公路隧道通风自动监测控制系统的开发与应用研究

摘 要：针对公路隧道内能见度低，影响车辆行驶安全，人工运营成本高的问题，开发了一套通风自动监测控制系统。该系统是以自动化控制技术为支撑，对隧道内部的环境参数进行实时监测，如粉尘颗粒物浓度、风速、风向和噪音等，对通风设备进行自动控制和在线远程控制。该系统已在三明市G534线石马岬隧道安装运行，实现了对隧道内环境参数的实时监测及通风设备的自动控制，为同类型隧道工程的智慧节能建设提供参考。

关键词：公路隧道;通风系统;自动监测;控制技术;远程控制

随着我国交通公路建设的不断发展，公路隧道数量明显增加，且隧道内的交通量大幅提升，隧道的通风工作是保正隧道畅通和运行安全的保障[1]。随着隧道内车流量的增加，尤其是商用车，隧道内的空气质量也随之变差。由于自然环境和隧道结构因素造成长隧道内通风差，尤其是单洞双行隧道，污染物不容易排出增加。过高的污染物使得隧道内出现异味，而过高的粉尘颗粒浓度会出现消光，降低隧道内的能见度，严重影响行车安全[2]。若采用定时定频率的换气工作[3]，既无法适应隧道内变化的交通量和环境变量，也增加不必要的能源消耗。传统的隧道监测以人工为主，而人为的准确性、实时性和安全性无法保证，发展通风自动化监测控制系统已成为的必然趋势。

隧道通风自动监测控制系统是以现代自动控制技术，传感器，计算机应用为主动，以通信网络为传输媒介，以及可编程控制技术的综合性控制系统。在正常交通工况下，该系统能实时对隧道内粉尘颗粒浓度等环境参数进行监测，准确的对通风设备进行控制，保障隧道内良好的通风环境;在异常交通工况下（火灾、交通阻塞等），可以根据现场情况远程控制风机，保障救援及疏散工作开展。

1 通风自动监测控制系统开发

1.1 系统的总体结构

通风自动监测控制系统是由数据采集仪，信息传输设备、控制系统和通风设备等构成，实现对隧道内环境信息的采集、传输、管理、控制和决策。通风自动监测控制系统可分为三层：由工控机或人机接口界面组成的管理层，有控制器实时采集控制设备组成的控制层，数据采集设备和射流风机组成的设备层。每一层有若干个模块，层与层之间采用通信协议连接。系统分为三种操作模式：自动模式、手动模式和时空模式。其中，自动模式可以根据隧道内粉尘情况和风向情况，下位机自动启停射流风机。根据有关国内外研究资料，空气环境中的PM2.5质量浓度在50μg·m-3为能见度好转的“拐点”。当PM2.550μg·m-3值，自动启动射流风机，当PM2.5<50μg·m-3值，风机停止运转;手动模式为通过上位机直接控制隧道内的通风设备运作;时空模式为根据设置的时间段确定隧道内通风设备运行时间。

1.2 系统硬件开发

根据隧道的实际情况和自动监测控制要求，设计通风系统硬件自动监测系统硬件构成如下图1所示。

通风自动监测控制系统的硬件包括工控机，服务器，交换机，本体控制器，变频器和数据采集设备。其中，工控机是该系统的上位机，在工控机上可以监控隧道内环境参数、界面控制、输出控制信号进行远程控制。服务器主要用于数据保存，实时交互数据和查询。考虑到隧道内需要长距离传输数据，采用要求性能稳定，传输速度快的以太网。本地控制器为可编程控制器（PLC），部分控制子模块连接图如图2所示。PLC在自动模式下，可自动开启控制变频器工作;变频器接受PLC控制信号，对风机继续启动和变频调速。数据采集仪是隧道通风自动监测的“感知器”，包括各种环境参数采集传感器。

1.3 控制系统软件开发

该系统软件包括上位机软件和下位机软件。其中，上位机软件是控制系统的人机界面，其采用Windows平台的利用组态软件开发的工业软件程序，具有灵活的组态形式，易于构建，界面美观等特点。上位机软件主要用于设定各种仪表参数、报警限制、显示各种设备参数，可对下位机进行监控和操作。

根据硬件系统，搭建下位机PLC程序。下位机对通风设备的控制主要为启动，停止，改变旋转方向和变频这四种工作内容。考虑隧道内容现场的手动模式，在工控机直接控制PLC控制通风设备。在自动模式情况下，该程序判断在每个采样周期（20s）內PM2.5数值是否大于50，自动对风机进行控制。

1.4 控制系统数据传输

工控机内部嵌入模数采集模块，实现对各种信号机数据的采集和处理。工控机采用基于工业以太网，通信协议采用MODBUS-TCP，实现系统的实时控制和数据交换的统一。PLC与变频器采用RS485通信接口实现集中控制。RS485通信接口支持MODBUS-RTU从站通信协议，通过通信协议设定变频器运行命名，修改或读取变频器工作状态及故障信息等。

2 系统应用实例

石马岬隧道位于G534线上三明市大田县和三元区交界处，全长2.539km，单洞双向通行。隧道原装有射流风机27台，风机间距92m，距洞口72m，原先采用接触器启动，为人工单机控制。现对隧道内通风系统进行改造升级为自动监测控制系统，实现自动化监测及远程控制，在保障行车安全方面发挥着重要作用。

2.1 数据采集设备

数据采集设备包括粉尘颗粒物PM2.5采集仪、风速、风向传感器、噪声采集仪和显示屏等部件。

2.2 本地控制器

石马岬隧道为双向行驶，因此本地控制器采用两套PLC控制两侧通风设备。其中，每套PLC由1个CPU和9个子模块构成。本地控制器PLC输出信号到变频器控制风机的启停和速度，其控制器连接实物。

2.3 变频器

本系统采用英捷思Y500系列变频器，该变频器采用矢量控制技术，良好的动态特性、超强的过载能力。变频器的使用，避免风机启动时，电流过大，对电网容量产生较大冲击，影响风机的使用寿命。同时，快速限流也可以避免线路出现短路现象而引起风机烧毁。

2.4 在线监测平台

为了方便现场实时管理，在线监测平台提供网页（WEB）段和移动手机端数据监测，方便管理人员监测隧道内环境参数，实时对通风设备进行远程控制。

2.5 通风自动控制系统的应用效果

相对于原先隧道内机电设备的人工控制，通风自动控制系统的应用效果具体如下：有效的保证隧道内空气的清洁度，隧道内能见度显著提高;该自动监测控制节能效果明显，相对原先控制方式而言，仅从射流风机负载用电情况统计，节电率可达20%;该系统可以通过网页端和手机端实行远程监测控制，大幅度节约隧道管理人力成本;降低机电设备故障率和维修成本，自动监测系统能够有效监测风机发生故障或电缆出线缺相漏电情况，避免备事故升级，即使在异常交通工况状态下，通风设备能够安全平稳运行。

3 结语

本文开发建立一套公路隧道通风自动监测控制系统。通过数据采集仪实现对隧道内通风环境数据的实时检测，再经过通信光纤传输到服务器及工控机。控制系统根据监测数据对通风设备进行控制自动控制，实现了公路隧道运营管理的自动化和信息化。该系统的建立为公路隧道运营管理提供技术支撑，极大程度节省了人力物力，也为同类型隧道的建设提供参考，为实现公路隧道智能交通具有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1]郭大伟，郑晅，李雪.公路隧道环境监测及控制系统设计[J].物联网技术，2020，3：28-30.

[2]胡贵松.自动监测技术在新建公路隧道上跨既有高速铁路隧道施工中的应用[J].中外建筑，2018，（10）：202-205.

[3]JTG/T D70/2-02-2014，公路隧道通风设计细则[S].北京：人民交通出版社，2014.

作者简介：苏昌胜（1972— ），男，汉族，福建三明人，本科，机械工程师，三明市公路养护中心三元分中心，应急股股长，研究方向：石马岬隧道通风系统智能化节能改造。