隧道通风监控系统的研究

西安石油大学 张金萍 张建军 陈光景

隧道是一个相对封闭的区域，自然风和交通风无法完成隧道内空气的转换。当CO浓度很大时，会危及人的身体；烟雾粉尘则会给驾驶员的视野造成障碍，增大了交通事故的发生概率。所以必须采取机械通风方式，有效及时地排出隧道内的有害物质，降低空气的污染程度。尤其在隧道内发生交通事故或者火灾的特殊情况下，机械通风就越发显得重要。因此在隧道中建立通风监控系统意义十分重大。

1.通风监控系统的组成

隧道通风监控系统主要由监控中心计算机、CO/VI检测器、风向风速检测器、风机和区域控制器等组成。

1.1 监控中心上位机

此隧道监控系统软件的上位机系统是利用北京三维力控公司的Forcecontrol 6.1组态软件进行设计。上位机可以发出指令给区域控制器，以便来控制隧道内的机电设备，也可以接受区域控制器的数据来分析和处理。

1.2 CO/VI检测器

CO/VI检测器由一氧化碳/能见度检测探头、评价控制单元、安装支架、连接电缆等部分组成。一氧化碳检测采用的是非扩散检测红外波段中的一定波长对非对称分子吸收能力的变化值(即δ值)，再变换成电流的变量，把这一变量又用数字信号传至隧道监控室中心计算机并显示出来[1]。能见度测量是通过另一分离通道，由发射/接收单元发射光波，通过10米测量通道到达反射单元，反射光再经原来的10米测量路径反射到发射/接受单元，光束经过衰减，得到的信号经过评价控制单元处理为测量值，就是能见度检测值。

1.3 风速风向检测器

风速风向检测器采用超声波的原理测量隧道的环境温度和风速风向，由二个超声波发射/接受单元、数据处理评价单元、安装支架、连接电缆等部分组成，具有现场显示功能。

1.4 区域控制器

此次设计下位机的区域控制器采用honeywell高性能可编程控制器(PLC)，负责管理和控制相关区域的现场设备。区域控制器由机架、CPU、电源模块、I/O模块、通讯模块等组成。主要设备清单如表1所示。

2.隧道通风的方式

目前隧道机械通风方式可分为纵向式通风、半横向通风和横向式通风三种方式。纵向式通风是从一个洞口直接引进新鲜空气，由另一洞口排出污染空气的方式。这种通风方式一般适用于单向行车的隧道；半横向式通风是将新鲜空气经送风道直接吹向汽车的排气孔高度附近，直接稀释排气，污染空气在隧道上部扩散，经过两端洞门排出洞外。使用这种方式的隧道仅需设置排风道，比较经济；横向式通风的特点是风在隧道的横断面方向流动，一般不发生纵向流动，因此有害气体的浓度在隧道轴线方向的分布均匀。该通风方式有利于防止火灾蔓延和处理烟雾。但需设置送风道和排风道，增加建设费用和运营费用[4]。在本系统中采取纵向式通风方式。

3.隧道通风监控系统的功能

3.1 数据的采集及显示功能

该通风监控系统能检测出隧道内CO浓度、能见度、风速和风向，并显示在上位机监控界面上。

CO浓度(单位：PPM)和能见度(单位：1/km)都由CO/VI检测仪检测所得。风速主要采集的是纵向风速(单位：m/s)，风向指隧道内的纵向风向，分为正向和反向，用箭头表示，数据由风速风向检测仪检测所得，输出形式为一个继电器输出。

检测到的CO/VI值和风速为模拟信号，在4-20MA之间。数据采集后要把模拟量转换为数字量之后才能显示在界面上。

3.2 风机状态的监控功能

通风监控系统可以返回每一台射流风机的运行状态，包括风机的正/反转、停止、故障等状态信号，然后将这些状态清晰、明了的显示在监控系统界面上。该系统把处在一个断面上的两台风机作为一组来进行控制。控制方式分为远程自动、远程手动和本地控制三种。远程自动控制就是监控中心上位机将采集到的信息处理后，当达到一定的限值时实时地发出指令；远程手动控制就是操作员根据现场实际情况人工发出指令来控制风机运行；本地控制就是操作人员在现场低压柜按下风机的启停按钮。

3.3 辅助功能

1)报警功能：能够对采集的数据进行分析和判断，如果数据超过规定的报警限值或低于规定的报警限值，实时报警窗口就会自动弹出，报警数据、设备和区域就会在报警窗口显示出来。用户也可以设计报警声音，以便更好的对操作员进行提示。

2)趋势曲线：现场采集到的数据经过处理后依照实时数据和历史数据进行储存，通过趋势曲线可以更好的对数据进行分析显示。

表1 主要设备材料清单

图1 I/O设备建立

图2 隧道通风监控系统主界面

图3 调用全局变量

3)报表：能够对采集的数据进行显示、存储和打印等功能。

4)事件记录：记录操作人员的操作过程，并可记录系统上位机相关程序的启动、退出及异常的详情。用户可以通过记录来对系统进行维护。

5)安全管理：安全管理主要包括用户级别管理、安全区管理、系统安全管理及工程加密管理。

4.隧道通风监控系统设计

4.1 上位机软件设计

(1)I/O设备建立

力控组态软件实时数据库通过I/O驱动程序对I/O设备进行数据采集与下置，实时数据库与I/O驱动程序之间为客户/服务器运行模式，一台运行实时数据库的计算机可通过多个I/O驱动程序完成与多台I/O设备之间的通信。本监控系统中，首先对Honeywell PLC进行设备设置，通过标准MODBUS(TCP)协议建立相应的I/O设备，并输入IP地址，以便和下位机建立通讯。I/O设备建立如图1所示。

(2)数据库组态点建立

点是实时数据库系统保存和处理信息的基本单位。在创建一个新点时首先要选择点类型和所在区域。点类型分为数字I/O点和模拟I/O点两种，本系统中CO值、VI值和风速值为模拟点，风向、风机运行状态的反馈及控制点均为数字点。每个点都需要对基本参数、报警参数、数据连接和历史参数进行设置。

(3)界面建立及动画连接

根据监控系统的要求，设计了监控主界面、手动控制界面、报警界面、趋势曲线界面和报表界面等。画面建立完成后，将画面中图像对象与变量或表达式建立连接，这样就可以对系统中的各种设备进行监控。在监控主界面上可以清楚的显示各检测数据、风机在隧道中所处的位置以及风机的运行状况。在监控界面上点击风机控制按钮，进入风机手动控制界面，操作员根据不同情况点击正转/反转/停止状态按钮进行操作。隧道通风监控系统主界面如图2所示。

(4)脚本程序

在隧道通风监控系统的设计中除了监控界面的建立，编写脚本程序也是一项重要任务。

图4 梯形图编写

在本系统中需要编写的脚本程序有如下几项：

1)每台风机启动时需要短暂的延时，上一台风机达到额定转速后，再启动下一台风机，以减少对变电站供电的冲击。

2)风机控制时如果在左转，此时右转按钮灰掉(即被屏蔽了)，必须先按停止后，才能再按右转按钮启动风机。

3)通风系统远程自动控制。

4.2 下位机软件设计

本系统区域控制器应用的是Honeywell MasterLogic-200系列PLC，采用SoftMaster-200作为编程软件。用户可以进行系统配置和程序的编写、调试、仿真、在线诊断PLC硬件配置状态、控制PLC的运行状态和I/O通道的状态等。

(1)）首先通过CPU的USB接口连接PC机，在SoftMaster-200软件中对PLC进行配置网络地址并写入，建立PC机与PLC之间的通信。

(2)配置I/O设备信息，明确上位机软件数据库组态点与PLC输入点的对应关系，各输出点与各输出执行单元的对应关系，创建全局变量和本地变量。调用全局变量的步骤如图3所示。

(3)按照控制要求编写梯形图程序。

在编写梯形图时要注意变量与上位机组态软件数据库组态中变量的对应关系；风机的延时启动；风机的单点控制及自动控制；上位机监控界面中按钮之间的互锁等。梯形图编写界面如图4所示。

(4)程序编程完成后，选择“联机[Online]”-“写入数据[Write]”，然后选择要传输到PLC的数据，然后点击“确定[OK]”，将选定的数据传输到PLC。

(5)进行联机调试。

5.结论

本设计对通风监控系统进行了详细的工程设计，包括系统的结构设计，功能设计和模块划分和上下位软件设计。应用力控Forcecontrol 6.1组态软件设计了通风监控系统的主界面、风机显示界面、风机控制界面和风机预案管理等。应用honeywell PLC进行区域控制器设计，并编写了后台控制程序，实现了通风监控系统的各项监控功能。

本系统有效地保证驾驶员、隧道养护人员免受有害气体的危害，提高了车辆运行安全系数。整套系统已投入运行，经过多次现场验证，取得了良好的效果。在本文中我们所做的研究工作还仅仅是初步的，今后仍有大量的工作值得深入探讨。

[1]曹力.高速公路隧道监控系统的组成与作用[J].湖南交通科技,2009,35(3):159-175.

[2]刘嘉群,郭泽宜.对某高速公路隧道监控系统的研究[J].科技资讯,2009,19(1):39.

[3]李林锋.高速公路隧道通风监控系统综述[J].交通科技,2011(4):44-49.

[4]叶建华,钱虹,张蕊,黄张青,王潇鋆.高速公路隧道风机/防火门监控系统组态软件的实现[J].上海电力学院学报,2008,24(4):346-348.

[5]孙巧燕.隧道通风和火灾报警系统研究[D].长安大学硕士学位论文,2002.

[6]任桂山.城市公路隧道通风智能控制系统研究[D].武汉理工大学硕士学位论文,2008.

[7]袁杰.基于模糊控制的城市隧道智能通风系统的研究[D].武汉理工大学硕士学位论文,2008.

[8]潘胜.城市公路隧道汽车尾气排放浓度的研究及通风方案的设计[D].武汉理工大学硕士学位论文,2009.