基于PLC的隧道通风排水控制系统设计.doc

基于PLC的隧道通风排水控制系统设计 郑州大学毕业设计（论文）题 目 基于PLC的隧道通风 排水控制系统设计 院 系 专 业 班 级 学生姓名 学 号 指导教师 职称 2016年 5 月 26日摘 要本设计以普通地下车辆交通隧道通风风机和排水泵为控制对象，根据隧道内检测的烟雾浓度、风速、蓄水池液位及相应控制要求，设计电气控制原理图和PLC控制程序，可实现烟雾浓度检测、液位检测、风机启停、水泵启停全自动控制，具有互锁保护功能，能实现自动-手动转换操作。本文采用了西门子S7-200PLC的CPU226 AC/DC/RLY模块，加之EM231的模拟量输入扩展模块，并辅以隧道CO/VI检测器、超声波液位计、单向式射流风机和德国威乐水泵等元器件，成功实现了对隧道通风排水的自动-手动控制。即使是火灾或暴风雨等特殊情况，该系统经过运行调试后也能游刃有余。关键词：隧道；通风排水；射流风机；水泵AbstractThe design of common underground vehicle traffic tunnel ventilation and drainage pump as the control object, according to the requirements of the tunnel detection of smoke concentration, wind speed, liquid level of the reservoir and corresponding control and electrical design control principle diagram and the PLC control program can achieve the start and stop smoke concentration detection, liquid level detection, fan, pump start and stop automatic control, with interlocking protection function, can realize the automatic and manual conversion operation. In this paper, the Siemens S7-200 cpu226 AC/DC/RLY module, coupled with the EM231 analog input expansion module, and supplemented by tunnel CO/VI detector is and ultrasonic level meter, one-way jet fan and German wilo pumps and other components, successfully realize the of tunnel ventilation and drainage of automatic and manual control. Even the fire storm or other special circumstances, the system can also ease after operation after commissioning.Key words: tunnel; ventilation and drainage; jet fan; water pump目 录摘 要IAbstractI1 绪 论11.1 选题的背景和意义11.2 国内外研究情况综述11.3 论文应达到的要求及采用设备方法31.4 本章总结与反思32 可编程控制器42.1 可编程控制器发展42.2 可编程控制器概述42.3 可编程控制器分类及组成52.4 S7-200 PLC简述72.5 本章总结与反思73 PLC硬件设计83.1 通风系统硬件设计83.2 排水系统硬件设计183.3 隧道通风排水控制系统总PLC原理图223.4 本章总结与反思254 PLC软件设计264.1 系统控制要求简述264.2 PLC软件设计274.3 PLC的安装与维修364.4 本章总结与反思385 结 论40致 谢.42参考文献42附录1：外文资料翻译44A1.1 译文:基于PLC专用处理器的一种高性能体系结构设计44A1.2 原文：A high performance architecture design of PLC dedicated processor53附录2 电气原理图64附录3 程序清单67I1 绪 论1.1 选题的背景和意义自从改革开放以来，伴随着我国国际地位的飞速提升，我国的经济水平也走到了世界的前列，堪称世界第三大经济体。这其中，交通运输业对经济增长助力颇多。但是我国国土资源有限，交通运输业目前还存在着浪费土地的不高效现状，违背了可持续发展。再加之很多山地地区由于地形的缘故，所以隧道工程自改革开放以来在我国得到了突飞猛进的发展。隧道的高效安全问题，以及自动工业化程度也就显得尤为重要。隧道的几何特性导致了隧道具有相对密闭性，尾气等污染物无法第一时间排出隧道。就这样日积月累,当污染物聚积到一定浓度，就会导致可见度下降和有害气体含量上升，甚至隧道内积水无法及时排掉，直接危害到行车安全以及人体健康1。在这种情况下，基于PLC的隧道通风排水控制系统应运而生。该系统能加强隧道内的通风排水，以降低汽车所排污染物浓度，保证隧道正常的空气湿度。通风排水系统即在实时监测这些隧道环境参数的基础上，控制隧道通风风机和排水泵的开启台数及功率大小，保障隧道的安全健康运营。通过PLC和各种传感器的配合使用，使通风排水控制的安全性、可靠性大大的提高，不仅节约了电能，而且还提高了设备的运转率。特别是在面对车祸火灾或暴雨积水的特殊情况时，该系统能自动进行调整，这将有着很强的现实意义和应用前景。一个国家的交通运输对一个国家的经济发展起到至关重要的作用。其一我国国土辽阔，在广阔的土地上，一条条交通要道纵横交错，有很多的交通要道都要经过隧道，因而探寻更加合理高效的隧道技术是我国经济高速发展的必要条件；再者，据有效数据统计，我国每年交通事故发生在隧道内的比重很大，而且造成的损失也十分的严重，因此隧道技术在减少事故发生率和安全运营方面也显得更加不可或缺。1.2 国内外研究情况综述在高速公路工程的建设上，国外相对于国内起步比较早，对隧道通风排水系统的设计研究也更为先进。国外拥有交通工控的一套完整设计思路，尤其瑞士等一些欧洲国家在公路及铁路隧道建设方面经验丰富。瑞士这个国度以多山地形闻名，其中就有世界著名的阿尔卑斯山横贯。早在100多年前的20世纪初，在美国矿务局以及当时一些知名大学通力合作下，美国修建纽约一隧道时，对隧道内CO浓度以及人体能够承受CO浓度上限进行了研究测试。研究结果显示科学家们将400ppm当做CO临界值，并以此计算隧道需要的通风量，这是历史上第一次对隧道系统的正式研究。世界各国的隧道通风方式的发展也经历了一个逐步完善的过程。日本大多数隧道所采用的纵向式通风（包括分段纵向式通风），开始了隧道通风的新纪元，其中以日本的惠娜山隧道为代表隧道。高速公路高速发展的过程中出现了许多特长特大隧道，但因隧道通风排水系统设计不恰当所引起的交通事故，造成了许多的生命和财产损失2。因此隧道通风排水控制系统自动化程度需要不断提高才能跟上社会的脚步，满足人们的需求。最近几年我国经济实力的飞速发展离不开以高速公路为骨干的高等级公路建设，其中隧道的建设更是重中之重。我国的多山丘陵地形决定了隧道在公路建设中的必要性。目前隧道通风方式种类繁多，但以机械通风为主要形式。其中机械通风又细分为纵向式，射流式，风道式，喷嘴式和竖井式通风。自然通风。这种通风方式不安装专门的通风设备，是采用存在于两个洞口间的自然压力差值产生的自然风或者汽车行驶时车体周围摩擦产生的交通风，达到送风的目的。我国规定：LN600可采用自然通风。（L-隧道长度，公里；N-高峰小时交通量，辆/小时）纵向通风。其中射流式送风方式利用设置于隧道顶部的射流式风机通风，设备费用低，但是噪声颇大。而竖井式通常用于长隧道中，进行分段通风。半横向式通风。其特点是利用空气动力学原理使新鲜的空气聚集在汽车排气孔附近，第一时间稀释尾气，这种方法仅需要设置排风道，比较经济。横向通风。这种通风方式方便了防止火灾和处理烟雾，但需建造送风道和排风道，从而变向增加建设费用和维护费用。隧道是否积水是隧道正常行车与否的关键。这个问题也是隧道能否正常运营的关键。目前国外隧道排水系统主要是在隧道内按一定的距离设置滤水箅，滤水箅通常是设置在路面以下。滤水箅主要分为暗沟与开口式明沟，暗沟较之明沟更加的隐蔽，也更加的易于维护。而我国根据隧道附近地理形态的相异，提出了隧道排水的原则是“排，隔，堵三种处理方式相互结合，因地制宜，综合治理”。我国常用的排水结构：盲沟-泄水沟-排水沟。但是这种排水系统收集隧道内积水的能力还是有限，遇到大雨或者暴雨时，其排水能力就显得捉襟见肘。同时目前众多排水系统基本上是一个项目一个边沟型式，未把隧道的长度考虑在内，往往得不到对积水的最佳引排效果3。1.3 论文应达到的要求及采用设备方法该系统应达到的要求：a.能够实现全自动控制。b.能够手动控制。c.具有互锁保护功能。拟用设备：AUTO CAD、V4.0 STEP7 Micro WIN SP9、S7-200仿真、鼓风机、排风机、水泵、CO/VI检测器/监测仪、液位传感器。方法：使用AUTO CAD绘制主电气控制原理图，使用V4.0 STEP7 Micro WIN SP9绘制PLC程序清单和软件梯形图，最后使用S7-200仿真进行仿真。1.4 本章总结与反思 本章着重介绍了选这个课题的背景和意义，对于此课题目前国内外的研究现状，以及PLC在隧道内的应用现状。最后我大致叙述了本论文拟解决的主要问题和论文应达到的要求，一些采用的设备和方法。此章节是我对这个设计的一些宏观规划，后续实验设计都是以本章为核心的。由于实际情况限制，这个设计我无法去现场试验，所以我采用的设备可能不足以支撑整个长隧道的运营。所以，我觉得我的设计更适合中小型隧道，一些射流风机、水泵以及传感器的实际安装还需要进一步实地检测。这些是我的设计以后需要改进的地方。2 可编程控制器2.1 可编程控制器发展PLC最初研制时的目的主要是用于替代传统的控制装置，即以继电器接触器为代表的低压电器控制。继电器控制装置的运行方式是若某个线圈得电或失电，这个线圈的其他触点也会同时动作，是硬逻辑并行运行。这种控制系统有着明显的缺点，系统体积大，运行不方便，学习成本高，尤其无法根据设计要求灵活改变程序，必须全部从头开始。而不同于继电器控制装置，PLC运行方式是一种类似栈的方式，不管输出继电器是动作信号还是存储信号，他都会按照顺序，只有其触点被扫描到，它才会动作进行后续操作，相对来说安全保障性更佳。PLC的发展与数字电子、模拟电子、电力电子等大多数工控学科的发展完善息息相关。从控制功能来分，PLC的发展经历下列四个阶段：第一阶段，也就是可编程序控制器的诞生阶段，指从第一台可编程序逻辑控制器问世取代继电器控制方式开始。这一阶段产品主要用于逻辑运算和定时、计数，其功能相对简单实用。第二阶段，贯穿20世纪中期到末期为止，属于可编程序逻辑控制器的小范围扩展阶段。此阶段新增了从模拟仪表发展而来的控制器，主要功能是逻辑运算和模拟运算。第三阶段，从20世纪70年代末期到80年代中期，是PLC的大力发展阶段。期间伴随计算机通信的发展，PLC也形成了小范围的通信功能，数据传播与运算在这一时段得到了迅速发展。第四阶段，即第三阶段开始至今，是PLC的开放阶段。此阶段PLC形成工业控制产业网，全球自动化开始发展，形成统一的通信软硬件系统，增加了多种编程语言，可以称之为一门完整的学科了。2.2 可编程控制器概述PLC的全称是可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），国际工委会（IEC）对PLC进行过定义。通俗的讲，可编程逻辑控制器是一种服务于自动化工业生产的电子系统。它通过数字运算，利用内部的可以编程序的存储器来处理逻辑运算、顺序控制、存储、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字的输入输出或模拟的输入和输出来控制各种生产过程4。可编程序控制器及其上位机、下位机构成完整的以太网控制系统，在工业生产中提供了很大的便利与帮助。世界上生产PLC的著名企业有：美国（Rockwell公司所属的AB公司、GE-Fanuc公司）、日本（三菱、松下公司、OMRON）、德国（西门子）、法国（施耐德）。PLC具有十分强大的功能，不仅具有采集信号、处理数据的能力，还可以实现逻辑控制，对输出进行控制，而且对于系统故障具有自诊断功能，具有以太网接口，可实现通信联网、人机对话。PLC具有如下特点：a. 安全可靠，自主能力强。PLC是用软件代替了中间继电器和时间继电器，与传统的继电器控制相比，减少了大量的硬件触点和接线，仅仅在输入和输出电路部分还需使用一些硬件元件，可以大大降低因为硬件触点的老化、使用时间过长造成的接触不良，提高系统的可靠性。 可编程逻辑控制器有很强的抗干扰能力，原因就在于，PLC设计者设计了许多抗干扰措施，包括硬件电路的抗干扰和软件设计中加入软件抗干扰的方法，使系统运行过程中受现场的干扰信号的影响很小，自主性能好。b. 编程容易，操作方便梯形图语言是PLC应用广泛的编程语言，梯形图语言十分形象直观，它的表达方式和电路符号与继电器电路的原理图十分相似，没有接触过梯形图的电气技术人员只需要花上很短的时间就能过掌握梯形图语言，并能够编写简单的用户程序。c. 便于设计、调试、安装，以及后期的维护由于采用软件电路代替大量的时间继电器、中间继电器和定时、计数器，系统的设计、调试、安装十分方便。d. 体积小，重量轻，功耗低由于软件电路代替了大量的继电器，PLC的体积、重量也大大降低。e. 模块化结构，通用性强PLC采用模块化的设计方式，便于系统的安装与拆卸，而且方便对模块进行扩展，使系统具有较强的通用性。2.3 可编程控制器分类及组成2.3.1可编程逻辑控制器分类a.按结构分类PLC以其硬件的结构形式为标准，分为整体式、模块式和叠装式。b.按照控制规模分类PLC的控制规模，即数字量的I/O点数及模拟量的输入/输出点数。按照以上划分方式，PLC较为细致的被分为数十点的微型机、500点以下的小型机、500点至上千点的中型机、数千点的大型机、上万点的超大型机等。2.3.2可编程控制器工作过程PLC的工作过程是以按顺序循环扫描的方式的方式进行的。运行状态下的PLC，其运行周期可划分为输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段总共三个基本阶段。此工作过程的特点是输出对输入的响应有滞后现象。这个滞后时间的长短主要取决于循环周期的长短、输入电路滤波时间和输出电路滞后时间等。2.3.3可编程逻辑控制器的组成输入单元CPU输出设备电源通信接口扩展接口扩展单元存储器编程器写入器打印机人机界面上位机PLC总线输入设备输出设备输入接口输出接口图2.1 PLC硬件系统的基本结构框图2.4 S7-200 PLC简述西门子的可编程控制产品有三个系列：S7、M7和C7，它们各有特点及应用环境。S7-200是其中一款经济型的PLC，它的结构简单紧凑，易于扩展，价格低廉而功能强大，可靠性高，运行速度快，性价比一流。S7-200继承和发挥了其在大、中型PLC领域的技术优势。S7-200系列PLC的基本结构包括四部分，其中以PLC主机为核心。PLC本身自带有I/O端口，同时还可以扩展各种功能模块。因此S7-200系列PLC既可以单机运行，也可以连接各种功能扩展模块。为了扩展I/O点和执行特殊功能，S7-200可以连接扩展模块。常用的扩展模块有：定位模块EM253、通信处理模块EM241和测温模块EM231等。S7-200拥有三种模式，分别是PLC共有的模式（RUN和STOP）以及特色的模式-TERM（终端）模式。而且这种模式需要编程软件STEP7的结合使用。这三者之间可以通过安装在PLC上的方式选择开关进行切换使用。除此之外，S7-200拥有5种常用编程语言。2.5 本章总结与反思 本章主要介绍了可编程逻辑控制器的发展、概述、组成以及工作过程。世界上一些生产PLC的大型厂商中没用中国厂商，这实在是一种遗憾和讽刺。特别的，我着重介绍了本设计我使用的PLC S7-200，它的组成，CPU模块以及编程语言。在后续的研究中，我发现S7-200已经渐渐被S7-1200所取代了，我得扩展我的PLC掌握范围，学习更先进的PLC，赶上时代的步伐。像S7-300或S7-400等中大型机才是工业生产的主力军，这些我都得弥补。3 PLC硬件设计3.1 通风系统硬件设计通风系统主要是为了使隧道系统的CO浓度以及能见度保持在正常值范围，使隧道内的空气质量、行车环境符合标准而设计的。本设计中隧道通风系统现场设备主要是由CO/VI传感器、PLC、风机等几部分组成。CO/VI检测仪可以对隧道内的CO浓度和能见度进行实时监测，将测得的模拟信号转换为标准的电压或电流信号（210v、420mA）输入到PLC的模拟输入模块，PLC对该信号进行处理，控制风机做出相应的动作。为了设计隧道通风控制系统，首先应该对通风系统的硬件进行选择，主要包括风机型号的选型、传感器型号的选型、以及PLC型号的选型，最后根据系统的要求得出PLC的输入输出分配表，得出PLC的原理图，然后再组成系统。3.1.1 VI/CO检测仪的选型经查阅资料得到，隧道一般情况下CO浓度范围为0500ppm,VI数值为00.035 l/m左右。根据上述数据选择CO/VI检测仪US Regal Tunnel VICO 740。隧道CO/VI检测器/监测仪 US Regal Tunnel VICO 740是一款设计用来实时采集CO/VI数据，并为进行实时监控而服务的仪器，也为隧道通风及道路通行提供决策依据。VI分析仪由两个部分组成，结构简单。安装距离3米或10米（可调）。经反射后其量程会得到翻倍。光束经过灰尘会衰减，此时接收器得到信号并经判断阅读单元处理为测量值。分析仪会自我进行一部分数据分析与误差处理。CO采用红外光谱气体吸收相关法，利用特定CO在红外光谱上显示的CO吸收波峰左右数值来估算CO的浓度测量值。隧道CO/VI检测器/监测仪US RegalTunnelVICO740特点： 可同时或分别测量能见度和CO浓度。 分析部分可显示测量曲线。 开机后可自动调整，快速，节约费用。 安装、开机、维护费用低。 大量程，完善且耐用的光学探头。 零点补偿功能。 多种输出方式，数据采集方便。 可安装于小隧道，只需测量一点。 可安装于长隧道。 每一隧道口可集成有雾探头。 具有可扩展功能，根据未来设计需要，可增加对含氮或硫元素等其他有害气体的检测功能。技术参数如下： 产品型号US RegalTunnelVICO740 量程VIS:K=0351/kmCO:0.500ppm 测量精度VIS:0.11/kmCO:1ppm 防护等级IP68 模拟输出2通道：0/2/420mA，最大负载1000欧 数字接口RS232/RS485/RS422 继电器输出CO故障；VI故障；维护/污染/报警指示 数字输入5V最大，2mA；外部维护开关 工作温度-50+70 工作湿度0100%RH无冷凝 数据存储本地数据存储72小时 状态显示设备状态LED显示 数值显示测量数值LCD实时显示 安装方式壁挂安装 响应时间30s5 电流转换参数对照表如下所示：表3.1 电流转换参数对照表烟雾浓度（1/m）输出电流（4 20mA）04.003.5E-0220.00烟雾浓度和输出电流成线性关系，见下图3.1图 3.1 烟雾浓度和输出电流关系CO与输出电流转换关系如下：表3.2 CO与电流成线性关系一氧化碳CO（ppm）输出电流（4 20mA）04.0050020.00CO浓度和输出电流成线性关系，见下图3.2图 3.2 CO浓度和输出电流关系VI/CO检测仪如图3.3：图 3.3 VI/CO检测仪US Regal Tunnel VICO 740检测仪是专门针对隧道恶劣环境所设计的，它能将隧道内的能见度值、CO浓度值转换为420mA的标准电流信号输入到PLC的模拟量通道，输入量程与模拟量输入输出通道的量程相匹配，方便计算对应值。因此选 US Regal Tunnel VICO 740检测仪作为隧道通风系统测量能见度、CO浓度值的传感器。3.1.2 隧道风机型号选型射流风机是专门针对公路及铁路隧道的通风系统而设计的，以射流风机为主要通风设备的通风方式属于纵向通风方式。隧道风机一般是悬挂在隧道的顶部和两侧的位置，不占用交通面积。也不需要修建风道，是一种十分经济可靠地通风方式。射流风机运行过程中,能产生较高的推力，流经隧道内的部分空气被吸入风机中，经过叶轮做功，由风机出口喷出高速的气流，根据冲击传动原理，获得能量的高速气流将能量传递给隧道内的 空气，推动隧道内的空气向前流动。隧道内间隔分布的风机将隧道内的气流不断向前传递，新鲜空气从隧道入口处被吸入，隧道内被污染的空气通过风机运行及自然风的作用由出口排出，通过隧道内的空气流动，改善隧道中的空气质量，营造更好的行车环境。遂道式通风机有两种类型组成，分别是单向射流风机SDS和双向射流风机SDS(R)，最大推力可达3500牛。SDS隧道射流风机结构图如图3.4所示。图 3.4 隧道射流风机结构图 从上图射流风机外观来看，风机主要由左右两端的消声器、支架脚以及风机本体组成。SDS射流风机外部进行涂装处理以保证风机的强度和防腐度。风机本体中的叶轮可根据需要由设计人员改变叶片数和叶片角度。两端的消声器通过螺栓与风机本体固定，消声器通常情况下为风机直径的一倍，对消除噪声要求严格的场合也可以取为风机直径的两倍6。本系统选择型号为SDS-90t-4p-22kw的射流风机，是单向运转轴流风机，且自带故障信号，具体参数如下：风机直径：900mm 电机功率：22 KW 轴向推力：695 N 风机转速（N/min）：1470 风机出口风量：20 风机出口风速：31.4 m/s射流风机外形如图所示：图 3.5 单向式射流风机由风机参数可得，基于SDS-90t-4p-22kw射流风机的射流通风方式能满足长度在1000米及以下的双向交通隧道，符合本文中隧道通风的要求。3.1.3 PLC选型选择PLC时，对所选择的PLC的基本要求是所选择的PLC要能够满足控制系统对功能的要求。选择PLC主要从以下几个方面考虑：1) 结构的选择系统在功能和I/O点数相同的情况下，整体式的PLC相对与模块式的PLC价格要低。2) 输出方式的选择不同的负载对PLC的输出方式的要求也不相同。一般来讲，PLC的输出类型有晶体管、继电器和SSR输出三种。但对于S7-200CPU则只有前两种方式。其中继电器输出型的PLC可以驱动直流负载和交流负载。在下列表中，电源电压是PLC的工作电压，输出电压是由用户提供的负载工作电压。3) I/O 响应时间的选择系统的输入、输出电路和PLC的扫描工作方式会引起延时，这也是PLC响应时间的重要组成部分。没有模拟量输入输出的系统不许考虑PLC I/O响应时间。4) 联网通信的选择 如果控制系统要求PLC要能够与其他设备通信，那么所选择的PLC就应具备通信联网的功能。即所选择的PLC要有与系统中其他的PLC、上位机、HMI等设备互联的接口。5) PLC 电源的选择电源是PLC干扰引入的主要途径之一，为了确保系统稳定可靠的运行，应选择优质电源。6) I/O 点数和 I/O 接口设备的选择a输入模块的输入电路应与外部传感器或电子设备（例如变频器）的输出电路的类型相匹配，最好能使二者直接相连。b选择模拟量模块时应考虑使用变送器，以及执行机构的量程是否能与 PLC 的模拟量输入 / 输出模块的量程匹配。C使用旋转编码器时，应考虑 PLC 的高速计数器的功能和工作频率是否能满足要求。 7) 存储器容量的选择 存储器是储存系统程序、用户程序和逻辑变量的一种半导体电路。系统程序是控制和完成PLC多种功能的程序，有生产厂家编写。用户程序是根据生产工艺和工艺要求设计的控制程序。PLC中常用的存储器有ROM、RAM和EPROM。存储器容量可按照下式对进行估算，并加上20%30%的裕量存储容量（字节）=开关量I/O通道数*10+模拟量I/O通道数*100一般情况下，能够满足输入输出点数要求的PLC对存储器容量也能满足。S7-200的CPU模块目前有五种型号，见下表表3.3 S7-200 PLC的主要技术性能指标7性能指标CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226外形尺寸(mm)908062908062120.5806214080621968062用户程序4096409681921228816384用户数据2048204881921024010240掉电保持时间(h)5050100100100 本机数字量I/O6/48/614/1014/1024/16本机模拟量I/O无无无2/1无扩展模块数量02777数字量I/O映像区128 A/128出128 A/128出128 A/128出128入/128出128入/128出模拟量I/O映像区无16 A/16出32入/32出32 A/32出32 A/32出脉冲捕捉输入68141424脉冲输出22222辅助继电器(M)256256256256256定时器计数器256/256256/256256/206256/256256/256状态寄存器(S)256256256256256高速计数器44666定时中断2 (1-255ms)2 (1-255ms)2 (1-255rns)2 (1-255ms)(1-255ms)边沿中断4个上升沿或4个下降沿模拟电位器1 (8bit)1 (8bjt)2 (8bit)2 (8bit)2 (8bit)布尔指令执行速度（S/指令）0.220.220.220.220.22口令保护有有有有有通信口11122通信协议PPI、DP、自由口最多主站数3232323232根据系统的控制要求，每个PLC要控制三台风机/水泵的启停，另外考虑安全性问题，要在输入端加入风机/水泵的过流、欠压保护输入，以及超声波液位计、CO/VI检测仪的模拟信号输入，由于PLC的输入输出I/O接口价格相对较高，因此在选择I/O点数时应本着在满足系统控制要求的前提下尽可能的使I/O点数最少且必须留有一定的裕量的原则，I/O点数应根据控制对象的I/O点数数量实际需求，再加上10%15%的裕量来确定，本系统中有18个数字量输入，控制隧道通风系统的PLC应有VI检测输入和CO检测输入两个模拟量输入通道，控制隧道排水系统的PLC应具有超声液位信号输入一个模拟量输入通道，比较上表s7-200的五种CPU的参数可知，PLC的CPU型号选为CPU226。CPU模块的型号有5种，见表3.4。S7-200系列PLC的电源供电形式有两种，即交流（DC）与直流（AC）。所有的S7-200系列PLC不只有为其自身、扩展模块和其他用电设备供电的内部电源，其本身还向外提供一个DC 24V电源，从电源输出点（L+，M）引出。除此之外，每个扩展模块都需要DC 5V的电源供电，应当检查所有扩展模块的电源要求是否超出CPU供电能力。一旦超出，就得减少或者改变模块配置。表3.4 S7-200 PLC的CPU型号CPU模块CPU供电（标称）数字量输人数字量输出通信口模拟量输入模拟量输出可拆卸连接CPU22124V DC624V DC424V DC1否否否CPU221120-240V AC624V DC4继电器1否否否CPU22224V DC524V DC624V DC1否否否CPU222120-240V AC524V DC6继电器1否否否CPU22424V DC1424V DC1024V DC1否否是CPU224120-240V AC1424V DC10继电器1否否是CPU224XP24V DC1424V DC1024V DC221是CPU224XP120-240V AC1424V DC10继电器221是CPU22624V DC2424V DC1624V DC2否否是CPU226120-240V AC2424V DC16继电器2否否是因为输入回路一般使用CPU内置的DC24V电源，输出回路控制的是交流负载，因此采用继电器输出，CPU电源电压和输入、输出版本选择为AC/DC/Relay。CPU AC/DC/Relay的外部接线图如图所示：图3.6 CPU226AC/DC/Relay端子接线S7-200的CPU可以根据系统的需要进行扩展（CPU221除外）。信号模块连接到CPU的右侧，以扩展其数字量或模拟量I/O的点数。CPU 226可以最多连接7个扩展模块单元。所有的S7-200CPU模块上，都至少有一个或多个通信口。因为本系统属于小型系统，输入输出点数较少，S7-200 的226型的CPU不需扩展信号板与信号模块，不必集成通信接口与通信模块，只需要在传感器和CPU之间添加一个模拟量输入模块用以A/D转换数据处理即可。此设计中有VI检测输入、CO检测输入和超声液位信号输入三个模拟量输入通道，我选用EM231模块，由下表可知其具有4个模拟量输入通道，符合需要且够用。模拟量输入分辨率为12位，单极性数据格式的全量程范围为032000，双极性范围则是-32000+32000.表3.5 模拟量扩展模块型号、点数及消耗电流名称型号输入/输出点数模块消耗电流（mA）DC+5VDC+24V输入模块EM2314路模拟量输入2060输出模块EM2322路模拟量输出2070混合模块EM2354路模拟量输入/1路模拟量输出3060CPU单元与扩展模块由导轨固定，CPU模块放在最左侧，扩展模块依次放在右侧。CPU单元的扩展端口位于机身中部右侧前盖下，与扩展模块的扁平电缆连接，如下图3-7所示。（标准导轨安装）图3.7 CPU与扩展模块的连接EM231 的外部接线如下图3.8所示。输入信号为电压信号时，用两个端子（如A+、A-）；输入信号为电流信号时，用三个端子（如RC、C+、C-），其中RC与C+端子短接；未用的输入通道应该短接（如B+、B-）。下部右边分别是增益校准电位器（在没有精密仪器的情况下，不要调整）和配置设定DIP开关。图3.8 EM231的外部接线图3.2 排水系统硬件设计本文中排水系统主要是为了防止由于降雨或者是隧道火灾等情况发生时由于消防用水等情况给隧道道路造成积水导致影响隧道交通正常运行的情况。本设计中排水系统主要是由蓄水池收集隧道内的积水，然后当蓄水池水位到达一定高度的时候，运行相应的排水泵进行排水处理以保证蓄水池水位在一个安全的水平。排水系统中蓄水池液位通过传感器采集，将液位值通过水位传感器的模拟信号输入通道输入PLC，通过PLC内部程序的处理，PLC的输出驱动蓄水池中的水泵工作。本文中对隧道排水系统的硬件设计主要包括对检测液位的传感器的选型、对水泵型号的选型、对PLC型号的选型，最后根据系统的要求得出PLC的输入输出分配表，作出PLC的原理图，最后组成隧道排水系统。3.2.1传感器的选型测量液位的传感器主要有浮筒式液位传感器、超声波液位计和雷达液位计等。浮筒式液位传感器利用著名科学家阿基米德浮力原理设计而成。此传感器利用其内部金属薄片来感应液位信息，但是需要人工现场操作相对不是很方便。雷达液位计主要用于重要性较高的场合。因为本系统中不仅要控制水泵启停来达到控制液位的作用，还要把实时液位值在监控中心显示，因此本文中选用超声波液位计。超声波液位计，属于非接触式液位测量仪器。它利用超声波自带特性制成，既可以发射超声波也可以接受超声波。超声波液位计之所以能测量液位高度，其原理主要是利用超声波测距。超声波在空气中的传播速度是一定的，超声波在空气中传播，遇到障碍物被反射回来，可根据发射器和接收器接收到超声波的时间差值计算出障碍物到超声波物/液位计的距离。表3.6 超声波液位计参数功能一体型分体型量程5米、10米、15米、20米、30米、40米、50米、60米5米、10米、15米、20米、30米、40米、50米、60米70米测量精度0.25%0.5%0.25%0.5%模拟输出4线制420mA/750负载2线制420mA/250负载420mA/750负载继电器输出2组AC 250V/8A或DC 30V/5A状态可编程（可选配）单通道为2组，双通道是4组AC 250V/8A或DC 30V/5A 状态可编程（可选配）续表3.6功能一体型分体型供电标配24DC可选220V AC15% 50HZ标配220V AC15% 50HZ可选24VDC 120 m A定做12VDC或电池供电环境温度显示仪表-20+60C，显示仪表-20+60C，探头温度探头-20+80C探头-20+80C液位与电流呈线性关系，如下所示:表3.7 液位与电流对应关系液位（m）输出电流（4 20mA）04.005.0020.00图3.9 液位与电流转换关系一体式超声波液位计如图所示：图3.10 一体式超声波液位计由上述图表可知超声波液位和输出电流值成正比，这样的话，一般5米深的蓄水池内液位值以420mA的标准电流形式输入到我选好的模拟量扩展模块内，再根据比例关系进行操作计算。而且超声波液位计不必接触介质，可以大幅度增长超声波液位计的使用寿命，相对于其他液位计长期与水接触容易被破坏其内部结构，浪费资源。因此选超声波液位计作为隧道排水系统中的蓄水池液位检测仪器。3.2.2 排水泵的选型排水系统中的水泵主要是安装在池子底部，蓄水池的作用主要是收集雨水、消防用水等混杂有泥沙、杂物的污水。因为蓄水池深五米，因此水泵的扬程要选择不低于5米的水泵。而蓄水池平时可能灌满水的情况不是很多，而一旦遇到强降雨或特大交通事故，会有许多的水注入，因此选择水泵的流量时要选择流量相对大些的以应对突然的水位增长。综合以上所述，本系统所选择的水泵为德国威乐PDV-A400E(A)型号的水泵。PDV-A400E(A)水泵具体参数如下：输入功率：600（W）输出功率：400（W）扬程：最大扬程7m，额定扬程5m流量：最大流量230L/min，额定流量为150L/min管径：50mm 质量：13kgPDV-A400E(A)型水泵如图所示：图3.11 PDV-A400E(A)型水泵威乐公司潜水泵主要应用在地下室、排水沟、下水道等的排水。电机配有过热保护器，可大大加长水泵的使用寿命，同时还允许含颗粒较大的污水通过。水泵机身采用了工程塑料和不锈钢材质，防腐性能强，且重量轻8。因此隧道排水系统中应用此排水泵基本能满足要求。3.2.3 PLC的选型因为排水系统的控制要求与通风系统的控制要求基本相同，所以PLC的选型标准与3.1.3完全相同，这里不再赘述。而且从经济的角度考虑，两个系统完全可以由同一个PLC控制，节约资源最大化利用。3.3 隧道通风排水控制系统总PLC原理图3.3.1 自动控制部分在通风控制部分，PLC需要控制三台风机的启动，因此这部分PLC输出有三个，分别控制风机1、2、3。而PLC的输入有风机自动切换开关，另外SDS隧道射流风机自带有故障信号，此信号接入PLC，当风机出现故障时，停止风机运行。同理，这台PLC还要控制三台水泵的启停，因此PLC输出又有三个，分别控制水泵1、2、3。而PLC的输入包括水泵自动切换开关，另外PDV-A400E(A)型水泵自带有故障信号，此信号接入PLC，当水泵出现故障时，停止水泵运行。另外从安全性方面考虑，还要对线路中的电源故障、电路故障、设备和元件故障等电气故障检测并将检测信号输入PLC，因此一共有9+9=18个数字量输入信号，超声波液位检测值、CO检测值、VI检测值通过模拟量通道输入PLC，占三个模拟量通道。根据以上分析，列出通风系统S7-200 PLC I/O分配表：输入地址分配表：表3.8 隧道通风排水控制系统输入分配表输入地址功能输入地址功能I0.01号风机切换自动按钮I1.31号水泵自带故障信号I0.11号风机电气故障I1.42号水泵切换自动按钮I0.21号风机自带故障信号I1.52号水泵电气故障I0.32号风机切换自动按钮I1.62号水泵自带故障信号I0.42号风机电气故障I1.73号水泵切换自动按钮I0.52号风机自带故障信号I2.03号水泵电气故障I0.63号风机切换自动按钮I2.13号水泵自带故障信号I0.73号风机电气故障AIW0CO检测信号输入I1.03号风机自带故障信号AIW2VI检测信号输入I1.11号水泵切换自动按钮AIW4水位检测信号输入I1.21号水泵电气故障输出地址分配表：表3.9 隧道通风排水控制系统输出分配表输出地址功能输出地址功能Q0.01号风机运行启动Q0.31号水泵运行启动Q0.12号风机运行启动Q0.42号水泵运行启动Q0.23号风机运行启动Q0.53号水泵运行启动由上述系统的输入输出分配表得出隧道通风排水控制系统PLC原理图：图3.12 系统总PLC原理图3.3.2 手动控制部分图3.13 控制部分图手动部分电路我选择起保停自锁电路，并配以FR热继电器常闭触头。当电路过热时，它能自我熔断，保护电路中的其他重要设备防止烧坏。其中SB1，SB3，SB5，SB7，SB9，SB11为急停按钮，当工作人员发现电路故障时，可以断开此开关保护电路。这些开关与相应电机一一对应，关断时不影响其余电机运行。以风机1号为例，手动接触器KM1与自动接触器KM7具有互锁开关，可以实现互锁保护。即手动运行时，KM7自动断开；自动运行时，手动开关断开。上述控制原理图中还用到了很多电气元件，比如：熔断器、热继电器以及中间继电器线圈等。熔断器是指当电流超过其标准值时，其内部电阻丝由于发热过度导致溶体熔断，从而断开电路的一种元件。熔断器广泛应用于工业电力生产以及居民生活中，不论是高压电路还是低压电路，作为短路和过电流等突发情况的保护器件，应用十分广泛。本设计我选用的熔断器都是茗熔圆筒帽形熔断器RO15。热继电器主要用来保护电动机以及接触器线圈，随着它体积小，成本低使用方便的特点受到大家青睐。本设计我选用的热继电器为德力西热过载继电器 JRS1D-25/Z LR2。此款为最新式热继电器，使用和操作相对老的更容易，并且与时俱进增加了很多新功能。在电气电路中，中间继电器线圈是动力部分与控制部分的连接开关。因此，中间继电器线圈可以看