào)試功能。

4 結(jié)語

根據(jù)本項(xiàng)目使用PLC來控制隧道通風(fēng)系統(tǒng)的效果來看，全線隧道風(fēng)機(jī)控制實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和手動(dòng)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(chuàng)造了有利條件。同時(shí)因PLC可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可對(duì)隧道風(fēng)機(jī)進(jìn)行智能化控制，有效避免了風(fēng)機(jī)頻繁啟動(dòng)，大大提高了風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，延長了風(fēng)機(jī)的使用壽命，在一定程度上降低了隧道風(fēng)機(jī)的維護(hù)和運(yùn)營成本，值得推廣和使用。隨著科技的進(jìn)步，PLC控制技術(shù)在隧道機(jī)電中的作用將越來越大，自動(dòng)化程度也會(huì)越來越高。

[1]JTJ 026.1—1999，公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]李冰.淺談高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)的維護(hù)管理及處治對(duì)策[J].交通工程，2013，（3）：278-279.