《《基于PLC的隧道通风控制系统》-毕业论.doc

兰州工业高等专科学校兰州工业高等专科学校 毕业设计 论文 毕业设计 论文 题目题目 基于基于 PLCPLC 的隧道通风的隧道通风 控制系统控制系统 系系 别别 电气工程系电气工程系 专专 业业 电气自动化技术电气自动化技术 班班 级级 09 309 3 班班 姓姓 名名 王小龙王小龙 学学 号号 200902104126200902104126 指导教师 职称 指导教师 职称 张总 讲师 张总 讲师 日日 期期 2012 2 242012 2 24 基于 PLC 的隧道通风控制系统 2 摘要摘要 随着我国科学技术的逐步提高 微电子技术和电子技术得到了迅速的发展 PLC 和变 频器渐渐成了通用 廉价和性能可靠的控制和驱动设备 得到广泛的应用 由 PLC 控制 的变频调速离心风机的通风系统 具有较高的可靠性和较好的节能效果 便于组建成整 体的自控系统 很方便地实现各种控制和远程监控 通过对国内外现有公路的观察和分析 我们发现其中隧道的占有比已达到很高的地 位 而隧道内通风系统在其中的安全作用及能耗占有很高的比重 此次课题设计内容是将 PLC 变频器和触摸屏相结合 并且隧道内设置计数传感器 温度传感器和能见度传感器 以此来检测隧道内行车的环境 通风控制系统即在实时检 测这些环境参数的基础上 控制隧道内风机的开启 以使各项空气指标符合安全行车标 准 达到既保障安全行车 同时节约能源的目的 各空气指标数据由 PLC 模拟量输入模 块采集 风机的启停通过 PLC 的开关量输出模块程序控制变频器并由接触器实现控制 采用以隧道的车流量为主控参数 实现对风机工作过程和运转速度的有效控制 使风机 在不同车辆数时以相应的频率运行 以便隧道通风机通风高效 安全 达到明显的节能 效果 并且风机的各个部分都准备了备用风机 以防因风机故障而影响整体系统的运行 PLC 控制系统具有对驱动风机的电机过热保护 故障报警 断电等功能特点 为隧道通风 控制系统的简易控制 节能 安全技术提供一条新途径 关键词关键词 隧道通风 通风机 PLC 变频器 触摸屏 传感器 基于 PLC 的隧道通风控制系统 3 Abstract Along with the science and technology change rapidly electronic technology and microelectronics technology has been rapidly developed PLC and inverter gradually became common inexpensive and reliable control and drive equipment widely used Controlled by the PLC variable speed centrifugal fan ventilation systems with high reliability and good energy saving effect convenient for building integrated automation system very convenient to achieve a variety of control and remote monitoring Through to the domestic and foreign existing highway observation and analysis we found the tunnel share than has reached a very high position and the tunnel ventilation system in which the role of safety and energy consumption has very high proportion The system of PLC and frequency converter and touch screen to efficiently combine for monitoring tunnel traffic environment the tunnel is arranged in a counting sensor temperature sensor and visibility detecting instrument Ventilation control system in real time detection of these environmental parameters based on the control of fan tunnel opening so that the air index conforms to the safety standard to protect the safety of driving and the purpose of saving energy The air index data from the PLC analog input module the fan to start and stop the PLC through the switch quantity output module procedure control and by the contactor control Using tunnel traffic flow as the main control parameter realize the fan working process and speed control so that the fan in different vehicle number corresponding to the frequency of operation so that the tunnel ventilation fan ventilation efficiency security achieve obvious energy saving effect And the wind machine parts prepared standby fan to guard against the fan failure affecting the overall operation of the system PLC control system of driving fan motor overheat protection fault alarm electricity and other features as the tunnel ventilation control system of simple control energy saving safety technology provide a new way Key words tunnel ventilation ventilation PLC inverter touch screen sensor 基于 PLC 的隧道通风控制系统 4 目目 录录 1 1 绪绪 论论 6 6 1 1 课题背景及意义 6 1 2 隧道通风系统国内外发展概况 6 1 2 1 国外隧道通风控制系统研究现状 6 1 2 2 国内隧道通风控制系统研究现状 6 1 3 隧道通风系统的发展趋势 7 1 4 本章小结 7 2 2 公路隧道通风控制系统简介公路隧道通风控制系统简介 7 7 2 1 公路隧道通风控制方案的确定 7 2 2 公路隧道通风系统的组成 9 2 3 本章小结 11 3 3 公路隧道通风控制系统硬件部分介绍公路隧道通风控制系统硬件部分介绍 1111 3 1 PLC 的控制单元简介及选择 12 3 1 1 PLC 概述 12 3 1 2 PLC 外部连接 15 3 1 3 PLC 使用中需要注意的问题 15 3 1 4 PLC 的选用 17 3 2 触摸屏的简介及选择 18 3 2 1 触摸屏的定义与简介 18 3 2 2 触摸屏的工作原理 19 3 2 3 触摸屏的选用 19 3 2 4 触摸屏程序设计 19 3 2 5 主要参数 19 3 3 风机简介 20 3 4 变频器的选型和确定 21 3 5 传感器简介与选择 23 3 5 1 车辆检测电传感器及其原理 23 3 5 2 温度传感器及原理 24 3 5 3 烟尘传感器 24 3 6 本章小结 25 4 4 软件设计部分软件设计部分 2525 4 1PLC 程序 25 4 1 1 0 站 PLC 程序 25 4 1 21 站 PLC 程序 28 4 1 32 站 PLC 程序 30 4 1 43 站 PLC 程序 31 4 2 指令表 32 4 2 1 主站指令表 32 4 2 2 从站 1 指令表 36 4 2 3 从站 2 指令表 37 基于 PLC 的隧道通风控制系统 5 4 2 4 从站 3 指令表 37 4 3 触摸屏程序 39 4 4 本章小结 39 结论结论 4040 致谢致谢 4141 参考文献参考文献 4242 基于 PLC 的隧道通风控制系统 6 1 1 绪绪 论论 1 11 1 课题背景课题背景及意义及意义 随着世界经济的逐步发展 一个国家的交通运输业逐渐成为经济发展的主要制约因 素之一 而我国是一个多山多丘陵的国家 纵横交错的交通运输线有很大一部分需要隧 道 隧道的高效安全就显得尤为重要 在公路隧道内 一方面由于汽车行驶时排放的有 害气体 一氧化碳等 污染了空气 影响了人体健康 另一方面 由于柴油机汽车排放的煤 烟 主要是游离炭素等 和车辆行驶所扬起的粉尘有吸收隧道光线的作用 降低了隧道内 行车的能见度 危及了行车安全 所以为了稀释汽车排放的污染物浓度 保持隧道内清 晰和空气新鲜 确保人体健康和行车安全 必须进行通风监控系统设计 隧道监控系统 集中监控隧道内通风 照明以及行车情况 在必要时候发布诱导和指导性信息 而隧道 内通风 照明 以及交通诱导设备均分散于整个隧道区域 因此集成隧道内各要素信息 方便隧道监控人员的集中监控与管理 成为隧道监控系统设置的主要目的 由于近年来 PLC 和变频器的显著优点而被广泛使用 成为了实现机电一体化的理想控制设备 1 较长的隧道具有特殊的运行环境 它具有封闭性强 噪音大 能见度低 光过度等特 点 汽车尾气中含有多种有害成分 造成了对隧道内空气的污染 而隧道是个闭塞空间 污染物不能很快扩散 隧道内污染空气的浓度会逐渐积累 烟尘量达到一定程度后 就会使 能见度下降 威胁行车安全的同时也可造成人体中毒 公路隧道安装通风系统的目的是使 隧道内的空气品质维持在一定的水平 为车辆驾驶员及隧道维护管理人员提供一个健康通 道和工作场所 通风控制系统还应及时有效地处理火灾等紧急状态 4 隧道通风系统从实际的运行中要求风量不是恒定的 而是随着隧道内环境参数的变 化而变化 比如隧道内人数 车辆数量 以及温度和粉尘颗粒物的污染程度 在不同的 情况下 风机的运行台数 每台风机的运行频率各不相同 系统从传感器获得模拟量信 号 然后由 PLC 通过变频器控制风机运行的频率以提供相应状态的通风量 并通过触摸 屏监视和控制运行状态 通过对 PLC 技术 变频器技术 触摸屏技术的综合应用而完成 此次的设计 隧道通风系统对于我国的经济发展具有非常重要的意义 我国国土广阔 在广阔的 土地上 纵横的是一条条交通要道 其中有很大一部分交通要道都要经过隧道 1 21 2 隧道通风系统国内外发展概况隧道通风系统国内外发展概况 1 2 11 2 1 国外隧道通风控制系统研究现状国外隧道通风控制系统研究现状 国外对隧道通风问题的研究起步比较早 最早出现于铁路隧道 随着公路隧道的出 现 针对公路隧道通风的技术问题才得到研究 瑞士等欧洲国家在公路及铁路隧道建设 方面有着很高的声誉 现世界上的第一 第二长大隧道分别位于挪威和瑞士 瑞士作为 一个多山的国家在隧道及其地下工程建设方面积累了丰富的经验 早在 100 多前就修建 了一条长 15km 的 St Gotthard 铁路隧道 瑞士的公路交通亦非常发达 高速公路建设始 于 20 世纪 60 年代初 现已建成高速公路总里程超过 1550km 其中包括 160 多座高速公 路隧道 隧道总长度达 130 多 km 1980 年建成的 St Gotthard 公路隧道长达 17km 在近 20 年内一直为世界上第一长大公路隧道 北欧国家由于气候条件和地质投机倒把独特 地下隧道被广泛应用 特别是挪威水工引水隧道及公路隧道尤为显著 在 2000 年建成并 基于 PLC 的隧道通风控制系统 7 投入运营的 Lserdal 隧道长 25km 成为世界最长的公路隧道 在 100 多年的隧道建设中 欧洲各国逐步形成了自己的风格和特色 并积累了丰富的经验 许多技术和经验值得国 内隧道同行们借鉴和学习 1919 年 美国在修建纽约市荷兰隧道时 以美国矿务局为主 在一些大学和研究所的协助下 对汽车 CO 排放量和人体对 CO 浓度的容许值进行了研究 并以此作为隧道通风计算的依据 这是历史上首次对公路隧道通风的研究 研究结果决 定将 400 ppm 作为 CO 的设计浓度 并以此算出所需要的通风量 1973 年成立的空气动力 学和隧道通风国际研讨会 Interna tional Symposium on the Aerodynamics and Ventila tion of Vehicle Tunnels 每 3 年召开一次 各国隧道通风专家展示自己的 研究成果 大大推进了隧道通风技术的发展 1985 年 日本的关越隧道一线首次将纵向 式通风应用于 10km 以上公路隧道 并通过编制的一套程序对隧道通风系统进行了模拟 验证其通风系统的可靠性和实用性 1 2 21 2 2 国内隧道通风控制系统研究现状国内隧道通风控制系统研究现状 我国的公路隧道建设起步较晚 对公路隧道通风的研究也落后于欧美和日本 1994 年兰州铁道学院完成了依托中梁山隧道和缙云山隧道的公路长隧道纵向通风模型模拟试 验研究 1999 年重庆公路科研设计院在隧道通风方面曾做过一些相应的研究 在我国现有 的经验基础上 借鉴国外公路隧道的成功经验和先进技术 主持编写了 公路隧道通风 照明设计规范 JTJ 026 1 1999 使得隧道通风设计有了更新的参考依据 国内一些大 学对隧道通风技术也进行了大量研究 如湖南大学孙一坚等对铁路隧通风模型进行了试 验研究 长安大学的赵峰系统地推导了纵向通风 半横向通风和全横向通风三种通风方 式的计算公式西南交通大学曾艳华等研究了全射流通风技术在特长公路隧道中的应用 重 庆交通大学的杨秀军等对公路隧道通风中射流风机纵向最小间距进行了研究 11 隧道通风技术在我国的引用量远远超过了其他国家 但在技术上却处于起步状态 各方面技术都不够成熟 无论在控制方法还是元器件的生产制造技术上 都还处于开始 阶段 这对于我们是一个很大的重任 1 31 3 隧道通风系统的发展趋势隧道通风系统的发展趋势 世界各国的隧道通风技术在近年来都达到了很大的发展 从系统控制方式上来看 由原来单一的直接控制和间接控制法到现在的组合控制 智能控制 使隧道通风控制系 统具有更高的精确度和稳定性 更全面 更省力的控制整个系统 降低了能耗和隧道工 作人员的劳动强度 在控制理念里也有了较大的转变 系统开始更加智能化 网络化和 软件化 使现在的隧道通风控制系统的输入参数更多 从而达到更精确的控制系统的目 的 利用先进的控制理论和技术 从而达到了更加良好的通风效果 节约了大量能源 1 41 4 课题主要研究内容课题主要研究内容 基于 PLC 的隧道通风控制系统的课题研究内容主要有以下几点 1 隧道通风控制系统的分析和控制方法的研究 2 基于 PLC 的隧道通风控制系统的设计 3 变频调速技术的研究及在隧道通风控制系统中的应用 4 隧道通风系统软件系统的指令与编程研究与设计 5 隧道通风系统硬件部分的研究 基于 PLC 的隧道通风控制系统 8 1 41 4 本章小结本章小结 本章系统的介绍了隧道通风控制系统的背景和研究的重要意义 介绍了国内外隧道 控制技术的发展和研究现状 在此次的课题设计中我们需要完成的关于变频调速 编程 软件和隧道控制系统的设计 2 2 公路隧道通风控制系统简介公路隧道通风控制系统简介 2 12 1 公路隧道通风控制方案公路隧道通风控制方案的确定的确定 隧道的通风方式的种类很多 按车道空间的空气流动方式 大体上可以分为自然通 风和机械通风两种方式 机械通风又可以分为纵向通风 半横向通风方式 全横向通风 方式和组合通风方式四种 其中纵向通风方式又分为射流式通风 集中送入式通风 竖 斜 井送排风式通风方式 竖 斜 井排出式通风以及静电吸尘式通风等 半横向通风方式 分为送风半横向和排风半横向式通风 2 而控制系统的控制方式大致可以分为直接控制法 间接控制法 模糊控制法和组合 控制法四种控制方式 1 直接控制法 直接控制法的控制思路是依靠传感器检测隧道内CO 浓度值和能见度 VI 值 经计 算处理后 给出控制指令 控制风机的运行 供给必要的新鲜风量 稀释烟雾浓度和CO 浓度 达到设计要求的卫生和安全标准 七十年代 德国新易北河隧道采用的就是这种 控制方法 其原理方框图 CO 阀值 VI 阀值 图2 1 公路隧道通风直接控制原理图 直接控制法是给定被控参数范围的一种单回路闭环控制系统 是一种最简单有效的 在我国已建隧道中使用最广泛的控制方法 它基于基础数学描述 能够基本反映隧道通 风系统的特征 但是存在将隧道通风控制系统近似地看成一个线性 时变理想控制模型 风机控制不连续 控制过程中静态偏差大 控制延迟以及系统被控量不是定值等缺点 而且这种方式受环境条件的多变性 传感器安装位置的局限性 检测时间的滞后性等因 素的影响 不能达到有效控制和节省能源的目的 CO VI 传感器 计算处理 风 机 CO VI 值 基于 PLC 的隧道通风控制系统 9 2 间接控制法 间接控制法的控制思路是将隧道内平均车速 车长 车流量 车型等参数作为控制 输入 经优化计算 确定风机的运行 与直接控制法相比节能20 据有关资料介绍 间接控制法在国外一些发达国家有应用 但是由于客观条件存在的差异 对于这种控制 方法我国没有进行简单的借鉴 一方面 我国路上行驶的车辆种类繁杂 违规装载车辆 多 车辆本身排污水平参差不齐 因而交通量与排污量之间的关系极难确定 另外 我 国正处于全方位高速发展期 没有达到经济和技术都处于相对稳定的高水平的低速发展 阶段 即使采用间接控制法 其优化算法的修正系数也很难取得 间接控制法选取的是间接参数 交通量 作为被控量 由于间接参数与直接参数之 间的关系不确定 如果采用相同的算法对参数进行处理 算法中就要添加修正系数和折 算系数 不过优化算法的修正系数很难得到 并且得到的修正系统不能进行推广和移植 目前我国不宜单独采用这种方法 但是可以将之作为组合控制法的备用方案 或在CO VI 检测器暂时损坏时的降档使用 原理图见图 1 2 图2 2 公路隧道通风间接控制原理图 3 智能控制法 模糊控制 模式识别 人工智能逐步应用到隧道通风自动控制中 提高了系统的准 确性和实时性 大大提高了隧道运行的稳定性 但在实际应用中 稳定性不是很强 抗 噪声和纯滞后能力以及控制方法实时性还有待更深入的探讨 4 组合控制法 组合控制法通过传感器直接检测被控量 CO和VI浓度值 和车流量 传入控制器 经过一定策略分析处理 从而控制风机的运行 组合控制法是一种比较完善 稳定 可 靠 优越的方法 其原理方框图见图 1 3 CO 阀值 VI 阀值 隧道通风量参数优化计算处理 风机 交通检测计算处理 计算处理 风 机 CO VI 传感器 CO VI 值 基于 PLC 的隧道通风控制系统 10 图 2 3 公路隧道通风系统组合控制原理图 组合控制法可以看着是前三种控制法的总成 一方面它通过检测被控量 CO和VI浓 度值 通过反馈完成直接控制 保证系统的稳定性和可靠性 另一方面通过检测车流 量 进行预测控制 保证系统的鲁棒性和及时性 8 运营隧道中的通风系统耗能最多 如何选择其控制方式 不仅影响到设备的正常运 行 也对隧道运营成本影响最大 由于隧道通风控制是一个非线性的控制过程 不能用 传统的控制方法来实现 近年来 神经网络广泛应用于控制领域 并形成了新的控制方 法 神经网络控制 只要网络结构合适 它能近似任何的非线性函数 针对神经网络控 制的优势 使用神经网络模型来拟合不同工况下的隧道通风控制方法 得到基于神经网 络的隧道通风控制方法 实现在现场应用 整个控制方法的确定主要分为两部分 首先 第一部分是运用基于非恒定流理论模型的隧道通风模型程序进行多工况的模拟预测 第 二部分是运用 BP 网络进行通风控制方法的训练 得到最终基于神经网络模型的隧道通风 控制算法 9 通过对上面隧道通风方式和隧道控制系统的分析 在本论文中系统中采用组合控制 方式 采用三菱公司的 PLC 作为本系统的控制器 进行计算处理以及完成对各种参数的 控制 使空气指标符合安全行车标准 达到既保证了安全行车 又节约能源的目的 公路隧道的通风原理是通过向隧道内注人新鲜空气 稀释洞内由汽车排出的废气和 烟雾 使得隧道内的空气质量和烟雾透过率能保证司乘人员的身体健康和行车安全 本系统采用中央计算机 可编程控制器 PLC 构成隧道通风控制系统 中央计算机即上 位机用于监控系统中各风机的运行状况 包括模拟量输人显示 开关量输人显示 开关 量输出显示 下位机采用可编程控制器 PLC 完成与风机相关的所有逻辑控制 频率和相 位的实时检测 数据通信等功能 2 由于可编程控制器和触摸屏及三相异步电机的交流变频调速系统充分利用了 PLC 强 大的逻辑处理功能和人机界面的良好的交互性 避免传统的继电器一接触器控制电路的 复杂接线 降低了对运行人员的技术要求 同时对重要开关输入量实现触摸屏按键和外 部按钮备用模式 提高了系统的可靠性 为现场操作人员对运行过程的实时监控和维护 带来了方便 本系统设计原则 正常行车和发生交通阻塞时 隧道通风系统应提供足够的新风量 稀 释隧道内车辆行驶时排出的废气 为安全行车提供良好的空气清新度和舒适性 隧道内发 生火灾事故时 系统应具有排烟功能 控制烟雾和热量的扩散 为逗留在隧道内的司乘人员 消防人员提供一定的新风量 以利于人员和车辆的安全疏散 通风系统尽可能采用新设备 新工艺 新材料和新技术 考虑到近远期相结合和缓装的可能性 通风设备的选用和配置 尽可能采用国内成熟产品和维修保养方便的设备 注重环境保护措施 2 22 2 公路隧道通风系统的组成公路隧道通风系统的组成 通风控制系统主要由 4 台风机组构成 每个风机组有两台电机 由一台 PLC 一台 变频器控制 系统共有 8 台电机 四台 PLC 四台变频器 四台触摸屏组成 每台电机驱 动一组扇片 两组扇片是对旋的 一组用于吸风 一组为增加风速 对隧道进行供风 采用风机 2 45 kW PLC 触摸屏 车流量 烟尘传感器和变频器等组成一个完整的 闭环控制系统 其中还包括接触器 中间继电器 热继电器 断路器等系统保护电器 基于 PLC 的隧道通风控制系统 11 实现对电 机和 PLC 的有效保护 以及对电机的切换控制 每一组风机的控制中包括两台风机 风机的状态 包括 正常 和 故障 正转 反转 停止 按钮分别为操作风机正转 反转和停止的控制按钮 当风机的当前设 备状态为 故障 时 禁止对此风机进行控制 任何对风机的操作 均会触发警告消息 提示 操作无效 直至将控制权限交还监控所上位机 若风机正在运转 当对此风机进行反向操作时 须先将风机停止 然后再反向开启 如假设风机 1 当前的运行状况为正转 单击 反转 按钮 则触发 请先停止风机再反 向开启 的消息提示 并且反转操作被视为无效操作 2 图 2 4 系统框图 本控制系统以传感器为感应元件 PLC 识别并控制 变频器输出可变频率 从而实现 风机自动运行等功能 且由于高速公路隧道区域作为一个相对封闭区域 通风不畅 汽 车尾气沉积 油污污染 高低压线缆布线的空间限制导致电磁干扰等等因素 使其成为 一个非常恶劣的电气环境 对应用的电气设备的适应性提出很高的要求 而且隧道距离 长 设备布设分散 也为监控系统的构建造成一定难度所以在此设计由触摸屏监视控制 与常规继电器实施的通风系统相比 PLC 系统具有故障率低 可靠性高 接线简单 维护 方便等诸多优点 PLC 和变频器及各种传感器配合使用 使系统控制的安全性 可靠性 大大提高 也使通风机运行的故障率大大降低 不仅节约了电能 而且还提高了设备的 运转率 控制功能使通风系统的自动化程度大大提高 减轻了岗位人员劳动强度 系统 基于 PLC 的隧道通风控制系统 12 框图详见图 2 1 本 PLC 控制系统具有对通风机的电动机启动与运行 进行监控 联锁和过热保护等 功能 PLC 与车流量 烟尘 温度传感器配合使用 使系统控制的安全性 可靠性大大提 高 也使通风机运行的故障率大大降低 提高了设备的运转率 本系统采用自动工作模式 具有现场控制方式 状态显示以及故障报警等功能 在自动方式下 利用车流量感器检测车流量的电信号 然后送入 PLC PLC 将检测到 车辆值与设定的车辆值进行比较和处理 输出信号控制通风机工作 当隧道的车辆低于 设定范围数值 工作通风机与备用离心通风机循环工作 当出现突发事故 隧道的车辆 高于设定的数值 工作离心通风机与备用通风机不再循环工作 并自动切换为同时工作 加大对隧道内的通风量 直至隧道内的空气升至设定的空气数值以上 工作通风机与备 用通风机恢复循环工作 在有烟尘的隧道通风系统中 隧道内的烟尘浓度传感器检测烟尘浓度 用变送器将 现场信号变换成统一的标准信号 送入 A D 转换模块进行模数转换 然后送入 PLC 同样 PLC 将检测到的数值与设定的数值进行比较 当烟尘浓度大于设定数值后 PLC 输 出信号控制通风机全速工作 防止事故发生 车流量的计算 每股行车道的车流量通过 PLC 进行统计 当车辆进入路口经过第一个传感器时 使 统计数加 1 经过第二个传感器 2 出路口时 使统计数减 1 其差值为该股车道上车辆的 滞留量 动态值 可以与设定值进行比较 据此作为调整风机运行频率的依据 2 32 3 本章小结本章小结 本章系统的介绍了几种常见的隧道通风控制方式 分别有直接控制法 间接控制法 智能控制法和组合控制法 其控制思想为 直接控制法是通过检测隧道内可见度 VI 和 CO 的浓度 以此作为模拟量输入 进而达到自动控制隧道内通风的目的 而间接控制 法是通过检测隧道内通过车辆数量 以此为输入参数而控制隧道通风系统 智能控制是 集模糊控制 智能模式和人工智能为一体的先进控制方法 但由于其稳定性和抗干扰性 不强 因此只能等待科学技术的进一步提高 组合控制法是同时集间接控制和直接控制 为一体 多方位采集数据 达到全面监测控制的目的 其控制的稳定性和抗干扰性都远 远优于前几种控制方法 综上所述 此次隧道通风控制系统采用组合控制法 系统由八 台风机 四台 PLC 四台触摸屏 四台变频器组成 3 3 公路隧道通风控制系统公路隧道通风控制系统硬件部分介绍硬件部分介绍 本系统采用中央计算机加可编程逻辑控制器 PLC 构成隧道通风控制系统 中央计算 机即上位机用于监控系统中各风机的运行状况 包括模拟量输人显示 开关量输人显示 开关量输出显示 下位机采用可编程控制器 PLC 完成与风机相关的所有逻辑控制 频率 和相位的实时检测 数据通信等功能 2 可编程逻辑控制器 PLC 以其编程简单方便 控制稳定可靠 功能强大等优点通常作 为控制器广泛应用于现代工业控制领域 触摸屏作为人机交互界面在一定程度上减少 PLC 的外部 I O 点的使用以及减轻系统外部按钮开关的连线复杂程度 同时也提高了运行维 基于 PLC 的隧道通风控制系统 13 护的方便性 随着工业现场对控制设备小型化 易操作化 智能化的要求的不断提高 基于 PLC 和触摸屏的交流变频调速系统的应用前景将非常广阔 本系统采用 PLC 触摸屏 变频器和外部模拟按钮实现两台三相异步电机的交流变频调速实验系统设计 采用 CO VI 检测仪测量 CO 浓度和可见度 由 PLC 的模拟量转换模块将被测模拟量转 换成数字量 经 PLC 程序处理 判断 控制隧道射流风机的启停 达到排除 CO 和烟雾 保证 满足最大车流量的通风要求 达到隧道空气卫生要求 6 3 13 1 PLCPLC 的控制单元简介及选择的控制单元简介及选择 3 1 13 1 1 PLCPLC 概述概述 可编程控制器 英文 Programmable Controller 简称 PLC 本课题中用 PLC 作 为它的简称 PLC 是用于工业现场的电控制器 它源于继电器控制技术 但基于电子 计算机 它以微处理器为核心 集自动化技术 计算机技术 通信技术为一体 它通 过运行储存在其内存中的程序 把经输入电路的物理过程得到的输入信息 变换为所 要求的输出信息 进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制 PLC 基本 结构见图 3 1 PLC 基于电子计算机 但并不等同于计算机 普通计算机进行入出信息交换时 大多只考虑信息本身 信息入出的物理过程一般不考虑的 而PLC 则要考虑信息入 出的可靠性 实时性 以及信息的实际使用 特别要考虑怎样适应于工业环境 如便 于安装便于门内外感应采集信号 便于维修和抗干扰等问题 入出信息变换及可靠地 物理实现 可以说是 PLC 实现控制的两个基本点 PLC 可以通过他的外设或通信接口 与外界交换信息 其功能要比继电器控制装置多得多 强得多 PLC 有丰富的指令系 统 有各种各样的 I O 接口 通信接口 有大容量的内存 有可靠的自身监控系统 因而具有以下基本功能 1 逻辑处理功能 2 数据运算功能 3 准确定时功能 4 高速计数功能 5 中断处理 可以实现各种内外中断 功能 6 程序与数据存储功能 7 联网通信功能 8 自检测 自诊断功能 可以说 凡普通小型计算机能实现的功能 PLC 几乎都可以做到 像 PLC 这样 集丰富功能于一身 是别的电控制器所没有的 更是传统的继电器控制电路所无法比 拟的 丰富的功能为 PLC 的广泛应用提供了可能 同时 也为自动门行业的远程化 信息化 智能化创造了条件 PLC 与其它典型控制系统的区别 继电器控制系统虽有较好的抗干扰能力 但使用了大量的机械触点 是设备连线 复杂 且触点在开闭时易受电弧的损害 寿命短 系统可靠性差 a 控制逻辑 继电器控制逻辑采用硬件接线逻辑 利用继电器机械触点的串联或并联 及时间 继电器等组合成控制逻辑 其接线多而复杂 体积大 功耗大 故障率高 一旦系统 构成后 想在改变或增加功能都很困难 另外 继电器触点数目有限 每个只有4 8 对触点 因此灵活性和扩展性很差 而PLC 采用存储器逻辑 其控制逻辑以程序方 基于 PLC 的隧道通风控制系统 14 式储存在内存中 要改变控制逻辑 只需要改变程序即可 因此灵活性和扩展性很好 b 工作方式 电源接通时 继电器控制线路中各继电器同时处于受控制状态 它属于并行方式 而 PLC 得控制逻辑中 各内部期间都处于周期性扫描过程中 各种逻辑 数值输出地 结果都是按照在程序中的前后顺序计算出来的 它属于串行方式 PLC 有微型计算机的许多特点 但他的工作方式却与微机有很大不同 微机一般 采用等待命令的工作方式 而 PLC 则采用不断循环的顺序扫描的工作方式 每次扫描 所用的时间称为扫描周期或工作周期 CPU 从第一条指令开始 按顺序逐条的执行用 户程序知道用户程序结束 然后返回第一条指令开始新一轮的扫描 PLC 就是这样 周而复始的重复上述循环扫描的 这种工作方式是在系统的控制下 顺次扫描各输入 点的状态 按用户程序进行运算处理 然后顺序向输出点发出相应的控制信号 PLC 是一种工业控制计算机 所以他的工作原理是建立在计算机的工作原理基础 上的 即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的 但是CPU 是分时操作方式来 处理各项任务的 计算机在每一瞬间只能做一件事 所以程序的执行是按程序顺序一 次完成相应各电器的动作 便成为时间上的串行 由于运算速度极高 各电器的动作 似乎是同时完成的 但实际输入输出的响应是有滞后的 c 控制速度 继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制 工作频率低 触点开闭动作一般 几十毫秒数量级 另外机械触点还会出现抖动问题 而PLC 是由程序指令控制半导 体电路来实现控制 属于无触点控制 速度极快 一般一条用户指令的执行时间在微 秒数量级 且不会出现抖动 基于 PLC 的隧道通风控制系统 15 图 3 1 PLC 的基本结构 CPU 是 PLC 的核心 起神经中枢的作用 每套 PLC 至少有一个 CPU 它按 PLC 的系统 程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据 用扫描的方式采集由现场输入装置送来的 状态或数据 并存入规定的寄存器中 同时 诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态和编 程过程 CPU 主要由运算器 控制器 寄存器及实现它们之间联系的数据 控制及状态总线构 成 CPU 单元还包括外围芯片 总线接口及有关电路 内存主要用于存储程序及数据 是 PLC 不可缺少的组成单元 CPU 速度和内存容量是 PLC 的重要参数 它们决定着 PLC 的工作速度 I O 数量及软 件容量等 因此限制着控制规模 工作原理 PLC 有两种工作状态 运行状态 RUN 和停止状态 STOP 在运行状态中 PLC 通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制 为了使 PLC 的输出及时地响应随 时可能变化的输入信号 用户程序不是只执行一次 而是反复不断的重复执行 直到 PLC 停机或者切换停止工作状态 除了执行用户程序外 每次循环过程中 PLC 要完成内部处 理 通信处理等工作 一次循环可分为 5 个阶段 开始 诊断 与编程器通信 读入程序 执行程序 输出结果 开始 PLC 这种周而复始的循环工作方式被称为 扫描工作方式 在工作状态下 这种 工作方式被称为 扫描周期 其典型值为 1 100ms 基于 PLC 的隧道通风控制系统 16 I O 模块 PLC 与电气回路的接口 是通过输入输出部分 I O 完成的 I O 模块集成了 PLC 的 I O 电路 其输入暂存器反映输入信号状态 输出点反映输出锁存器状态 输入模块 将电信号变换成数字信号进入 PLC 系统 输出模块相反 I O 分为开关量输入 DI 开 关量输出 DO 模拟量输入 AI 模拟量输出 AO 等模块 常用的 I O 分类如下 开关量 按电压水平分 有 220VAC 110VAC 24VDC 按隔离方式分 有继电器隔离 和晶体管隔离 模拟量 按信号类型分 有电流型 4 20mA 0 20mA 电压型 0 10V 0 5V 10 10V 等 按精度分 有 12bit 14bit 16bit 等 除了上述通用 I O 外 还有特殊 I O 模块 如热电阻 热电偶 脉冲等模块 按 I O 点数确定模块规格及数量 I O 模块可多可少 但其最大数受 CPU 所能管理的 基本配置的能力 即受最大的底板或机架槽数限制 3 电源模块 PLC 电源用于为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源 同时 有的还为输入电路提供 24V 的工作电源 电源输入类型有 交流电源 220VAC 或 110VAC 直流电源 常用的为 24VDC 3 1 23 1 2 PLCPLC 外部连接外部连接 传感器作输入信号 5 个操作键分别是自动方式开关 手动方式开关 停机按钮 及 2 个在手动控制下控制通风机运行的按钮开关 开关量传感器为拖动通风机的吸风电机和 增风速电机发生堵转故障时热继电器 3 1 33 1 3 PLCPLC 使用中需要注意的问题使用中需要注意的问题 PLC 是一种用于工业生产自动化控制的设备 一般不需要采取什么措施 就可以直接 在工业环境中使用 然而 尽管有如上所述的可靠性较高 抗干扰能力较强 但当生产 环境过于恶劣 电磁干扰特别强烈 或安装使用不当 就可能造成程序错误或运算错误 从而产生误输入并引起误输出 这将会造成设备的失控和误动作 从而不能保证 PLC 的 正常运行 要提高 PLC 控制系统可靠性 一方面要求 PLC 生产厂家提高设备的抗干扰能 力 另一方面 要求设计 安装和使用维护中引起高度重视 多方配合才能完善解决问 题 有效地增强系统的抗干扰性能 因此在使用中应注意以下问题 工作环境 1 温度 PLC 要求环境温度在 0 55 安装时不能放在发热量大的元件下面 四周通风散热 的空间应足够大 2 湿度 为了保证 PLC 的绝缘性能 空气的相对湿度应小于 85 无凝露 3 震动 应使 PLC 远离强烈的震动源 防止振动频率为 10 55Hz 的频繁或连续振动 当使用 环境不可避免震动时 必须采取减震措施 如采用减震胶等 4 空气 避免有腐蚀和易燃的气体 例如氯化氢 硫化氢等 对于空气中有较多粉尘或腐蚀 性气体的环境 可将 PLC 安装在封闭性较好的控制室或控制柜中 5 电源 基于 PLC 的隧道通风控制系统 17 PLC 对于电源线带来的干扰具有一定的抵制能力 在可靠性要求很高或电源干扰特别 严重的环境中 可以安装一台带屏蔽层的隔离变压器 以减少设备与地之间的干扰 一 般 PLC 都有直流 24V 输出提供给输入端 当输入端使用外接直流电源时 应选用直流稳 压电源 因为普通的整流滤波电源 由于纹波的影响 容易使 PLC 接收到错误信息 控制系统中干扰及其来源 现场电磁干扰是 PLC 控制系统中最常见也是最易影响系统可靠性的因素之一 所谓 治标先治本 找出问题所在 才能提出解决问题的办法 因此必须知道现场干扰的源头 干扰源及一般分类 影响 PLC 控制系统的干扰源 大都产生在电流或电压剧烈变化的部位 其原因是电 流改变产生磁场 对设备产生电磁辐射 磁场改变产生电流 电磁高速产生电磁波 通 常电磁干扰按干扰模式不同 分为共模干扰和差模干扰 共模干扰是信号对地的电位差 主要由电网串入 地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态 同方向 电压叠加 所形成 共模电压通过不对称电路可转换成差模电压 直接影响测控信号 造成元器件 损坏 这就是一些系统 I O 模件损坏率较高的主要原因 这种共模干扰可为直流 亦可 为交流 差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压 主要由空间电磁场在信号间耦合 感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压 这种干扰叠加在信号上 直接影响测 量与控制精度 PLC 系统中干扰的主要来源及途径 1 强电干扰 PLC 系统的正常供电电源均由电网供电 由于电网覆盖范围广 它将受到所有空间电 磁干扰而在线路上感应电压 尤其是电网内部的变化 刀开关操作浪涌 大型电力设备 起停 交直流传动装置引起的谐波 电网短路暂态冲击等 都通过输电线路传到电源原 边 2 柜内干扰 控制柜内的高压电器 大的电感性负载 混乱的布线都容易对 PLC 造成一定程度的 干扰 3 来自信号线引入的干扰 与 PLC 控制系统连接的各类信号传输线 除了传输有效的各类信息之外 总会有外 部干扰信号侵入 此干扰主要有两种途径 一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的 供电电源串入的电网干扰 这往往被忽视 二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰 即 信号线上的外部感应干扰 这是很严重的 由信号引入干扰会引起 I O 信号工作异常和 测量精度大大降低 严重时将引起元器件损伤 4 来自接地系统混乱时的干扰 接地是提高电子设备电磁兼容性 EMC 的有效手段之一 正确的接地 既能抑制电 磁干扰的影响 又能抑制设备向外发出干扰 而错误的接地 反而会引入严重的干扰信 号 使 PLC 系统将无法正常工作 5 来自 PLC 系统内部的干扰 主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生 如逻辑电路相互辐射及其对 模拟电路的影响 模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等 6 变频器干扰 一是变频器启动及运行过程中产生谐波对电网产生传导干扰 引起电网电压畸变 影响电网的供电质量 二是变频器的输出会产生较强的电磁辐射干扰 影响周边设备的 正常工作 主要抗干扰措施 基于 PLC 的隧道通风控制系统 18 1 电源的合理处理 抑制电网引入的干扰 对于电源引入的电网干扰可以安装一台带屏蔽层的变比为 1 1 的隔离变压器 以减 少设备与地之间的干扰 还可以在电源输入端串接 LC 滤波电路 2 正确选择接地点 完善接地系统 良好的接地是保证 PLC 可靠工作的重要条件 可以避免偶然发生的电压冲击危害 接地的目的通常有两个 其一为了安全 其二是为了抑制干扰 完善的接地系统是 PLC 控制系统抗电磁干扰的重要措施之一 PLC 控制系统的地线包括系统地 屏蔽地 交流地和保护地等 接地系统混乱对 PLC 系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均 不同接地点间存在地电位差 引起地环路 电流 影响系统正常工作 例如电缆屏蔽层必须一点接地 如果电缆屏蔽层两端 A B 都 接地 就存在地电位差 有电流流过屏蔽层 当发生异常状态如雷击时 地线电流将更 大 此外 屏蔽层 接地线和大地有可能构成闭合环路 在变化磁场的作用下 屏蔽层 内又会出现感应电流 通过屏蔽层与芯线之间的耦合 干扰信号回路 若系统地与其它 接地处理混乱 所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布 影响 PLC 内逻辑电 路和模拟电路的正常工作 PLC 工作的逻辑电压干扰容限较低 逻辑地电位的分布干扰容 易影响 PLC 的逻辑运算和数据存贮 造成数据混乱 程序跑飞或死机 模拟地电位的分 布将导致测量精度下降 引起对信号测控的严重失真和误动作 1 安全地或电源接地 将电源线接地端和柜体连线接地为安全接地 如电源漏电或柜体带电 可从安全接 地导入地下 不会对人造成伤害 2 系统接地 PLC 控制器为了与所控的各个设备同电位而接地 叫系统接地 接地电阻值不得大于 4 一般需将 PLC 设备系统地和控制柜内开关电源负端接在一起 作为控制系统地 3 信号与屏蔽接地 一般要求信号线必须要有唯一的参考地 屏蔽电缆遇到有可能产生传导干扰的场合 也要在就地或者控制室唯一接地 防止形成 地环路 信号源接地时 屏蔽层应在信号 侧接地 不接地时 应在 PLC 侧接地 信号线中间有接头时 屏蔽层应牢固连接并进行 绝缘处理 一定要避免多点接地 多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏蔽电缆连 接时 各屏蔽层应相互连接好 并经绝缘处理 选择适当的接地处单点接点 8 3 1 43 1 4 PLCPLC 的选用的选用 根据设计要求得出 主站 PLC 需要一个启动按钮 X5 和一个急停按钮 X4 进口车辆 传感器 X0 出口车辆传感器 X1 温度传感器 X2 烟尘传感器 X3 变频器故障输入 X6 七 个输入信号 而输出共需 8 个输出信号 由于隧道集中监控系统传输距离长 控制规模 较大 采用四级控制较为灵活