PLC在隧道射流风机上的应用.docx
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PLC在隧道射流风机上的应用
FoshanUniversity
本科生毕业设计
PLC在隧道射流风机上的应用
学院：
机械与电气工程学院
专业：
电气工程与自动化
学号：
**********
*******
*******
（职称）
二〇一二年五月
摘要
根据对现在公路交通的发展分析，越来越多的隧道的出现，隧道中的通风控制系统是隧道监控系统的重点和难点。
本设计是PLC在隧道射流风机上的应用，研究了当前的隧道通风控制方案，和现有的资源信息，最后决定以三菱的FN2N-48MR的PLC、触摸屏F940G0T和四台风机组成的一个隧道通风控制的设计。
本设计的硬件部分包括了对隧道的通风控制的介绍，PLC的介绍和选择，触摸屏F940GOT的介绍，风机的启动方式等等。
同时本设计的软件部分包括了手动方式、自动方式，具有时间的设定功能，故障提示功能。
关键词：
隧道通风控制系统；PLC；触摸屏
PLCintheApplicationoftheTunnelJetFan
LIUHai-hua
Abstract
Basedonanalyzingthedevelopmentofhighwaytrafficnow,moreandmoreofthetunnel,theemergenceofthetunnelventilationcontrolsystemoftunnelcontrolsystemisthekeyanddifficult.ThisdesignisPLCinthetunneljetonthefanapplication,thecurrenttunnelventilationcontrolscheme,andtheexistingresourcesofinformation,finallydecidedtomitsubishi'sFN2N-48MRPLC,touchscreenF940G0Tandfourtyphoonunitsintoatunnelventilationcontroldesign.
Thedesignofthehardwarepartincludesthetunnelventilationcontrolofintroduction,PLCisintroducedandchoice,touchscreenF940GOTintroduction,thefantheactivationmethodandsoon.Atthesametimethedesignsoftwaresectionincludesmanualmode,automaticmode,withtimesettingfunction,faultpromptfunctions.
KeyWords:
Tunnelventilationcontrolsystem;PLC;Touchscreen
PLC在隧道射流风机上的应用
姓名：
刘海华学号：
**********班级：
自动化
（1）
前言
随着我国经济的高速发展，通畅高效安全的交通系统成为经济进一步发展的基本需求，从而公路亦得以蓬勃发展。
为保证行车安全，提高行车效率，通常在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。
而在这几个方面中，通风控制系统是隧道监控系统的重点和难点,它直接决定隧道行车安全性和舒适性,起到稀释有害气体和污染物质浓度的作用,对隧道的行车安全、运营管理质量以及隧道的运营成本有直接影响。
汽车在行驶中排放的空气污染物主要是CO和颗粒（烟雾）。
将隧道内的CO浓度稀释到不危害人体健康的安全水平,是隧道通风控制系统的重要任务之一。
烟雾颗粒会造成隧道内能见度降低,影响驾驶员观察视野,直接关系行车安全。
而隧道通风系统在火灾发生时也发挥着重要作用,合适的通风方案可以减轻隧道本身受到的破坏,并最大可能地减少人员伤亡。
所以,救援时控制合理的风速风向是通风控制系统的又一项任务。
PLC在隧道射流风机上的应用，就是隧道通风系统的一个部分，通过PLC实现风机的自动控制和监视。
1．隧道通风系统
1．1发展概况
国外对隧道通风问题的研究起步较早，最早出现于铁路隧道，随着公路隧道的出现，针对公路隧道通风的技术问题才得到研究。
1919年，美国在修建纽约市荷兰隧道时，以美国矿务局为主，在一些大学和研究所的协助下，对汽车CO排放量和人体对CO浓度的容许值进行了研究，并以此作为隧道通风计算的依据，这是历史上首次对公路隧道通风的研究，研究结果决定将400ppm作为CO的设计浓度，并以此算出所需要的通风量。
1973年成立的空气动力学和隧道通风国际研讨会（InternationalSymposiumontheAerodynamicsandVentilationofVehicleTunnels），每3年召开一次，各国隧道通风专家展示自己的研究成果，大大推进了隧道通风技术的发展。
1985年，日本的关越隧道一线首次将纵向式通风应用于10KM以上公路隧道，并通过编制的一套程序对关越隧道通风系统进行了模拟，验证其通风系统的可靠性和实用性。
我国的公路隧道建设起步较晚，对公路隧道通风的研究也落后于欧美和日本。
1944年兰州铁道学院完成了依托中梁山隧道和缙云山隧道的公路长隧道纵向通风模型模拟试验研究；1999年重庆公路科研设计院在隧道通风方面曾做过一些相应的研究，在我国现有的经验基础上，借鉴国外公路隧道的成功经验和先进技术，主持编写了《公路隧道通风照明设计规范JTJ026.1—1999》使得隧道通风设有了更新的参考依据。
1．2公路隧道通风系统的组成
公路隧道通风系统主要由车辆检测器、CO浓度传感器、烟雾浓度传感器、风速风向检测器、区域控制器、射流风机/轴流风机以及中心计算机等组成。
其中CO、烟雾浓度传感器，用以快速准确实时地自动测定隧道内的CO浓度和隧道内全程烟雾透过率等数据，由区域控制器采集数据，监控系统将检测数据与控制标准值进行比较，控制风机的启/停。
风速风向检测器，用以自动测定隧道内平行于隧道壁面的风向、风速数据以及检测风机的运行情况。
车辆检测器用以检测隧道内的车流量和车速，对CO/VI预置规模提供参考数据。
公路隧道通风系统组成如图1-1。
图1-1公路隧道通风系统组成框图
1．3公路隧道通风方式
合理的隧道通风方式是安全、可靠性高、建设装方便、投资成本少、隧道内环境好、对火灾的适能力强、运营费用低的通风方式。
应充分考虑各风方式的优缺点，并根据隧道的特点，综合比较确定公路隧道通风方式。
公路隧道的通风方式照送风形态、空气流动状态、送风原理可分为自然通风和机械通风两大类。
机械通风方式又可分纵向通风、半横向通风、横向通风以及混合通风。
1．3．1自然通风方式
自然通风方式不设置专门的通风设备，利用存在于洞口间的自然压力差或汽车行驶时活塞作用产生的交通风力，达到通风目的。
由于交通风的作用较自然风大，因此单向交通隧道，即使隧道相当长，也有足够的通风能力。
但在双向交通的隧道中，交通风力有相互抵消的情形，适用的隧道长度受到限制。
此外，隧道内气流不稳定使得汽车排出的CO等有害物浓度难以控制，发生火灾时排烟能力差成为自然通风的弱点。
1．3．2纵向通风方式
纵向通风是从一个洞口直接引进新鲜空气，并由另一洞口排出污染空气的方式纵向通风分为射流式（如图1-2）、竖井式、风道式以及喷嘴式。
射流式纵向通风是将射流式风机置于车道的吊顶部，吸入隧道内的部分空气，并以30m/s左右的速度喷射吹出，用以升压，使空气加速，达到通风的目的。
纵向通风工程造价低，是目前公路隧道中使用较多的一种通风方式若隧道所处的地质条件不太好，隧道施工比较困难时，尽量采用纵向式通风方式，以减小隧道断面积，节省工程造价。
图1-2射流式隧道通风
1．3．3横向式通风方式
横向式通风的特点是风在隧道的横断面方向流动，一般不发生纵向流动，因此有害气体的浓度在隧道轴线方向分布均匀。
该通风方式使CO、烟雾等有害物排出路程短，新鲜空气利用充分，且隧道内无明显纵向气流，火灾时火势也不会迅速纵向蔓延，有利防火排烟。
但隧道内需设置送风道和排风道，从而增加建设费用和运营费用。
图1-3为横向式隧道通风示意图。
图1-3横向式隧道通风
2．方案设定
2．1方案分析
第一种方案，用PLC、传感器、A/D转换器、触摸屏和射流风机组成一个反馈系统的隧道通风监控系统。
第二种方案，用PLC、触摸屏和射流风机组成一个前馈系统的隧道通风监控系统。
两个方案的硬件区别是一个多了传感器和A/D转换器，一个没有，传感器包括了车辆检测器、CO浓度传感器、烟雾浓度传感器、风速风向检测器等等，通过这些传感器测得的模拟数据，再通过A/D转换器转换成数字信号，控制PLC，从而控制电机的启停。
优点是可以根据实际情况，可以马上进行对风机的控制，达到理想状态，风机控制上可以多元化。
缺点系统比较复杂，成本高。
这方案更加切合实际情况，是隧道通风系统的发展方向。
而第二种方案，是根据先前对隧道的车流量的测量，再划分时间段，从而在不同的时间段，对风机实施不同的控制。
优点是系统简单，成本低。
缺点是不能根据实际情况进行风机控制，风机控制上的比较单一性。
2．2方案的选定
通过比较两种方案的优缺点，再加上现在的设备提供，最终选取第二种方案，进行本次的设计。
现在假设某隧道全长1000米、双车道、双向行驶，安装风机四台，分二组，一组编号为1#、2#，另一组编号为3#、4#。
在白天8点到晚上21点时间段内车流量特别多，隧道内空气污浊，风机两组四台需要全部运行：
晚上21点后到第二天早上7点时间段内车流量比较少，风机只开一组；另外，考虑要合理使用风机和延长风机的使用寿命，决定两组风机要轮换使用，具体规定如下：
晚上21点30分后要先关一组1#风机，23点再关一组2#风机，剩下二组3#、4#两台运行；到第二天早上，7点开—组1#风机，7点30分开一组2#风机；第二天晚上21点30分后要先关二组3#风机；23点再关二组4#风机，剩下一组1#、2#两台运行；再到下一天的早上7点开二组3#风机，7点30分开二组4#风机，依此类推，循环下去。
根据假设的条件，本设计做了一定的修改，本设计可以随时更改开机时间和关机时间，还有就是程序分自动模式和手动模式两种。
2．3方案的流程图
本方案的总流程图，如图2-1。
图2-1方案的总流程图
当选择了自动模式，设定好时间后，PLC的具体工作：
当四台风机都没有工作的情况下，通过时间继电器T5延时3秒，3秒后，由传送指令把常数3传送K1Y0，驱动Y0、Y1工作，一组风机1#开始星形起动，T6（6秒）后，当1#风机达到常速再把常数5传送到K1Y0，驱动Y0、Y2工作，实行三角形全速运行；当一组1#风机正常运行T20（9秒）后，T20常开触点闭合，把常数3传送到K1Y4，驱动Y4、Y5工作，一组风机2#开始星形起动，T7（6秒）后，当2#风机达到常速再把常数5传送到K1Y4，驱动Y4、Y6工作，实行三角形全速运行工作；当一组2#风机正常运行T21（9秒）后，通过T21把常数3传送K1Y10，驱动Y10、Y11工作，二组3#风机开始星形起动，T8（6秒）后，当3#风机达到常速再把常数5传送到K1Y10，驱动Y10、Y12工作，实行三角形全速运行；当一组3#风机正常运行T22（9秒）后，通过T22把常数3传送K1Y14，驱动Y14、Y15工作，二组4#风机开始星形起动，T9（6秒）后，当4#风机达到常速再把常数5传送到K1Y14，驱动Y14、Y16工作，实行三角形全速运行；至此起动全部完成。
流程图如图2-2。
图2-2电机自起动流程图
3．硬件部分
3．1PLC的简介
可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC），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。
基本构成：
一、电源。
二、中央处理单元（CPU）。
三、寄存器。
四、输入输出接口电路
五、功能模。
块六、通信模块。
3．1．1PLC的选择
根据设定的方案、成本要求和对现有的PLC熟悉程度，最终选择了三菱FX2N系列中的FX2N-32MR-001。
I/O总点数为32，输入点数16，输出点数16。
R-继电器输出（有触点，可带交直流负载）。
3．1．2PLC的I/O接线图
图3-1PLC的I/O接线图
3．2触摸屏
触摸屏（touchscreen）又称为“触控屏”、“触控面板”，是一种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。
触摸屏作为一种最新的电脑输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。
它赋予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。
主要应用于公共信息的查询、领导办公、工业控制、军事指挥、电子游戏、点歌点菜、多媒体教学、房地产预售等。
3．2．1触摸屏的选择
根据设计要求，加上成本的考虑，最终选择了F940GOT。
3．2．2F940GOT的简介
一、图形操作终端（GOT）是一种操作触摸面板，可以一边观看画面中对可编程控制器的各软元件的监视以及数据的变化一边进行显示。
GOT通过画面可以设定开关、指示灯、数据、采集信号、图形的显示功能。
二、对PLC的程序、参数可以检查、监视、和修改。
三、GOT具有多个画面通过连接可以相互翻页。
四、GOT可以与计算机、变频器、PLC之间进行通讯。
五、F940GOT与三菱FX或A系列PLC连接使用。
显示画面包括用户设计画面和系统画面，如图3-2
状态
功能
功能概要
备注
画面状态
显示用户制作的画面
文字显示：
●英文、数字、假名、汉字、外文等
●日语、中文（简体）、英文、韩语等
绘图：
直线、圆、四边形等
监视功能：
●利用数值、条形图、圆、折线图等监视PLC的字元件（D、T、C、V、Z）设定值和监视值；
●可通过为元件（X、Y、M、T、C、S）的ON/OFF颠倒指定范围的画面显示色
数据变更功能：
改变数值、折线图、仪表形式的（D、C、T、Z、V）现在值和设定值。
开关功能：
用瞬间控制和间歇控制设置和复位形式控制位元件（X、Y、M、C、T）ON/OFF。
画面切换：
先是画面的切换，可用PLC或触摸键切换
接受功能（数据文件传送）：
向PLC传送保存在GOT中的文件
安全功能（画面保护功能）：
只显示与密码一直得画面
HPP状态
程序（清单）
可在GOT中显示PLC的程序、输入程序、修改程序监视
参数
可用读出/写入程序容量、存储器锁定范围等参数
FX系列有效
BMF监视
可对FX2N、FX2NC系列特殊功能模块的后备存储器（BMF）进行监视，也可以变更其设定值
FX系列有效
软元件监视
可用元素序号或注释监视位元件的ON/OFF及字元件的现在值及设定值
FX2N、FX2NC系列有效
变更现在值和设定值
可用位元素或注释变更字元件的现在值和设定值
强制ON/OFF
可强制ON/OFF位元件（X、Y、M、S、T、C）
状态监视
自动显示、监视处于ON动作的状态（S）序号
PC诊断
读出并显示PLC的错误信息
采样状态
条件设定
设定所采样的字元件（最多4点）及采样开始/终结时间等条件
结果显示
用清单或图标形式显示采样结果
数据清除
清除采样数据
报警状态
状态显示
按顺序一览显示报警
记录
按顺序将报警与时间存储到记录
总计
存储每个报警信息的发生次数
记录清除
清除报警记录
检测状态
画面清单
按序号显示用户制作的画面
数据文件
变更接受功能中使用的数据
测试动作
可确认是否正确完成了用户制作画面显示时的键操作和画面切换
其他状态
时间开关
使指定位元件在指定时间置ON
个人电脑传送
可在GOT与画面制作软件之间传送画面数据、采样结果和报警记录
打印机输出
用打印机打印采样结果、报警记录
关键字
可登录用于保护PLCd关键字
可进行系统语言、连接的PLC、连续传送、标题标题画面、菜单画面呼出、现在时间等初期设定
图3-2显示画面
3．2．3GOT与PLC、电脑的连接
（1）GOT的通信端子
GOT的通信端子有两个：
RS232C和RS422。
RS232C和电脑相连，将电脑设计的画面传输到GOT，也可以将电脑编写的程序通过此端口传输的PLC。
RS422和PLC相连接，实现对PLC的控制和监视。
GOT的通信端子如图3-3所示。
图3-3GOT的接线图
（2）GOT与电源的连接
GOT需要24V直流电，因此GOT需要连接到24V直流电源或者PLC的24V直流电源输出上。
3．3射流风机的简介
3．3．1射流风机的结构
射流风机由轴流风机加消音器组成，射流风机的结构见图3-4.
图3-4射流风机的结构图
3．3．2射流风机的原理
射流风机的出口不是同管道连接，射流风机安装在一个空间中，高速气流由射流风机出口射出，带动周围空气向前流动，在隧道中形成通风，见图3-5由于射流风机是通过其高速气流带动周围空气流动，因此风机产生的气流速度越高，带动隧道内空气流动能力越大。
因此，射流风机常被设计成具有很高的出口风速，超过30m/s。
风机出口风速越高，产生噪音越大，射流风机两端必须加装消音器，消音器分一倍风机直径和两倍风机直径两种。
图3-5射流风机
通风机的性能可以由全压P和流量关系Q，以及效率η与流量Q的关系完全表示。
由于通风机的全压P由静压Pst和动压Pd组成，而风机静压Pst和动压Pd占风机全压的P比例又会随着风机的设计的不同而有所变化，因此，风机全压P是表示通风机压力性能的最可靠的参数。
通风机的实际工作点是由通风机性能曲线与管网系统的匹配决定的。
3．3．3电机的接法
1、降压启动的含义：
是指利用启动设备将电压适当降低后，夹道电动机的定子绕组上进行启动，待电动机启动运转后，再使其电压恢复到额定电压正常运转。
2、Y-△降压启动的含义：
是指电动机启动时，把定子绕组接成Y形，以降低启动电压，限制启动电流。
当电动机的转速接近额定转速时再换成△接法运行的控制方法。
3、星形接法（Ｙ接法）：
把电机的首端或末端相连，由剩下的三个接线端接入三相电源的接法称为星形接法。
如把U1/V1/W1相连，由U2、V2、W2接入三相电源。
三个绕组的连接像一颗星星，如图3-6a。
4、三角形接法（△接法）：
三相绕组的尾首顺次相连后接三相电源的接法称三角形接法。
如图U1和W2相连、V1和U2相连、W1和V2相连，即第一相的尾接第二相的首，第二相的尾接第三相的首，第三相的尾接第一相的首。
由U1、V1、W1三个接线端接入三相电源。
三个绕组的连接像个三角形，如图3-6b。
图3-6电机的Ｙ接法和△接法
5、本设计决定用电机Y—△的起动，因为电机功率大，起动电流大，所以要采用Y—△的降压起动方法进行转换，以达到限制起动电流的目的。
启动时，定子绕组首先接成星形，待转速上升到接近额定转速时，再将定子绕组的接线换成三角形，电动机便进入全电压正常运行状态。
线路中Y方式和△方式的常闭触头构成互锁，保证电动风机绕组只能连接成一种形式，即Y或者△，以防止同时连接成星形和三角形而造成电源短路。
3．3．4射流风机的接线图
本设计的电机接线如图3-7。
图3-7射流风机的接线图
4．软件部分
4．1GXDEVELOPER的简介
GXDeveloper是三菱PLC的编程软件。
适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。
支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能。
4．1．1GXDeveloper的特点
1.软件的共通化：
GXDeveloper能够制作Q系列，QnA系列，A系列（包括运动控制（SCPU））,FX系列的数据,能够转换成GPPQ,GPPA格式的文档。
此外，选择FX系列的情况下，还能变换成FXGP（DOS）,FXGP（WIN）格式的文档。
2.利用Windows的优越性，使操作性飞跃上升能够将Excel,Word等作成的说明数据进行复制，粘贴，并有效利用。
3.程序的标准化：
（1）标号编程：
用标号编程制作可编程控制器程序的话，就不需要认识软元件的号码而能够根据标示制作成标准程序。
用标号编程做成的程序能够依据汇编从而作为实际的程序来使用。
（2）功能块：
以下，略称作FB）FB是以提高顺序程序的开发效率为目的而开发的一种功能。
把开发顺序程序时反复使用的顺序程序回路块零件化，使得顺序程序的开发变得容易。
此外，零件化后，能够防止将其运用到别的顺序程序时的顺序输入错误。
（3）宏：
只要在任意的回路模式上加上名字（宏定义名）登录（宏登录）到文档，然后输入简单的命令就能够读出登录过的回路模式，变更软元件就能够灵活利用了。
4.能够简单设定和其他站点的链接：
由于连接对象的指定被图形化而构筑成复杂的系统的情况下也能够简单的设定。
5.能够用各种方法和可编程控制器CPU连接
（1）经由串行通讯口
（2）经由USB
（3）经由MELSECNET/10（H）计算机插板
（4）经由MELSECNET（Ⅱ）计算机插板
（5）经由CC-Link计算机插板
（6）经由Ethernet计算机插板
（7）经由CPU计算机插板
（8）经由AF计算机插板
6.丰富的调试功能
（1）由于运用了梯形图逻辑测试功能，能够更加简单的进行调试作业。
（a）没有必要再和可编程控制器连接。
（b）没有必要制作条使用的顺序程序。
（2）在帮助中有CPU错误，特殊继电器/特殊寄存器的说明，所以对于在线中发生错误，或者是程序制作中想知道特殊继电器/特殊寄存器的内容的情况下提供非常大的便利。
（3）数据制作中发生错误况时，会显示是什么原因或是显示消息，所以数据制作的时间能够大幅度缩短。
4．2三菱PLC触摸屏软件FX-PCS-DU-WIN-C的简介
FX-PCS-DU-WIN-C编程软件为人机交互界面的设计提供了良好的开发环境。
在确保安装完成该开发软件后，打开该软件，进入设计环境。
和大多数开发软件一样，FX-PCS-DU-WIN-C采用菜单式环境设计，使用工程项目管理，因此，当需要设计新的触摸屏交互界面时，必须单击左上方“文件——新建”或者直接点击左上角
按纽，新建工程项目，这时软件自动弹出一个“项目设定”对话框，如图4-1所示。
图4-1FX-PCS-DU-W
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