【铁路隧道排水设备在线监测装置设计14000字（论文）】

第一章绪论1.1隧道排水系统的发展情况在隧道排水设备的发展进程经历了现场工人排水阶段、传统的继电器-接触器排水系统到现在不断发展的由可编程控制器控制的系统。现场工人排水一般采用的是按值班表进行定时巡逻，如遇特殊情况加强巡逻。二十四小时的工作，工人非常容易疲惫，特别是夜间作业，加上隧道的昏暗环境以及早期主要依靠步行和手电照明进行巡逻，工作环境恶劣，以及隧道泵房分布分散，大量消耗工人体力并且需要管理人员良好的统筹管理能力，隧道排水工作过度依靠工人巡逻及手动开启关闭阀门，极易出现安全隐患，一些突发的异常情况也可能难以及时处理。继电器-接触器排水系统是利用继电器可以远程控制排水设备的开启关闭，但继电器开启、关闭水泵是直接启动电机的方式，会产生急速上升的大电流，稍微的不当操作，就有可能造成整个铁路电网的电流紊乱或者其他机械设备的损坏，且该继电器-接触器系统的使用寿命不长，且维修昂贵，消耗大量的人力财力物力，进行一次维修或调整，是较大规模的设备检修，日常的排水工做无法进行。进入PLC的时代后，隧道排水设备又面临系统监控分散，数据分散，不能根据完整的数据，进行准确的现场分析，并且遇到异常情况，分散的监控设备不能第一时间准确地发现并做出反应。于是隧道排水系统发现到今日，控制系统一般包括了现场水泵房的控制系统和监控室里PC端的监控系统。水泵房排水控制系统具有智能排水控制功能，计算机监控系统具有检测、控制等功能。从而，总系统能够高效地将泵房集水池废水量限制在合理范围内，大力地保证隧道的正常安全运营，实现对隧道排水系统中的水泵、传感器等设备工作的状态和数据实时的监视与控制。1.2国内外各种设备及控制网络现状1.2.1国内外电梯远程监控系统日本三菱汽车公司于1990年初提出了以预防为主的电梯维护管理理念，并在此基础上不断发展完善，美国、德国等国家相继开展了电梯远程监控系统的研究，并取得了丰硕成果。（1）日本三菱电梯远程监视系统在90年代日本三菱电机大楼技术服务公司就研发了电梯远程监视技术，通过多年的努力，将具有远程监视功能的电梯数量扩展到十万台，同时通过该技术获得了许多现场信息资料，为公司的今后发展奠定了坚实的基础。（2）日立电梯远程监控系统早在上世纪九十年代，日本三菱电机大楼技术服务公司早已领先大部分国家、科技公司研发出电梯远程监控技术，经过几年的努力，使具备远程监控功能的电梯数量达到10万台，并通过该技术获取大量的现场信息数据资料，为公司未来的发展奠定了坚实的基础。远程监测系统主要包括监视和监控两大部分。但由于在国内，网络通信技术发展良莠不齐，相对落后，因此目前国内的电梯监控系统大多在远程“监视”阶段逗留不前，当前技术完全难以支撑远程“监视”。（3）上海三菱电梯远程监控系统1)上海三菱公司引进的日本三菱远程监视系统2000年初，上海三菱公司与日本三菱公司签订了相关技术学习的协议——《关于转让电梯远程监视技术》，通过向日本三菱方引入技术并学习，且在全国范围内设定了三个试验点，为的就是向中国用户提供远程监控电梯的技术和功能。但该技术本身也存在无法忽视的短处，即远程通信采用电话线传输，由于容量有限，很难监测到大量的电梯群，仅限于在商场、写字楼、酒店等场所使用。此外，该系统的配套产品主要为日本三菱，对于上海三菱来说，该系统兼容性太差，与自己的产品设备很难匹配，兼容性不强的短板成为了公司自主发展的绊脚石。2)上海三菱自主研发的电梯监视系统自2000年以来，上海三菱公司凭借自身优势，成功地自主研发

HOPE系列产品，新开发的电梯产品凭借价格优势迅速占领了"住宅''市场，随着我国住宅小区的不断升级，物业对电梯远程监控提出了更高的要求，因此，2002年，上海三菱电梯有限公司研制开发了

SMOS电梯监控系统。（2）阿尔法公司的电梯远程监测系统位于泉州市的Alpha公司于2005年为其新产品开发了“电梯实时监控系统软件”。它可以一天24小时完成每部电梯的实时监控系统；为每部电梯创建实时运行数据库查询：进行等级分类检查；它可以自动区分常见的电梯故障类型。1.2.2国内外的泵房自动监控系统的设计（1）泵站自动监控系统国外发展现状国外在泵站自动化水平上的科学研究和实践活动逐渐较早，国外泵站的自动化水平和水平也高于中国。美国，日本，西班牙和其他大多数国家已经完成了自动化和无人泵站。以美国，日本和西班牙为例：1)美国泵站自动化加利福尼亚的调水工程是一个调水工程。输水方法超过千米，并且每个区域的输水能力都不同。在美国加利福尼亚的输水工程中，建立了22个泵站，在这些泵站中已完成了自动控制系统，根据安装的计算机，通讯设备和电子产品，完成了排水设备的自动控制系统。系统软件具有远程操作功能。萨克拉曼多设置的主要监控中心和其他子监控中心可以完成22个泵站，200个水闸及其他辅助机械设备的检查、调度、生产调度和管理方法等等。2)日本泵站自动化以新川黑里排水管道站为例。该站有7个混流泵。现场内部的泵和其他机械设备由中间控制室进行远程操作。日本的水泵站广泛使用性能优异的计算机软件。根据中控室中的电子计算机以及各种监测遥感技术和设备，对泵站，管道，机械设备进行监测。大多数系统软件都采用标准化的管理和监视方法。在中间控制室和每个子站之间使用通信网络，并且在辅助控制室中设置一个显示屏，以监视每个子站和泵站的工作状况，生产计划和管理。该方法非常方便。（2）泵站自动监控系统国内发展现状从目前的情况看，我国大多数污水处理厂的排水系统仍采用传统的人工操作方式进行排水管道的施工。离心水泵的运行完全取决于操作人员的工作经验和操作技术规范。人工排水系统效率高，劳动效率低，对员工素质要求严格，稳定性差。如果发生紧急情况，一旦员工的操作或管理决策出现错误，将产生不可预测的不利影响。1997年，辽宁省工程设计大学的付华教授强调，煤矿排水管道复杂，各个阶段相互联系。在传统运行方式上，控制器的设计对策更适合矿井排水系统的应用，该套矿井排水管道自动化技术的分布式系统自动控制系统可以完成情况检测和常见故障报警。近年来，中国的污水处理厂已经在自动化技术的建设和升级中广泛使用了电子计算机视频监控系统。2005年，孙栋等人对煤矿自动化技术监控系统软件的远程监控进行了科学研究，可以实现无人驾驶的总体目标。2011年，董自良等人设计开发了“485储水泵管理控制与数据采集系统软件”。系统软件采用了SCADA结构设计，以确保对泵的运行进行实时监控。现阶段中国铁路隧道排水监控设备较完整，但大多数都还没有做到完全自动化的阶段，一是建造运营成本过高，二是在建设阶段，自动控制技术还不够完善，现场设备也没有预留改进的空间。上述介绍了各行各业：城市隧道排水监控系统、公路隧道排水监控系统、电梯远程监控系统、泵房在线自动监控系统等等监控系统现状及其发展历史，在工业的生产生活过程中，对现场设备的监控系统，从高度依赖工人的巡逻检查，到慢慢的只需要工作人员在监控室中进行监控并定时到现场巡逻检查，再到如今往全自动化监控，现场设备故障了可以由报警，监控室采集到的数据异常了也会有报警的监控系统发展，这种完全不依赖人工的监控系统还有很远的路需要走，就像无人驾驶汽车一样，无人自动驾驶只是作为一个有一些不切实际的目标，但科技技术任要尽可能地往那一个方向发展前进，毕竟计算机的精度远高于人工且计算机也不会疲惫出现主观失误，全自动化不依赖人工的监控系统是我们发展的方向。本次设计也会在能力范围之内，尽量达到比较高的自动化水平，并且上述模型对本次设计铁路隧道排水设备在线监控装置设计有很强的借鉴意义。1.3课题的来源及主要研究内容本次的课题来源是莞惠城际铁路，通过查阅莞惠城际铁路施工，查看了松山湖隧道及其排水泵房、现场可编程控制器的控制箱，及其莞惠城际西湖东监控室，了解了了现场情况以及目前亟待解决的问题，给论文提供了设计的思路。1.3.1松山湖隧道泵房隧道积水中钙离子析出堵塞管道问题时有发生，发生故障时，如果不及时处理的话，会造成严重后果。现有的监控设备虽然可以较为准确地反应现场的情况，但是依赖于人工的判断和监控，容易因为调度人员的监控疏忽或者是上报故障不及时，造成严重后果。现行松山湖隧道泵房有3个水泵工作（图1-1），采用现场总线控制系统，使用西门子S7-200可编程逻辑控制器（图1-2）。图1-1松山湖隧道泵房图1-2莞惠城际铁路现场所用PLC及其控制电路1.3.2莞惠城际西湖东监控室监控室采用的是TBAS-2000铁路站房机电设备监控系统。TBAS-2000高速铁路机电设备监控系统是四为电子针对国内铁路、高速铁路、城际铁路、轨道交通等的实际情况推出的具有世界领先水平的机电设备监控系统。监控系统涵盖小金口水泵、云山水泵、西湖东水泵、龙丰水泵，主要监控的是水泵的运行状态，包含故障指示、水位报警、低水位停泵信号、起泵水位信号。监控人员24小时两班倒制，一个班需同时有两位工作人员同时在岗进行人工记录水泵的启动、停止时间，并计算水泵抽水的工作时间，用水泵停起间隔时间再判断排水泵的异常与否，如果发现异常将电话通知相关的管理人员进行现场排查处理。视频监控系统使用的是SmartPss，这是一款用于管理小批量的安全防护监控设备的管理软件。视频监控包括水泵控制箱、泵房水位、泵房全局、线路上下行，共计60余个，监控系统一版面只可显示16个画面，须不断翻页监控不同需要，工作人员工作易疲劳，人工判断容易出现偏差，有一定安全隐患存在。1.4莞惠隧道排水设备在线监测装置设计意义及目的现阶段松山湖隧道的排水系统及监控措施较为完善，但根本的隧道堵塞问题是现阶段难以攻克的，目前的处理方法比较简单粗暴，等管道完全堵塞后，更换管道；较常用的处理方法是利用化学试剂进行处理，隧道堵塞结晶大多是碳酸钙，进行中和处理后，生成的氢氧化钙难以收集处理,极易继续形成结晶堵塞管道，并且介于抽排水泵中的废水将直接排放，但弱酸性的污水需要进过处理才能进行排放，溶解抽排水管道里的结晶这一处理方法效率低成本高。另外的处理方法有：在保证安全合理的情况下，加大隧道的排水的断面直径，延长抽排水管道的使用寿命；采用内壁光滑且摩擦系数小的管道，是结晶不易沉淀在管道内壁上，可以顺着水流直接排除管道外；使用一些阻垢剂溶液，例如ATMP、HEDP，在抽排水管道投入使用前，用该溶液对管道进行浸泡处理，增加抽排水管道的阻垢效应和润滑效应，减轻结晶沉淀附着在管壁上；管道结构上也可以进行一定的改进处理，加大排水管的坡度以及优化三通连接设计，减少流水动能的损耗，加快流水的速度，从而达到目的。以上这些方法只能在管道铺设初期进行操作，不是适应于松山湖隧道目前的情况，但在建设新线路时，铁路部门前期应充分考虑该问题，选择合理的方案，减轻后续工作的困难。目前对于松山湖隧道的处理方案，只能采取未雨绸缪，及时止损的方案，加强隧道排水设备在线监测装置设计的自动化，不过多依赖人工的监测、报警，实现自动报警，让现场的异常情况可以得到及时的处理，降低事故的发生率，也建立隧道抽排水设备实时监控数据库，实时生成图像，避免人工的疏忽，也让相关工作人员可以尽早地发现数据的异常，提前进行设备检查，防患于未然，避免严重事故的发生，影响运行，造成严重后果。

第二章设计方案研究2.1总体方案设计为了实现更好的监控效果，现场装置在原有的只有三个抽排水泵的，为了实现监控报警的自动化，在现场增加三个传感器，两个压力传感器位于隧道抽排水泵的出入口，出入口的压力值可以较准确地判断抽排水管道的堵塞程度，也可以判断管道内的水流速度情况，方便对于堵塞情况的综合判断，上位机生成压力传感器的压强曲线图，也可以是监控更加准确，保证现场情况的万无一失；以及再增加一各水位传感器在蓄水池中，之前蓄水池的监控依赖视频监控，凭工作人员通过现场监控进行判断，视频监控数量巨大，监控室工作人员过完一轮视频大概需要30分钟左右，加上视频像素光线并不高，以及工作人员24小时轮班，精神极易懈怠，即使蓄水池发生水位异常，也难以第一时间做出反应，上报分管领导及现场人员，蓄水池水位传感器可以很好解决这个问题，出现问题及时处理。除了三个曲线以外，还需要建立关于三个排水泵停起时间的数据库，可以翻阅查询。现阶段的工作依赖于工作人员的人工记录每一次排水泵的启动、停止时间，并进行计算，从而判断管道有无异常。工作采用的24小时三班倒，一般抽排水泵的正常排水情况是有规律的，很容易出现工作人员擅离岗位，编造数据浑水摸鱼，也有上夜班工作人员，因为疲惫，身体抵不住睡意，在岗位上昏昏欲睡，发生事故。引入抽排水泵启动、断开时间监控数据表，可以有效避免人工的实物，往严重来说，发生事故后，数据库也是一个追究责任的证据。有了人工和数据库的双重记录，确保出现异常可以准确保修现场工人及上报分管领导。2.2实现功能（1）实时曲线上位机上的监控系统会生成抽排水泵出入口的两个压力传感器和蓄水池水位传感器的实时曲线，便于观察水泵的持续工作情况，单比于单个数据的记录，曲线更有利于对现场情况的准确判断，也通过监控压强，也对管道的堵塞有更直观的体现。水位传感器更能直观地体现出蓄水池的水位变化，比CCTV监控更加利于判断。（2）数据库功能该系统中，监控需要记录三个排水泵的启动、断开时间，数据库的记录是最好的选择，可以流水式地记录水泵每天的工作，方便之后对改天工作情况的查询。（3）报警功能在上位机监控系统中，若两个压力传感器及水位传感器数据异常时，系统做出报警操作，在原有的监控系统中，报警装置只存在于现场，依赖于巡逻人员的发现，时效性很差，在上位机监控系统上加入报警装置，会提高异常情况的处理效率，及时上报现场工作人员和分管领导。2.3PLC的应用2.3.1PLC概述1987年，在IEC发布的PLC规格提案的第三稿中，对PLC进行了以下定义：它是一种电子控制系统设备，它使用微控制器作为实际操作的关键数字操作，并且设计用于当场工业生产。和设计方案。PLC使用可编程控制器的存储器。存储器可以执行诸如启动和停止或运算，算术运算及其接通时间，计数等的实际操作，并进行存储，并根据输入和输出端口来操作各种类型的工业设备。以及制造操作过程，其中输入和输出端口分为数字显示和数字仿真。PLC及与其相连接的现场设备都应该具备与工业控制系统系统融合容易以及易扩展其他功能的优点。PLC具有丰富多样的功能特征，且强大，主要包括信号采集、输出控制、逻辑控制、远程I/O、、人机界面、通信联网和故障自诊断等功能。PLC因为其具有很多其他装置所不能替代的独特功能，在工业控制领域得到广泛的应用，PLC的可靠性、安全性、经济性、灵活性以及经济性都是PLC被广泛应用的优点。PLC的主要优点如下：（1）可靠性高、抗干扰能力强（2）编程简单、设计方便、调试周期短（3）模块化结构、通用性强（4）安装容易、维护简单（5）体积小、重量轻、功耗低PLC主要由CPU、存储器、输入接口电路、输出接口电路和电源等组成，PLC的基本结构框图如2.1。图2.1PLC的基本结构框图2.3.2西门子s7-200西门子s7-200PLC的硬件系统包括：基本单元、扩展单元、特殊功能模块、相关设备以及相关软件例如：STEP-Micro/WIN、ProTool、WinCC等。图2.2s7-200PLC西门子s7-200PLC外形图如图2.3、2.4所示。图2.3s7-200PLC外形图（1）图2.4s7-200PLC外形图（2）西门子s7-200PLC按CPU分类，可分为CPU211、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等大致六类，还会根据输入输出的直流交流情况进行细分。松山湖隧道现场所使用到的PLC的型号为CPU224，2.4上位机监控软件的选择在工程中常用到的上位机监控软件是Labview以及组态王。2.4.1LabVIEW优点及缺点LabVIEW的优点如下：（1）跨平台特性LabVIEW支持Windows、MacOSX、Linux等多种计算机操作系统，大大改善了使用者之间的交流、沟通及评估的灵活性。（2）对其它编程语言的支持为了更好地照顾习惯于使用其他高级编程语言的程序员，它还提供了具有其他高级编程语言的开发工具，以便习惯于其他编程语言的用户也可以使用该功能。LabVIEW的灵活性。功能测试，准确的测量和分析以及解析能力。（3）开放的开发平台LabVIEW或开放软件开发平台提供通用的手机软件集成特殊工具，运行时库和格式文件，可以轻松地与第三方设计方案和仿真连接。

（4）对便携式及嵌入式开发LabVIEWPDA支持便携式手持系统软件PDA（个人数据处理器）的开发，设计和应用，并且LabVIEW的应用可以建立一个自定义的便携式检测子系统。LabVIEW硬件开发模块支持用于32位系统处理器的图形界面的开发和设计。LabVIEWDSP工具包还支持TI的DSP开发和设计。LabVIEWFPGA模块还支持FPGA设计方案。RIO系列产品模块的自定义功能得到了丰富。（5）图形化的强大的分析、处理能力.LabVIEW提供了功能强大的分析和解决方案VI库以及许多技术专业工具包，例如：集成了LabVIEW的高级信号分析工具包，数字滤波器设计工具包，部署工具包，频谱分析工具包，声音振动工具包，阶次分析工具包等。独特的算法设计（波形数据信息，聚类，动态基本数据类型等）可以促进对准确测量数据的分析和解决，它相对简单，方便并且具有很高的适用性。（6）编程效率极高LabVIEW图形化编程应用的与其他组态软件相比最大的特点就是编程效率极高。LabVIEW的缺点如下所示：LabVIEW是一种图形化的计算机语言，它更加直观并且适合图形化仿真。Matlab是一种特殊的工具，其中的LabVIEW已回收了仿真控制模块。使用LabVIEW进行仿真和仿真更加方便直观，并且其内置的程序模块可以满足常规仿真仿真的大多数要求。典型的应用是工厂的自动控制系统，尤其是在汽车等自动化行业。LabVIEW主要用于自己研发的板卡兼容性模式非常好，例如，某些手机代理制造商使用大型检测方法。它的一部分是基于LabVIEW开发板的。其次，它在串扰端口等套接字上有很好的应用，但是庞大的程序流驱动程序包令人生畏。另外还不能跨平台；不同版本兼容性较差。2.4.2组态王简介及优点组态王Kingview软件具有以下优点：（1）适应性强，开放性好，易于扩展，经济发展，开发设计周期短。（2）通常，这种系统软件可以分为三个结构分析：控制层，监视层和高级管理层。（3）监视层连接到下层控制层，上层连接到执行人员。它不仅可以完成现场的实时监控和操作，而且还可以在全自动控制系统中执行自上而下的关键功能以及组态开发和设计。（4）特别要考虑三个方面的问题：界面，数据信息和动画。（5）根据对监控系统需求和完成功能的分析，选择了组态王进行监控系统软件的设计。（6）组态王Kingview软件还为实验人员提供了数据可视化监控屏幕，有利于对实验人员进行现场实时监控。（7）它可以灵活地使用Windows的图形编写功能轻松组成监视屏幕，并使用动画方法指示控制系统的状态。它具有警报对话框，实时开发趋势图等，可以轻松转换成各种“样本”形式。（8）具有丰富多样的机器设备驱动软件，灵活的配置方法和数据信息连接功能。组态王手机软件存在以下缺陷：该软件属于一个开源项目，功能过于模糊，不能满足每项工业生产自动化技术的要求。应用软件较多，时间较长。一些专业人员可以掌握其操作的基本原理，并且很有可能会利用程序过程的系统漏洞来攻击程序过程，因此不能保证安全系数。如果要正常使用此软件，在许多情况下，我们必须更改其通信套接字和通信协议，并且其兼容模式可能无法满足国家法规。组态王软件是适用范围是非常广泛的，它可以用于许多行业，例如电力系统，给排水系统软件，石油，化工厂以及其他行业，例如数据收集以及监视操作和过程管理。LabVIEW相比较组态王来说，功能更强大也更丰富，但组态王胜在简单易上手，LabVIEW功能显得冗杂了一些，LabVIEW侧重在对采集后的数据进行分析，类似于Matlab的功能，但本次设计的主要功能就是需要采集数据，只需要直观地数据，不需要过多的对数字的处理分析，加上组态王丰富的图库元素能帮助我做好对隧道排水现场的模拟工作，以及本次设计中使用的数据库功能，也是组态王的一个长处，数据库和组态王可以进行良好的链接，并且现有的TBAS-2000铁路站房机电设备监控系统也是一个基于组态王设计的系统，所以选择组态王软件作为这次毕业设计的上位机软件。第三章铁路隧道排水监测系统下位机软件设计3.1STEP7-Micro/WIN软件简介STEP7-Micro/WIN程序开发软件是德国西门子公司为S7-200系列可编程序，控制器研制的开发软件，具备强大的开发功能，不仅能用于开发工控程序，而且可以对程序运行状态进行实时监控。在S7-200编程软件中，开发者可以根据控制逻辑来开发出各种满足生产需求的应用程序，并下载到CPU中来执行相应的功能。此外，S7-200编程软件具有强大的子程序调用功能，以便开发者能够更好的对整体程序结构进行组织，方便测试人员进行设备联调。3.2PLC通信口设置在进行PLC编程之前，为了保证PLC和编程电脑的良好通信，需要先进行通信口的设置。编程计算机与PLC的硬件连接通常有两种方式，一种为PC/PPL电缆连接，连接PC机的串行通信口和CPU通信口；第二种为PC机上安装CP（通信处理器）卡，通过MPI电缆连接CPU通信口。PC/PPI电缆为最常见的连接方式，PC/PPI电缆连接又分为RS-232/PPI电缆：PG/PC的RS-232C即COM口和CPU通信口；以及USB/PPI电缆：PG/PC的USB口和CPU通信口。本次设计中采用USB/PPI电缆（如图3.1）。图3.1USB/PPI电缆连接如何设置通信口：（1）打开STEP7-Micro/WIN（2）更改CPU类型为CPU224（如图3.2）图3.2设置CPU类型为CPU224（3）点击“通信”，设置PG/PC接口。对编程计算机与PLC硬件连接方式和通讯协议进行设置，选择PC/PPIcable.PPI.1，即电缆连接采用PPI协议（如图4.3），点击“Properties”进行通信参数设置，可修改站的地址和传输速率等参数，s7-200的默认通信速率为9.6kbps，接着点击“LocalConnection”，改为连接到USB，及PLC将连接到编程电脑的USB口上（如图3.4）。图3.3选择PC/PPIcable.PPI.1连接图3.4设置USB/PPI电缆连接3.3定义下位机软件的变量变量是在程序执行时间可以修改的内存区域。根据变量是否与地址相关联可分为定位变量和非定位变量。定位变量是和PLC中的I/O模块输入输出通道相关联的，或者和内存应用相关联的变量。西门子s7-200PLC存储器的数据类型如下表3.1所示。表3.1西门子s7-200PLC存储器的数据类型数据格式含义数据长度（位）数据类型取值范围BOOL位1布尔数真1，假0BYTE字节8无符号整数0-255INT整数16有符号整数-32768-32767WORD字16无符号整数0-65535DINT双整数32有符号整数-2147483648-2147483647DWORD双字32无符号整数0-4294967295REAL实数32IEEE32位单精度浮点数-3.402823E+38-1.175495E-381.175495E-38-3.402823E+38ASCII8字符列表ASCII字符STRING字符串8字符串1-254个ASCII字符S7-200系列可编程逻辑控制器具备自带的地址口，并有良好的外扩功能，用以增加设备的输入、输出控制点。在同种类型的设备中，I/O类型和设备在I/O链中的位置决定其I/O口地址。扩展模块和中央处理器的数字量地址以8位递增，如果中央处理器在分配I/O口地址时没有使用尽1个完整字节，则没使用完的位一定不能用于I/O链中的后续模块。在铁路隧道排水系统中，本文采用224XP系列可编程逻辑控制器，根据监控系统的实际需求，可对主控单元外接EM223型扩展模块。在表3-2中，列举了铁路隧道排水设备中的I/O口分配地。表3.2铁路隧道排水设备中的I/O口分配地址输入端子端子说明输出端子端子说明I0.1蓄水池中的液位传感器Q0.0液位大于等于200时，输出警报I0.2水压传感器水压大Q1.0液位小于等于50时，输出警报I0.3水压传感器水压小Q0.1排水阀1开启Q0.2排水阀2开启Q0.3排水阀3开启

第四章铁路隧道排水监测系统上位机软件设计4.1上位机软件实现功能（1）实时曲线上位机上的监控系统会生成抽排水泵出入口的两个压力传感器和蓄水池水位传感器的实时曲线，便于观察水泵的持续工作情况，单比于单个数据的记录，曲线更有利于对现场情况的准确判断，也通过监控压强，也对管道的堵塞有更直观的体现。水位传感器更能直观地体现出蓄水池的水位变化，比CCTV监控更加利于判断。（2）数据库功能该系统中，监控需要记录三个排水泵的启动、断开时间，数据库的记录是最好的选择，可以流水式地记录水泵每天的工作，方便之后对改天工作情况的查询。（3）报警功能在上位机监控系统中，若两个压力传感器及水位传感器数据异常时，系统做出报警操作，在原有的监控系统中，报警装置只存在于现场，依赖于巡逻人员的发现，时效性很差，在上位机监控系统上加入报警装置，会提高异常情况的处理效率，及时上报现场工作人员和分管领导。4.2组态王简介组态软件广泛用于工业自动化行业。关键功能是收集和监督由工业化生产设备获得的数据的实际操作。组态软件可以完成的功能非常多样和强大，并且很容易完成自动化技术的监督和管理。组态软件内有丰富的图库，工具可以精准详细地构建出现场的设备状况图像编程直观简单，和PLC是非常好的搭配软件，可以简单轻松地实现基于PLC以及组态王的铁路隧道排水在线监测装置的设计。为了适应第三次工业革命，工业自动化技术的快速发展，北京亚控科技发展有限公司开发出一款具有适应性强大、扩展功能强大、兼容性强大、经济实惠、易于开发的一款用于构造应用于工业自动化控制、采纳了北京亚控技术发展有限公司自主研发开发的工业实时数据库（KingHistorian）的支持、给企业提供了对实际工业生产生活中一系列的数据采集、数据汇总、数据分析管理等功能的图形编程的组态软件组态王Kingview。组态王kingview6.55内有丰富的图库元素，例如：仪表、传感器、反应器、安全标志、开关、指示灯、按钮、搅拌器、时钟、框架、泵、游标、电力、电杆、电气符号、管道、计算机、阀门、面板、马达等，另外还可以外加图库或自定义图库，平台这一功能让用户尽可能地在组态王界面上呈现出现场设备的状况。另外组态王的数据存储功能也比较优秀，存储数据的速度（达到每秒读取单个变量两万条数据）和存储数据（单个服务器支持一百万条数据的存储，及256个用户的同时使用）的功能都能较好地满足用户的需求，实时查看数据及读取历史数据都能够实现。组态王6．55的软件结构由以下三部分组成：（1）工程管理器（Proj Manager）：工程管理器的作用是为用户集中管理本机上的多个组态王工程，工程管理器的功能有：新建工程、删除工程、对工程重命名、搜索指定路线下的所有组态王工程、修改工程属性、工程的备份和恢复、数据词典的导入导切换到组态王开发或运行环境。（2）工程浏览器（TouchExplorer）：工程浏览器的作用是管理开发系统，它将图形图画，命令语言，设备驱动程序管理，配方管理，数据库访问等配置进行集中管理，并在一个窗口中以树形结构排列，类似于Windows资源管理器的功能。工程浏览器内嵌画面开发系统，在目录中选画面后，双击右窗口中的新建图标，则进入画面开发系统。（3）画面开发和画面运行系统（Touchmak、Touvew）：在画面开发系统中可以利用组态王的图库和画图工具箱进行画面设计。4.3上位机的软件和具体实现4.3.1定义外部设备所有需要和组态王进行通讯的硬件设备都称作外部设备，包括PLC、仪表、模块、板卡、变频器等。只有定义了外部设备后，才能和组态王进行通讯。在本次开发的铁路隧道排水监控装置中所需要的只是一个西门子s7-200PLC，在工程浏览器中选择设备-COM1或COM2，有ABB、BECKHOFF、GE（德国倍福）、HollySys、LG、艾默生、奥普图、大连冰山嘉德、东芝、富士、横河、华光、基恩士、罗克韦尔、莫迪康、欧姆龙、日立、三菱、松下、台达、西门子等PLC可供选择，还可以选择所需要的通信协议。在没有现场设备，只需现场仿真的时候可以选择亚控-仿真PLC-COM（图4.1），在有PLC设备进行现场操作的时候，选择西门子-s7-200系列-自由口（图4.2）；当设备出现通信故障时，设定恢复策略，尝试恢复时间间隔30秒，最长恢复时间24小时。外部设备定义完成（图4.3）。图4.1亚控-仿真PLC-COM图4.2西门子-s7-200系列-自由口图4.3外部设备定义完成3.3.2定义变量一个设备想要与现场进行连接，首先要进行变量的命名，例如管道里的水流、水箱里的液位都被称为是变量。系统自带的变量有年、月、日、时、分、秒、访问权限、双机热备状态、毫秒、网络权限。新建变量有的变量类型有内存离散、内存整型、内存实型、内存字符串、I/O离散、I/O整数、I/O实数、I/O字符串。内存类型是只能和组态王内部设备进行通信的变量类型，I/O类型是可以和外部现场设备进行通信的一个变量，是需要现场测量采集的变量；离散变量是指1和0，主要用于表示一些开关量；整型变量是指不包含小数部分，只取整数部分的数值类型；实型变量是指保留小数部分，只取整数部分的是指类型；字符串变量是指含有多个字符的数据类型，比如密码、名称等；之后再进行数据变化灵敏度、最小值、最大值得设定。本次设计的铁路隧道排水设备在线监测装置有27个变量（图4.4）：图4.4铁路隧道排水设备在线监测系统所设置变量（1）蓄水池水位：为I/O整型变量，指现场蓄水池中，水位传感器所测量的水位值，在水位值达到一定时，水阀1自动开启进行排水。（2）压力大/小：为内存离散变量，指压力传感器所测量的的压力值，压力值大时，“压力大”为1，“压力小”为0，水阀1、水阀2和水阀3同时开启；压力值小时，“压力大”为0，“压力小”为1，只开启水阀1。（3）水阀1/2/3：为内存离散变量，代表三个排水泵的开关，开为“1”，关为“0”。（4）过程/停止：为内存整型变量，是便与排水仿真编程所设置的中间量。（5）压力值：为I/O整型变量，与现场的西门子s7-200PLC相连接，数值采集至排水管道外的压力传感器。（6）进口压力报警阈值/出口压力报警阈值：为内存整型变量，设定阈值，以此来设定警报，也可以根据气候情况，例如暴雨、洪灾、枯水季节，来改变报警阈值，使报警系统更加完善合理。（7）水位超高报警水位：为内存（8）水位高报警/排水阀门通断时间报警：为内存离散变量，变量为“1”时，警报响起，变量为“0”时，警报响起。（9）阀1/2/3的开通时间/阀1/2/3的断开时间：为内存字符串变量，是这次设计中较为重要的数据信息，通过记录三个阀门开通、关断是时间以此来判断抽排水泵的异常情况。（10）手自动：为内存离散变量，可以切换自动仿真，通过蓄水池水位来出发阀门的开启；或者是手动开启阀门。切换至手动模式的时候，可以是特使情况需要手动控制排水阀，也可以是检测监测系统是否正常运行。（11）ConnectionID/DeviceID：为内存字符串变量，指access的通讯地址与于用户名，用于数据库的设定与组态王的联结。（12）数据库日期/数据库时间/数据库动作：为内存字符串变量，用于在数据库中的记录，记录阀门于何日于何时间做出何动作。（13）数据库串码：为内存整型变量，用于在数据库编程中进行历史查询操作。4.3.3上位机软件界面设计（1）现场模拟界面：在松山湖隧道现有的排水设备里，已有的只有三个排水泵，监控室可以监控排水泵的开关情况，以及一个蓄水池，采用的是视频监控的方式，现在模拟的现场是改进之后的现场情况，在出入水口分别有一个水压传感器，蓄水池中有一个液位传感器。排水阀开启的情况有两种，一种是靠判断水压力来开启，另一种是通过读取蓄水池中的液位传感器来开启。通过压力传感器判断的情况是，压力小时，只有排水泵1打开（如图4.5）；压力大时，排水泵2、排水泵3均开启，排水泵1、2、3同时开启进行排水（如图4.6）。另一种是液位小于等于50时，排水泵1开启，只有排水泵1打开；液位大于等于200时，排水泵2、排水泵3均开启，排水泵1、2、3同时开启进行排水。另外液位小于等于50时，以及液位大于等于200时都会产生警报信号。图4.5压力小时，只开启排水阀1图4.6压力大时，排水阀1、2、3同时启动排水的动画效果，需要编程来进行处理，编程如下：if(\\本站点\手自动==0){if(\\本站点\压力值<10){\\本站点\压力小=1;\\本站点\压力大=0;}else{\\本站点\压力大=1;\\本站点\压力小=0;}if(\\本站点\过程==0){if(\\本站点\蓄水池水位<100){\\本站点\蓄水池水位=\\本站点\蓄水池水位+5;}else{\\本站点\过程=1;}}if(\\本站点\过程==1){if(\\本站点\压力小==1){\\本站点\水阀1=1;\\本站点\阀1开通时间=\\本站点\$时间;\\本站点\蓄水池水位=\\本站点\蓄水池水位-1;}if(\\本站点\压力大==1){\\本站点\水阀2=1;\\本站点\水阀3=1;\\本站点\阀2开通时间=\\本站点\$时间;\\本站点\阀3开通时间=\\本站点\$时间;if(\\本站点\蓄水池水位>0){\\本站点\蓄水池水位=\\本站点\蓄水池水位-2;}else{\\本站点\过程=0;\\本站点\阀门1断开时间=\\本站点\$时间;\\本站点\阀门2断开时间=\\本站点\$时间;\\本站点\阀门3断开时间=\\本站点\$时间;\\本站点\水阀1=0;\\本站点\水阀2=0;\\本站点\水阀3=0;}}}}if(\\本站点\水阀1==1){}监控数据界面：监控数据界面主要是展示三个传感器所采集到的数据，用曲线图的形式展示出来，曲线图会更加直观地展示出现场的一个整体状况。曲线图就是利用了组态王生成图表的一个功能，只需要设定好正纵坐标即可。数据报警：数据报警区域，主要有三个报警，水位异常报警，和水压过高报警。

第五章实物测试5.1编写铁路隧道排水系统的下位机软件STEP7-Micro/WIN支持的三种编程方式为LAD（梯形图）、FBD（功能块图）、STL（语句表），示意如图5.1所示。其中由于LAD（梯形图）编程方法接近于传统的继电器-接触器控制方法的逻辑电路的设计，所以是PLC最常见的一种编辑方法。图5.1STEP7-Micro/WIN支持的三种编程方式网络1：水位传感器模拟量转化为数字量，梯形图如图5-2。图5.2网络1网络2：压力大时传感器输出信号M0.1，梯形图如图5.3。图5.3网络2网络3：压力小