专利名称：高速公路隧道通风变频控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种通风变频控制系统，特别是一种高速公路隧道通风变频控制 系统。
技术背景近年来随着高速公路建设的迅猛发展，在山区为克服地形限制、改善线型、缩短行 车距离，以及保护生态、节省燃料、节省时间、提高经济效益，越来越多的高速公路选择修建 隧道来解决这些问题。隧道越修越多，也越修越长，特别是我国中西部山区的公路建设，将 有许多长大或特长公路隧道需要修建，正在施工的秦岭终南山公路隧道，设计长度更是长 达18km。在整个隧道的建设中，通风控制方案的优劣将对通风运营效果的好坏起着决定性 的影响，20多年来，国内在公路隧道通风控制方面积累了许多成功的经验，但也存在许多问 题，特别是许多长大或特长公路隧道的建设和规划。通风已经成为影响和制约长大公路隧 道建设的关键，因而特长隧道对通风控制系统又提出了一个新的课题。随着人们对公路隧 道通风控制理念的转变，通风控制系统不但要满足隧道日常行车运营卫生、安全的要求，满 足隧道火灾情况下排烟系统的有效运作以保证隧道安全运营性，而且要满足降低能源消耗 和资源浪费，降低隧道运营成本的功能。本论文旨在针对长大公路隧道的通风系统进行优 化，探讨特长公路隧道合理、科学、节能、经济的通风系统。国内有关智能交通领域中机电工程项目的研发工作起步较晚，有关隧道通风系统 方法的研发工作仍处于起步阶段。现阶段国内在以下几个方面有过初步的研究。系统网络 结构方面，当前有两种控制模式，一种是适用于短隧道的集散式控制模式，一种是适用于长 隧道的分布式现场总线控制模式。前者布线复杂，造价较高，由中控室对现场设施进行控制 与管理，后者施工方便，不但造价较低，而且可靠性较高，其又可分为全分布式现场总线控 制和集中式现场总线控制。全分布式现场总线控制模式，中控室对现场设施不直接进行控 制，由现场各种设施的控制器进行控制。而集中式现场总线控制模式，中控室对现场总线连 接的设备，统一进行设备的控制实施。在控制施行方面，普遍采用手动控制，使得隧道通风 不能及时得到调节，在火灾发生时不能及时灭火，加大了火灾的危害性。在风机启动节能方 面，普遍采用机械式的启动和关闭，对电网的冲击很大以及浪费了巨大无功能耗。在风机运 行方面，在哪种工作模式下最节能和延长使用寿命考虑很少。伴随着几种智能控制方法模 糊控制、模式识别、人工智能逐步应用到隧道通风自动控制中，提高了系统的准确性和实时 性，大大提高了隧道运行的稳定性，但在实际应用中，稳定性不是很强，抗噪声和纯滞后能 力以及控制方法实时性还有待更深入的探讨。国外高速公路由于起步较早，在公路隧道机电领域研究方面也相对较为成熟。而 且建成的长大、特大隧道也相对较多，如挪威于2000年建成的莱尔隧道长度为24km，瑞士 1980年正式通车的圣哥达隧道长16km，法国至意大利Mont-blanc隧道全长11km这些特长 隧道的出现，以及运营过程因为通风控制不得力出现的火灾伤亡事故，都给公路隧道通风 控制带来了巨大的挑战。[0005]从控制方法看，国外公路隧道通风控制，大致经历了直接控制法、间接控制法和模 糊控制法三个发展阶段。直接控制法通过各类传感器检测隧道内环境条件，直接对通风设 备的运行进行控制。这种方式受环境条件的多变性、传感器安装位置的局限性、检测时间的 滞后性等因素的影响，不能达到有效控制和节省能源的目的。间接控制法是在采用车辆分 类检测装置检测交通量、车速和车型的基础上，通过空气动力学模型的预测分析计算，得出 最佳通风量，据此对风机进行控制。1984年日本关越隧道首次采用间接控制法，实践证明效 果较好，与直接控制法相比节能20 %，目前被一些发达国家广泛采用。但是该方式需要建立 空气动力学等模型，模型精确与否直接影响控制效果和能否达到节能的目的。随着智能控 制理论和技术的发展，九十年代，日本道路公团率先开发出避开数学模型，用模糊控制技术 实现风速和煤烟通过率(VI)的多输入通风反馈控制系统；随后日本日立公司又运用信息 管理和模糊控制理论，成功地设计出通风控制专家系统，获得了更加稳定的VI值，在改善 风机运行状态的同时，进一步降低了电能消耗。1996年我国台湾学者在日本研究的基础上， 将交通量以及污染物浓度的预测值作为前馈输入量，并加入空间、时间过滤器，改进了模糊 控制系统，在控制性能和节能方面进一步取得了较好的效果。但是，在长大公路隧道的通风 控制方面，智能控制理论的多个融合以及考虑隧道通风系统的抗干扰性，运营通过变频器 对大功率的风机节能还是考虑不多
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种高速公路隧道通风变频控制系统。本实用新型其主要技术特点在于包括PC机、以太网交换机、至少一台以上可编程 控制器PLC、C0检测器、可见度(VI)检测器、交通量检测器、传感器、数字式变频器等几部分 组成，所述PC机与以太网交换机连接，以太网交换机与可编程控制器PLC连接，可编程控制 器PLC的左端通过CO检测器、交通量检测器与传感器连接，可编程器控制器PLC的下端连 接两个编频器，两个变频器均连接一个风机。本实用新型的主要技术特点同时在于以太网交换机可连接至少一台以上可编程 控制器PLC。本实用新型的主要技术特点还在于PC机设在远离现场的单独控制室里。本实用新型的主要技术特点还在于可编程控制器PLC包括模拟量板块，所述模拟 量模块包括数模转换模块和模数转换模块。本实用新型的主要技术特点还在于可编程控制器PLC同时选择模拟量输入模块 和模拟量输出模式作为对变频器进行速度控制的控制信号输出。本实用新型的有益效果为对于提高公路隧道通风系统稳定性、运营效率以及降 低能耗等方面具有重要的现实意义。
附图1为本实用新型的系统总体方案框图附图2为本实用新型的系统的主电路图附图3为本实用新型的硬件连线图附图4为本实用新型的系统控制流程图
具体实施方式
如图1所示，本系统由PC机、以太网交换机、多台可编程控制器(PLC)、C0检测器、 可见度(VI)检测器、交通量检测器、传感器、数字式变频器几部分组成。本系统的上位机设在远离运行现场环境较好的单独控制室里，因此上位机采用一 般的商用PC机，现场控制用的PLC选用三菱公司的FX2N-32MR，变频器选用三菱公司通用经 济型的FR-A044，实现风机的启停控制及调速。如图2所示为变频器的控制及动力部分，这里的变频器采用三菱公司通用经济型 的FR-A044，PLC的模拟量速度控制信号由变频器的端子2、5输入。PLC网络利用现阶段公路隧道常用的冗余环网及现场总线，结合实验室的条件， 以及由于隧道监控系统上位监控计算机较多，为实现多台计算机通过PLC对现场设备的监 控，上位计算机与PLC通过以太网相连。整个网络框架采用两层网络结构，第一层网络采 用Ethenet网络，主要解决上位监控计算机与各个PLC之间的通信问题；第二层网络采用 Controller Link光纤环型网络。该种结构的网络构成了基于FCS功能的控制器网络，PLC 完成对现场输入/输出量的控制处理，计算机只是给操作人员提供一个控制平台，实现对 过程数据的监控、分析、统计、修改、存储等。因此，当PLC与上位机通信发生故障时，PLC本 身可完成整个控制任务，不会影响到控制系统的运行。这大大增强了下位区域控制系统的 稳定性。现场总线的大容量输入输出接口大大方便了现场设备的接入控制系统以及节省线 缆的敷设，解决数据传输通讯的瓶颈。在本系统中PLC利用本区段检测设备检测的信息，一般包括交通量、占有率、CO/ VI检测器、车辆检测器等检测的信息对它们进行实时运算、分析与处理，通过变频器完成对 现场设备的控制。异步电动机采用全压启动时，其定子绕组中的瞬时电流将达到额定电流的6-10 倍，可引起电网电压下降，影响同一电网中其它设备的启动和正常运行。为了限制异步电动 机启动时对电网的冲击，大功率交流电动机启动通常使用降压启动的方式。在本系统中，变 频器输出频率可以连续地从0到50Hz之间变化，变化速度可以根据工艺要求设定，因此风 机可以实现软启动，而软启动是平稳的，没有冲击电流，从根本上解决了大容量电动机的启 动问题。3. 3PLC硬件电路设计PLC包括许多的特殊功能模块，而模拟量模块则是其中的一种。它包括数模转换模 块和模数转换模块。例如数模转换模块可将一定的数字童转换成对应的模拟量(电压或电 流)输出，这种转换具有较高的精度。在设计一个控制系统或对一个已有的设备进行改造时，常常会需要对电机的速度 进行控制，利用PLC的模拟量控制模块的输出来对变频器实现速度控制则是一个经济而又 简便的方法。1. PLC硬件连线图本文用的是三菱FX2N系列PLC。同时选择FX2N-2AD模拟量输入模块和FX2N-2DA 模拟量输出模块作为对变频器进行速度控制的控制信号输出。如图3所示，控制系统采用 具有两路模拟量输出的模块对两个变频器进行速度控制。[0028]模拟量模块输出信号的选择通过对模拟量模块连接端子的选择，可以得到两种 信号，0-10V或0-5V电压信号以及4-20mA电流信号。这里我们选择0-5V的电压信号进行 控制。2. I/O 口分配如下表 3-4 模拟量模块与PLC的通讯对于与FX2N系列PLC的连接编程主要包括不同通道数 模转换的执行控制，数字控制量写入FX2N-2DA等等。而最重要的则是对缓冲存储器(BFM) 的设置。通过对该模块的认识，BFM的定义如下表3-5 表3-5BMF的定义 从表3-5中可以看出起作用的仅仅是BFM的#16，#17，而在程序中所需要做的则 是根据实际需要给予BFM中的#16和#17赋予合适的值。其中#16为输出数据当前值。#17 :b0 1改变成0时，通道2的D/A转换开始。b 1 1改变成0时，通道1的D/A转换开始。3、变频通风控制系统的控制流程整个变频通风控制系统要根据检测到的输入信号的状态、按照系统的控制流程、 通过变频调速和执行元件对风机组进行控制实现公路隧道通风的目的。其完成的控制流程如图4所示1.系统上电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动风机， 通过CO、VI和交通量传感器采样信号，变频器输出电机频率信号，发出控制信号，调节变频 器的输出频率，控制风机的转速，当通风风压(实时通风风压)达到实际风压(隧道实际需 要的风压)值，其通风量与需风量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间风机工作在调 速运行状态。2.当需风量增加时，通过压力闭环和控制器，增加风机的转速到另一个新的稳定 值，反之，当需风量减少时，通过压力闭环和控制器，减小风机的转速到另一个新的稳定值。3.当需风量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50Hz时，若此时公路隧道 管网的通风风压还未达到实际风压，系统将报警。
权利要求高速公路隧道通风变频控制系统，其特征在于包括PC机、以太网交换机、至少一台以上可编程控制器PLC、CO检测器、可见度检测器、交通量检测器、传感器、数字式变频器等几部分组成，所述PC机与以太网交换机连接，以太网交换机与可编程控制器PLC连接，可编程控制器PLC的左端通过CO检测器、交通量检测器与传感器连接，可编程器控制器PLC的下端连接两个编频器，两个变频器均连接一个风机。
2.根据权利要求1所述的一种高速公路隧道通风变频控制系统，其特征在于以太网交 换机可连接至少一台以上可编程控制器PLC。
3.根据权利要求1所述的一种高速公路隧道通风变频控制系统，其特征在于PC机设在 远离现场的单独控制室里。
4.根据权利要求1所述的一种高速公路隧道通风变频控制系统，其特征在于可编程控 制器PLC包括模拟量板块，所述模拟量模块包括数模转换模块和模数转换模块。
5.根据权利要求1、4任一项所述的一种高速公路隧道通风变频控制系统，其特征在于 可编程控制器PLC同时选择模拟量输入模块和模拟量输出模式作为对变频器进行速度控 制的控制信号输出。
专利摘要本实用新型公开了一种高速公路隧道通风变频控制系统，其结构特点包括PC机、以太网交换机、至少一台以上可编程控制器PLC、CO检测器、可见度(VI)检测器、交通量检测器、传感器、数字式变频器等几部分组成，所述PC机与以太网交换机连接，以太网交换机与可编程控制器PLC连接，可编程控制器PLC的左端通过CO检测器、交通量检测器与传感器连接，可编程器控制器PLC的下端连接两个编频器，两个变频器均连接一个风机。本实用新型的有益效果为对于提高公路隧道通风系统稳定性、运营效率以及降低能耗等方面具有重要的现实意义。
文档编号E21F1/08GK201606100SQ20102012908
公开日2010年10月13日 申请日期2010年2月10日 优先权日2010年2月10日
发明者朱卫国, 王爱华 申请人:合肥华欣自控设备成套厂