隧道通風系統(tǒng)設計.doc

論文題目：基于PLC、變頻器、觸摸屏的隧道通風系統(tǒng)（設計）摘要隨著電子技術和微電子技術的迅速發(fā)展，PLC和變頻器正成為通用、廉價和性能可靠的控制和驅動設備，得到廣泛的應用。由PLC控制的變頻調速離心風機的通風系統(tǒng)，具有較高的可靠性和較好的節(jié)能效果，易于組建成整體的自控系統(tǒng)，很方便地實現(xiàn)各種控制切換和遠程監(jiān)控通過對國內現(xiàn)有鐵路，公路的觀察和分析，其中隧道的占有比已達到很高的地位，而隧道內通風系統(tǒng)在其中的安全作用及能耗占有很高的比重。隧道通風系統(tǒng)是隧道安全運行的重要組成部分，通風系統(tǒng)能否正常工作與隧道內運行環(huán)境條件、運行效率、運行安全密切相關。隨著我國政府對各行各業(yè)安全生產(chǎn)監(jiān)管力度的不斷加強，尤其對公路、鐵路安全運行的要求越來越高，對隧道通風系統(tǒng)進行技術改造，提高其運行穩(wěn)定性、可靠性、節(jié)能降耗等勢在必行。本系統(tǒng)將 PLC與變頻器及觸摸屏有機地結合起來，為監(jiān)控隧道內行車環(huán)境，隧道內設置有計數(shù)傳感器、溫度及能見度檢測儀。通風控制系統(tǒng)即在實時檢測這些環(huán)境參數(shù)的基礎上，控制隧道內風機的開啟，以使各項空氣指標符合安全行車標準，達到既保障安全行車、同時節(jié)約能源的目的。各空氣指標數(shù)據(jù)由PLC模擬量輸入模塊采集，風機的啟停通過PLC的開關量輸出模塊程序控制變頻器并由接觸器實現(xiàn)控制。采用以隧道的車流量為主控參數(shù)，實現(xiàn)對風機工作過程和運轉速度的有效控制，使隧道通風機通風高效、安全，達到了明顯的節(jié)能效果。PLC控制系統(tǒng)具有對驅動風機的電機過熱保護、故障報警、斷電等功能特點，為隧道通風系統(tǒng)的節(jié)能技術改造提供一條新途徑。關鍵詞：隧道、通風機、 PLC 、變頻器、觸摸屏 目錄一. 前言(4)二. 系統(tǒng)介紹(5)2.1 系統(tǒng)結構(5)2.2 設計要求(7)三 各單元簡介(8)3.1 PLC的控制單元簡介及選擇(8)3.2 觸摸屏簡介及選擇(14) 3.3 風機的簡介(18)3.4 變頻器應用及選擇(19)3.5 傳感器簡介與選擇(21)四通訊安裝與接線(23) 4.1 N：N 網(wǎng)絡的通訊連接 (24)4.2 變頻器與PLC的接線(27)4.3 觸摸屏與PLC的通訊連接(27)4.4 調試(27)五. 程序(28)5.1 PLC程序(28)5.2 觸摸屏程序(36)六致謝(42)七參考文獻(42)前言隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，通暢高效的交通系統(tǒng)成為經(jīng)濟進一步發(fā)展的基本需求，從而高速公路亦得以蓬勃發(fā)展。作為高速公路路段中相對事故率較高的隧道區(qū)域，為保證行車安全，提高行車效率，通常在長隧道或特長隧道內設置隧道監(jiān)控系統(tǒng)，集中監(jiān)控隧道內通風、照明以及行車情況，在必要時候發(fā)布誘導和指導性信息。而隧道內通風、照明、以及交通誘導設備均分散于整個隧道區(qū)域，因此集成隧道內各要素信息，方便隧道監(jiān)控人員的集中監(jiān)控與管理，成為隧道監(jiān)控系統(tǒng)設置的主要目的。而最近幾年，PLC、 變頻器 以其諸多優(yōu)異特點獲得廣泛的使用，在工業(yè)先進國家已成為工業(yè)控制的標準設備。它專為工業(yè)控制而設計，集電氣、儀表、控制三電于一體，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。因此研究本課題的意義和目的主要是本著：安全，節(jié)能，高效，穩(wěn)定，智能及人性化的目的為主要著力點的。目前國內大多數(shù)隧道內的通風系統(tǒng)采用的是定流量繼電器恒流控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)雖然簡便，但是不能根據(jù)車流，溫度及其它突發(fā)事件的發(fā)生，有效的，實時的，調節(jié)能量供應，耗能極大，而且故障率高，不易發(fā)現(xiàn)問題所在。本課題從使用功能上要求通風系統(tǒng)要求的風量不是恒定的，而是隨著隧道內車流量，人員多少，環(huán)境條件，在不同狀況能夠自動的，實時的輸出不同流量的要求。這就需要采用一定的技術手段，在此處定為：在不同的環(huán)境條件下通過傳感器等器件感知環(huán)境的變化，把這些變化轉變?yōu)殡娦盘杺魉徒oPLC，再通過PLC控制變頻器輸出控制風機，供給不同流量，并通過觸摸屏監(jiān)視運行狀態(tài)并控制。這就需要運用PLC及變頻技術，采用觸摸屏技術。達到練習和熟悉操作這些新興技術并同實際項目相結合，系統(tǒng)的完成對他們的綜合運用二. 系統(tǒng)介紹2.1 系統(tǒng)結構由于可編程控制器和觸摸屏及三相異步電機的交流變頻調速系統(tǒng)充分利用了PLC強大的邏輯處理功能和人機界面的良好的交互性，避免傳統(tǒng)的繼電器一接觸器控制電路的復雜接線，降低了對運行人員的技術要求；同時對重要開關輸入量實現(xiàn)觸摸屏按鍵和外部按鈕備用模式，提高了系統(tǒng)的可靠性，為現(xiàn)場操作人員對運行過程的實時監(jiān)控和維護帶來了方便。同時，作為本專業(yè)技師與高級技師專業(yè)必會之一，我們將理論與實際相結合，對我們掌握新技術新理念，提高動手能力，有很好的指導意義和現(xiàn)實意義。通風控制系統(tǒng)主要由 4 臺風機組構成，每個風機組有兩臺電機，由一臺PLC、一臺變頻器控制。系統(tǒng)共有8臺電機、四臺PLC、四臺變頻器、四臺觸摸屏組成。每臺電機驅動一組扇片，兩組扇片是對旋的，一組用于吸風，一組為增加風速，對隧道進行供風，采用風機 2 45 kW ，PLC、觸摸屏、車流量、煙塵傳感器和變頻器等組成一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中還包括接觸器、中間繼電器、熱繼電器、斷路器等系統(tǒng)保護電器，實現(xiàn)對電機和 PLC的有效保護，以及對電機的切換控制。本控制系統(tǒng)以傳感器為感應元件，PLC識別并控制，變頻器輸出可變頻率，從而實現(xiàn)風機自動運行等功能，且由于高速公路隧道區(qū)域作為一個相對封閉區(qū)域，通風不暢，汽車尾氣沉積，油污污染，高低壓線纜布線的空間限制導致電磁干擾等等因素，使其成為一個非常惡劣的電氣環(huán)境，對應用的電氣設備的適應性提出很高的要求；而且隧道距離長，設備布設分散，也為監(jiān)控系統(tǒng)的構建造成一定難度所以在此設計由觸摸屏監(jiān)視控制。與常規(guī)繼電器實施的通風系統(tǒng)相比，PLC系統(tǒng)具有故障率低、可靠性高、接線簡單、維護方便等諸多優(yōu)點。 PLC和變頻器及各種傳感器配合使用，使系統(tǒng)控制的安全性、可靠性大大提高，也使通風機運行的故障率大大降低，不僅節(jié)約了電能，而且還提高了設備的運轉率?？刂乒δ苁雇L系統(tǒng)的自動化程度大大提高，減輕了崗位人員勞動強度。系統(tǒng)框圖 本PLC控制系統(tǒng)具有對通風機的電動機啟動與運行，進行監(jiān)控、聯(lián)鎖和過熱保護等功能。PLC與車流量、煙塵、溫度傳感器配合使用，使系統(tǒng)控制的安全性、可靠性大大提高，也使通風機運行的故障率大大降低，提高了設備的運轉率。本系統(tǒng)采用自動工作模式，具有現(xiàn)場控制方式、狀態(tài)顯示以及故障報警等功能。在自動方式下，利用車流量感器檢測車流量的電信號，然后送入 PLC，PLC將檢測到車輛值與設定的車輛值進行比較和處理，輸出信號控制通風機工作。當隧道的車輛低于設定范圍數(shù)值，工作通風機與備用離心通風機循環(huán)工作；當出現(xiàn)突發(fā)事故，隧道的車輛高于設定的數(shù)值，工作離心通風機與備用通風機不再循環(huán)工作，并自動切換為同時工作，加大對隧道內的通風量，直至隧道內的空氣升至設定的空氣數(shù)值以上，工作通風機與備用通風機恢復循環(huán)工作。在有煙塵的隧道供風系統(tǒng)中，隧道內的煙塵濃度傳感器檢測煙塵濃度，用變送器將現(xiàn)場信號變換成統(tǒng)一的標準信號，送入 A /D 轉換模塊進行模數(shù)轉換，然后送入 PLC，同樣 PLC將檢測到的數(shù)值與設定的數(shù)值進行比較，當煙塵濃度大于設定數(shù)值后，PLC輸出信號控制通風機全速工作，防止事故發(fā)生。2.1.1 車流量的計量:每股行車道的車流量通過PLC進行統(tǒng)計。當車輛進入路口經(jīng)過第一個傳感器時，使統(tǒng)計數(shù)加1，經(jīng)過第二個傳感器2出路口時，使統(tǒng)計數(shù)減1，其差值為該股車道上車輛的滯留量(動態(tài)值)，可以與設定值進行比較，據(jù)此作為調整風機運行頻率的依據(jù)。輸入輸出序號名稱地址序號名稱地址1進口車輛傳感器X01溫度報警Y02出口車輛傳感器X12煙塵報警Y13溫度傳感器X23車輛超限報警Y24煙塵傳感器X34主電機繼電器Y35急停X45副電機繼電器Y46啟動 X56變頻低速RHY57變頻器報警X67變頻中速RMY6變頻高速RLY7表1 主PLC I/O接口分配表2.2 設計要求：2.2.1 系統(tǒng)硬件結構 本系統(tǒng)的硬件電路如下圖所示，它由8臺電動機，一臺智能型電控柜（包括三菱變頻器、PLC、交流接觸器、觸摸屏、繼電器等），一套車流量傳感器、斷相相序保護裝置以及供電主回路等構成。 2.2.2 設計要求：1：系統(tǒng)的監(jiān)控及控制均在觸摸屏上進行。2：系統(tǒng)上電，在觸摸屏上按下啟動按鈕，系統(tǒng)即進入運行模式。3：以車流量為基準信號進行主控制調節(jié)A、當隧道內車數(shù)量在1-29輛，風機以20HZ頻率運行B、當隧道內車數(shù)量在30-59輛，風機以25HZ運行C、當隧道內車數(shù)量在60-89輛，風機以35HZ運行D、當隧道內車數(shù)量在90-120輛，風機以40HZ運行E、當車數(shù)量大于120輛，在觸摸屏上顯示報警信號，表明隧道內發(fā)生堵塞，且各組主副電機同時全速50HZ運行4：當隧道內因火災或其它原因引起溫度高于40，各組主副風機均以50HZ全速運行，并顯示溫度過高報警，直到溫度下降到正常范圍。5：當隧道內因煙塵或大霧，造成能見度降低，各組風機以全速50HZ運行，直到環(huán)境恢復正常，并顯示報警。6：各組主副風機如有一臺發(fā)生故障，另一臺自動投入運行。三各單元介紹可編程邏輯控制器(PLC)以其編程簡單方便、控制穩(wěn)定可靠、功能強大等優(yōu)點通常作為控制器廣泛應用于現(xiàn)代工業(yè)控制領域。觸摸屏作為人機交互界面在一定程度上減少PLC的外部IO點的使用以及減輕系統(tǒng)外部按鈕開關的連線復雜程度，同時也提高了運行維護的方便性。隨著工業(yè)現(xiàn)場對控制設備小型化、易操作化、智能化的要求的不斷提高，基于PLC和觸摸屏的交流變頻調速系統(tǒng)的應用前景將非常廣闊。本文采用三菱PLC(Fx1NMR)、觸摸屏(MT506)、三菱變頻器和外部模擬按鈕實現(xiàn)兩臺三相異步電機的交流變頻調速實驗系統(tǒng)設計。3.1 PLC的控制單元簡介及選擇:3.1.1 PLC概述:PLC即可編程控制器（Programmable logic Controller，是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會（International Electrical Committee）頒布的PLC標準草案中對PLC做了如下定義：PLC英文全稱Programmable Logic Controller，中文全稱為可編程邏輯控制器，定義是：一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程，PLC是可編程邏輯電路，也是一種和硬件結合很緊的語言，在半導體方面有很重要的應用，可以說有半導體的地方就有PLC。PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。（1）CPU的構成CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內部電路的工作狀態(tài)和編程過程。CPU主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。內存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。CPU速度和內存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，I/O數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。（2）I/O模塊PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開關量輸入（DI），開關量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。常用的I/O分類如下：開關量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit，14bit，16bit等。除了上述通用I/O外，還有特殊I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少。但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。（3）電源模塊PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VDC）。3.1.2.PLC外部連接:傳感器作輸入信號，5個操作鍵分別是自動方式開關、手動方式開關、停機按鈕，及2個在手動控制下控制通風機運行的按鈕開關，開關量傳感器為拖動通風機的吸風電機和增風速電機發(fā)生堵轉故障時熱繼電器3.1.3PLC使用中需要注意的問題:PLC是一種用于工業(yè)生產(chǎn)自動化控制的設備，一般不需要采取什么措施，就可以直接在工業(yè)環(huán)境中使用。然而，盡管有如上所述的可靠性較高，抗干擾能力較強，但當生產(chǎn)環(huán)境過于惡劣，電磁干擾特別強烈，或安裝使用不當，就可能造成程序錯誤或運算錯誤，從而產(chǎn)生誤輸入并引起誤輸出，這將會造成設備的失控和誤動作，從而不能保證PLC的正常運行，要提高PLC控制系統(tǒng)可靠性，一方面要求PLC生產(chǎn)廠家提高設備的抗干擾能力；另一方面，要求設計、安裝和使用維護中引起高度重視，多方配合才能完善解決問題，有效地增強系統(tǒng)的抗干擾性能。因此在使用中應注意以下問題：1. 工作環(huán)境（1）溫度PLC要求環(huán)境溫度在055，安裝時不能放在發(fā)熱量大的元件下面，四周通風散熱的空間應足夠大。（2）濕度為了保證PLC的絕緣性能，空氣的相對濕度應小于85%（無凝露）。（3）震動應使PLC遠離強烈的震動源，防止振動頻率為1055Hz的頻繁或連續(xù)振動。當使用環(huán)境不可避免震動時，必須采取減震措施，如采用減震膠等。 （4）空氣避免有腐蝕和易燃的氣體，例如氯化氫、硫化氫等。對于空氣中有較多粉塵或腐蝕性氣體的環(huán)境，可將PLC安裝在封閉性較好的控制室或控制柜中。（5）電源PLC對于電源線帶來的干擾具有一定的抵制能力。在可靠性要求很高或電源干擾特別嚴重的環(huán)境中，可以安裝一臺帶屏蔽層的隔離變壓器，以減少設備與地之間的干擾。一般PLC都有直流24V輸出提供給輸入端，當輸入端使用外接直流電源時，應選用直流穩(wěn)壓電源。因為普通的整流濾波電源，由于紋波的影響，容易使PLC接收到錯誤信息。2 控制系統(tǒng)中干擾及其來源現(xiàn)場電磁干擾是PLC控制系統(tǒng)中最常見也是最易影響系統(tǒng)可靠性的因素之一，所謂治標先治本，找出問題所在，才能提出解決問題的辦法。因此必須知道現(xiàn)場干擾的源頭。（1）干擾源及一般分類影響PLC控制系統(tǒng)的干擾源，大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位，其原因是電流改變產(chǎn)生磁場，對設備產(chǎn)生電磁輻射；磁場改變產(chǎn)生電流，電磁高速產(chǎn)生電磁波。通常電磁干擾按干擾模式不同，分為共模干擾和差模干擾。共模干擾是信號對地的電位差，主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射在信號線上感應的共態(tài)（同方向）電壓疊加所形成。共模電壓通過不對稱電路可轉換成差模電壓，直接影響測控信號，造成元器件損壞（這就是一些系統(tǒng)I/O模件損壞率較高的主要原因），這種共模干擾可為直流，亦可為交流。差模干擾是指作用于信號兩極間的干擾電壓，主要由空間電磁場在信號間耦合感應及由不平衡電路轉換共模干擾所形成的電壓，這種干擾疊加在信號上，直接影響測量與控制精度。（2）PLC系統(tǒng)中干擾的主要來源及途徑1）強電干擾PLC系統(tǒng)的正常供電電源均由電網(wǎng)供電。由于電網(wǎng)覆蓋范圍廣，它將受到所有空間電磁干擾而在線路上感應電壓。尤其是電網(wǎng)內部的變化，刀開關操作浪涌、大型電力設備起停、交直流傳動裝置引起的諧波、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等，都通過輸電線路傳到電源原邊。2）柜內干擾控制柜內的高壓電器，大的電感性負載，混亂的布線都容易對PLC造成一定程度的干擾。3）來自信號線引入的干擾與PLC控制系統(tǒng)連接的各類信號傳輸線，除了傳輸有效的各類信息之外，總會有外部干擾信號侵入。此干擾主要有兩種途徑：一是通過變送器供電電源或共用信號儀表的供電電源串入的電網(wǎng)干擾，這往往被忽視；二是信號線受空間電磁輻射感應的干擾，即信號線上的外部感應干擾，這是很嚴重的。由信號引入干擾會引起I/O信號工作異常和測量精度大大降低，嚴重時將引起元器件損傷。4）來自接地系統(tǒng)混亂時的干擾接地是提高電子設備電磁兼容性（EMC）的有效手段之一。正確的接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設備向外發(fā)出干擾；而錯誤的接地，反而會引入嚴重的干擾信號，使PLC系統(tǒng)將無法正常工作。5）來自PLC系統(tǒng)內部的干擾主要由系統(tǒng)內部元器件及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)生，如邏輯電路相互輻射及其對模擬電路的影響，模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等。6）變頻器干擾 一是變頻器啟動及運行過程中產(chǎn)生諧波對電網(wǎng)產(chǎn)生傳導干擾，引起電網(wǎng)電壓畸變，影響電網(wǎng)的供電質量；二是變頻器的輸出會產(chǎn)生較強的電磁輻射干擾，影響周邊設備的正常工作。 3. 主要抗干擾措施 （1） 電源的合理處理，抑制電網(wǎng)引入的干擾 對于電源引入的電網(wǎng)干擾可以安裝一臺帶屏蔽層的變比為1：1的隔離變壓器，以減少設備與地之間的干擾，還可以在電源輸入端串接LC濾波電路。 （2） 正確選擇接地點，完善接地系統(tǒng) 良好的接地是保證PLC可靠工作的重要條件，可以避免偶然發(fā)生的電壓沖擊危害。接地的目的通常有兩個，其一為了安全，其二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。 PLC控制系統(tǒng)的地線包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保護地等。接地系統(tǒng)混亂對PLC系統(tǒng)的干擾主要是各個接地點電位分布不均，不同接地點間存在地電位差，引起地環(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作。例如電纜屏蔽層必須一點接地，如果電纜屏蔽層兩端A、B都接地，就存在地電位差，有電流流過屏蔽層，當發(fā)生異常狀態(tài)如雷擊時，地線電流將更大。 此外，屏蔽層、接地線和大地有可能構成閉合環(huán)路，在變化磁場的作用下，屏蔽層內又會出現(xiàn)感應電流，通過屏蔽層與芯線之間的耦合，干擾信號回路。若系統(tǒng)地與其它接地處理混亂，所產(chǎn)生的地環(huán)流就可能在地線上產(chǎn)生不等電位分布，影響PLC內邏輯電路和模擬電路的正常工作。PLC工作的邏輯電壓干擾容限較低，邏輯地電位的分布干擾容易影響PLC的邏輯運算和數(shù)據(jù)存貯，造成數(shù)據(jù)混亂、程序跑飛或死機。模擬地電位的分布將導致測量精度下降，引起對信號測控的嚴重失真和誤動作。 1）安全地或電源接地 將電源線接地端和柜體連線接地為安全接地。如電源漏電或柜體帶電，可從安全接地導入地下，不會對人造成傷害。 2）系統(tǒng)接地 PLC控制器為了與所控的各個設備同電位而接地，叫系統(tǒng)接地。接地電阻值不得大于4，一般需將PLC設備系統(tǒng)地和控制柜內開關電源負端接在一起，作為控制系統(tǒng)地。 3）信號與屏蔽接地 一般要求信號線必須要有唯一的參考地，屏蔽電纜遇到有可能產(chǎn)生傳導干擾的場合，也要在就地或者控制室唯一接地，防止形成“地環(huán)路”。信號源接地時，屏蔽層應在信號側接地；不接地時，應在PLC側接地；信號線中間有接頭時，屏蔽層應牢固連接并進行絕緣處理，一定要避免多點接地；多個測點信號的屏蔽雙絞線與多芯對絞總屏蔽電纜連接時，各屏蔽層應相互連接好，并經(jīng)絕緣處理，選擇適當?shù)慕拥靥巻吸c接點。 3.1.4.PLC的選用:根據(jù)設計要求得出，主站PLC需要一個啟動按鈕X5、和一個急停按鈕X4、進口車輛傳感器X0、出口車輛傳感器X1、溫度傳感器X2、煙塵傳感器X3、變頻器故障輸入X6七個輸入信號，而輸出共需8個輸出信號。由于隧道集中監(jiān)控系統(tǒng)傳輸距離長，控制規(guī)模較大，采用四級控制較為靈活、安全、高效。四級控制即總中心計算機系統(tǒng)控制、監(jiān)控分中心計算機系統(tǒng)控制、隧道PLC網(wǎng)絡控制、現(xiàn)場自動控制。隧道監(jiān)控系統(tǒng)一般情況下是在監(jiān)控分中心主控計算機的控制下，交由控制器自動控制運行。隧道PLC網(wǎng)絡在計算機的控制下，運行各自局部設施的自動控制。監(jiān)控中心控制計算機采集來自分中心及隧道控制單元、各類檢測報警單元的運行數(shù)據(jù)，并給相應的控制單元發(fā)送命令，以執(zhí)行相應任務。為了避免大材小用，而造成的資金浪費，同時要保證實現(xiàn)操作的可行性，及以后擴展需要，則選用三菱型號為FX1N-MR系列的PLC機型。FX1N系列是FX系列PLC家族中比較先進的系列。由于FX1N系列具備如下特點：最大范圍的包容了標準特點、程式執(zhí)行更快、全面補充了通信功能、適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，他可以為你的工廠自動化應用提供最大的靈活和控制能力。為大量實際應用而開發(fā)的特殊功能開發(fā)了各個范圍的特殊功能模塊以滿足不同的需要，模擬I/O，高速計數(shù)器。內置24V直流電源，24V、400mA直流電源可用于外圍設備，如傳感器或其他元件。快速斷開端子塊因為采用了優(yōu)良的可維護性快速斷開端子，即使接著電纜也可以更換單元。時鐘功能和小時表功能在所有的FX1N的PLC中都有實時時鐘標準。時間設置和比較指令易于操作。小時表功能對過程跟蹤和機器維護提供了有價值的信息。持續(xù)掃描功能為應用所需求的持續(xù)掃描時間定義操作周期在線程序編輯在線改變程序不會損失工作時間或者停止生產(chǎn)運轉。RUN/STOP開關面板上運行/停止開關易于操作。遠程維護遠處的編程軟件可以通過調制調解器來檢測、上載或是卸載程序和數(shù)據(jù)密碼保護使用一個八位數(shù)字密碼保護您的程序。FX1N-MR的PLC機型，I/O總點數(shù)為點，輸入點數(shù)為24(X000X027)點，輸出點為24（Y000Y027）,為繼電器輸出，交流電源、24V直流輸入類型。它具有靈活的配置，除了滿足特殊需求的大量特殊模塊，6個基本單元中的每個單元可擴展256個I/O。有高速運算，基本指令：0.08us/指令，應用指令：1.52至幾百us/指令。有突出的寄存器容量，F(xiàn)X1N系列包括8K步內置RAM寄存器，用一個寄存器盒可擴展到16RAM或EEPROM。有豐富的元件資源，3072點輔助繼電器，256點計時器，235點計數(shù)器，8000數(shù)據(jù)存儲器。滿足我的設計需要。為了簡約整個系統(tǒng)組件及成本，提高工作可靠性，交通等選用220VAC為宜，選用其他型號的交通燈，只需加裝相應等級電壓轉換裝置即可，同時要特別注意單點負載電流不能超過2A，若高于2A則要采取隔離技術手段。3.2觸摸屏的介紹:3.2.1觸摸屏的定義與簡介觸摸屏（Touch panel）又稱為觸控面板，是個可接收觸頭等輸入訊號的感應式液晶顯示裝置，當接觸了屏幕上的圖形按鈕時，屏幕上的觸覺反饋系統(tǒng)可根據(jù)預先編程的程式驅動各種連結裝置，可用以取代機械式的按鈕面板，并借由液晶顯示畫面制造出生動的影音效果。隨著多媒體信息查詢的與日觸控屏俱增，人們越來越多地談到觸摸屏，因為觸摸屏不僅適用于中國多媒體信息查詢的國情，而且觸摸屏具有堅固耐用、反應速度快、節(jié)省空間、易于交流等許多優(yōu)點。利用這種技術，我們用戶只要用手指輕輕地碰計算機顯示屏上的圖符或文字就能實現(xiàn)對主機操作，從而使人機交互更為直截了當，這種技術大大方便了那些不懂電腦操作的用戶。 觸摸屏作為一種最新的電腦輸入設備，它是目前最簡單、方便、自然的一種人機交互方式。它賦予了多媒體以嶄新的面貌，是極富吸引力的全新多媒體交互設備。觸摸屏在我國的應用范圍非常廣闊，主要是公共信息的查詢；如電信局、稅務局、銀行、電力等部門的業(yè)務查詢；城市街頭的信息查詢；此外應用于領導辦公、工業(yè)控制、軍事指揮、電子游戲、點歌點菜、多媒體教學、房地產(chǎn)預售等。將來，觸摸屏還要走入家庭。 隨著使用電腦作為信息來源的與日俱增，觸摸屏以其易于使用、堅固耐用、反應速度快、節(jié)省空間等優(yōu)點，使得系統(tǒng)設計師們越來越多的感到使用觸摸屏的確具有相當大的優(yōu)越性。觸摸屏出現(xiàn)在中國市場上至今只有短短的幾年時間，這個新的多媒體設備還沒有為許多人接觸和了解，包括一些正打算使用觸摸屏的系統(tǒng)設計師，還都把觸摸屏當作可有可無的設備，從發(fā)達國家觸摸屏的普及歷程和我國多媒體信息業(yè)正處在的階段來看，這種觀念還具有一定的普遍性。事實上，觸摸屏是一個使多媒體信息或控制改頭換面的設備，它賦予多媒體系統(tǒng)以嶄新的面貌，是極富吸引力的全新多媒體交互設備。發(fā)達國家的系統(tǒng)設計師們和我國率先使用觸摸屏的系統(tǒng)設計師們已經(jīng)清楚的知道，觸摸屏對于各種應用領域的電腦已經(jīng)不再是可有可無的東西，而是必不可少的設備。它極大的簡化了計算機的使用，即使是對計算機一無所知的人，也照樣能夠信手拈來，使計算機展現(xiàn)出更大的魅力。解決了公共信息市場上計算機所無法解決的問題。3.2.2.觸摸屏的工作原理: 為了操作上的方便，人們用觸摸屏來代替鼠標或鍵盤。工作時，我們必須首先用手指或其它物體觸摸安裝在顯示器前端的觸摸屏，然后系統(tǒng)根據(jù)手指觸摸的圖標或菜單位置來定位選擇信息輸入。觸摸屏由觸摸檢測部件和觸摸屏控制器組成；觸摸檢測部件安裝在顯示器屏幕前面，用于檢測用戶觸摸位置，接受后送觸摸屏控制器；而觸摸屏控制器的主要作用是從觸摸點檢測裝置上接收觸摸信息，并將它轉換成觸點坐標，再送給CPU，它同時能接收CPU發(fā)來的命令并加以執(zhí)行。目前觸摸屏的應用范圍從以往的銀行自動柜員機、工控計算機等小眾商用市場，迅速擴展到手機、PDA、 GPS(全球定位系統(tǒng))、MP3，甚至平板電腦(UMPC)等大眾消費電子領域。展望未來，觸控操作簡單、便捷，人性化的觸摸屏有望成為人機互動的最佳界面而迅速普及。 目前的觸控技術尚存在屏幕所使用的材源透光較差影響顯示畫面的清晰度，或者長期使用后出現(xiàn)坐標漂移、影響使用精度等問題。而且，全球主要觸摸屏生產(chǎn)大廠多集中在日、美、韓等國家以及我國臺灣地區(qū)；主要技術、關鍵零組件和原材料更是基本掌握在日、美廠商手中，中國大陸的觸摸屏/觸控面板產(chǎn)業(yè)還基本處于起步階段。但正因如此，整個觸控行業(yè)未來的上升空間還非常大，它也有望成為我國電子企業(yè)今后創(chuàng)新發(fā)展、大有作為的重要領域。觸摸屏目前主要還是集中在小尺寸上的應用，未來的發(fā)展將是一個觸控和遙控的世界，所以大尺寸觸摸屏的發(fā)展是目前觸摸屏發(fā)展的趨勢，在市場的應用中給了民眾耳目一新的感覺，深的廣大民眾的喜愛。所以未來的世界是個觸控的世界，是個遙控的世界，大尺寸觸摸屏的發(fā)展有著廣泛的空間。3.2.3.觸摸屏的選用:由于在此系統(tǒng)中，觸摸屏要擔任監(jiān)控各部分運行狀態(tài)，而且還用于控制作用，所以在此擔任的任務還是比較重的。所以在此選定的觸摸屏為MT506T型號的觸摸屏。可實時顯示設備和系統(tǒng)的運行狀態(tài)。通過觸摸向PLC發(fā)出指令和數(shù)據(jù)，再通過PLC完成對系統(tǒng)或設備的控制?？勺龀啥喾喾N監(jiān)控畫面，替代了傳統(tǒng)的電氣操作盤及顯示記錄儀表等，且功能更加強大。3.2.4觸摸屏程序設計本系統(tǒng)的觸摸屏人機交互界面的開發(fā)平臺，采用MT506觸摸屏的編程軟件實現(xiàn)。該軟件類似于組態(tài)軟件，采用圖形化的編程方法，只需將相關元件拖到預先定義的畫面上，根據(jù)需要設置相關參數(shù)、合理配置PLC寫入地址即可完成操作。3.2.5主要參數(shù)型 號 MT506 外殼顏色 黑色 顯示屏 5.7 彩色 STN 液晶屏 分辨率 320 240 像素 亮 度 150 CD/M? 色 彩 256 色 對比度 30:1 背光燈 1支 CCFL (最低保證壽命 25000 小時) 觸摸屏 4線 精密電阻網(wǎng)絡 ( 表面硬度 4H ) CPU 32位RISC CPU 200MHz 存儲器 1 MB Flash ROM + 4 MB DRAM 通信端口 COM1: PC RS232 & PLC RS485/422 COM2: PLC RS232 配方存儲器 標準內置128KB + 實時時鐘 打印端口 無 系統(tǒng)診斷 電源失效檢測觸摸屏實物圖編程軟件對編程PC機要求不高，利用觸摸屏自帶RS 232串口或者USB接口通信，將設計完成后的人機交互界面下載到觸摸屏。對于程序分別設計了監(jiān)視、報警、控制以及頻率顯示、控制鍵，可由相應的控鍵實現(xiàn)對電機運轉狀態(tài)的控制和監(jiān)控。觸摸屏上電后自動進入所設計的畫面，操作人員可以根據(jù)需要直接通過人機交互的方式，對下位機PLC進行控制。3.3通風機:我國隧道使用通風機主要就是。G4 73系列通風機，G4 73系列通風機最初是為鍋爐通風(引風) 設計的，后來被引用到隧道通風中并擁有一定的市場占有量。該系列通風機的特點是特性曲線較平緩、無駝峰、運行噪聲較小、效率高。啟動時關閉調節(jié)門(也叫前導器)，具有啟動功率較小，啟動容易的特點。運行時調節(jié)門可在 070范圍內調節(jié)，用以改變運行工況，還可通過配置不同轉速的電動機來改變其運行工況,適應性較好。G4 73系列通風機的特性曲線較平緩，運行噪聲較小，效率高，適用于通風阻力不是太大的中小型隧道。我國地方隧道中使用該系列通風機較多，由于機型小，配置電動機的容量也小,可配用380V的電動機使用。但對初、后期風壓變化大的隧道，通風機的調節(jié)性能差。風機的作用：風機是依靠輸入的機械能，提高氣體壓力并排送氣體的機械，它是一種從動的流體機械。 通風機廣泛用于工廠、礦井、隧道、冷卻塔、車輛、船舶和建筑物的通風、排塵和冷卻；鍋爐和工業(yè)爐窯的通風和引風；空氣調節(jié)設備和家用電器設備中的冷卻和通風；谷物的烘干和選送；風洞風源和氣墊船的充氣和推進等。 通風機的工作原理與透平壓縮機基本相同，只是由于氣體流速較低，壓力變化不大，一般不需要考慮氣體比容的變化，即把氣體作為不可壓縮流體處理。風機可制成右旋和左旋兩種型式。從電動機一側正視，葉輪順時針旋轉，稱為右旋轉風機，逆時針旋轉，稱為左旋。一般的高壓風機，其主要的動力設備是電動機，此外還包括用來控制風機風閥位置的電動或手動執(zhí)行器、風機閥門限位開關等部件。風機動力設備的傳統(tǒng)控制方法是通過手動或繼電器控制，存在可靠性和靈活性較差的問題，比如：由于電機的容量大，就存在啟動時間長、啟動電流大、運行安全可靠性差等問題，為了解決這些問題，需要采取在啟動離心風機時減少啟動負荷、通過星三角降壓啟動來降低啟動電流、進行安全互鎖控制等措施。通風機工作時，動力機(主要是電動機)驅動葉輪在蝸形機殼內旋轉，空氣經(jīng)吸氣口從葉輪中心處吸入。由于葉片對氣體的動力作用，氣體壓力和速度得以提高，并在離心力作用下沿著葉道甩向機殼，從排氣口排出。因氣體在葉輪內的流動主要是在徑向平面內。風機的用途：一般用于高壓強制通風，如冶煉、送料、礦井、隧道、地下室、鐵路等，亦可輸送空氣及其它無腐蝕性、不含粘性物質、2非易燃、易爆之氣體，介質溫度最高不超過八十度，介質中硬質顆粒物中大于150mg/m3。3.4 變頻器的選型和容量的確定:參數(shù)號參數(shù)值說明Pr03轉矩提升Pr150上限頻率Pr20下限頻率Pr350基底頻率Pr420多段速 (高速)RHPr525多段速（中速）RMPr635多段速（低速）RLPr2440RM RLPr2550RH RLPr71加速時間Pr81減速時間Pr93電子過流保護Pr130啟動頻率Pr771參數(shù)禁止寫入Pr793操作模式選擇在電機的容量確定并選定其型號后，接下來就要確定變頻器的容量。異步電動機是電力、化工等生產(chǎn)企業(yè)最主要的動力設備。作為高能耗設備，其輸出功率不能隨負荷按比例變化，大部分只能通過擋板或閥門的開度來調節(jié)，而電動機消耗的能量變化不大，從而造成很大的能量損耗。近年來，隨著變頻器生產(chǎn)技術的成熟以及變頻器應用范圍的日益廣泛，使用變頻器對電動機電源進行技術改造成為各企業(yè)節(jié)能降耗、提高效率的重要手段。確定變頻器容量的主要依據(jù)是輸出電流，其原則為：變頻器的輸出額定電流應大于或等于電機的額定電流。但在連續(xù)的變動負載或斷續(xù)負載中，因電動機允許有短時間的過載，而且這種過載的時間經(jīng)常超過變頻器一般允許的一分鐘。故應考慮選擇變頻器的額定電流大于或等于電動機運行過程中的最大電流。電動機的型號確定后，其額定電流可以從制造商提供的樣本中查到?；蛘撸部蓮碾姍C的輸出功率由下式計算 式中，P為額定輸出功率（KW）；U為額定電壓（KV）；I為額定電流（A）；為電機效率；為功率因數(shù)。本系統(tǒng)選用的是三菱全新一代標準變頻器D700,功能強大，應用廣泛。它采用高性能的矢量控制技術，提供低速高轉矩輸出和良好的動態(tài)特性，同時具備超強的過載能力，以滿足廣泛的應用場合3.4.1.變頻調速:異步電動機是電力、化工等生產(chǎn)企業(yè)最主要的動力設備。作為高能耗設備，其輸出功率不能隨負荷按比例變化，大部分只能通過擋板或閥門的開度來調節(jié)，而電動機消耗的能量變化不大，從而造成很大的能量損耗。近年來，隨著變頻器生產(chǎn)技術的成熟以及變頻器應用范圍的日益廣泛，使用變頻器對電動機電源進行技術改造成為各企業(yè)節(jié)能降耗、提高效率的重要手段。 n60f(1S)/P (1)式中n異步電動機的轉速；f異步電動機的頻率； s電動機轉差率； 變頻器實物圖 p電動機極對數(shù)。 由式(1-1)可知，轉速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉速，當頻率f在050Hz的范圍內變化時，電動機轉速調節(jié)范圍非常寬。變頻調速就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調節(jié)的。變頻器主要采用交直交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。 3.5傳感器介紹與選擇:3.5.1車輛檢測電傳感器的使用對本次的設計尤為重要，本次設計所采用的傳感器是電磁感應線圈。電感式傳感器其主要部件是埋設在隧道路面下的柱狀狀霍爾傳感器當有高頻電流通過電感時，公路面上就會形成高頻磁場。當汽車進入這一高頻磁場區(qū)時，汽車就會產(chǎn)生渦流損耗，環(huán)狀絕緣電線的電感開始減少。當汽車正好在該感應線圈的正上方時，該感應線圈的電感減到最小值。當汽車離開這高頻磁場區(qū)時，該感應線圈電感逐漸復原到初始狀態(tài)。傳感器實物圖3.5.2檢測原理電感式傳感器是利用金屬導體和交變電磁場的互感原理。位于傳感器前端的檢測線圈產(chǎn)生高頻磁場，當金屬物體接近該磁場，金屬物體內部產(chǎn)生渦電流，導致磁場能量衰減，當金屬物體不斷靠近傳感器感應面，能量的被吸收而導致衰減，當衰減達到一定程度時，觸發(fā)傳感器開關輸出信號，從而達到非接觸式之檢測目的。由于電感變化該感應線圈中流動的高頻電流的振幅(本論文所涉及的檢測工作方式)和相位發(fā)生變化，因此，在環(huán)的始端連接上檢測相位或振幅變化的檢測器，就可得到汽車通過的電信號。若將環(huán)狀絕緣電線作為振蕩電路的一部分，則只要檢測振蕩頻率的變化即可知道汽車的存在和通過。電感式傳感器的高頻電流頻率為60kHz，尺寸為 23m，電感約為100H.這種傳感器可檢測的電感變化率在0.3以上。電感式傳感器安裝在隧道墻壁上，從交通安全和美觀考慮, 它是理想的傳感器。傳感器最好選用防潮性能好的原材料。3.5.2.1 溫度傳感器溫度是自然界中和人類打交道最多的物理參數(shù)之一，無論是在生產(chǎn)實驗場所，還是在居住休閑場所，溫度的采集或控制都十分頻繁和重要，而且，網(wǎng)絡化遠程采集溫度并報警是現(xiàn)代科技發(fā)展的一個必然趨勢。 由于溫度不管是從物理量本身還是在實際人們的生活中都有著密切的關系，所以溫傳感器就會相應產(chǎn)生。 在此系統(tǒng)中選用精度高且價格性能比高的PT100溫度傳感器。 由于PT100熱電阻的溫度與阻值變化關系，人們便利用它的這一特性，發(fā)明并生產(chǎn)了PT100熱電阻溫度傳感器。它是集溫度濕度采集于一體的智能傳感器。溫度的采集范圍可以在-200+200，濕度采集范圍是0%100%。3.5.3主要參數(shù)工業(yè)級環(huán)境，采集溫度范圍為200200，顯示精度0.1；綜合精度0.3。將我們的熱電阻傳感器與我們的RS485中繼器，可將原來只能連接32個PT100、PT1000熱電阻采集模塊連到同一網(wǎng)絡曾多到255個，且最大通信距離為1200m。LM-PT100、LM-PT1000熱電阻溫濕度傳感器還可以和LM-8052NET配合，組成TCP/IP的溫度采集網(wǎng)絡，可實現(xiàn)遠程采集溫度。3.5.3.1煙塵傳感器 在隧道內，因乘客吸煙或從車外侵人灰塵等及汽車排放尾氣，造成車內空氣污染，將嚴重危害人體健康，因此，必須時刻檢測空氣質量，以保持空氣清新。煙塵濃度傳感器就是與PLC檢測控制結合，當煙塵濃度傳感器感知煙塵的存在時，就會使PLC自動控制風機運轉；當沒有煙塵時就會使運轉恢復正常，使隧道空氣始終保持清潔。如圖示為煙塵濃度傳感器的結構圖，它由發(fā)光元件、光敏元件和信號處理電路等組成。煙塵濃度傳感器的工作原理如圖2所示，通過煙塵濃度傳感器的開口縫隙，空氣能夠自由流動，發(fā)光元件（發(fā)光二極管）產(chǎn)生肉眼看不見的間歇紅外光，在空氣中沒有煙霧的情況下，紅外光射不到光敏元件上，電路不工作；當煙霧進人煙塵濃度傳感器時，間歇的紅外光使煙霧粒子漫反射進入光敏元件，這時煙塵濃度傳感器就判定煙霧存在，空氣凈化器鼓風機電動機運轉而開始工作。為防止煙塵濃度傳感器受外部干擾而引起誤動作，傳感器內部采用了脈沖振蕩電路，即使射人相同波長的紅外光，而因脈沖周期不同，傳感器也不會判斷有煙霧。另外，傳感器內部還設有定時、延時電路，此處，經(jīng)查閱相關資料，最終確定為TCS230, 煙氣檢測有專門的光電煙霧傳感器，可以反應透明度、煙氣濃度！價格便宜，簡單可靠！如果煙塵檢測的目的在于火災檢測，推薦使用一氧化碳傳感器，這個檢測火災比煙霧報警器還準確、靈敏、可靠！四通訊安裝與接線： PC機通過專用電纜與PLC模塊和觸摸屏模塊進行通信連接，編制調試程序完畢可以直接下載到觸摸屏和PLC各自程序存儲器。PLC模塊與觸摸屏之間由專用電纜連接，觸摸屏按鍵指令可以由通信電纜加載到控制程序以執(zhí)行相應的操作。另外，外部按鈕指令直接加載在PLC輸入端以實現(xiàn)相應的指令操作。4.1 N:N 網(wǎng)絡的通訊連接： 可編程控制器的通訊和網(wǎng)絡是近年來工業(yè)自動化領域發(fā)展十分迅速的技術。簡易PLC間鏈接也叫做NN網(wǎng)絡。最多可以有8臺 PLC連接構成NN網(wǎng)絡,實現(xiàn)PLC之間的數(shù)據(jù)通訊。4.1.1數(shù)據(jù)傳送方式(1)并行通訊和串行通訊性能雙絞線同軸電纜光纜傳送速率14Mbps1450Mbps10500Mbps連接方法點對點,多點1.5km不用中繼器點對點,多點1.5km不用中繼器(基帶)10km不用中繼器(寬帶)點對點50km不用中繼器傳送信號數(shù)字信號、調制信號、模擬信號(基帶)數(shù)字信號、調制信號(基帶)數(shù)字、聲音、圖像(寬帶)調制信號(基帶)數(shù)字、聲音、圖像(寬帶)支持網(wǎng)絡星型、環(huán)行總線型、環(huán)型總線型、環(huán)型抗干擾好很好極好（2）RS-485通訊線有一對平衡差分信號線，以半雙工方式傳送數(shù)據(jù)，能夠在遠距離高速通訊中，以最少的信號線完成通訊任務。4.1.2 工業(yè)控制網(wǎng)絡的結構 PLC網(wǎng)絡結構示意圖4.1.3主站與從站連接在網(wǎng)絡中的通訊站點根據(jù)功能可分為主站與從站。 主站可以對網(wǎng)絡中的其他設備發(fā)出初始化請求；