隧道通风系统(梁涛).论文doc

西安工程技术学院
2008级毕业设计
论文题目：基于PLC、变频器、触摸屏的隧道通风系统（设计）
指导老师：党志勇
所在系部：工业自动化系
所在班级： 2008级电气维修预备技师班
学生姓名：秦晓川周松松梁涛张宵
完成时间： 2011年 2月
摘要
随着电子技术和微电子技术的迅速发展，PLC和变频器正成为通用、廉价和性能可靠的控制和驱动设备，得到广泛的应用。

由PLC控制的变频调速离心风机的通风系统，具有较高的可靠性和较好的节能效果，易于组建成整体的自控系统，很方便地实现各种控制切换和远程监控
通过对国内现有铁路，公路的观察和分析，其中隧道的占有比已达到很高的地位，而隧道内通风系统在其中的安全作用及能耗占有很高的比重。

隧道通风系统是隧道安全运行的重要组成部分，通风系统能否正常工作与隧道内运行环境条件、运行效率、运行安全密切相关。

随着我国政府对各行各业安全生产监管力度的不断加强，尤其对公路、铁路安全运行的要求越来越高，对隧道通风系统进行技术改造，提高其运行稳定性、可靠性、节能降耗等势在必行。

本系统将 PLC与变频器及触摸屏有机地结合起来，为监控隧道内行车环境，隧道内设置有计数传感器、温度及能见度检测仪。

通风控制系统即在实时检测这些环境参数的基础上，控制隧道内风机的开启，以使各项空气指标符合安全行车标准，达到既保障安全行车、同时节约能源的目的。

各空气指标数据由PLC模拟量输入模块采集，风机的启停通过PLC的开关量输出模块程序控制变频器并由接触器实现控制。

采用以隧道的车流量为主控参数，实现对风机工作过程和运转速度的有效控制，使隧道通风机通风高效、安全，达到了明显的节能效果。

PLC 控制系统具有对驱动风机的电机过热保护、故障报警、断电等功能特点，为隧道通风系统的节能技术改造提供一条新途径。

关键词：隧道、通风机、 PLC 、变频器、触摸屏
目录
一. 前言 (4)
二. 系统介绍 (5)
2.1 系统结构 (5)
2.2 设计要求 (7)
三．各单元简介 (8)
3.1 PLC的控制单元简介及选择 (8)
3.2 触摸屏简介及选择 (14)
3.3 风机的简介 (18)
3.4 变频器应用及选择 (19)
3.5 传感器简介与选择 (21)
四．通讯安装与接线 (23)
4.1 N：N 网络的通讯连接 (24)
4.2 变频器与PLC的接线 (27)
4.3 触摸屏与PLC的通讯连接 (27)
4.4 调试 (27)
五. 程序 (28)
5.1 PLC程序 (28)
5.2 触摸屏程序 (36)
六．致谢 (42)
七．参考文献 (42)
前言
随着我国经济的高速发展，通畅高效的交通系统成为经济进一步发展的基本需求，从而高速公路亦得以蓬勃发展。

作为高速公路路段中相对事故率较高的隧道区域，为保证行车安全，提高行车效率，通常在长隧道或特长隧道内设置隧道监控系统，集中监控隧道内通风、照明以及行车情况，在必要时候发布诱导和指导性信息。

而隧道内通风、照明、以及交通诱导设备均分散于整个隧道区域，因此集成隧道内各要素信息，方便隧道监控人员的集中监控与管理，成为隧道监控系统设置的主要目的。

而最近几年，PLC、变频器以其诸多优异特点获得广泛的使用，在工业先进国家已成为工业控制的标准设备。

它专为工业控制而设计，集电气、仪表、控制三电于一体，是实现机电一体化的理想控制设备。

因此研究本课题的意义和目的主要是本着：安全，节能，高效，稳定，智能及人性化的目的为主要着力点的。

目前国内大多数隧道内的通风系统采用的是定流量继电器恒流控制系统。

这种系统虽然简便，但是不能根据车流，温度及其它突发事件的发生，有效的，实时的，调节能量供应，耗能极大，而且故障率高，不易发现问题所在。

本课题从使用功能上要求通风系统要求的风量不是恒定的，而是随着隧道内车流量，人员多少，环境条件，在不同状况能够自动的，实时的输出不同流量的要求。

这就需要采用一定的技术手段，在此处定为：在不同的环境条件下通过传感器等器件感知环境的变化，把这些变化转变为电信号传送给PLC，再通过PLC 控制变频器输出控制风机，供给不同流量，并通过触摸屏监视运行状态并控制。

这就需要运用PLC及变频技术，采用触摸屏技术。

达到练习和熟悉操作这些新兴技术并同实际项目相结合，系统的完成对他们的综合运用
二. 系统介绍
2.1 系统结构
由于可编程控制器和触摸屏及三相异步电机的交流变频调速系统充分利用了PLC强大的逻辑处理功能和人机界面的良好的交互性，避免传统的继电器一接触器控制电路的复杂接线，降低了对运行人员的技术要求；同时对重要开关输入量实现触摸屏按键和外部按钮备用模式，提高了系统的可靠性，为现场操作人员对运行过程的实时监控和维护带来了方便。

同时，作为本专业技师与高级技师专业必会之一，我们将理论与实际相结合，对我们掌握新技术新理念，提高动手能力，有很好的指导意义和现实意义。

通风控制系统主要由 4 台风机组构成，每个风机组有两台电机，由一台PLC、一台变频器控制。

系统共有8台电机、四台PLC、四台变频器、四台触摸屏组成。

每台电机驱动一组扇片，两组扇片是对旋的，一组用于吸风，一组为增加风速，对隧道进行供风，采用风机 2 ×45 kW ，PLC、触摸屏、车流量、烟尘传感器和变频器等组成一个完整的闭环控制系统。

其中还包括接触器、中间继电器、热继电器、断路器等系统保护电器，实现对电机和 PLC的有效保护，以及对电机的切换控制。

本控制系统以传感器为感应元件，PLC识别并控制，变频器输出可变频率，从而实现风机自动运行等功能，且由于高速公路隧道区域作为一个相对封闭区域，通风不畅，汽车尾气沉积，油污污染，高低压线缆布线的空间限制导致电磁干扰等等因素，使其成为一个非常恶劣的电气环境，对应用的电气设备的适应性提出很高的要求；而且隧道距离长，设备布设分散，也为监控系统的构建造成一定难度所以在此设计由触摸屏监视控制。

与常规继电器实施的通风系统相比，PLC 系统具有故障率低、可靠性高、接线简单、维护方便等诸多优点。

PLC和变频器及各种传感器配合使用，使系统控制的安全性、可靠性大大提高，也使通风机运行的故障率大大降低，不仅节约了电能，而且还提高了设备的运转率。

控制功能使通风系统的自动化程度大大提高，减轻了岗位人员劳动强度。

系统框图
本PLC控制
系统具有对通风
机的电动机启动
与运行，进行监
控、联锁和过热保
护等功能。

PLC与
车流量、烟尘、温度传感器配合使用，使系统控制的安全性、可靠性大大提高，也使通风机运行的故障率大大降低，提高了设备的运转率。

本系统采用自动工作模式，具有现场控制方式、状态显示以及故障报警等功能。

在自动方式下，利用车流量感器检测车流量的电信号，然后送入 PLC，PLC 将检测到车辆值与设定的车辆值进行比较和处理，输出信号控制通风机工作。

当隧道的车辆低于设定范围数值，工作通风机与备用离心通风机循环工作；当出现突发事故，隧道的车辆高于设定的数值，工作离心通风机与备用通风机不再循环工作，并自动切换为同时工作，加大对隧道内的通风量，直至隧道内的空气升至设定的空气数值以上，工作通风机与备用通风机恢复循环工作。

在有烟尘的隧道供风系统中，隧道内的烟尘浓度传感器检测烟尘浓度，用变送器将现场信号变换成统一的标准信号，送入 A /D 转换模块进行模数转换，然后送入 PLC，同样 PLC将检测到的数值与设定的数值进行比较，当烟尘浓度大于设定数值后，PLC输出信号控制通风机全速工作，防止事故发生。

2.1.1 车流量的计量:
每股行车道的车流量通过PLC进行统计。

当车辆进入路口经过第一个传感器
时，使统计数加1，经过第二个传感器2出路口时，使统计数减1，其差值为该
股车道上车辆的滞留量(动态值)，可以与设定值进行比较，据此作为调整风机运行频率的依据。

表1 主PLC I/O接口分配表
2.2 设计要求：
2.2.1 系统硬件结构
本系统的硬件电路如下图所示，它由8台电动机，一台智能型电控柜（包括三菱变频器、PLC、交流接触器、触摸屏、继电器等），一套车流量传感器、断相相序保护装置以及供电主回路等构成。

2.2.2 设计要求：
1：系统的监控及控制均在触摸屏上进行。

2：系统上电，在触摸屏上按下启动按钮，系统即进入运行模式。

3：以车流量为基准信号进行主控制调节
A、当隧道内车数量在1-29辆，风机以20HZ频率运行
B、当隧道内车数量在30-59辆，风机以25HZ运行
C、当隧道内车数量在60-89辆，风机以35HZ运行
D、当隧道内车数量在90-120辆，风机以40HZ运行
E、当车数量大于120辆，在触摸屏上显示报警信号，表明隧道内发生堵塞，且各组主副电机同时全速50HZ运行
4：当隧道内因火灾或其它原因引起温度高于40℃，各组主副风机均以50HZ 全速运行，并显示温度过高报警，直到温度下降到正常范围。

5：当隧道内因烟尘或大雾，造成能见度降低，各组风机以全速50HZ运行，直到环境恢复正常，并显示报警。

6：各组主副风机如有一台发生故障，另一台自动投入运行。

三．各单元介绍
可编程逻辑控制器(PLC)以其编程简单方便、控制稳定可靠、功能强大等优点通常作为控制器广泛应用于现代工业控制领域。

触摸屏作为人机交互界面在一定程度上减少PLC的外部I／O点的使用以及减轻系统外部按钮开关的连线复杂程度，同时也提高了运行维护的方便性。

随着工业现场对控制设备小型化、易操作化、智能化的要求的不断提高，基于PLC和触摸屏的交流变频调速系统的应用前景将非常广阔。

本文采用三菱PLC(Fx1N－MR)、触摸屏(MT506)、三菱变频器和外部模拟按钮实现两台三相异步电机的交流变频调速实验系统设计。

3.1 PLC的控制单元简介及选择:
3.1.1 PLC概述:
PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。

在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC英文全称Programmable Logic Controller，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是：一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC。

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

（1）CPU的构成
CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程。

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。

内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O 数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

（2）I/O模块
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。

I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。

I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

常用的I/O分类如下：
开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（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，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少。

但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

（3）电源模块
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。

同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。

电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。

3.1.2.PLC外部连接:
传感器作输入信号，5个操作键分别是自动方式开关、手动方式开关、停机按钮，及2个在手动控制下控制通风机运行的按钮开关，开关量传感器为拖动通风机的吸风电机和增风速电机发生堵转故障时热继电器
3.1.3．PLC使用中需要注意的问题:
PLC是一种用于工业生产自动化控制的设备，一般不需要采取什么措施，就
可以直接在工业环境中使用。

然而，尽管有如上所述的可靠性较高，抗干扰能力较强，但当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，就可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证PLC的正常运行，要提高PLC控制系统可靠性，一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力；另一方面，要求设计、安装和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。

因此在使用中应注意以下问题：
1. 工作环境
（1）温度
PLC要求环境温度在0~55℃，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大。

（2）湿度
为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%（无凝露）。

（3）震动
应使PLC远离强烈的震动源，防止振动频率为10~55Hz的频繁或连续振动。

当使用环境不可避免震动时，必须采取减震措施，如采用减震胶等。

（4）空气
避免有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等。

对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中。

（5）电源
PLC对于电源线带来的干扰具有一定的抵制能力。

在可靠性要求很高或电源干扰特别严重的环境中，可以安装一台带屏蔽层的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。

一般PLC都有直流24V输出提供给输入端，当输入端使用外接直流电源时，应选用直流稳压电源。

因为普通的整流滤波电源，由于纹波的影响，容易使PLC接收到错误信息。

2．控制系统中干扰及其来源
现场电磁干扰是PLC控制系统中最常见也是最易影响系统可靠性的因素之一，所谓治标先治本，找出问题所在，才能提出解决问题的办法。

因此必须知道现场干扰的源头。

（1）干扰源及一般分类
影响PLC控制系统的干扰源，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，其原因是电流改变产生磁场，对设备产生电磁辐射；磁场改变产生电流，电磁高速产生电磁波。

通常电磁干扰按干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。

共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态（同方向）电压叠加所形成。

共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏（这就是一些系统I/O模件损坏率较高的主要原因），这种共模干扰可为直流，亦可为交流。

差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，这种干扰叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。

（2）PLC系统中干扰的主要来源及途径
1）强电干扰
PLC系统的正常供电电源均由电网供电。

由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压。

尤其是电网内部的变化，刀开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。

2）柜内干扰
控制柜内的高压电器，大的电感性负载，混乱的布线都容易对PLC造成一定程度的干扰。

3）来自信号线引入的干扰
与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入。

此干扰主要有两种途径：一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。

由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。

4）来自接地系统混乱时的干扰
接地是提高电子设备电磁兼容性（EMC）的有效手段之一。

正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统将无法正常工作。

5）来自PLC系统内部的干扰
主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。

6）变频器干扰
一是变频器启动及运行过程中产生谐波对电网产生传导干扰，引起电网电压畸变，影响电网的供电质量；二是变频器的输出会产生较强的电磁辐射干扰，影响周边设备的正常工作。

3. 主要抗干扰措施
（1）电源的合理处理，抑制电网引入的干扰
对于电源引入的电网干扰可以安装一台带屏蔽层的变比为1：1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰，还可以在电源输入端串接LC滤波电路。

（2）正确选择接地点，完善接地系统
良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。

接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。

完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。

PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。

接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。

例如电缆屏蔽层必须一点接地，如果电缆屏蔽层两端A、B都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层，当发生异常状态如雷击时，地线电流将更大。

此外，屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内又会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。

若系统地与其它接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布，影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。

PLC工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序跑飞或死机。

模拟地电位的分布将导致测量精度下降，引起对信号测控的严重失真和误动作。

1）安全地或电源接地
将电源线接地端和柜体连线接地为安全接地。

如电源漏电或柜体带电，可从安全接地导入地下，不会对人造成伤害。

2）系统接地
PLC控制器为了与所控的各个设备同电位而接地，叫系统接地。

接地电阻值不得大于4Ω，一般需将PLC设备系统地和控制柜内开关电源负端接在一起，作为控制系统地。

3）信号与屏蔽接地
一般要求信号线必须要有唯一的参考地，屏蔽电缆遇到有可能产生传导干扰的场合，也要在就地或者控制室唯一接地，防止形成“地环路”。

信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；不接地时，应在PLC侧接地；信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地；多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏蔽电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理，选择适当的接地处单点接点。

3.1.
4.PLC的选用:
根据设计要求得出，主站PLC需要一个启动按钮X5、和一个急停按钮X4、进口车辆传感器X0、出口车辆传感器X1、温度传感器X2、烟尘传感器X3、变频器故障输入X6七个输入信号，而输出共需8个输出信号。

由于隧道集中监控系统传输距离长，控制规模较大，采用四级控制较为灵活、安全、高效。

四级控制即总中心计算机系统控制、监控分中心计算机系统控制、隧道PLC网络控制、现场自动控制。

隧道监控系统一般情况下是在监控分中心主控计算机的控制下，交由控制器自动控制运行。

隧道PLC网络在计算机的控制下，运行各自局部设施的自动控制。

监控中心控制计算机采集来自分中心及隧道控制单元、各类检测报警单元的运行数据，并给相应的控制单元发送命令，以执行相应任务。

为了避免大材小用，而造成的资金浪费，同时要保证实现操作的可行性，及以后扩展需要，则选用三菱型号为FX1N-MR系列的PLC机型。

FX1N系列是FX系列PLC家族中比较先进的系列。

由于FX1N系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，他可以为你的工厂自
动化应用提供最大的灵活和控制能力。

为大量实际应用而开发的特殊功能开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需要，模拟I/O，高速计数器。

内置24V 直流电源，24V、400mA直流电源可用于外围设备，如传感器或其他元件。

快速断开端子块因为采用了优良的可维护性快速断开端子，即使接着电缆也可以更换单元。

时钟功能和小时表功能在所有的FX1N的PLC中都有实时时钟标准。

时间设置和比较指令易于操作。

小时表功能对过程跟踪和机器维护提供了有价值的信息。

持续扫描功能为应用所需求的持续扫描时间定义操作周期在线程序编辑在线改变程序不会损失工作时间或者停止生产运转。

RUN/STOP开关面板上运行/停止开关易于操作。

远程维护远处的编程软件可以通过调制调解器来检测、上载或是卸载程序和数据密码保护使用一个八位数字密码保护您的程序。

FX1N-MR的PLC机型，I/O总点数为点，输入点数为24(X000~X027)点，输出点为24（Y000~Y027）,为继电器输出，交流电源、24V直流输入类型。

它具有灵活的配置，除了满足特殊需求的大量特殊模块，6个基本单元中的每个单元可扩展256个I/O。

有高速运算，基本指令：0.08us/指令，应用指令：1.52至几百us/指令。

有突出的寄存器容量，FX1N系列包括8K步内置RAM寄存器，用一个寄存器盒可扩展到16RAM或EEPROM。

有丰富的元件资源，3072点辅助继电器，256点计时器，235点计数器，8000数据存储器。

满足我的设计需要。

为了简约整个系统组件及成本，提高工作可靠性，交通等选用220V AC为宜，选用其他型号的交通灯，只需加装相应等级电压转换装置即可，同时要特别注意单点负载电流不能超过2A，若高于2A则要采取隔离技术手段。

3.2触摸屏的介绍:
3.2.1触摸屏的定义与简介
触摸屏（Touch panel）又称为触控面板，是个可接收触头等输入讯号的感应式液晶显示装置，当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动各种连结装置，可用以取代机械式的按钮面板，并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。

随着多媒体信息查询的与日触控屏俱增，人们越来越多地谈到触摸屏，因为触摸屏不仅适用于中国多媒体信息查询的国情，而且触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。

利用这种技术，我。