内燃牵引单线铁路长大隧道通风系统的自动控制设计

霍宗文，王 岩

(1.铁道第三勘察设计有限公司 吉林公司，吉林 132001;2.沈阳铁路局 概预算审查所，沈阳 110001)

在隧道掘进施工过程中，为了稀释和排出爆破产生的炮烟、粉尘和有毒有害气体，保持良好的工作条件，必须对隧道掘进掌子面或其它工作面实施通风。但目前的隧道掘进施工中，在通风机械设备的选择、匹配、风量和风速的控制上，大多还是根据经验选配［1-2］。随着“十一五”建设的顺利展开和拉动内需的需要，我国铁路建设进入了新的高潮。列车速度的不断提高以及行车密度和客运量的与日俱增，隧道内的热湿环境、空气环境也将日益恶化，隧道内的空气环境己成为隧道运营通风需要考虑的一个重要内容。我们必须对隧道内环境进行研究，并在此基础上采取充分、合理的通风措施来为旅客、工作人员和工作设备提供舒适、安全、满足运行要求的隧道内环境。

1 工程概况

东北东部铁路白河至和龙段南山隧道，为国内内燃机牵引单线最长隧道。是否能够保证良好的通风效果，保证列车安全运行，是课题项目组的难点，也是决定本项目设计方案是否可行的关键。

南山隧道位于延边朝鲜族自治州和龙市境内，全长7 566 m。进口里程DK70+169，位于南岗山脉许家洞林场侧，出口里程DK77+725，位于南岗山脉青山里林场侧，进、出口均有一定程度的斜度。于DK76+317处设斜井1处，位于距出口1.4 km左右的山谷中。隧道所处山体地势起伏较大，最大高差448 m，最大埋深410.55 m。隧道位于直线上，纵向坡度为9.5‰的下坡。根据该工程实际情况，在DK74+086处设斜井1处，位于距出口3.6 km左右的山谷中。本工程通风系统通风方式为无帘幕洞口通风方式和有帘幕洞口通风方式的结合。在低洞口处设置风帘将低洞口封堵，开启通风机进行通风，在洞内形成有利于空气流出的气流，达到良好的通风效果。

2 通风控制系统设计准则

1)安全可靠 隧道通风控制系统的稳定性是最重要最基本的要求。因为如果控制系统不稳定，很容易造成整个系统的混乱，从而产生严重的后果。因此在选购和设计硬件时应充分考虑隧道环境(温度、湿度、粉尘、电磁干扰等)对控制设备的影响，保证控制设备在特定的工作环境下工作可靠、性能稳定。

2)易操作性 通风控制系统应具备良好的人机操作界面，尽量降低对操作人员的要求，这样可缩短操作员的培训时间。操作人员使用的人机界面尽量使用中文，并具有帮助和提示。

3)智能化 通风控制系统的设计应该尽量提高智能化程度，最大限度地减少人工干预。

4)可维护性 在隧道通风控制系统的设计中，要从系统的软硬件结构、硬件布局、硬件诊断等方面考虑系统的可维护性。系统中利用报警与故障诊断功能以缩短系统维护时间和减少操作员的工作量。

5)可扩充性 通风控制系统选取的设备应具有一定的富裕度，以便今后五年、十年或更长时间后系统的扩展。可扩充性是解决当前资金短缺和今后发展要求的有效途径。

3 单线长大隧道内燃牵引通风系统的研究

铁路隧道机械通风在我国也已有好几十年的历史了，从20世纪50年代开始，对隧道机械通风作了大量现场测量和研究分析，取得了不少成果。在通风方式方面，过去常采用的有无帘幕洞口风道式、有帘幕洞口风道式、洞口喷嘴式和竖(斜)井吸出式。但随着射流风机技术的发展，进入90年代以来，纵向式射流通风方式己逐渐成为一种最为流行的铁路隧道机械通风方式。这几种通风方式如图1所示。

图1 通风方式示意

1959年，铁道部第三勘测设计院对有帘幕、无帘幕、吹入式、吸出式等通风方式作了比较。详细分析了洞口帘幕式通风、洞口喷嘴式通风和竖井(斜井)吸出式通风这三种铁路隧道通风方式的优缺点、功率消耗和适用性［3］。得到的结论是洞口喷嘴式通风功率耗能过大，不宜推广采用;长度较短的隧道采用洞口帘幕式通风是比较可行的方案;对长10 km以上的隧道应以竖井(斜井)吸出式进行分段通风为宜。

过去曾一度采用的洞口帘幕式通风，起初用的是刚性帘幕。虽然使用刚性帘幕通风方式的通风能耗较小，但刚性帘幕可能影响行车安全，特别是在行车密度大的铁路线上。虽然实践证明帘幕的启闭与车站信号联锁，加上其它应急措施，可以保证行车安全，但万一帘幕启闭装置失灵，会影响行车甚至发生列车碰撞帘幕的危险。我们结合隧道通风的实际情况，确定了以下三点设计要求。

1)取消机械帘幕，改由风帘幕代替机械帘幕，解决以往影响行车安全的问题，使内燃牵引单线修建长大隧道成为现实。根据计算，风帘幕压力值取2～3倍选用射流风机的压力，在左右两侧布置，经喷嘴将风喷出形成风幕帘。射流风机风量可根据隧道断面积控制风速3.5～5.0 m/s确定，通过现场观察测试，使用效果良好，满足使用要求。

2)隧道内通风风速确定，隧道内规定最大风速为8 m/s［4］。通过现场试验，我们认为风速可以提高。因铁路隧道不同于公路隧道，没有行人只是有养护工及工作人员，而且隧道内有避难洞，对人员没有伤害。将风速提高到12 m/s左右，这样在15 min通风时间内，隧道长度可以达到10 km以上。

3)采用单方向隧道通风。在列车上坡运行实现自动通风，下坡时采用自然通风。

本系统的控制系统在以上要求的框架内，研究帘幕风机与通风机开启联锁方式及运行时间［5］，确定最佳的开启时间以充分利用活塞风，达到最好的通风效果。

4 控制系统设计

隧道通风控制系统采用模块化设计，设立总控柜、自控柜、电控柜、动力柜以及室外信息点等几个部分。以PLC和软启动器为核心，采用两种现场总线(包括Modbus总线、Profibus总线)简化通讯设计，实现系统安全可靠、易于维护、易于扩充，见图2。

图2 系统总线示意

控制系统在硬件设计方面，关键环节都设置了传感器进行全方位监控，自控柜通过PLC仪表实时监控运转电机的电流、电压信号，并在通风机设置温度探头监控风机工作状态。同时设置风速探头以判别系统工作性能，作为核心器件的PLC和计算机同时对系统运行进行监控，实现双硬件备份。

控制系统在软件设计方面，设计了两个级别功能(包括手动控制级别、PLC自动控制级别)，并预留智能控制级别设计接口，前一级别为后一级别的运行提供保证和技术接口。手动控制级别通过按钮操作，实现人工手动控制，完成风机的切换、起停控制功能。PLC自动控制级别通过按钮“手动/自动”切换后，实现监控柜的自动通风控制。整个控制过程采用开环控制方式，以机车接近为自动启动信号，按照预定的通风时间进行控制。智能控制级别是充分利用计算机的资源，结合机车定位、出口处气体浓度和列车出洞时间等信息，实现PLC自动控制功能的优化，在保证工作指标前提下进一步缩短通风时间、降低能耗。

通过以上多级备份软件设计，保留系统的降级使用功能，保证长时间可靠运营。

5 硬件设备的选型

5.1 上位机的设计选用

在系统中，上位机主要完成隧道环境数据显示、风机状态显示、历史数据查询、远程遥控、视频监控等功能。由于工作环境相对较好，因此设计选型时，使用标准研华工控机和大华硬盘录像机为主机，采用工业显示器为显示界面。研华工控机价格适中，操作方便，内存大，人机界面友好，带有标准的以太网口、很强的扩展能力，易于和外设相连。

5.2 下位机的设计选用

5.2.1 PLC在隧道通风监控系统中的可行性分析

PLC是20世纪60年代末在美国首先出现的，最初叫可编程逻辑控制器，目的是取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。PLC的基本设计思想是把计算机的功能完善、灵活通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。可根据实际应用的对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户存储区内，以满足不同的应用对象。

随着半导体技术和微处理器技术的发展，到70年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路。这时的PLC已不再仅有逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信等功能。对本系统来说，PLC的以上特点非常适合作为系统控制核心器件。

5.2.2 PLC模块的选型

目前国内外的PLC产品有几十个系列，上百个型号。各个种类的PLC的容量、结构形式、性能、指令系统、编程方法、价格各不相同，适应的工作场合也有差异。因此合理地选择PLC非常重要，它直接影响到所设计系统的性能与造价。PLC的选型主要包括机型、容量、I/O模块等内容，本系统设计的软启动器采用瑞士ABB公司产品PST300。该公司的PLC与其它产品比较，具备明显的低价位和完善的售后服务体系(从技术援助到使用维修的一条龙式服务体制)，在中国广泛获得各个企业的信赖和好评，所以本系统选用了ABB公司的PLC和相关Profibus通讯产品。

选择容量:PLC的容量包括主机用户存储器的内存容量和I/O控制点数两个方面，选择时应留有适当的裕度做备用。对于本隧道通风监控系统，为了使系统中的风机能更好地实现功能，每一个风机都将采集三个状态和控制两个开关。总共需要28个输出点和52个输入点以上的I/O，CPU采用较为通用AC500系列产品。

选择通信单元:主机和软启动器间采用Profibus通讯总线，为此需要配置DP主机模块一个、PDP22通讯模块四个。通过该模块PLC可以清晰地获得并控制软启动器的参数，另外主机采用了CS31扩展技术，实现了通讯端口的扩展，为Modbus通信提供了硬件平台。

5.2.3 现场模块的选型

在工业现场或设备中，电压、电流、温度信号的周围经常伴随着干扰源，本系统中的大功率风机就是典型的干扰源，这些干扰源会影响信号采集。研华强固型模拟量数据采集模块ADAM-4117和温度采集模块ADAM-4118的自动滤波功能便能解决以上问题。只需简单设置，就能有效避免干扰源给信号采集带来的困扰，增强数据采集的抗干扰能力。

数据采集模块ADAM-4100系列产品，专为恶劣环境下的可靠操作而设计，能够在宽温度工作范围(－40～+85℃)，宽 电 源 输 入 范 围 (+10～+48VDC)，甚至在噪声干扰环境中操作。采用ADAM-4117和铁路电磁感应器为系统提供了可靠的控制信号，实现了机车接近探测、速度计算、列车方向判别等功能。

6 结语

通过对南山隧道通风系统及控制系统的全面测试及营运效果的评价表明，在长大隧道中该通风系统的设计理念和模式，以及控制系统设计准则和硬件模块选用是合理的、正确的、实用的。控制过程完全可靠，通风营运效果良好，空气质量达到规范规定的标准，实现了设计要求。该通风系统及控制系统的设计是成功的，保证了列车运行的安全。

［1］肖杨.长大隧道的施工通风［J］.四川水力发电，2008，27(5):22-24.

［2］赵钰.特大断面长大高瓦斯隧道通风技术研究［J］.铁道建筑，2007(12):39－41.

［3］赵应华.长大隧道施工通风消烟除尘新技术［J］.山西建筑，2008，34(11):309-310.

［4］张涛，郭小红，黄民水，等.高速公路长大隧道通风竖井设计与施工技术研究［J］.华中科技大学学报，2008，25(3):245-249.

［5］田传海.长大隧道施工通风方案设计［J］.西部探矿工程，2008(12):190-192.