基于西門子PLC控制的隧道風(fēng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

楊 東 雷 勇 涂國強(qiáng) 潘振宇 俞巧軍

(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065)

基于西門子PLC控制的隧道風(fēng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

楊 東 雷 勇 涂國強(qiáng) 潘振宇 俞巧軍

(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065)

介紹了基于PLC的隧道風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的方案設(shè)計，包括系統(tǒng)硬件設(shè)計、PLC軟件設(shè)計和人機(jī)界面設(shè)計等。系統(tǒng)共7組風(fēng)機(jī)，每一組風(fēng)機(jī)由一臺從站PLC控制，其中6臺從站PLC又受控于一臺同型號的主站PLC。主站PLC通過RS-485端口對從站PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和同步控制；控制系統(tǒng)通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)本地控制操作和遠(yuǎn)程控制操作。由PLC改進(jìn)的隧道風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，能夠在節(jié)省人力資源的同時，實(shí)時、靈活地處理隧道中各種突發(fā)情況，從而有效地保障了隧道氧氣比例，具有很高的實(shí)用價值。

PLC 控制系統(tǒng) 隧道風(fēng)機(jī) RS-485通信 人機(jī)界面

0 引言

高速公路隧道利用兩點(diǎn)之間直線最短的幾何原理,減少了對自然環(huán)境的破壞， 解決了道路坡度等問題，具有極高的實(shí)用價值[1]。與此同時，由于隧道內(nèi)汽車排放的廢氣、行駛時帶起路面的煙氣和粉塵不易擴(kuò)散，對人體危害非常嚴(yán)重，也影響行車安全，因此保持隧道內(nèi)良好的空氣是隧道行車安全的必要條件。 隨著高速公路隧道的日益增多，道路安全事故的加劇，隧道安全已經(jīng)逐漸成為人們?nèi)粘ｊP(guān)心的焦點(diǎn)問題。本文將針對這方面展開研究與討論。

在多PLC控制系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，PLC之間常采用主從網(wǎng)絡(luò)連接，即選擇1個PLC為主站，其余為從站。主站管理從站，并發(fā)起通信；從站接受管理，響應(yīng)通信。這樣的系統(tǒng)模式容易實(shí)現(xiàn)集中管理與監(jiān)控，安全性高。本系統(tǒng)采用的是主從網(wǎng)絡(luò)，1個為主站，6個站點(diǎn)為從站[2-3]。主從站PLC應(yīng)用Modbus通信協(xié)議進(jìn)行通信[4-7]。系統(tǒng)以觸摸屏為人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和操作控制[8-10]。

1 隧道風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)概述

1.1 隧道風(fēng)機(jī)系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)利用地感線圈和風(fēng)力傳感器測得隧道內(nèi)車流量以及風(fēng)力風(fēng)向情況,并將實(shí)時信息傳遞到PLC中，通過預(yù)先設(shè)定的閾值判斷是否啟動風(fēng)機(jī)，從而保證整個隧道的含氧量，提高了隧道內(nèi)的行車安全。隧道風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)(組)、風(fēng)力傳感器、地感線圈、PLC以及觸摸屏等主要設(shè)備組成，現(xiàn)場模擬圖如圖1所示。

圖1 隧道風(fēng)機(jī)現(xiàn)場模擬圖

1.2 隧道風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)流程

1.2.1 手動控制

在道路一側(cè)的控制柜里設(shè)有手動控制裝置，配備有啟動、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及停止等4個按鈕，供緊急情況或檢修工作人員測試使用。

1.2.2 自動控制

整個硬件系統(tǒng)安裝完成接上電源開關(guān)后，整個隧道的車流量以及隧道內(nèi)風(fēng)力情況都處于監(jiān)測之中。當(dāng)滿足以下條件時，在PLC的控制下，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)自動啟停。

① 車流量控制。在主站PLC附近道路來往方向各配備有一個地感線圈，每當(dāng)車輛通過1次，PLC計數(shù)自動加1，以輛/h為單位，當(dāng)檢測值大于或等于預(yù)先設(shè)定值時，風(fēng)機(jī)自動啟動(根據(jù)風(fēng)力傳感器所測得風(fēng)向數(shù)據(jù)綜合判斷出風(fēng)機(jī)正反轉(zhuǎn))。本項(xiàng)目設(shè)定預(yù)設(shè)值為300輛/h。

② 隧道堵車控制。當(dāng)隧道內(nèi)出現(xiàn)緊急情況造成交通堵塞時，一旦系統(tǒng)檢測車輛停留在地感線圈的值大于等于預(yù)先設(shè)定值，風(fēng)機(jī)自動啟動(根據(jù)風(fēng)力傳感器所測得風(fēng)向數(shù)據(jù)綜合判斷風(fēng)機(jī)正反轉(zhuǎn))。本項(xiàng)目設(shè)定值為2 min。

③ 隧道風(fēng)力過小控制。本系統(tǒng)配備了英國進(jìn)口的風(fēng)力傳感器，實(shí)時監(jiān)測隧道內(nèi)風(fēng)力情況。當(dāng)隧道內(nèi)風(fēng)力小于等于預(yù)先設(shè)定值時，風(fēng)機(jī)自動啟動。本項(xiàng)目預(yù)設(shè)值為3級。

傳感器測得風(fēng)力級數(shù)以及風(fēng)向(0～360°)。根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r(據(jù)測試判斷大多數(shù)風(fēng)向?yàn)樨暩练较?及各種綜合因素，規(guī)定朝貢嘎方向運(yùn)轉(zhuǎn)為正轉(zhuǎn)方向，則風(fēng)力傳感器所測得風(fēng)向數(shù)據(jù)在0～180°時風(fēng)機(jī)啟動為正轉(zhuǎn)、180～360°時為反轉(zhuǎn)。

1.2.3 故障報警

控制柜里預(yù)設(shè)了正常和故障兩個指示燈，當(dāng)整個系統(tǒng)工作時，風(fēng)機(jī)啟停條件滿足后，一旦風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障或者風(fēng)機(jī)與控制柜之間出現(xiàn)通信故障，故障燈常亮，便于工作人員及時檢修。

2 控制系統(tǒng)硬件部分設(shè)計

2.1 PLC選型

考慮到項(xiàng)目的需求，此次設(shè)計選用的是西門子S7-200 SMART系列的PLC。該系列PLC具有以下特點(diǎn)。

① 機(jī)型豐富，更多選擇。該P(yáng)LC提供不同類型、I/O 點(diǎn)數(shù)豐富的 CPU 模塊，單體 I/O 點(diǎn)數(shù)最高可達(dá) 60 點(diǎn)，可滿足大部分小型自動化設(shè)備的控制需求。此外，CPU 模塊配備標(biāo)準(zhǔn)型和經(jīng)濟(jì)型供用戶選擇，對于不同的應(yīng)用需求，產(chǎn)品配置更加靈活，最大限度地控制成本。

② 高速芯片，性能卓越。配備西門子專用高速處理器芯片，基本指令執(zhí)行時間可達(dá) 0.15 μs，在同級別小型 PLC 中遙遙領(lǐng)先，在應(yīng)對繁瑣的程序邏輯、復(fù)雜的工藝要求時表現(xiàn)得從容不迫。

③ 以太互聯(lián)，經(jīng)濟(jì)便捷。CPU模塊本體標(biāo)配以太網(wǎng)接口，集成了強(qiáng)大的以太網(wǎng)通信功能。一根普通的網(wǎng)線即可將程序下載到 PLC 中，方便快捷，省去了專用編程電纜。通過以太網(wǎng)接口還可與其他CPU 模塊、觸摸屏、計算機(jī)進(jìn)行通信，輕松組網(wǎng)。

④ 通用 SD 卡，方便下載。本機(jī)集成 Micro SD 卡插槽，使用市面上通用的 Micro SD 卡即可實(shí)現(xiàn)程序的更新和 PLC 固件升級，極大地方便了客戶工程師對最終用戶的服務(wù)支持，也省去了因PLC 固件升級返廠服務(wù)的不便。

2.2 地感線圈

地感線圈監(jiān)測整個隧道的來往車流量，并通過車輛在線圈上的停留時間來判斷隧道是否出現(xiàn)堵車情況。地感線圈將采集到的數(shù)據(jù)通過I/O端口傳遞到PLC中，由PLC綜合判斷是否使風(fēng)機(jī)發(fā)生動作。

地感線圈選擇為巢駿車輛檢測地感線圈。其參數(shù)如表1所示。

表1 地感線圈參數(shù)

2.3 風(fēng)力傳感器

風(fēng)力傳感器用來測量和監(jiān)控風(fēng)力和風(fēng)向，監(jiān)測的數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)絇LC中，通過PLC綜合其他外界條件，判斷是否使風(fēng)機(jī)發(fā)生動作。對市場進(jìn)行調(diào)查并配合項(xiàng)目需求，本次選擇了北京星火創(chuàng)儀電子科技有限公司風(fēng)力傳感器，產(chǎn)品參數(shù)如表2所示。

表2 風(fēng)力傳感器參數(shù)

2.2 I/O分配

結(jié)合風(fēng)機(jī)控制的功能要求，I/O分配如表3所示。

表3 I/O分配圖

3 軟件部分設(shè)計

3.1 程序流程

風(fēng)機(jī)啟?？刂屏鞒倘鐖D2所示。當(dāng)車在地感線圈停留超過60 s時，說明堵車，且當(dāng)風(fēng)速小于3級時，啟動風(fēng)機(jī)；當(dāng)不超過60 s且風(fēng)速大于3級時，不啟動風(fēng)機(jī)。當(dāng)車流量大于300輛/h時，與風(fēng)力傳感器結(jié)合判斷是否啟動風(fēng)機(jī)；當(dāng)車流量小于300輛/h時，不啟動風(fēng)機(jī)。

圖2 風(fēng)機(jī)啟停控制流程圖

3.2 編程注意事項(xiàng)

在編程時遇到各種小問題，現(xiàn)將部分總結(jié)如下。

3.2.1 Modbus通信主站指令

① Addr表示遠(yuǎn)方(從站)Modbus協(xié)議的40001起始地址,特別注意該地址是立即數(shù)或VD型變量，但該地址的計數(shù)卻是按VW即word型。

② Count是立即數(shù)或VW, 但計數(shù)卻是與Addr參數(shù)的范圍有關(guān),如果Addr是 0xxxx和1xxxx, 則Count表示bit數(shù)。如果Addr是 3xxxx和4xxxx, 則Count表示word數(shù)。

③ Dataptr表示本地數(shù)據(jù)區(qū)首地址, 必須為VB類型，且需加&表示指針。如果寫為VW，則雖編譯下載均無錯誤，但運(yùn)行結(jié)果不對，且不能調(diào)試，聯(lián)機(jī)調(diào)試將會提示比較程序通不過。

3.2.2 Smart系列的Bug

從一個程序Copy程序段到另一程序時，如果有子程序調(diào)用，則雖然顯示的子程序名都正確，目的程序中其子程序號也不變，但目的程序中子程序號很可能不同，這將導(dǎo)致以下后果。 ①若有該號子程序，則誤調(diào)用；②若無，則出“系統(tǒng)內(nèi)部比較錯誤”，且難以找到真實(shí)原因。其解決辦法是在目的程序中先刪除該調(diào)用，再重新加上該調(diào)用，則子程序號對應(yīng)正確。

3.3 觸摸屏軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用 Delphi軟件編寫了觸摸屏界面。歷史車輛總數(shù)將便于工作人員對整個過往車流量進(jìn)行監(jiān)測；車流量數(shù)是監(jiān)測每小時隧道內(nèi)來往車輛總數(shù)，并以此作為判斷風(fēng)機(jī)啟停的條件之一；當(dāng)前風(fēng)速是由風(fēng)力傳感器所測得的實(shí)時數(shù)據(jù)，作為風(fēng)機(jī)啟停的一項(xiàng)重要指標(biāo)；當(dāng)前風(fēng)向也是風(fēng)力傳感器測得的實(shí)時數(shù)據(jù)，作為風(fēng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的唯一判斷條件。隧道風(fēng)機(jī)系統(tǒng)主要界面如圖3～圖5所示。

圖3 控制系統(tǒng)主界面

圖4 過程監(jiān)視界面

圖5 參數(shù)設(shè)置界面

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用了硬件直連控制柜進(jìn)行現(xiàn)場控制，并采用了西門子S7-200 smart PLC 作為隧道風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的控制模塊，同時由Delphi軟件編寫了觸摸屏界面，實(shí)現(xiàn)了由主站同時控制多個從站。可靠性是電氣設(shè)備的關(guān)鍵性能，PLC采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)和嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝來制造內(nèi)部電路，具有先進(jìn)的抗干擾能力；此外，PLC還具有控制能力強(qiáng)、構(gòu)成系統(tǒng)簡單、設(shè)計周期短以及可維護(hù)性好等特點(diǎn)，從而嚴(yán)格保證了隧道風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的安全。在高速公路日益增多的情況下，交通安全必須重視，而隧道安全更是重中之重。目前，本系統(tǒng)已經(jīng)投入雅安市石棉縣聯(lián)和村隧道使用中，整個使用期間有效、高效地保證了整個隧道系統(tǒng)的安全。

[1] 徐從常，王大榮.風(fēng)機(jī)在高速公路隧道中的運(yùn)用[J].中國交通信息產(chǎn)業(yè)，2008(3):109-110

[2] 葛鎖良，張瑞祥.基于PLC的4色平臺式絲網(wǎng)印刷機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，36(8):29-32.

[3] 宋伯生．PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配置指南[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011:65-73．

[4] 王剛，周軍，牛綠源，等.基于PLC的溴化鋰中央空調(diào)控制系統(tǒng)[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2012，31(11):45-46.

[5] 李善林.PLC技術(shù)在煤礦提升機(jī)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù),2013,32(5):36-39.

[6] 殷佳琳，譚孝輝，羅華富.PLC控制系統(tǒng)干擾及抗干擾措施研究[J].控制工程,2013,20(4):5-7.

[7] 馮騰飛，潘曉飛.基于PLC的船舶輔鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].機(jī)電工程技術(shù)，2013,42(1):10-11.

[8] 廖常初.PLC編程及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[9] 嚴(yán)盈富.監(jiān)控組態(tài)軟件與PLC入門[M].北京:人民郵電出版社,2007.

[10]呂品.PLC和觸摸屏組合控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].自動化儀表，2010,31(8):42-44.

Design of the Tunnel Fan Control System Based on Siemens PLC

The scheme design of the PLC-based tunnel fan control system is introduced, including systematic hardware design, PLC software design, and man machine interface design, etc. The system is composed of seven groups of fans, each group of fans is controlled by a slave PLC station, and six of the slave PLC stations are controlled by a master PLC station with the same model of PLC. The data transmission and synchronous control of the slave stations are conducted by the master station via RS-485 port; local and remote control and operation are implemented by the control system through touch screen. The tunnel fan control system improved by PLC features high reliability and powerful anti-interference capability, it saves man power and is possible to flexibly handle various emergency situations, effectively guarantees the proportion of oxygen in the tunnel, thus possesses higher practical values.

PLC Control system Tunnel fan RS-485 communication Human machine interface(HMI)

楊東(1988-)，男，現(xiàn)為四川大學(xué)控制工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事四旋翼飛行器相關(guān)應(yīng)用方面的研究。

TP273

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201509016

修改稿收到日期：2015-05-04。