地铁通风控制系统设计.doc

毕业设计（论文）地铁通风控制系统设计Design of Metro Ventilation Control System学生姓名所在院系所学专业所在班级指导教师教师职称完成时间： ： 电气与信息工程学院 ： 自动化 ： ： ： ： 长 春 工 程 学 院摘 要本设计是基于PLC在地铁隧道通风中的应用，通过对CO2浓度，温度以及其它检测器对地铁隧道环境状态信息进行采集，并将采集的信息传送给PLC，再由PLC对采集到的信息进行处理，最后用其处理结果对变频器以及风机进行控制，进而实现对地铁环境状态的实时控制；同时在控制系统中结合系统组态软件，利用组态软件对信息的实时监测和网页发布功能，对整个系统实时远程自动控制。最终实现对地铁环境状态的多种控制方式，以适应现代化的控制要求。关键词地铁隧道 通风控制 PLC 变频器 网页发布AbstractThe design is based on PLC in the subway tunnel ventilation application,through CO2 concentration, temperature and other detectors collecting the environment status information of the subway tunnel and transmitting the information to the PLC,The result that PLC handles the collected information control the inverter and fan to reach to real-time control of the metro environment; At the same time this control system combines with configuration software and uses its real-time monitoring and web publishing to reach the remote real-time control for all system. In finally,this control system also reaches a variety of control methods of Metro Environment and meet the modern control requirements.Key wordsMetro Tunnel Ventilation control PLC Inverter Web Publishing目 录1.1 地铁通风控制设计背景41.2 地铁通风控制研究现状41.3 地铁通风控制设计内容52 系统通风方案说明62.1 通风控制系统说明62.2 系统结构说明63 系统硬件设计83.1 系统硬件选择83.2 系统通信114 系统下位机软件设计124.1 下位机的控制方法124.2 系统软件流程图设计134.4系统软件程序设计135 基于KING VIEW的组态监控系统155.1 上位机软件说明155.2 系统工程安全设置15总 结17参考文献18 1 绪论随着国民经济的迅速发展，中国城市化进程进一步加快，城市人口快速增长，交通供需矛盾日益突出，大型城市交通拥堵越来越严重。城市轨道交通具有运能效率高、能耗低、污染小、快速、准时及安全等明显优点，其是解决城市交通问题的主要手段。1.1 地铁通风控制设计背景中国轨道交通自20世纪60年代北京有了第一条地铁以来，发展缓慢。直到十五期间（20012005）才开始迅猛发展。十五期间，我国轨道交通投资2000亿元，建成550km城市轨道交通。十一五（20062010）规划建设1700km轨道交通，投资总额近6000亿元。我国城市轨道交通发展规划，见图1-1。图1-1 我国城市轨道交通发展规划1.2 地铁通风控制研究现状对于现有装置在列车空调通风系统上所出现的问题进行的局部研究方面，我国科技人员取得了一些重要成果。从总体上来看，我国对于列车通风空调的研究和人们对客车舒适性要求极不协调，其研究工作基本上还没有展开，而且存在以下一些问题:1） 送风道结构较为复杂，沿程阻力大，与风机不匹配，送风量偏大或偏小； 各风口调节机构的调节性能由于各种原因不能发挥作用。2） 送风口送风量不均匀，造成客室内温度场不均匀，客室内温差超过有关标准。3） 客车内由于送风不均匀性等影响，使得微风速严重超标。4） 由于送回风装置的型式和布置不合理等因素，使得车内气流组织不合理，车内舒适度较差。1.3 地铁通风控制设计内容地铁工程中地下车站及区间除车站出入口、风亭及地下线路两端隧道洞口外，基本与大气隔绝。通风空调系统的任务是对地下区间隧道内温度、湿度、风速、事故排烟情况等进行全面控制。车站两端各设置送风井及排风井各一座，风井面积因通风量而异。隧道通风系统中车站的公共区夏季采用空调，其余季节通风换气。车站公共区空调通风机与至车站的区间隧道风机合而为一，车站空调通风兼区间隧道风机功能。采用变频控制，情况不同时，风量不同，达到节能运行。地铁运营正常时，通风空调设备排除余热和余湿，为乘客在地铁车站创造一个往返于地面至列车内的过渡性舒适环境。隧道通风机通过送风管和回风管对车站公共区空调通风。当区间夜间通风和区间隧道阻塞时，通过组合风阀开关控制实现对区间的通风换气。风机根据运行模式的要求进行正转或反转运行，已达到向车站和区间隧道送风和排风的目的。同时该风机还具有车站区间火灾是排风功能，通风空调设备向乘客和消防人员提供必要的新风量，形成一定迎面风速，指导乘客安全撤离，并具有排烟功能。2 系统通风方案说明在设计控制系统时，首先要设计出一个基本构架，并结合这个构架来详细的说明该控制系统的基本功能。2.1 通风控制系统说明地铁通风控制系统控制由中央控制、车站控制和就地控制三级组成。中央控制在控制中心，是以中央监控网络和车站设备监控网络为基础的网络系统，对地铁全线的通风及空调系统进行监控，向车站下达各种运行模式指令或执行预定运行模式。2.2 系统结构说明根据上述描述做出了如图2-1的系统控制框图，该框图描述了系统中应有的三种控制模式，即：就地控制，车站控制以及中央控制。就地控制是在在风机变频控制进行操作时，提供机组安装、调试、检修时在现场使用，同时兼顾预警灾害控制。 图2-1地铁隧道通风控制系统结构图3 系统硬件设计该控制系统主要由上位机，PLC控制器，变频器，风机以及各种检测器等设备组成，以下进行对相关设备的选择。3.1 系统硬件选择设备型号直接影响着整个通风控制系统的通风效果和控制系统的安全性，所以在设备选型时要特别的慎重，以保证通风控制系统取得良好的控制效果。3.1.1 控制器的选择在隧道恶劣环境下，如果现场选用普通的微机或继电器控制，它们不适应恶劣的工业环境，会发生生锈、信号受干扰等现象，无法满足控制要求，而PLC是专为工业环境应用设计的，它针对工业环境的特殊性采取了相应措施控制。3.1.2 变频器的选择及运行设定变频器的正确选用对于机械设备电控系统的正常运行是至关重要的。 在对系统进行调试时，首先应对各设备进行电气连接，只有在做完这些后才可能完成系统整体性能的调试，表3-1是对本次变频器连线的说明。表3-1 变频器端口连接说明记号名称内容R/L1电源输入端子3G3MV-A4，三相 AC380460VS/L2T/L3U/T1电机输出端子电机驱动用三相电源输出3G3MV-A4，三相 AC380460VV/T2W/T3B1制动电阻连接端子连接外部制动电阻或制动电阻单元的端子（用于检测制动中的过电压）B2在对该变频器进行操作时，首先应对该变频器的输入输出有一个了解，对一个智能化设备而言，它在工作前都应该对它的系统参数进行设定，只有这样才能实现我们想要的功能，表3-2是对该变频器的参数功能说明；在操作时，也应该对该变频器面板上的按键有所了解，表3-3该变频器面板按键功能说明。表3-2变频器输入输出功能说明记号名称规格输入S1多功能输入 1 （正转/停止）光电耦合器DC+24V 8mAS2多功能输入 2 （反转/停止）S3多功能输入 3 （外部异常a接点）MA多功能接点输出（a接点错误）MC多功能接点输出公共端P2多功能光电耦合器输出2 （频率检测）PC多功能光电耦合器输出公共端RS通信送信侧S3.1.3 上位机的选择上位机实现的功能及工作的环境决定了上位机选用情况，具体来时是上位机的功能是上位机通过组态王软件能够显示隧道环境风机状态等参数值、存储并在需要的情况下，显示检测器实时测量值的曲线图形或显示历史数据等，并作为主站进行远程控制。上位机多数在操作室内，工作环境良好，因此可以不采用工控机，而选择普通的PC机即可。3.1.4 风机的选择通风控制系统的主要功能部件就是风机，风机的选择直接决定了通过风系统的优良程度，由此可见，风机对于一个通风系统的重要性；其次，风机的性价比对于一个系统的运营也是至关重要的，所以在选择风机时，必须满足系统的正常要求，如果选择风机的功率较大，对设备和能源而讲，就显得浪费，但是在选择时，应留有一定的余量，以供以后利用。本次设计采用当前较常用的SDF系列地铁隧道轴流式风机，该系列风机具有效率高，噪音小，结构紧凑，运行平稳可靠等显著特点，以适应地铁隧道特定条件下的使用要求。3.1.5 烟雾参数的检测可吸入性微粒，地铁在隧道内运行中因电刷、闸瓦制动产生的粉末及隧道内灰尘，必然会通过各种渠道进入车内。人员的庞杂及其上下流动性较大，对车内尘埃浓度有很大的影响。再加上烟雾中含有大量的烟尘微粒，使可吸入性微粒也成为车内空气品质必要的衡量指标。空气微生物，地铁内空气中细菌的来源很多，必须选定一个指标来反映空气微生物的污染情况。室内空气细菌学的评价指标技术一般多采用细菌总数。我国仿照日本采用多层降菌法，以菌落数判定空气清洁程度。根据人体卫生要求，在每立方米的空间负氧离子含量不少于400个，否则人就会感到不适。当负氧离子浓度达到一定程度，可降低车内的飘逸的烟尘、CO2含量、细菌数目等，也可消除悬浮的微生物、车内有害气体、霉菌，并抑制细菌滋生，改善车内的空气品质。考虑到列车人员密度极大的特殊情况，有必要将其作为衡量车内空气品质的指标之一。在风机送入新风的同时，也带了一定的灰尘颗粒，从而也加速了隧道内环境的恶化。在地铁车辆的新风问题上，一定程度上限制了车内新风量的摄取。新风量注重“量”的要求，更要注重“质”的要求。新风利用率更加显得注重风的质量，因此，就需要在新风进地铁时，进行必要的处理。3.2 系统通信通信网络是地铁行车指挥、运营管理、行政办公等有关部门和有关工作人员使用的通信设施，以及支持这些设施所需的相关网络，是各个系统所必需的，一个良好的通信系统直接影响着人身安全和系统的安全，它在整个系统中起着信息传输的重要作用。4 系统下位机软件设计合理的软件结构，是设计出一个性能优良的通风控制系统的基础，在程序设计方法上，模块化程序设计容易完成，便于调试，可供多个程序共享。软件结构设计和程序设计方法确定后，根据系统的功能，首先画出程序粗略的框图，通过对框图进行扩充和具体化，得到详细的程序流程图，然后编制具体程序。本次程序设计主要是根据图4-1来进行程序流程图的设计，在编写控制器程序也会依照此控制框图来进行，故此，程序框图对功能叶有着重要的影响。图4-1 程序控制结构示意图4.1 下位机的控制方法隧道通风控制系统多数时间处于自动运行状态下，其控制原理的选择很重要，这关系到隧道内的废气和烟尘是否能及时的排出。在本通风控制系统中，以CO2浓度值作为主要的控制对象，采用闭环控制系统中常应用负反馈控制方案。该方法是通过分布在隧道CO2浓度检测器检测地铁环境中的CO2值和烟雾检测器检测的烟雾浓度值，将隧道内的当前的污染浓度(CO2值，烟雾浓度值)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，对风机运转组数进行控制。在这种控制方法下，考虑到火灾情况下，空气中的烟雾浓度以及CO2 浓度突然增大的情况，在这里加入了紧急阈值，即在火灾时，首先通过把空气烟雾浓度以及CO2 浓度与设定值比较，在大于设定值时，在于紧急阈值比较，如果比紧急阈值大，则认为发生了火灾，则马上进入报警模式和火灾通风模式，从而把损失减少到最小。现代控制技术已经较为发达了，在很多系统中都应用到了控制理论。本次的通风控制系统是建立在控制理论之上。图4-2是本次应用的相关的方块图：烟雾浓度方块图，在系统中，先根据在人地铁环境中生理反应设定CO2 浓度设定值，再通过对排风口处CO2 浓度的检测返回值与设定值比较之差作用于控制器，控制器根据比较结果来控制变频器，进而控制风机，以最终达到调节环境烟雾浓度的目的。在控制过程中，又有相关因素的影响，如新风量和回风量，在这控制室可做忽略，只在整体通风式进行处理。图4-2烟雾浓度控制方块图4.2 系统软件流程图设计程序流程图是人们对要解决问题的方法、思路或算法的一种描述。它在控制系统中着承接硬件和软件的作用。4.3系统软件程序设计对于一个控制系统来说，程序就是系统的控制核心，在程序里面设定了控制系统的控制要求，以实现现实环境的控制，以下是本次设计的控制程序。5 基于KING VIEW的组态监控系统科技的进步带动了工业自动化历史的进程，从某种程度上说，又是一次新的革命。在现代远程控制技术中，组态软件已经成为一种趋势，它在远程控制系统中担当者不可或缺的作用。图5-1是组态的工作界面：图5-1 组态王初始界面5.1 上位机软件说明组态王(KingView)是目前国内比较流行的一种国产工业自动化通用组态软件，适用于中小规模工业监控机，价格低廉。组态王配有加密锁，支持工程加密；驱动程序较为丰富，如支持DDE、板卡、OPC服务器、PLC、智能仪表、智能模块等；支持ActiveX控件、配方管理、数据库访问、网络功能、冗余功能。其扩展性强，可与管理计算机或控制计算机联网通信。5.2 系统工程安全设置在组态控制系统中，首先要设置主画面，在主画面中应有整个系统的所有子画面，以便在控制中进行手动切换；同时，还应考虑到非工作人员时，有非工作人员对系统的误操作，进而产生不良的后果，所以就需要设置系统工作人员登录界面，同时，在可登录的人员中还应设置优先级，来限制非系统级的工作人员对系统进行的误操作，进而减少系统的误操作率，从而把损失降到最低。最后还要对系统进行系统加密设置，防止有关信息的外流。图5-3是关于组态王工程的加密初始设置，它直接影响着工程的安全性，对于与它对应的系统也是十分重要的。总 结经过这一段时间紧张而有序毕业论文设计过程，最后终于完成了本此设计。当然，在本次设计中还存在着一些问题，如：1）在设计中采用的主要控制参数是在以前的一段时间里的运行数据，这就使本次系统的控制受到外部环境的限制，尤其是在不同季节时，外部问发生变化对控制系统可能会产生影响，在这里就需要随着时间的变化认为改变系统的设定参数，从而把外部环境对控制系统的影响减小到最小程度。2）本次控制系统的主要是以二氧化碳浓度为主要控制参数，以温度为辅助控制参数进行控制，在这两个控制参数中，二氧化碳浓度这个参数所发出的控制行为是不会受到温度辅助控制参数的控制行为的影响，但是二氧化碳浓度这个参数所发出的控制行为却可以影响并改变温度辅助控制参数的控制行为。在这里就可能会产生一个问题，如果地铁里的温度过高而二氧化碳浓度又正常，就会给人们造成一个不太舒适的环境，当然这种问题很少发生，因为当人们呼出二氧化碳时，其本身就会带有热量，系统会自动进行调解。以上是本次设计中存在系统控制缺陷的问题，在这里希望各位老师及同学多提一些宝贵的意见，谢谢！ 参考文献1 公路隧道通风照明设计规范(JTJ026.11999)，中华人民共和国交通部，2000.62 地下铁道设计规范 GB 50157-2003， 北京，中国计划出版社，20033 刘小强.基于PLC现场网络的隧道通风监控系统，西安，长安大学，20054 赵忠杰，朱斌.变频调速在公路隧道通风控制中的应用，长安大学学报，20065 谭文嘉，张欢. 地铁变风量环控系统全年运行方案研究J， 建筑科学， 2008 6 胡波.施耐德变频器在北