隧道智能监控系统研究与实现

2018-10-24邢娅莉曾少莉

机电信息 2018年30期

邢娅莉曾少莉

（1.广东交通职业技术学院机电工程学院，广东广州510800；2.广州力控元海信息科技有限公司，广东广州510500）

0 引言

随着我国公路建设的快速发展，公路隧道迅速增加，通行车辆日益增多，隧道内如何确保良好的行车环境，保证行车安全，以及系统如何节能降耗，成为社会日益关注的问题。但是，公路隧道系统具有较大的非线性、时滞性和时变性，很难建立精确的数学模型。国内在公路隧道建设方面起步相对较晚，对于公路隧道控制系统的探索及研究也要远远落后于欧美、日本等国。

以通风子系统为例，我国传统的隧道通风控制多采用简单的分级式控制，所开启的风机数由CO浓度或烟雾浓度值（VI）分别确定，没有把两者联系起来综合考虑，且采用简单的门限控制方式，既浪费能源，控制效果又不理想。近年来，以长安大学为代表的众多科研单位对公路隧道通风的控制方法开展了大量的实验和研究，相继提出了基于模糊神经网络的纵向通风控制系统和基于经验的模糊纵向通风控制系统[1-2]，这些智能控制方法能有效地控制公路隧道内的CO、VI、空气中异味等污染物浓度，取得了较好的效果。但这些方法多是在离线的情况下调试好控制规则，而在实际的隧道通风系统中要根据控制效果不断修正控制规则，才达到最佳的控制效果。因此，利用先进的控制理论和控制方式，应用于隧道监控系统具有很强的现实意义[3-5]。

1 系统总体设计

系统由两部分组成：

（1）上位机远程控制系统。系统由隧道通风子系统、隧道照明子系统、隧道消防子系统、信息发布子系统、报警子系统、专家报表子系统、预案管理子系统七部分组成（图1）。PC机通过智能监控系统，可进行全天候监视，完成对隧道现场运行数据的收集、统计、分析、管理，对各项安全指标、环境参数等有效监测和智能化管理实现远程监测。

（2）现场控制层。各个子系统通过相应检测装置，实时采集主通风机温度、粉尘、气动及电气等参数，并将用户通过上位机软件传来的控制命令，通过PLC作用至电机、变频器、风机等被控对象。

图1 系统结构图

2 系统设计与实现

本系统利用力控Forcecontrol V7.1组态软件，根据交通运输部《公路隧道通风设计细则》（JTG/TD70/2-02—2014）以及高速公路隧道的实际运营需求设计了隧道智能控制系统。

2.1 系统主控界面

系统主控界面共包含“系统结构”“通风”等13个子菜单项。可实现以下功能：查看隧道系统结构；实时显示隧道内风速、CO、VI等检测数据；了解通风、照明等系统的运行状况；可根据风量自动/手动调节风机转速；可根据光强检测值来控制照明和通过时间/季节变换来控制照明系统，保证省电、有效；可查询历史报警信息；可查询各用户登录、注销、控制方式切换，系统管理员可查询用户具体操作内容等历史数据；可设置设备日常运行参数；可自动生成各类专家报表，并根据需要打印；可绘制实时曲线、历史曲线；操作人员可根据实际情况，选择不同情况的预案并执行；系统提供了3个级别的用户操作权限，可进行用户管理；系统可通过WEB浏览实现远程网络控制。

隧道智能监控系统主界面如图2所示。

2.2 系统I/O设备组态

创建好系统各个控制界面后，需要进行I/O设备组态，系统才能通过数据库变量和I/O设备进行数据交换，实现数据的监控。以通信模块为例，本系统通过标准MODBUS（TCP）协议选择相应型号的I/O设备，输入IP地址、通信方式、接口设置等以便和下位机建立通信。I/O设备组态如图3所示。

2.3 创建实时数据库

数据库DB负责整个应用系统的实时数据的处理、历史数据的存储及统计、报警信息管理、数据服务请求管理，是整个应用系统的核心，本系统仅风机子系统就创建模拟数据点21个，各个点名及设置情况如图4所示。

2.4 建立系统连接

通过建立系统连接将监控系统中的对象与相应变量之间建立关联，当变量的值发生变化时，系统监控画面就以动态变化的方式体现出来，在监控界面上可以清晰地显示各检测数据的运行状况。以射流风机的运行时间为例，通过将监控界面与运行时间变量建立连接，即可实现运行时间的实时显示，具体连接设置如图5所示。

图2 系统主控界面

图3 I/O设备组态

图4 数据库组态

图5 系统连接

2.5 编制脚本程序

系统部分功能仅靠组态无法满足系统要求，需根据系统要求编写脚本程序。以风机控制子系统为例，首先根据行业专家经验建立控制规则表，结合PID参数整定确定PLC控制算法，从而确定出隧道总体的需风量。

当风机接到启动指令时，通过对隧道内CO、VI实时浓度检测数据采样，将风机风量期望值r与风机风量实际输出值y的误差e=r-y和误差的变化率Δe=e（n）-e（n-1），传送至PLC中的PID控制器、模糊控制器。根据e、Δe自适应调节PID控制器的运行参数，并由PID控制器输出控制量u，决定对应的变频器的输出电压，最终实现对风机的控制。PLC控制风机启动，在变频器作用下，风机实现软启动和无级调速，根据风机特性，当风量减少、风机转速下降时，其功率将大幅下降，如若所需风量是额定风量的50%时，轴功率则下降到额定功率的12.5%。以1台22 kW的风机为例，24 h连续运行，其中每天10 h运行在90%负荷（频率按46 Hz计算），14 h运行在50%负荷（频率按20 Hz计算），全年运行时间按300天计算，则智能调速时每年的节电量可达101 093 kW·h。因此，系统采用可进行参数在线整定的Fuzzy-PID控制算法的变频调速控制方式，相较于传统控制节能效果显著。此外，应用模糊PID减少了风机的频繁启停，延长了风机的使用寿命。

监控系统部分风机脚本程序如下：

IF射流风机BX_FJ_ZD1.PV==1&&射流风机PLC3_SLFJ1_ZZZS.PV==0 THEN

射流风机PLC3_SLFJ1_ZZ.PV=1;

ELSE

射流风机PLC3_SLFJ1_ZZ.PV=0;

射流风机BX_FJ_ZD1.PV=0;

ENDIF

IF射流风机BX_FJ_ZD2.PV==1&&射流风机PLC3_SLFJ3_ZZZS.PV==0 THEN

射流风机PLC3_SLFJ3_ZZ.PV=1;

ELSE

射流风机PLC3_SLFJ3_ZZ.PV=0;

射流风机BX_FJ_ZD2.PV=0;