內(nèi)燃牽引單線鐵路長(zhǎng)大隧道通風(fēng)系統(tǒng)的自動(dòng)控制設(shè)計(jì)

霍宗文，王 巖

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)有限公司 吉林公司，吉林 132001;2.沈陽鐵路局 概預(yù)算審查所，沈陽 110001)

在隧道掘進(jìn)施工過程中，為了稀釋和排出爆破產(chǎn)生的炮煙、粉塵和有毒有害氣體，保持良好的工作條件，必須對(duì)隧道掘進(jìn)掌子面或其它工作面實(shí)施通風(fēng)。但目前的隧道掘進(jìn)施工中，在通風(fēng)機(jī)械設(shè)備的選擇、匹配、風(fēng)量和風(fēng)速的控制上，大多還是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選配［1-2］。隨著“十一五”建設(shè)的順利展開和拉動(dòng)內(nèi)需的需要，我國(guó)鐵路建設(shè)進(jìn)入了新的高潮。列車速度的不斷提高以及行車密度和客運(yùn)量的與日俱增，隧道內(nèi)的熱濕環(huán)境、空氣環(huán)境也將日益惡化，隧道內(nèi)的空氣環(huán)境己成為隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)需要考慮的一個(gè)重要內(nèi)容。我們必須對(duì)隧道內(nèi)環(huán)境進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上采取充分、合理的通風(fēng)措施來為旅客、工作人員和工作設(shè)備提供舒適、安全、滿足運(yùn)行要求的隧道內(nèi)環(huán)境。

1 工程概況

東北東部鐵路白河至和龍段南山隧道，為國(guó)內(nèi)內(nèi)燃機(jī)牽引單線最長(zhǎng)隧道。是否能夠保證良好的通風(fēng)效果，保證列車安全運(yùn)行，是課題項(xiàng)目組的難點(diǎn)，也是決定本項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案是否可行的關(guān)鍵。

南山隧道位于延邊朝鮮族自治州和龍市境內(nèi)，全長(zhǎng)7 566 m。進(jìn)口里程DK70+169，位于南崗山脈許家洞林場(chǎng)側(cè)，出口里程DK77+725，位于南崗山脈青山里林場(chǎng)側(cè)，進(jìn)、出口均有一定程度的斜度。于DK76+317處設(shè)斜井1處，位于距出口1.4 km左右的山谷中。隧道所處山體地勢(shì)起伏較大，最大高差448 m，最大埋深410.55 m。隧道位于直線上，縱向坡度為9.5‰的下坡。根據(jù)該工程實(shí)際情況，在DK74+086處設(shè)斜井1處，位于距出口3.6 km左右的山谷中。本工程通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)方式為無簾幕洞口通風(fēng)方式和有簾幕洞口通風(fēng)方式的結(jié)合。在低洞口處設(shè)置風(fēng)簾將低洞口封堵，開啟通風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，在洞內(nèi)形成有利于空氣流出的氣流，達(dá)到良好的通風(fēng)效果。

2 通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

1)安全可靠 隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是最重要最基本的要求。因?yàn)槿绻刂葡到y(tǒng)不穩(wěn)定，很容易造成整個(gè)系統(tǒng)的混亂，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。因此在選購和設(shè)計(jì)硬件時(shí)應(yīng)充分考慮隧道環(huán)境(溫度、濕度、粉塵、電磁干擾等)對(duì)控制設(shè)備的影響，保證控制設(shè)備在特定的工作環(huán)境下工作可靠、性能穩(wěn)定。

2)易操作性 通風(fēng)控制系統(tǒng)應(yīng)具備良好的人機(jī)操作界面，盡量降低對(duì)操作人員的要求，這樣可縮短操作員的培訓(xùn)時(shí)間。操作人員使用的人機(jī)界面盡量使用中文，并具有幫助和提示。

3)智能化 通風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該盡量提高智能化程度，最大限度地減少人工干預(yù)。

4)可維護(hù)性 在隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，要從系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)、硬件布局、硬件診斷等方面考慮系統(tǒng)的可維護(hù)性。系統(tǒng)中利用報(bào)警與故障診斷功能以縮短系統(tǒng)維護(hù)時(shí)間和減少操作員的工作量。

5)可擴(kuò)充性 通風(fēng)控制系統(tǒng)選取的設(shè)備應(yīng)具有一定的富裕度，以便今后五年、十年或更長(zhǎng)時(shí)間后系統(tǒng)的擴(kuò)展?？蓴U(kuò)充性是解決當(dāng)前資金短缺和今后發(fā)展要求的有效途徑。

3 單線長(zhǎng)大隧道內(nèi)燃牽引通風(fēng)系統(tǒng)的研究

鐵路隧道機(jī)械通風(fēng)在我國(guó)也已有好幾十年的歷史了，從20世紀(jì)50年代開始，對(duì)隧道機(jī)械通風(fēng)作了大量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和研究分析，取得了不少成果。在通風(fēng)方式方面，過去常采用的有無簾幕洞口風(fēng)道式、有簾幕洞口風(fēng)道式、洞口噴嘴式和豎(斜)井吸出式。但隨著射流風(fēng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)入90年代以來，縱向式射流通風(fēng)方式己逐漸成為一種最為流行的鐵路隧道機(jī)械通風(fēng)方式。這幾種通風(fēng)方式如圖1所示。

圖1 通風(fēng)方式示意

1959年，鐵道部第三勘測(cè)設(shè)計(jì)院對(duì)有簾幕、無簾幕、吹入式、吸出式等通風(fēng)方式作了比較。詳細(xì)分析了洞口簾幕式通風(fēng)、洞口噴嘴式通風(fēng)和豎井(斜井)吸出式通風(fēng)這三種鐵路隧道通風(fēng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)、功率消耗和適用性［3］。得到的結(jié)論是洞口噴嘴式通風(fēng)功率耗能過大，不宜推廣采用;長(zhǎng)度較短的隧道采用洞口簾幕式通風(fēng)是比較可行的方案;對(duì)長(zhǎng)10 km以上的隧道應(yīng)以豎井(斜井)吸出式進(jìn)行分段通風(fēng)為宜。

過去曾一度采用的洞口簾幕式通風(fēng)，起初用的是剛性簾幕。雖然使用剛性簾幕通風(fēng)方式的通風(fēng)能耗較小，但剛性簾幕可能影響行車安全，特別是在行車密度大的鐵路線上。雖然實(shí)踐證明簾幕的啟閉與車站信號(hào)聯(lián)鎖，加上其它應(yīng)急措施，可以保證行車安全，但萬一簾幕啟閉裝置失靈，會(huì)影響行車甚至發(fā)生列車碰撞簾幕的危險(xiǎn)。我們結(jié)合隧道通風(fēng)的實(shí)際情況，確定了以下三點(diǎn)設(shè)計(jì)要求。

1)取消機(jī)械簾幕，改由風(fēng)簾幕代替機(jī)械簾幕，解決以往影響行車安全的問題，使內(nèi)燃牽引單線修建長(zhǎng)大隧道成為現(xiàn)實(shí)。根據(jù)計(jì)算，風(fēng)簾幕壓力值取2～3倍選用射流風(fēng)機(jī)的壓力，在左右兩側(cè)布置，經(jīng)噴嘴將風(fēng)噴出形成風(fēng)幕簾。射流風(fēng)機(jī)風(fēng)量可根據(jù)隧道斷面積控制風(fēng)速3.5～5.0 m/s確定，通過現(xiàn)場(chǎng)觀察測(cè)試，使用效果良好，滿足使用要求。

2)隧道內(nèi)通風(fēng)風(fēng)速確定，隧道內(nèi)規(guī)定最大風(fēng)速為8 m/s［4］。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，我們認(rèn)為風(fēng)速可以提高。因鐵路隧道不同于公路隧道，沒有行人只是有養(yǎng)護(hù)工及工作人員，而且隧道內(nèi)有避難洞，對(duì)人員沒有傷害。將風(fēng)速提高到12 m/s左右，這樣在15 min通風(fēng)時(shí)間內(nèi)，隧道長(zhǎng)度可以達(dá)到10 km以上。

3)采用單方向隧道通風(fēng)。在列車上坡運(yùn)行實(shí)現(xiàn)自動(dòng)通風(fēng)，下坡時(shí)采用自然通風(fēng)。

本系統(tǒng)的控制系統(tǒng)在以上要求的框架內(nèi)，研究簾幕風(fēng)機(jī)與通風(fēng)機(jī)開啟聯(lián)鎖方式及運(yùn)行時(shí)間［5］，確定最佳的開啟時(shí)間以充分利用活塞風(fēng)，達(dá)到最好的通風(fēng)效果。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)立總控柜、自控柜、電控柜、動(dòng)力柜以及室外信息點(diǎn)等幾個(gè)部分。以PLC和軟啟動(dòng)器為核心，采用兩種現(xiàn)場(chǎng)總線(包括Modbus總線、Profibus總線)簡(jiǎn)化通訊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全可靠、易于維護(hù)、易于擴(kuò)充，見圖2。

圖2 系統(tǒng)總線示意

控制系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)方面，關(guān)鍵環(huán)節(jié)都設(shè)置了傳感器進(jìn)行全方位監(jiān)控，自控柜通過PLC儀表實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)的電流、電壓信號(hào)，并在通風(fēng)機(jī)設(shè)置溫度探頭監(jiān)控風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)。同時(shí)設(shè)置風(fēng)速探頭以判別系統(tǒng)工作性能，作為核心器件的PLC和計(jì)算機(jī)同時(shí)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)雙硬件備份。

控制系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)了兩個(gè)級(jí)別功能(包括手動(dòng)控制級(jí)別、PLC自動(dòng)控制級(jí)別)，并預(yù)留智能控制級(jí)別設(shè)計(jì)接口，前一級(jí)別為后一級(jí)別的運(yùn)行提供保證和技術(shù)接口。手動(dòng)控制級(jí)別通過按鈕操作，實(shí)現(xiàn)人工手動(dòng)控制，完成風(fēng)機(jī)的切換、起?？刂乒δ?。PLC自動(dòng)控制級(jí)別通過按鈕“手動(dòng)/自動(dòng)”切換后，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控柜的自動(dòng)通風(fēng)控制。整個(gè)控制過程采用開環(huán)控制方式，以機(jī)車接近為自動(dòng)啟動(dòng)信號(hào)，按照預(yù)定的通風(fēng)時(shí)間進(jìn)行控制。智能控制級(jí)別是充分利用計(jì)算機(jī)的資源，結(jié)合機(jī)車定位、出口處氣體濃度和列車出洞時(shí)間等信息，實(shí)現(xiàn)PLC自動(dòng)控制功能的優(yōu)化，在保證工作指標(biāo)前提下進(jìn)一步縮短通風(fēng)時(shí)間、降低能耗。

通過以上多級(jí)備份軟件設(shè)計(jì)，保留系統(tǒng)的降級(jí)使用功能，保證長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)營(yíng)。

5 硬件設(shè)備的選型

5.1 上位機(jī)的設(shè)計(jì)選用

在系統(tǒng)中，上位機(jī)主要完成隧道環(huán)境數(shù)據(jù)顯示、風(fēng)機(jī)狀態(tài)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、遠(yuǎn)程遙控、視頻監(jiān)控等功能。由于工作環(huán)境相對(duì)較好，因此設(shè)計(jì)選型時(shí)，使用標(biāo)準(zhǔn)研華工控機(jī)和大華硬盤錄像機(jī)為主機(jī)，采用工業(yè)顯示器為顯示界面。研華工控機(jī)價(jià)格適中，操作方便，內(nèi)存大，人機(jī)界面友好，帶有標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)口、很強(qiáng)的擴(kuò)展能力，易于和外設(shè)相連。

5.2 下位機(jī)的設(shè)計(jì)選用

5.2.1 PLC在隧道通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)中的可行性分析

PLC是20世紀(jì)60年代末在美國(guó)首先出現(xiàn)的，最初叫可編程邏輯控制器，目的是取代繼電器，以執(zhí)行邏輯判斷、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制功能。PLC的基本設(shè)計(jì)思想是把計(jì)算機(jī)的功能完善、靈活通用等優(yōu)點(diǎn)和繼電器控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)單易懂、操作方便等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，控制器的硬件是標(biāo)準(zhǔn)的、通用的?？筛鶕?jù)實(shí)際應(yīng)用的對(duì)象，將控制內(nèi)容編成軟件寫入控制器的用戶存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)，以滿足不同的應(yīng)用對(duì)象。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)和微處理器技術(shù)的發(fā)展，到70年代中期以后，PLC已廣泛地使用微處理器作為中央處理器，輸入輸出和外圍電路也都采用了中、大規(guī)模甚至超大規(guī)模的集成電路。這時(shí)的PLC已不再僅有邏輯判斷功能，還同時(shí)具有數(shù)據(jù)處理、PID調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)通信等功能。對(duì)本系統(tǒng)來說，PLC的以上特點(diǎn)非常適合作為系統(tǒng)控制核心器件。

5.2.2 PLC模塊的選型

目前國(guó)內(nèi)外的PLC產(chǎn)品有幾十個(gè)系列，上百個(gè)型號(hào)。各個(gè)種類的PLC的容量、結(jié)構(gòu)形式、性能、指令系統(tǒng)、編程方法、價(jià)格各不相同，適應(yīng)的工作場(chǎng)合也有差異。因此合理地選擇PLC非常重要，它直接影響到所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能與造價(jià)。PLC的選型主要包括機(jī)型、容量、I/O模塊等內(nèi)容，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟啟動(dòng)器采用瑞士ABB公司產(chǎn)品PST300。該公司的PLC與其它產(chǎn)品比較，具備明顯的低價(jià)位和完善的售后服務(wù)體系(從技術(shù)援助到使用維修的一條龍式服務(wù)體制)，在中國(guó)廣泛獲得各個(gè)企業(yè)的信賴和好評(píng)，所以本系統(tǒng)選用了ABB公司的PLC和相關(guān)Profibus通訊產(chǎn)品。

選擇容量:PLC的容量包括主機(jī)用戶存儲(chǔ)器的內(nèi)存容量和I/O控制點(diǎn)數(shù)兩個(gè)方面，選擇時(shí)應(yīng)留有適當(dāng)?shù)脑６茸鰝溆?。?duì)于本隧道通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)，為了使系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)能更好地實(shí)現(xiàn)功能，每一個(gè)風(fēng)機(jī)都將采集三個(gè)狀態(tài)和控制兩個(gè)開關(guān)?？偣残枰?8個(gè)輸出點(diǎn)和52個(gè)輸入點(diǎn)以上的I/O，CPU采用較為通用AC500系列產(chǎn)品。

選擇通信單元:主機(jī)和軟啟動(dòng)器間采用Profibus通訊總線，為此需要配置DP主機(jī)模塊一個(gè)、PDP22通訊模塊四個(gè)。通過該模塊PLC可以清晰地獲得并控制軟啟動(dòng)器的參數(shù)，另外主機(jī)采用了CS31擴(kuò)展技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了通訊端口的擴(kuò)展，為Modbus通信提供了硬件平臺(tái)。

5.2.3 現(xiàn)場(chǎng)模塊的選型

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)或設(shè)備中，電壓、電流、溫度信號(hào)的周圍經(jīng)常伴隨著干擾源，本系統(tǒng)中的大功率風(fēng)機(jī)就是典型的干擾源，這些干擾源會(huì)影響信號(hào)采集。研華強(qiáng)固型模擬量數(shù)據(jù)采集模塊ADAM-4117和溫度采集模塊ADAM-4118的自動(dòng)濾波功能便能解決以上問題。只需簡(jiǎn)單設(shè)置，就能有效避免干擾源給信號(hào)采集帶來的困擾，增強(qiáng)數(shù)據(jù)采集的抗干擾能力。

數(shù)據(jù)采集模塊ADAM-4100系列產(chǎn)品，專為惡劣環(huán)境下的可靠操作而設(shè)計(jì)，能夠在寬溫度工作范圍(－40～+85℃)，寬 電 源 輸 入 范 圍 (+10～+48VDC)，甚至在噪聲干擾環(huán)境中操作。采用ADAM-4117和鐵路電磁感應(yīng)器為系統(tǒng)提供了可靠的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)車接近探測(cè)、速度計(jì)算、列車方向判別等功能。

6 結(jié)語

通過對(duì)南山隧道通風(fēng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的全面測(cè)試及營(yíng)運(yùn)效果的評(píng)價(jià)表明，在長(zhǎng)大隧道中該通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和模式，以及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和硬件模塊選用是合理的、正確的、實(shí)用的?？刂七^程完全可靠，通風(fēng)營(yíng)運(yùn)效果良好，空氣質(zhì)量達(dá)到規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。該通風(fēng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是成功的，保證了列車運(yùn)行的安全。

［1］肖楊.長(zhǎng)大隧道的施工通風(fēng)［J］.四川水力發(fā)電，2008，27(5):22-24.

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