基于PLC的隧道安全系统设计

基于PLC的隧道安全系统设计,答辩人：赵宝鹏指导老师：张总班级：检测14-2班,我国是世界上公路隧道最长的国家。在近几年国内隧道建设长度超过155KM。西安至安康高速上横穿秦岭的终南山隧道全长18.4km,为世界第二，亚洲第一。在十三五规划的大背景下，未来会有更多更长的隧道投入建设。而对与隧道的安全性研究也会进入一个新高潮。本系统是针对一般的公路隧道防火防灾设计，基于PLC实现，具有多传感器，多组风机，多主站共同工作，还能够在多站之间通信。系统不仅仅可以实现降温通风的功能，还有测车流量、报警、信号灯显示、软起动、节能等很多优点。,系统整体框图,系统简介,本系统采用多主站控制，数量大概是6个左右，第一个站与PC连接，各站与站之间能使用电缆通信。对于单个主站，每站控制两组风机，每组风机为两台，每个站由一台主控和多种传感器对数据进行采集与处理，风机由变频器进行速度控制，而变频器由主控控制。除此之外，主控还要负责对报警与故障进行控制与处理。根据隧道内车流量的大小可以控制风机转速和交通信号灯；根据隧道的温度，压力，CO，烟雾浓度控制风机的全开和全速运行；具有手动控制的功能，某些紧急情况下可以控制风机、信号灯和警报；对超载车辆能够发出警报；采用通信，在隧道内如果有一处出现灾情可以启动所有的风机。风机每次启动运行至少5分钟以上，信号灯每次切换闪烁3秒。,系统主要器件介绍,西门子公司的S7-200系列的PLC具有极高的可靠性强大的通信功能和品种丰富的扩展模块，可以用梯形图、语句表和功能块图这三种语言来编程。它的指令丰富，指令功能强，操作方便，集成有高速计数器，高速输出，PID控制器和RS-485通信/编程接口，由于它有极强的通信功能在网络控制系统中也能发挥起作用。而且它的性价比很高，在国内占有很大的市场份额。CPU224集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。16K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。为了更好的在隧道环境中应用，本系统采用继电器输出型的PLC。是具有较强控制能力的控制器。,PLC的硬件接线图：,系统主要器件介绍：,系统选择三菱变频器FR-F540,该变频器适用于风机和泵，最大可支持同时对四台电机进行PID控制。三相380V输入时，功率为0.75-55KW。具体性能见下：采用最适合磁通控制方式，实现更高节能运行。内置PID控制器，变频器/工频切换和多泵循环运行功能。柔性PWM，实现更低噪声运行。内置RS485通信接口。75kW以上随机带直流电抗器。凭借新开发的励磁控制，实现最高水平的省功率运行。,系统主要器件介绍：,变频器在使用时，要根据情况对变频器的一些参数进行设置以达到使用要求。一些设置是在出厂时就设定好了，所以无需再设置，但有一些需要根据情况再重新设定。具体设置见下表：,变频器接线大图：,系统主要器件介绍：,风机的介绍与选型：风机作为系统最主要的被控部分，它的主要作用是将电能转化为机械能，再由机械能将空气推动，流出洞外。本系统设计选用型号为SSF-4-No7.1的隧道射流风机，电机磁极对数为4，直径为7.1*1000mm.它的一些参数见下表：,系统主要器件介绍：,温度传感器：AD590是其输出电流与绝对温度成比例，流过器件的电流(A)等于器件所处环境的热力学温度度数，其输出电流是以绝对温度零度（-273）为基准，每增加1，它会增加1A输出电流，因此在室温25时，其输出电流Iout=（273+25）=298A，使用电压信号时，需要同AD590串联一个10k电阻，算法是Vo=Io*10k。它的电源电压范围为430V。压力传感器：CZL系列弯板式动态汽车轴重台采用整体特殊钢板作弹性体，经过两个反梁支撑建立紧固的边界条件，当车轮经过称重台有效台面时，粘贴在应变区的特殊应变计感受动态应变，进而由其组成的惠斯通电桥产生与车轮载重成比例的电信号，这些电信号再经过专用仪表的高速采样、处理计算后可得到运行其上的车辆的轴重和整车重。工作电压24V，输出0-5V,系统主要器件介绍：,CO、烟尘浓度传感器：对CO,烟尘浓度的检测，使用MQ系列的传感器模块。MQ-7是CO传感器，MQ-2是烟雾传感器。它们具有这样一些特点：（1）双路信号输出（模拟量和高低电平）（2）具有很高的灵敏度，对待测气体具有良好的选择性（3）使用寿命长，性能可靠（4）响应快速,软件部分介绍：,主程序部分：主程序是程序的主体，每一个项目都必须有且只有一个主程序，在主程序中可以调用子程序和中断程序。每个扫描周期都要执行一次主程序，而主程序控制整个应用程序的执行。主程序中主要完成了启动，手动与自动选择，各传感器数据处理，车辆计数的处理以及通信功能。本系统设计中加入了手动操作的程序，在手动程序中，通过按钮就可以控制风机，信号灯，警报等，也可以通过按钮关闭手动功能，实现自动。,软件部分介绍：,子程序部分：,车流量子程序,通信子程序,总结：,总结该系统，它具有以下一些特点：利用模拟量模块可实现对多种传感器信号的采集与转换。利用变频技术更节能，也减小了对电网的冲击。具有自动与手动切换的功能，使系统在某些故障情况下可靠运行。多主站之间相互通信，使整个系统可以联合控制，提高通风散热速度。终端主机也可以查看到多站的数据和状态。风机但凡以某一频率启动，运行要保持5分钟以上，极大的减小了传感器或车流量的波动带来的风机频繁启动或调速。交通信号灯再切换时具有闪烁提醒3秒功能，增加司机的反应时间。对超重进行报警，减少因路面损坏带来的维护工作。,不足与改进,系统对自身的一些故障没有做出反馈与动作。系统在运行时要根据发生的一些故障做出相应的故障警告，方便维护工作人员检查维修。整个系统中的传感器分布可能过于稀散，如果在接入一些传感器，增加模拟量输入模