基于PLC的风机控制技术在公路隧道中的应用——以南安金淘至厦门高速公路为例

沈瑞昌

（厦门兴南洋信息技术有限公司，福建 厦门 361008）

0 引言

南安（金淘）至厦门高速公路主线起于泉州南安泉三高速公路金淘互通，经安溪县进入厦门市同安区，终于集美区田厝，项目全长98.1km，厦门段长为41.441km。其中设有风机的隧道有：龙门岭隧道（2 640m）、小坪隧道（850m）、后溪隧道（1 850m）、岩内下穿隧道（1 010m）、莲花隧道左洞（4 545m）、右洞（2 542m）。本文以南安金淘至厦门高速公路隧道通风系统为例，阐述PLC控制技术在公路隧道中的应用。

1 隧道通风

汽车在行驶中排放的污染物主要有CO和烟雾（颗粒），烟雾颗粒会造成隧道内能见度降低，影响驾驶员观察视线和行车安全。而通风系统能起到稀释有害气体和污染物浓度的作用，对隧道的行车安全有很大影响。依据国家高速公路隧道和城市地下隧道的有关设计规范，长度大于1 000m的隧道应设置机械排风设备[1]。将隧道内的CO和烟雾浓度稀释到安全范围，是隧道通风控制系统的重要目标。同时隧道通风系统在火灾发生时控制合理的风速风向是减少伤亡事故的重要措施。PLC在风机上的应用，使得隧道通风系统实现自动控制。

1.1 通风系统功能

通风系统能改变隧道内空气的化学组成和通风条件，使之满足驾乘人员和车辆运行的安全和卫生标准，以保证隧道正常运营。同时，当隧道内发生火灾时，它还可以抑制火灾蔓延，并为灭火工作创造有利条件。

隧道通风通常有两种换气方式：中、短隧道采用纵向通风，选用射流通风机沿隧道纵向布设，依靠射流风机出口处气流产生的强劲推力，通过风机间“接力”排除污气。特长隧道一般采用纵向通风和横向通风相结合。隧道纵向采用与中短隧道一样的通风方式，只是在横通道竖井内输入新鲜空气，选用立式轴流通风机排除道内污浊气体。当发生灾情时还应配合其他管理措施才能防患于未然，将灾情造成的损失降至最小，创造一个安全、便捷、高效的交通环境。

厦安高速隧道中采用的通风方式为纵向射流。纵向射流通风无论是工程建设投资还是运营管理费用均较其他通风方式有明显的经济效益，目前大部分公路隧道通风都采用纵向射流通风。

1.2 隧道风机安装方式

风机在隧道洞顶上分散均匀地安装，采用预制钢支架固定。在隧道洞顶上安装射流风机时，要求对每块预埋铁构件进行相应的额定静载试验，每一块预埋构件的强度、刚度和稳定性都要通过试验验证后才能进行设备安装。射流风机的钢吊架选材、预制、安装及焊接施工都要充分考虑到通风机长期悬空吊挂持续运行的特殊要求，确保射流风机的运行安全。

1.3 隧道射流风机布设方案

中短隧道风机每台为一组，长隧道风机每2台为一组。由于隧道两端均设置变电所，所以风机尽量平均布设在隧道两端，距洞口约200m开始布设，以后每组按150m间距均匀布设。特长隧道为避免中间段因距离过长没有风机，不利于防灾排烟，所以在特长隧道中间段适当增设几组风机由横通道排风，竖井输入新鲜空气。

1.4 隧道风机配置

根据隧道通风设计以下工况：正常行车（对应于隧道设计行车速度30～80km／h，按每10km／h为一档分别计算需风量）工况、火灾工况及交通阻塞工况。

本项目射流风机选用天津中隧牌直径为1 120mm，技术参数：轴向推力为1 040N，出口风速为32m／s，流量为33m3／s，电机功率不大于30kW，声压级为76dB，单台风机重为1 400kg。

各隧道射流风机设置情况：龙门岭隧道左右洞各设风机7台、小坪隧道右洞设风机2台、后溪隧道左右洞各设风机9台、岩内下穿隧道左右洞各设风机8台、莲花隧道左洞设风机14台，右洞设风机16台；远期左洞设风机14台，右洞设风机24台（见图1），共设置88台风机。

图1 莲花隧道射流风机平面布置图

2 隧道通风系统的组成

本项目通风系统主要由传感器（车辆检测器、CO浓度检测仪、VI烟雾浓度检测仪、风速风向检测仪）、区域控制器（由A／D转换器、PLC、触摸屏等组成的自动控制装置）、射流风机以及中心计算机等组成。其中CO浓底检测仪、烟雾浓度检测仪可以实时准确地自动测定隧道内的CO浓度和烟雾透过率等数据，由区域控制器采集数据，控制系统将检测到的数据与控制标准值进行比较，控制风机的启停；风速风向检测仪，用来自动测定隧道内平行于隧道壁面的风向、风速数值并检测风机的运行情况；车辆检测器用来检测隧道内的车流量和车速，为CO／VI预设值提供参考数据。隧道通风系统构成如图2所示。

图2 隧道通风系统构成图

通风系统分为自动控制和手动控制两种方式。自动控制方式是系统从隧道环境实时检测值（CO／VI）与设定标准值进行比对，并发出风机启停指令，特殊情况时按计算机处理的通风方案确认后执行。手动控制方式可分别在监控中心计算机远程手动控制或在隧道变电所现场控制柜上手动完成[2]。

对于自动控制方式，系统在每天设置的几个时段内对风机进行启停控制，实现隧道通风自动控制效果，保持隧道内空气良好，为行车安全创造良好的条件。在自动控制的同时也辅以人工手动控制，当系统中带有火灾发生隐情及排烟控制方案提示时，经人工确认后可以对风机实行远程控制，也可以进行人工控制。操作员也可以观察计算机屏幕上显示的隧道环境检测CO／VI值，以及各个风机的工作状态，并根据CO／VI值对风机进行控制，直接在计算机工作界面对应位置风机处点击右键即可控制风机的启停。当有CO值或烟雾浓度超标报警信息进人监控系统时，会由操作员进行确认以及信息记录备案。

3 隧道通风PLC控制系统

隧道通风控制是对隧道环境参数及其通风设备进行监测，监测数据通过计算机系统进行比对，判断当前环境状况，并给出相应的控制方案，由人工确认或自动发送的方式控制射流风机启停等，以达到诱导交通、保证行车“安全”和道路“畅通”的目的。

根据传感器（CO、VI、TW检测仪）采集到的隧道内CO、VI和风速值，并由通风控制PLC通过DI模块采集风机的工作状态，结合隧道内的状况按约定的控制模型通过DO模块对风机进行控制。为了控制回路的安全，对DO模块采用继电器隔离，防止PLC的意外受损，提高系统的可靠性。通风控制PLC以总线方式（RS485）通过通讯控制处理机与控制中心计算机通讯，协调控制通风系统的工作，通风控制PLC和传感器控制器将所采集的信息经RS485总线传输到监控中心计算机，而中央控制计算机按当前隧道的状态（正常、堵塞、火灾等）和预先约定的控制模型通过通风控制PLC控制通风系统的工作，或者操作员直接通过控制中心计算机直接指令PLC打开指定的风机。当控制中心计算机出现故障或通讯出现故障时，系统会自动降级，由通风控制PLC按正常模式对通风系统进行控制。

3.1 通风系统的控制方式

3.1.1 正常模式

在正常情况下，根据隧道内CO、VI、TW（CO浓度、可见度、风速）检测器的检测数据和中国公路隧道有关设计规范进行比较分析，在发现超过规定值时通过通讯接口向中控室报警，并自动打开相应的隧道内的一组风机。当在一定时间（20min）后，如CO／VI值仍未达到规定范围，则自动打开另一组风机，直到CO／VI值低于规定值，则经过延时关闭风机。

3.1.2 交通阻滞或管制状态

在交通阻滞或管制状态下，控制中心计算机将通知通风控制PLC，当隧道内CO／VI值到达规定值时打开相应侧风机，当20min后仍未低于规定值则再打开其他风机。当交通恢复正常且CO／VI值低于规定值则延时顺序关闭风机。

3.1.3 火灾模式

当发生火灾时，由控制中心计算机通知通风控制PLC，由通风控制PLC配合消防系统按TW值启闭相应风机。

3.1.4 养护维护模式

当在养护维护状态时，VI值大于0.003 5km－1，则打开该侧隧道风机。

3.2 PLC硬件配置

本项目风机控制系统采用三菱FX2N系列PLC，具有如下特点：集成型高性能CPU电源输入输出三位一体；对6种基本单元，最小8点为单位连接输入输出扩展设备，最大可扩展输入输出256点；高速运算，基本指令为0.08μs／指令、应用指令为1.52至几百μs／指令；存储器规格较大，内置8 000步RAM存储器，安装存储盒后，最大可扩展到16 000步；软元件范围较宽，辅助继电器3 072点，定时器256点，计数器一般状态下16位，锁定状态32位，数据寄存器锁定状态可达7 800点。

根据每个隧道风机数量的不同，选不同型号的PLC模块。莲花隧道选用三菱FX2N—80MR—001型PLC，基本单元带40点输入/40点继电器输出（R--继电器输出，有触点，可带交直流负载）。龙门岭隧道、小坪隧道、后溪隧道、岩内下穿隧道采用FX2N—32MR—001型PLC，输入点：16，16继电器输出。

3.3 触摸屏的选择

本项目选用三菱触摸屏F940GOT。F940GOT—LWD—CF900GOT系列是人机介面与编程器二合为一的新型触模显示器，它可在触摸屏上直接对PLC进行监控及编程。

图形操作终端（GOT）是一种操作触摸面板，可以边观看画面，边显示信息，同时还能实现对可编程控制器的各软元件的监视以及数据变化的控制。

GOT可以通过操作界面实现开关设定、指示灯控制、数据显示、信号采集、图形的显示等功能。还可以对PLC的程序、参数进行检查、监视和修改。此外，GOT还可以与计算机、变频器、PLC之间进行通讯。

F940GOT—LWD—CF900GOT具有如下功能：

a）能作指令编程，监察，强制ON／OFF及改变数据，模块监察及读写；

b）15级口令设定；

c）背景灯寿命特长（2.5万h＝12.5年）；

d）一台PLC可连接4台F940GOT或F930GOT；

e）兼容FX—50DU的程序画面；

f）可视范围广阔：左右各30°；竖、俯视30°，仰视30°；F940WGOT液晶显示器256色，尺寸（mm）：7in，外壳（W）×133（H）触换屏155.5（W）×87.8（H）触析度480×234；存储器1MB，内存通讯口RS－422／RS－232C×2；

g）尺寸大（6in），画面多，主屏幕最多可达500画面；

h）寿命长（约5万h）；

i）可水平或垂直安装；

j）F940WGOT有一个屏幕分割功能，该功能可将荧幕分割，使其中一部分（或几部分）的荧幕显示不变的资讯，而另一部分则显示变更的资讯。

3.4 PLC系统软件

系统采用三菱PLC的编程软件GX Developer。这款软件适用多种系列可编程控制器，支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定；可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能。

GX Developer软件主要有以下特点：

a）软件的通用性强：能够制作Q系列、QnA系列、A系列（包括运动控制（SCPU））、FX系列的数据；能够转换成GPPQ、GPPA格式的文档，此外，选择FX系列的情况下，还能变换成FXGP（DOS）、FXGP（WIN）格式的文档；

b）兼容性强，可与Windows、Officer等办公软件兼容；

c）程序的标准化；

d）功能模块化；

e）与可编程控制器CPU连接灵活，可经由串行通讯口、USB、MELSECNET／10、计算机插板等实现可靠连接；

f）丰富的调试功能。

4 结语

根据本项目使用PLC来控制隧道通风系统的效果来看，全线隧道风机控制实现远程和手动控制一体化，有效地降低了隧道有害气体的浓度，为隧道安全行车创造了有利条件。同时因PLC可靠性高、抗干扰能力强的特点，可对隧道风机进行智能化控制，有效避免了风机频繁启动，大大提高了风机的运行效率，延长了风机的使用寿命，在一定程度上降低了隧道风机的维护和运营成本，值得推广和使用。随着科技的进步，PLC控制技术在隧道机电中的作用将越来越大，自动化程度也会越来越高。

[1]JTJ 026.1—1999，公路隧道通风照明设计规范[S].

[2]李冰.浅谈高速公路隧道机电系统的维护管理及处治对策[J].交通工程，2013，（3）：278-279.