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基于p l c 控制的高速公路隧道通风节能系统 摘要 随着我国高速公路建设的发展，人们越来越关注公路隧道安全节能地运行。从控制 角度来看，由于车流量、污染物( 主要有c 0 和烟尘) 浓度的随机性，隧道通风系统具有较 大的非线性、时滞性和时变性，并且各个参数之间有着复杂的耦合关系，因此难以获得 对象的精确数学模型，这使得欲达到及时控制污染物浓度同时又尽少量开启风机的传统 控制方法陷入了窘境。到目前为止，国内隧道大部分仍采用门限值或简单闭环方式进行 通风控制，整体自动化水平较低，消耗电能过大。因此，研究公路隧道通风的智能控制 方法在当前能源紧缺的形势下是十分必要且有意义的，本文据此做了以下几方面的内 容： 首先本论文以满足实际控制需要为出发点，综合分析了系统所要达到的控制要求， 确定了隧道通风节能控制系统方案，然后再详细地进行了系统各个硬件的选型，并将p l c 输入输出的地址分配到各个模块。 接着论述了模糊控制的原理和结构，研究和设计了隧道通风模糊控制器，并用c f d 软件仿真将模糊控制与常规控制进行了对比，然后开发了基于组态软件组态王的上位机 界面。 最后设计了基于模糊控制算法的p l c 隧道通风节能控制程序，建立了一套包括硬件、 软件的智能节能通风控制实验系统并运行调试。 关键词：隧道通风；节能；p l c ；模糊控制；组态王； i i 硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe x p r e s s w a yc o n s t r u c t i o ni no u rc o u n t r y , p e o p l ep a ym o r ea n d m o r ea t t e n t i o nt os a f e t ya n de n e r g ys a v i n go p e r a t i o no fh i g h w a yt u n n e l s f r o mt h ec o n t r o l p o i n to fv i e w , a sar e s u l to ft h ev e h i c l ef l o w , c o n t a m i n a n t s ( m a i n l yc oa n ds o o t ) c o n c e n t r a t i o n so fr a n d o m n e s s ，t u n n e lv e n t i l a t i o ns y s t e mi sah i g hn o n l i n e a r , t i m e - d e l a ya n d t i m e - v a r y i n gp a r a m e t e r s ，a n de a c hh a sac o m p l e xc o u p l i n gr e l a t i o n s ，s oi ti sd i f f i c u l tt oo b t a i n a na c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d e lo fo b j e c t ，w h i c hm a k e st h et r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d st h a t w a n tt oa c h i e v et i m e l yc o n t r o lo fp o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o na tt h es a m et i m et oo p e nf e wf a n s d i f f i c u l t s of a r , m o s to fd o m e s t i ct u n n e ls t i l lu s et h et h r e s h o l dv a l u eo ras i m p l ec l o s e d - l o o p v e n t i l a t i o nc o n t r o l ，t h eo v e r a l ll o wl e v e lo fa u t o m a t i o n ，a n de n e r g yc o n s u m p t i o ni st o ol a r g e t h e r e f o r e ，s t u d yo fh i g h w a yt u n n e lv e n t i l a t i o ni n t e l l i g e n tc o n t r o lm e t h o di nt h ec u r r e n t e n e r g ys h o r t a g es i t u a t i o ni sv e r yn e c e s s a r ya n dm e a n i n g f u l ，a n dt h i sp a p e rh a sd o n et h e f o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s f i r s t l y ，t h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t so f t h es y s t e ma r ea n a l y z e dc o m p r e h e n s i v e l yi no r d e rt o m e e tt h ep r a c t i c a lc o n t r o ln e e da st h es t a r t i n gp o i n t t h et u n n e lv e n t i l a t i o ns a v i n ge n e r g y c o n t r o ls y s t e ms c h e m ea n dh a r d w a r es e l e c t i o n a r ec o n f o r m e d ，a n dt h e n e a c hh a r d w a r e s e l e c t i o no ft h es y s t e mi sd e t a i l e d t h ei n p u ta n do u t p u tp l ca d d r e s sa r ea s s i g n e dt oe a c h m o d u l e s e c o n d l y , t h ep r i n c i p l ea n d s t r u c t u r eo ff u z z yc o n t r o l l e ra r ed i s c u s s e d t h et u n n e l v e n t i l a t i o nf u z z yc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d ，a n df u z z yc o n t r o la n dc o n v e n t i o n a lc o n t r o la r e c o m p a r e dw i t l lc f ds o f t w a r es i m u l a t i o na n dt h e nd e v e l o p e db a s e do ns o f t w a r ec o n f i g u r a t i o n k i n g v i e wo fp ci n t e r f a c e f i n a l l y , b a s e do nt h ef u z z yc o n t r o la l g o r i t h mo fp l ct u n n e lv e n t i l a t i o ne n e r g yc o n t r o l p r o g r a m i s d e s i g n e d ，a n das e to fi n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ei n t e l l i g e n t e n e r g y s a v i n ge x p e r i m e n tc o n t r o ls y s t e mh a sb e e ne s t a b l i s h e da n dd e b u g g e d k e yw o r d s ：t u n n e lv e n t i l a t i o n ；p l c ；f u z z yc o n t r o l ；k i n g v i e w ； i i i 基于p l c 控制的高速公路隧道通风节能系统 插图索引 图1 1 后馈控制框图3 图1 2 模糊控制结构图4 图1 3 本文的总体研究思路5 图2 1 系统框架图8 图2 2 系统硬件网络框架1 2 图2 3 风机和c o v i 传感器布置示意图1 2 图2 4 下位机模块配置图13 图3 。1 总体布局图1 4 图3 2 模糊控制器框架图15 图3 3 模糊集合的表示1 6 图3 4 高斯函数的形状和隶属函数分布图1 7 图3 5 隧道纵向断面物理尺寸( m ) 2 2 图3 6 污染源逐时散发量图2 4 图3 7 模糊控制隧道探头处c o 浓度图2 4 图3 8 模糊控制通风系统一天( 2 4 h ) 开启情况2 5 图3 9 模糊控制通风系统耗电量图一2 7 图3 1 0 常规控制隧道探头处c o 浓度图2 8 图3 1 1 常规控制通风系统一天( 2 4 h ) 开启情况2 9 图3 1 2 常规控制通风系统能耗图3 1 图4 1 实时趋势曲线3 4 图4 2 历史趋势曲线3 5 图4 3 系统主界面3 6 图4 4 程序流程图3 8 图4 5 主程序梯形图3 9 图4 6 系统初始化3 9 图4 7 两风机本地手动启动4 0 图4 8 两风机本地手动停止4 0 图4 9 周期采样模块程序4 1 图4 10 自动模块4 2 图4 1 lc o 和v i 数据处理程序4 3 图4 1 2 模糊控制规则表4 3 v i 硕士学位论文 图4 1 3 风机输出4 4 图4 1 4 通信模块4 5 图5 1 实验系统框架图4 6 图5 2 控制柜前门开孔图4 7 图5 3 控制柜内部器件布置一4 8 图5 4 控制柜内部接线图4 9 图5 5 控制柜前门5 0 图5 6 控制柜内部图5 0 图5 7 本地手动1 撑和2 群风机正转5l 图5 8 自动1 风机3 0 h z 正转51 图5 9 自动l # 风机5 0 h z 正转5 2 图5 1 0 自动1 拌和2 拌风机5 0 h z 正转5 2 图5 1 1 自动系统报警图5 3 图5 1 2 自动c 0 历史曲线图5 3 图5 1 3 远程手动1 j f | 和2 撑风机正转5 4 图5 1 4 远程手动1 撑和2 撑风机反转5 4 v i i 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景与意义 1 1 1 研究背景 ( 1 ) 隧道建设的飞速发展 随着中国隧道越建越多，越建越长，2 0 0 2 年已经成为世界上隧道最多、发展 最快的国家。随着2 0 0 4 年1 2 月“7 9 18 ”国家高速公路网的实施，山区高速公 路与隧道群建设进入了高峰。至2 0 0 7 年年底，全国公路隧道为4 6 7 3 处，比上年 末增加8 8 5 处。其中，特长隧道8 3 处，长隧道6 0 7 处，中隧道7 5 8 处，短隧道 3 2 2 5 处。中长隧道和特长隧道是要考虑机械通风的，然而，通风系统高昂的建 设及运营费用使得隧道通风成为公路隧道建设中应解决的关键问题之一。 ( 2 ) 西部大开发的迫切需要 在西部山区省市，公路长隧道在整个线路中所占比例极大，为了支持西部大 开发以及保护当地的环境，隧道建设将是极为必要的，隧道通风控制是极为关键 的。 ( 3 ) 能源紧张的严峻形势 目前全球能源紧张，国际油价居高不下，国内许多城市也经常出现大面拉闸 限电，节约能源已是国家的战略需求。2 0 0 7 年1 月3 0 日，交通部在北京主持召 开了资源节约型、环境友好型交通发展模式研究课题研究大纲评审会，大力 提倡改善环境，节约能源。从节能角度来看，一个高效节能的控制方案在我国能 源紧缺的形势下是十分迫切而意义重大的。 ( 4 ) 以人为本的价值要求 因汽车在隧道中行驶的时侯，会排出废气卷起尘埃，这些会给行车带来安全 障碍，同时给人体带来危害。而且由于长隧道复杂特殊的结构以及环境条件，很 容易造成行车堵塞和诱发重大交通事故【2 1 。所以对隧道进行通风，能保证行车的 安全，同时保持良好的行车环境。以人为本是中央大力推行的价值观，对于隧道 的通风要求越来越高，越来越受重视。 1 1 2 选题意义 目前全球能源紧张，节能已是各国的战略需要，为此，一个高效节能的控制 方案在我国能源控制系统，是十分有意义的。基于模糊控制的智能隧道通风结果 对智能自动化控制系统进行优化设计后就可以达到节能的目的，符合高效节能的 基于p l c 控制的高速公路隧道通风节能系统 目标。 1 2 国内外公路隧道通风监控系统概述 1 2 1 隧道通风监控的必要性 最近几年以高速公路为骨干的高等级公路建设在我国获得了飞速发展，特别 是隧道的建设。众所周知我国相当大一部分地区属于山区，为了克服高程地形障 碍，缩短里程、提高车速、节省时间，隧道建设得到越来越广泛的应用，而且越 来越长的隧道，适应的环境也越来越复杂。这种发展趋势给隧道的运营管理带来 了很大的不便，也给我们带来了新课题与压力【4 j 。 隧道不同与高速公路其它路段，它在道路上是一个相对封闭的区域。在高速 公路其它路段，汽车行驶时产生的各种废气( 如c o 、c 0 2 、n o ) 和粉尘会伴随着交 通风、自然风扩散到大气中，司机和工作人员不会被构成威胁。在交通量较小、 较短的隧道中，交通风和自然风也会把汽车产生的废气及粉尘带出隧道。但交通 风和自然风对长大隧道内空气置换作用相对不大，必须采取适当的机械通风将隧 道内的有害粉尘及气体浓度控制在容许范围之内。如果不采取任何措旌，c o 浓 度会在隧道内慢慢上升，当达到一定浓度值时就会威胁人的生命；当然如果粉尘 浓度上升到一定程度时，也会影响隧道内能见度，能见度较低造成事故的多发。 各种各样的火灾、拥堵等事故也会在这种环境中被诱发，因此对长大隧道进行运 营通风及通风监控【5 j 极为重要。 纵向通风是我国目前的主流形式，而且纵向通风比横通风在通常情况下更为 复杂。所以合理可靠的隧道运营通风监控系统是高速公路“安全、舒适、高速、 高效”的保障【6 j 。 1 2 2 隧道通风控制技术 隧道通风控制方法大致可分为手动控制和自动控制两类。控制主要目的有： 空气污染状态被控制在规定的限度内、能及时有效的处理火灾和以最小电力消耗 来维持隧道内良好的视觉环境。目前国内外在隧道通风控制中采用的主要方法有 手动控制法、程序控制法、前馈控制法( f f ) 、前馈式智能模糊控制法和后馈控制 法( f b ) 等。 ( 1 ) 手动控制法 该方法是通过操作员在隧道现场或通过上位机远程操作对隧道风机进行手动 控制。 ( 2 ) 程序控制法 该方法在一定程度上是一种定时控制，它是通过按时间区段( 如节假日与平 硕士学位论文 时，白昼与夜晚) 预先编写好的程序来实现风机启停，而并不考虑实时c o v i 值 及交通量变化情况。 ( 3 ) 前馈控制法【_ 7 j 该方法是根据车辆检测器在隧道内检测到的交通量信息，作为基本的控制参 数进行前馈控制，来控制风机的启停组数，接着以c o v i 检测器检测得到的实 时浓度值对控制进行校正，风机启停的控制通过前馈信号和反馈信号一起完成。 ( 4 ) 前馈式智能模糊控制法 该方法与前馈式控制法基本类似，将前馈信号与后馈信号输入模糊控制器， 采用模糊理论进行推演，提出多种通风方案进行评价，最后用模糊控制器推出最 优方案。 ( 5 ) 后馈控制法【8 1 该方法是本地控制器通过采集分布在隧道的c o 检测器和烟雾透过率检测器 检测到的c o v i 值，将隧道内当前的污染浓度( c o v i 值) 与控制目标值相比较， 以不超过目标值为原则，经计算处理后，给出控制信号，对风机启停组数进行控 制。由于c o v i 信息的后馈式控制法较为直接、简单，目前我国大部分隧道通风 控制都采取这种方式( 如图1 1 所示) 。 c o v i 基准但j 至币u 菊出 l反馈处理 控制输出处理 t 实时c 。，v ，值 事故 。l 1， 风机 图1 1 后馈控制框图 1 3 模糊控制在隧道监控系统中应用现状 隧道通风控制检测数据具有时变性和复杂性，因此很要建立起准确的数据模 型有一定的难度，所以可以将模糊控制技术用于隧道通风监控系统，数据的分析 和控制决策的制定【9 】能通过模糊推理的方法来实现。基于人脑思维的模糊控制是一 种典型的智能控制，通过使用模糊推理、模糊规则、隶属度函数等，可以得到决 策结果i l 。被控对象的数据模型不需要模糊控制建立，所以比较适合那些难以获 得精确数学模型的非线性、时变性、大滞后控制系统，而且抗干扰能力强，很适 合隧道通风控制系统。模糊控制结构图如图1 2 所示。 基于p l c 控制的高速公路隧道通风节能系统 图1 2 模糊控制结构图 在隧道监控系统中，隧道通风至关重要，参数较多，主要有v i 浓度、c o 浓 度等目标控制参数；隧道内的车速、车流量以及隧道内风向、风速等影响污染物 扩散和污染程度的源参数；通风风机台数等控制参数【l ，由于这些参数多具有时 变特性和非线性，要建立起控制设计的数学模型较难，国内外科研机构已经将研 究重点转向神经网络控制、专家控制、模糊控制以及智能化控制算法。 模糊控制技术应用在隧道监控系统中最早起步的国家是日本，上世纪九十年 代，日本以隧道内的能见度和风速值作为控制的参数，成功地应用在北陆高速公 路隧道中。1 9 9 9 年，我国开始研究智能控制方法在公路隧道通风中的运用，提出 了处于国内的领先地位 1 2 】的基于经验的模糊纵向通风控制系统。 有效改善隧道内污染空气程度和隧道内通行环境是隧道通风的控制目标。因 为能见度和c o 浓度是隧道空气质量的主要指标，所以采用c o v i 值作为输入参 数能够比较直观地显示隧道内环境状况，对风机的控制可以由这些指标制定控制 规则来实现，从而合理控制隧道内通风。 在参数的选取方面，其参数选取的种类多差异性1 1 3 大。但通常的情况下，把 输入的参数设置为风机的台数，而把输出的参数设置为风速以及c o 的浓度。 隧道监控系统的其他方面还可以应用到模糊控制技术，如隧道照明的控制、 火灾控制等。采用模糊控制技术隧道的控制策略将会得到显著的优化，将会明显 提高隧道监控系统的控制效果，增强隧道的行车安全，而且减少隧道运营的电力 消耗。模糊控制在隧道监控系统的应用将产生广阔的应用前景和巨大的经济效益。 1 4 论文研究思路及内容安排 1 4 1 论文的研究思路 本文的总体研究思路如图1 3 所示。 硕士学位论文 隧道通风主要特点： 隧道长度大于8 0 0 m ，需要进行通风控制；控制的延时性； 风机的频繁启停； 隧道通风的重点和难点： 1 需求 1 ) 结合模糊控制完成自动通风控制算法的设计； 在保证隧道行车 2 ) 上位机人机界面的设计，历史曲线、实时曲线和报警 安全、环保的前 界面的绘制； 提下如何节能， 3 ) 建立一套包括硬件、软件的智能节能通风控制实验系 统； 降低运营成本 1 如何结合模糊控制完成自动通风控制算法的设计 利用模糊控制技术将隧道通风控制模型看作 个“黑匣 子”，根据相关知识和经验，预先制定一个控制规则，并 根据“最优规则排序无关”的原则，制定出模糊控制表， 最后将模糊控制规则填入到p l c 程序中。 基于 p l c7 2 如何上位机人机界面的设计，历史曲线、实时曲线和报 警界面的绘制 控制2 问题与处理方人机界面采用组态王组态软件进行开发，它提供了可视化 的高法 监控界面，有利于实时现场监控，而且能充分利用w i n d o w s 的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显 示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线、历史 速公1 ) 问题 趋势曲线等功能， 路隧2 ) 方法 道通 3 如何建立一套包括硬件、软件的智能节能通风控制实验 系统 风节1 ) 综合分析隧道通风控制的要求，确定系统整体方案， 然后选型： 能系 2 ) 通过利用组态王和西门子s t e ? 7 编程软件可以实现实 统 验系统上位机的界面开发和本地控制器程序的设计。 1 综合分析了隧道通风控制的设计原则，确定了隧道通风 节能控制系统方案，详细进行了系统各个硬件的选型。 3 结论 2 将模糊控制算法以p l c 梯形图指令的形式实现，完成了 r - 基于模糊控制算法的p l c 隧道通风节能控制程序的编写。 3 在系统上位机中，开发了基于组态软件组态王的上位机 界面，包括系统总界面显示，实时趋势曲线图，历史趋势 曲线图，报警画面和风机启停状态、c o v i 值的实时显示， 使隧道内相关的信息数据一览无余。 4 建立了一套包括硬件、软件的智能节能通风控制实验系 统。 图1 3 本文的总体研究思路 1 4 2 论文的内容安排 基于以上研究思路，论文章节安排如下： 第l 章：绪论。阐述论文的研究背景与意义：概述国内外公路隧道通风监控 系统技术；介绍了模糊控制在隧道监控系统中应用现状；介绍了论文研究的主要 内容。 基于p l c 控制的高速公路隧道通风节能系统 第2 章：隧道通风节能监控系统方案确定及其硬件设计。 第3 章：模糊控制算法在隧道通风控制的应用。介绍模糊控制器的工作原理； 基于p l c 上的模糊控制器的开发，并用c f d 软件仿真将模糊控制与常规控制进 行了对比。 第4 章：隧道通风节能监控系统的软件设计。上位机软件和界面的设计；下 位机控制程序的开发。 第5 章：构建隧道通风节能实验控制系统。 结论与展望：总结本文的主要研究结论，对隧道监控系统的进一步研究进行 展望。 6 硕士学位论文 第2 章隧道通风节能监控系统方案确定及其硬件设计 2 1 隧道通风节能监控系统的总体设计准则 ( 1 ) n - i 靠性【1 4 】 实用性及可靠性是隧道通风监控系统最重要最基本的要求，隧道的坏境受到 各种因素的影响，例如空气的湿度、粉尘的浓度、温度的变化等等因素，这些都 会影响到控制设备的正常运转，为了不使得整个系统产生秩序紊乱，系统的稳定 性就显得尤为重要。 ( 2 ) 自动化 通风控制系统的设计应该尽量增加自动化程度，最大限度的减少人工现场干 预。 ( 3 ) 标准化和可扩充性 系统的更新升级需要一定的空间，所以对于通风系统的选择要充分考虑它的 标准化和可扩充性，有一定的空闲的时间与空间。 ( 4 ) 便于维护 设计系统时，除了主要的功能结构模块设计，还需充分考虑到实际应用过程 中遇到问题时的及时诊断与维护。需要从软件系统的结构、硬件系统的结构、系 统的布局等各个方面进行考虑和设计。这样能够有效的提高工作效率，减少不必 要的时间的浪费和工作量的浪费。 ( 5 ) 实用性 拥有较为方便良好的人机交互界面，是隧道通风系统实用性的重要体现，这 种人性化的界面( 例如各种步骤提示窗口、尽量减少操作界面中的英文表述等等) ， 会大大提高系统的可实际操作性，使得工作人员可以在较少的培训时间内有效的 掌握操作方法，并能及时运用。 2 2 隧道通风节能监控方案的确定 本章节提出了一种基于工业以太网的适合长度中小型隧道的模糊控制系统设 计方案，并分析和阐述了该系统的硬件系统和软件系统。 系统概述如图2 1 所示。 7 基于p l c 控制的高速公路隧道通风节能系统 图2 1 系统框架图 2 2 1 方案设计 整个系统由四个部分组成：控制对象、下位机、交换机和上位机。该以太网 控制系统通过以太网交换机和光纤构成环网结构，本地智能设备通过交换机挂接 到以太网上。 在系统中，上位机上运行的软件有监控软件组态王6 5 2 和s t e p 7v 4 0 s 7 2 0 0 编程软件，其中监控组态软件组态王通过i o 驱动与下位机进行通信， 即从下位机本地控制器取得被控量或将上位机的控制量输入到本地控制器。将整 个控制过程大概可以描述为：下位机本地控制器周期实时采样读取传感器输出的 浓度值，然后进行数据处理和模糊推理，最终将控制量输出到被控对象，与此同 时上位机通过组态软件组态王对整个控制过程进行实时监控。在本系统中，上位 机的i p 地址设为：1 9 2 1 6 8 0 1 0 0 ，客户机c p 2 4 3 1 的i p 地址设为：1 9 2 1 6 8 0 1 ， 服务器c p 2 4 3 ，l 的i p 地址设为：1 9 2 1 6 8 0 2 。上位机作为服务器并装有组态王组 态软件，p l c 通过上位机与组态软件进行通信，即可写入控制量和获取被控量。 2 3 系统硬件设计 2 3 1 上位机选用设计 在本系统中，上位机主要完成远程操控、c o v i 浓度值实时趋势曲线显示、 硕士学位论文 c o v i 浓度值显示、风机起停状态显示、c o v i 浓度值历史趋势曲线显示等功能。 品牌机价格适中，操作方便，但其稳定性不如工控机，基于上位机是长期处于运 行状态，稳定性要求高。因此，选用联想工控机就可以满足要求。 2 3 2 下位机选用设计 2 3 2 1p l c 简介 国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r i c a lc o m m i t t e e i e c ) ，1 9 8 7 年的第三版对 p l c 作了如下的定义：p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 是一种专门为工业环 境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编程序的存储器用来在 其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、记时、计算和算术运算等操作的指令，并 能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程1 5 】 16 1 。 近期可编程逻辑控制器的发展特点是越来越符合现代工业的要求。各种各样 的特殊功能单元的诞生、大型设备和超级小型设备的发展、通信单元和各种人机 界面单元的生产，使可编程逻辑控制器应用到工业控制设备的配套也越来越完善， p l c 应用也更加广泛。p l c 如此大范围应用是与它具有以下鲜明的优点分不开的： 系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的p i d 回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如d d c 和d c s 等，实现生产过 程的综合自动化【1 7 】【1 引。 使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而 无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序， 改变控制方案而不拆动硬件。 能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机 型。 2 3 2 2p l c 的选型 到目前为止，国内外的p l c 产品有几十个系列，上百个型号。各个种类的 p l c 的性能、容量、指令系统、结构形式、编程方法和价格各不相同，适应的工 作场合也有差异。因此，p l c 合理地选择将直接影响到所设计系统的开发成本与 性能。p l c 的选型主要包括机型、容量、i o 模块等几个方面的内容，下面简要 介绍p l c 的选型原则，并相应给出本监控系统的选型。 1 选择机型 美国是p l c 最早诞生的地方，主要生产大中型机，功能齐全，但价格较高， 其中具有代表性的几家公司是g e 公司、m o d c i o n 公司、a b 公司等【1 9 】。日本 的p l c 以中小型机为主，价格较便宜，典型代表有o m r o n 公司、三菱( m i t s u b i s h i ) 9 基于p ie 控制的高速公路隧道通风节能系统 公司的产品。德国s e i m e n s 公司的产品以其可靠性著称，且型号齐全，价格适 中。所以本系统选用了s e i m e n s 公司的p l c 。 2 选择容量 p l c 的容量包括主机用户存储器的内存容量和i o 总点数两个方面，选择时 应留有1 0 2 0 的备用量【20 1 ，为系统的改造等留有余地。对于本隧道通风监控系 统，隧道内布置9 组风机，9 组c o t v i 传感器，则输入有1 8 个模拟量输入，1 8 个数字量输出，即18 a i f l 8 d o 。 3 选择模块 ( 1 ) c p u 模块 本隧道通风监控系统研究的是隧道通风这块，未涉及到照明，所以综合考虑 后，选择c p u 单元为西门子s 7 2 0 0c p u 2 2 6a c i d c t 继电器2 4 d i 16 d o 。 ( 2 ) i o 模块 输入单元选择 输入单元有两种形式：数字量输入和模拟量输入。本系统隧道内的c o v i 传 感器检测到的信号为电压或电流形式的模拟量信号，故为模拟量输入，所以本系 统选择西门子e m 2 3 i 模块，该单元为模拟量输入，提供4 点模拟量输入，共需要 5 个该模块即可达到要求。 输出单元选择 输出单元有三种形式：晶体管输出、继电器输出和可控硅输出 2 。晶体管输出 单元的负载只能是直流的高速小功率负载；可控硅输出单元的负载是交流的高速 大功率负载；继电器输出单元的负载是交直流的低速负载。因通风监控系统的控制 对象为接触器，属于交流低速负载，所以本论文选用西门子e m 2 2 3 拓展模块，该 模块有1 6 点数字量输入，1 6 点继电器输出，加上c p u 2 2 6 上的1 6 个点继电器输 出，共3 2 个点输出，完全满足系统要求。 ( 3 ) 通信模块 西门子有c p2 4 3 1 模块，它是一种通讯处理器，设计用于在s 7 2 0 0 自动化 系统中运行。它可用于将s 7 2 0 0 系统连接到工业以太网( i e ) 中。c p2 4 3 1 有 助于s 7 产品系列通过因特网进行通讯【2 2 1 。因此，可以使用s t e p7m i c r o w i n 3 2 ，对s 7 2 0 0 进行远程组态、编程和诊断。而且，一台s 7 2 0 0 还可通过以太 网与其它s 7 2 0 0 、s 7 3 0 0 或s 7 4 0 0 控制器进行通讯。并可与o p c 服务器进 行通讯。在开放式s i m a t i cn e t 通讯系统中，工业以太网可以用作协调级和 单元级网络。在技术上，工业以太网是一种基于屏蔽同轴电缆、双绞电缆而建立 的电气网络，或一种基于光纤电缆的光网络。因此一个c p 2 4 3 1 通讯模块满足系 统要求。 l o 硕士学位论文 2 3 2 3 风机的选型 本系统采用目前隧道通风常用的风机为射流通风机，功率3 0 k w ，台数1 8 台。 2 3 2 4 变频器的选型 变频器选型时要确定以下几点： 1 采用变频的目的。 变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能 曲线决定了应用时的方式方法。 2 变频器与负载的匹配问题；1 ) 电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定 电压相符。2 ) 电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相 符。对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频 器电流和过载能力。3 ) 转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能 发生。 3 对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容， 变频器容量要放大一挡。 4 根据以上选型要求，本系统采用西门子变频器m m 4 3 0 ，功率3 7 k w ，一台 即可满足功能要求，采用一拖二的方式控制风机。 2 3 2 5 传感器的选型 为了方便安装和维护，本系统选择c o 和v i 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r e g a l t u n n e l v i c 0 7 4 0 ，测量范围，v i ：0 3 51 k m ，c o ：0 6 0 0 p p m ，模 拟输出2 通道：4 - 2 0 m a ，共9 台。 基于p l c 控制的高速公路隧道通风节能系统 2 3 2 6 通风监控节能系统的硬件搭建 主 控 机 房 感器 感嚣 感器 感嚣 图2 2 系统硬件网络框架 图2 2 为系统硬件网络框架图，组建整个系统的构架，隧道里本地控制器的 信息是通过光纤传输到主控机房的上位机。 5 。o 2 5 0 3 图2 3 风机和c o v i 传感器布置示意图 图2 3 为风机和c o v i 传感器布置示意图，即沿隧道车流方向，在据洞口2 0 2 米处，安装一组风机和一台c o v i 传感器，之后在3 9 1 m 。5 4 9 m ，7 0 9 m ，8 8 0 m ， 最后到3 6 7 7 m ，共九组。其中，在隧道中间相当一段距离( 2 1 9 5 m ) 没有布置风 机和传感器，前五组为送风机，后四组为排风机。 1 2 l x 2 4 下位机的硬件配置及其地址分配 将已经选好下位机的硬件布置如图2 4 所示。 四u 2 2 6 c p 2 4 3 - 1e 1 2 2 3 e 1 2 3 l e 1 2 3 1e 舷3 l嚣l e 舷缸 图2 4 下位机模块配置图 本地控制器模块配置好后，传感器的输入地址和控制风机输出地址如表2 1 所示。 表2 1 传感器的输入地址和控制风机输出地址 2 5 本章小结 本章确定了隧道通风节能控制系统方案，然后再详细地进行了系统各个硬件 的选型，并将p l c 输入输出的地址分配到各个模块，为后面控制系统的软件设计 做好了准备。 基于p l c 控制的高速公路隧道通风节能系统 第3 章模糊控制在隧道通风的应用 3 1 模糊控制概述 1 9 6 5 年，来自美国加州大学电气工程系专家l a z a d e h 提出了模糊集合理论。 这些理论是之后模糊技术产生的理论基础，这些理论主要包括：模糊逻辑，模糊 集合理论，模糊推理和模糊控制等。另一种技术一一模糊控制f z 引，是在1 9 7 4 年 时，英国学者e h m a m d a n i 在试验室里模糊控制实现对蒸汽机的控制之后，且得 到了优于先前传统的算法的效果，而出现了一种全新的控制技术。 模糊控制系统是以模糊语言变量、模糊逻辑推理以及模糊集理论做为基础， 结合基于规则的专家系统和控制理论的一种智能的控制系统，同时也是运用到计 算机的控制技术构成的一种具备反馈通道的闭环结构的数字控制系统。 3 2 模糊控制器的建立 隧道通风节能系统提供一种控制思路，在保证完成通风控制要求前提下，利 用模糊控制技术将隧道通风控制模型看做一个“黑匣子 。根据专家或操作者的知 识和经验，预先制定一套控制规则，并根据“最优规则排序无关”的原则利用c f d 仿真技术调整优化规则。根据实时检测到的和设定的污染物浓度值，经过模糊控 制器运算，得到控制指令来控制射流风机的启动停止。 3 2 1 系统布局 系统布局如图3 1 所示。 j 曲& 曲& 选毒& 文 曲 图3 1 总体布局图 1 4 硕士学位论文 3 2 1 1 总成控制器： 将各本地传感器信号采集起来，处理之后给出控制策略。模糊控制的主程序 就放在总成控制器里面。见图3 1 。 3 2 2 模糊控制器的组成 模糊控制器 ? 一一一一一一一一一一1 反 图3 2 模糊控制器框架图 模糊控制器由模糊化接口、知识库、模糊推理机和清晰化接口四部分组成， 模糊控制器框架如图3 2 所示。 3 2 2 。1 模糊理论的基本思想 生活中有许许多多的概念，如：高，矮，大，小，老，少，它们是模棱两可 的。我们将这些没有严格的界限划分，又很难用精确的尺度刻画的概念称为模糊 概念。 “概念”在数学上是用集合来描述的，模糊控制的基础是模糊集合理论。在 普通集合理论中，我们把具有一定特性的全体对象的总称叫做一个集合，每一个 对象元素是否属于这个集合是明确的，要么属于，要么不属于。模糊集合理论则 不然，模糊集合中，每一个对象元素对于这个集合都有一个隶属度，它的取值在 0 ，1 】之间，用来描述这个元素对于该集合的属于程度，如果隶属度为0 ，表示这 个元素完全不属于该集合，如果隶属度为0 8 ，表示这个元素对该集合的属于程 度为0 8 ，如果隶属度为1 ，表示这个元素完全属于该集合，隶属度越接近1 ， 属于的程度越大。当隶属度只取0 ，1 两个端点值时，模糊集合就变成了普通集合。 由此可见，普通集合是模糊集合的一个特例。 设论域u = 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 ，8 ，9 ) 这9 个离散值，那么对于“接近5 的数”这个 模糊概念，我们定义一个模糊集合a ，论域中的元素用x 表示，a ( x ) 则表示x 对 于a 的隶属度。很明显，a ( x ) 是一个函数，按常识有，a ( 5 ) = l ，a ( 1 ) = 0 ，a ( 9 ) = 0 ， 它们分别表示5 完全属于“接近5 的数”这个模糊概念，1 完全不属于“接近5 的数”这个模糊概念，9 完全不属于“接近5 的数”这个模糊概念。假设a ( x ) 这 个函数是线性变化的话( 当然也可以不是线性变化，故隶属函数有多样性) 基于p l c 控制的高速公路隧道通风节能系统 1 0 0 0 7 5 刨 哩0 5 0 e 6 0 2 5 0 0 0 模糊集合“接近5 的数” 誊：j 、- 誊置誊誉“- 蠢? i 爹荔i 鎏誊蠹誊誊誊蔓i i 冀。 羞! i ：i i i i i i ! i ! ! i ji 蔓i | i 、爹攀塞鬈一j ：叠。誊摹豢譬i 一；- 誊蔓_ 薹曩j 、j 1 1 j i 誊i 薹蓦警? 薯j 薯誊誊誊羔i ，? 誊i 。“参i 誊囊漆 要曩萎蕾 蛩j 。一 黍豢懑攀誊蔫爹警囊豢薯羞蠢i 矗。；：鬻j ：i 麟 123456789 论域中的元素 图3 3 模糊集合的表示 那么a 可以表示a = o 1 + 0 2 5 2 + 0 5 3 + 0 7 5 4 + 1 5 + 0 7 5 6 + 0 5 7 + 0 2 5 8 + 0 9 ，这 表示一个模糊集合，分母表示元素，分子表示该元素对应的隶属度。以后的理论 都是在模糊集合的基础上讲解的。 3 2 2 2 模糊化 模糊化的作用是为了将精确的输入量转化为模糊量。其中输入量包括系统的 状态或输出、外界的参考输入等。其具体过程为： ( 1 ) 定义模糊控制器的每个输入为一个语言变量。在模糊控制系统中，通常 模糊控制器的两个输入取系统的误差变化率e c 和误差值e ，则在e c 上定义语言变 量“误差变化e c ”，在e 上定义语言变量“误差e ”； ( 2 ) 定义各相关语言变量的模糊论域。通常e 和e c 的论域均设置为 x = y = 6 ，5 ，4 ，3 ，2 ，1 ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ；在模糊化之前，需将输 入量e c 和e 的基本论域变换到e c 和e 的论域； ( 3 ) 定义各相关语言变量的语言值。通常e 和e c 的取值为 正大，正中，正 小，零，负小，负中，负大) = p b ，p m ，p s ，z o ，n s ，n m ，n b ； ( 4 ) ，输入的精确值转换为模糊的语言值的前提是将各语言变量的论域定义 其语言值的