地铁通风控制系统设计

PAGE39地铁通风控制系统设计目录TOC\o"1-2"\h\u1引言 11.1地铁通风控制设计背景 11.2地铁通风控制研究现状 11.3地铁通风控制设计内容 22系统通风方案说明 32.1通风控制系统说明 32.2系统结构说明 33系统硬件设计 53.1系统硬件选择 53.2风机台数确定 123.3系统参数采集 163.4系统通信 194系统下位机软件设计 214.1下位机的控制方法 214.2系统软件流程图设计 224.3系统下位机控制程序设计 234.4系统软件程序设计 245基于KINGVIEW的组态监控系统 255.1上位机软件说明 265.2系统工程安全设置 275.3系统画面及画面安全设计 285.4信息监测画面设置 305.5网页发布 325.6网页发布安全设置 335.7网页控制画面 351引言随着国民经济的迅速发展，中国城市化进程进一步加快，城市人口快速增长，交通供需矛盾日益突出，大型城市交通拥堵越来越严重。城市轨道交通具有运能效率高、能耗低、污染小、快速、准时及安全等明显优点，其是解决城市交通问题的主要手段。1.1地铁通风控制设计背景中国轨道交通自20世纪60年代北京有了第一条地铁以来，发展缓慢。直到十五期间（2001～2005）才开始迅猛发展。十五期间，我国轨道交通投资2000亿元，建成550km城市轨道交通。十一五（2006～2010）规划建设1700km轨道交通，投资总额近6000亿元。我国城市轨道交通发展规划，见图1-1。图1-1我国城市轨道交通发展规划1.2地铁通风控制研究现状在我国，列车空气调节系统主要采用集中式空调通风系统和分散式空调通风系统，但是对其的研究很不系统。列车的通风空调系统只是根据建筑通风空调系统的有关规范进行设计研制，没有系统考虑列车运行特点和运行情况，因此存在很多问题。同一型号列车的空调通风系统差别很大。这主要是由于列车厂家分散设计，设计图纸不统一，各厂家选择的空调设备也多种多样。往往没有认真进行风道的阻力计算和实验，致使送风量不能满足要求。风量大的车内微风速超标，风量小的不能满足车内的空调负荷要求；同时车内空气品质及舒适度也较差。采用一般现有风道的大部分列车，因其送风口风量不均匀，造成客室内温度场不均匀，不能满足铁道部的标准规定。有些新列车的空调通风系统的设计考虑不周全，使空调通风系统结构复杂，沿程阻力较大，与空调机组匹配后，改变了空调机组的工作点，造成通风量偏小，空调效果不理想。而且，迄今为止所有国产空调列车都没有进行过空调通风系统的通风性能实验，对各型列车的通风系统阻力、送风均匀性及客室内气流组织状况等均未进行过系统的研究，因而在进行空调通风系统的改进设计时没有可参考的实验数据。对于客车通风空调系统噪声研究没有系统的实验，对车内的空气品质也没有进行过系统的考虑和研究。对于现有装置在列车空调通风系统上所出现的问题进行的局部研究方面，我国科技人员取得了一些重要成果。从总体上来看，我国对于列车通风空调的研究和人们对客车舒适性要求极不协调，其研究工作基本上还没有展开，而且存在以下一些问题:1）送风道结构较为复杂，沿程阻力大，与风机不匹配，送风量偏大或偏小；各风口调节机构的调节性能由于各种原因不能发挥作用。2）送风口送风量不均匀，造成客室内温度场不均匀，客室内温差超过有关标准。3）客车内由于送风不均匀性等影响，使得微风速严重超标。4）由于送回风装置的型式和布置不合理等因素，使得车内气流组织不合理，车内舒适度较差。5）送风道两端的送出气流流量受送风口、进风口的影响较大，容易造成送风量前小后大，甚至在前端会形成负压区，两端舒适度明显降低。6）送风道型式单一，大部分为车顶中央风道送风风道，不能适应我国高速列车发展的需要。7）通风系统适应性差，调节性能差，不能满足负荷变化较大时车内送风要求。8）缺乏系统的行业设计技术标准及具体的检测规则和方法，缺适应新形势的新标准。1.3地铁通风控制设计内容地铁工程中地下车站及区间除车站出入口、风亭及地下线路两端隧道洞口外，基本与大气隔绝。通风空调系统的任务是对地下区间隧道内温度、湿度、风速、事故排烟情况等进行全面控制。车站两端各设置送风井及排风井各一座，风井面积因通风量而异。隧道通风系统中车站的公共区夏季采用空调，其余季节通风换气。车站公共区空调通风机与至车站的区间隧道风机合而为一，车站空调通风兼区间隧道风机功能。采用变频控制，情况不同时，风量不同，达到节能运行。地铁运营正常时，通风空调设备排除余热和余湿，为乘客在地铁车站创造一个往返于地面至列车内的过渡性舒适环境。隧道通风机通过送风管和回风管对车站公共区空调通风。当区间夜间通风和区间隧道阻塞时，通过组合风阀开关控制实现对区间的通风换气。风机根据运行模式的要求进行正转或反转运行，已达到向车站和区间隧道送风和排风的目的。同时该风机还具有车站区间火灾是排风功能，通风空调设备向乘客和消防人员提供必要的新风量，形成一定迎面风速，指导乘客安全撤离，并具有排烟功能。2系统通风方案说明在设计控制系统时，首先要设计出一个基本构架，并结合这个构架来详细的说明该控制系统的基本功能。2.1通风控制系统说明地铁通风控制系统控制由中央控制、车站控制和就地控制三级组成。中央控制在控制中心，是以中央监控网络和车站设备监控网络为基础的网络系统，对地铁全线的通风及空调系统进行监控，向车站下达各种运行模式指令或执行预定运行模式。车站控制设置在车站控制室，对车站和所管辖区的各种通风空调设备进行监视，向中央控制系统传送信息，并执行中央控制室下达的各项命令。火灾发生和在控制中心授权的条件时，车站控制室作为车站指挥中心，根据实际情况将有关通风空调系统转入灾害模式运行。就地控制设置在各车站电控室内，具有单台设备就地控制和模式控制功能，便于各设备及子系统调试、检查和维修。就地控制具有优先权，现场操作按钮设于设备旁便于操作处，满足单台设备的现场调试、检查和维修。2.2系统结构说明根据上述描述做出了如图2-1的系统控制框图，该框图描述了系统中应有的三种控制模式，即：就地控制，车站控制以及中央控制。就地控制是在在风机变频控制进行操作时，提供机组安装、调试、检修时在现场使用，同时兼顾预警灾害控制。在有不同的控制要求时，变频控制系统要求设有就地(手动)/远程(自动)控制转换开关，工频/变频运行控制转换开关。就地控制时其他操作屏蔽。车站控制设置在车站控制室，对车站和所管辖区的各种通风空调设备进行监视，向中央控制系统传送信息，并执行中央控制室下达的各项命令。中央控制也就是远程自动控制，负责对全线风机变频通风设备进行监控，它是通过远程控制系统，实现远程启停风机，同时可以反馈风机启、停、正、逆转运行状态、故障信号、变频运行控制转换开关位置信号，反馈自动控制/就地转换开关位置信号等。在火灾等其他情况下，控制器根据现场检测器传送回的环境信息做出相应的控制，例如，在火灾时，CO2浓度检测器把现场的CO2浓度信息送到控制器，控制器把该信号与正常情况下的浓度信息相比较，如果在信息超出了正常情况下的浓度值，并且大大超过该数据，如人们可接受正常CO2浓度为350-1000ppm，当CO2浓度达到5000ppm时会令人窒息而死亡，则认为是发生了火灾，因为地铁的特殊环境不会在没有发生火灾时产生高浓度。以上是对该控制结构的控制过程描述。图2-1地铁隧道通风控制系统结构图

3系统硬件设计该控制系统主要由上位机，PLC控制器，变频器，风机以及各种检测器等设备组成，以下进行对相关设备的选择。3.1系统硬件选择设备型号直接影响着整个通风控制系统的通风效果和控制系统的稳定性，所以在设备选型时要特别的慎重，以保证通风控制系统取得良好的控制效果。3.1.1控制器的选择在隧道特殊环境下，如果现场选用继电器或普通的微机控制，它们不适应恶劣的工业环境，会发生生锈、信号受干扰等现象，无法满足控制要求，而PLC是专为工业环境应用设计的，它针对工业环境的特殊性采取了相应措施控制。对输入信号进行滤波处理，并且输入输出电路与内部CPU是电隔离，CPU板还有抗电磁干扰的屏蔽措施，可确保PLC程序的运行不受外界电磁干扰。在机械结构设计与制造工艺上，也采取很多措施，保证其耐振动、耐冲击，使用环境温度可高达50摄氏度，有的低温零下40到零下50℃也可工作。根据本此设计环境的特殊性，即：潮湿的地下以及复杂的电磁环境，故本设计选用PLC作为下位机，其具体型号为OMROMCPM1A。在本次控制系统中将把整个隧道分成四段，所以系统中将用到4个控制器，每一个控制器控制负责控制隧道的一段。3.1.2变频器的选择及运行设定变频器的正确选用对于机械设备电控系统的正常运行是至关重要的。选择变频器，首先要按照机械设备的类型、负载转矩特性、调速范围、静态速度精度、起动转矩和使用环境的要求，决定选用何种控制方式和防护结构的变频器最合适。所谓合适是指在满足机械设备的实际工艺生产要求和使用场合的前提下，实现变频器应用的最佳性价比。变频器选用根据风机电动机功率等参数选用。根据本此用到的风机技术指标，在满足风机要求的前提下，本次选用型号：欧姆龙变频器3G3MV系列变频器中的3G3MV-A4075.欧姆龙3G3MV-A4075是一款多功能变频器，具有搭载无传感器矢量控制功能，在低速范围内实现高转矩运转；标准搭载RS-422/485通信，DeviceNet通信的可选单元也可实现标准搭载，对应网络能力强；操作器上设有频率设定旋钮，参数常数的复制/管理也可通过标准操作器进行应对，使用方便性大有提高；标准搭载节能控制和PID控制，另外通过高速电流限制功能使无断路运行性能也有较大提高；内置浪涌电流控制回路，保护更能更充分；其实物图如图3-1所示。图3-13G3MV-A4075变频器实物图变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。即先把工频交流电源通过整流装置转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。在变频器控制电机时，利用变频器的可多段变频功能来对电机进行控制，电机在不同的频率下具有不同的输出速度，具体的变频控制原理如图3-2所示。在本次设计中就是应用了该变频控制原理，即：利用变频器在开始条件运行的情况下，在现有输出频率上进行频率的叠加，最后实现变频器的小输出到大输出的转变。图3-2变频控制原理变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流，逆变部分为IGBT三相桥式逆变，且输出为PWM波形，中间直流环节的作用为滤波、直流储能和缓冲无功功率。与变频器输出频率有关的具体参数如式3-1所示：n=60f(1-s)/p(3-1)式3-1中：n为异步电动机的转速f为电网频率s为电动机转差率p为电动机极对数由式3-1可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0-50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。在使用时，首先要对该变频器原理及结构有一个充分的了解，首先从图3-3的描述来对该变频器做一个充分的了解，从图中可以看出，该变频器具有RS422/485通讯口，可实现与上位机的通讯，同时还具有LED显示以及面板操作键和DeviceNet连接接口，可实现0-60Hz的频率设定，以实现对设备的调速控制。图3-33G3MV-A4075变频器结构图在对系统进行调试时，首先应对各设备进行电气连接，只有在做完这些后才可能完成系统整体性能的调试，表3-1是对本次变频器连线的说明。表3-1变频器端口连接说明记号名称内容R/L1电源输入端子3G3MV-A4□，三相AC380～460VS/L2T/L3U/T1电机输出端子电机驱动用三相电源输出3G3MV-A4□，三相AC380～460VV/T2W/T3B1制动电阻连接端子连接外部制动电阻或制动电阻单元的端子（用于检测制动中的过电压）B2在对该变频器进行操作时，首先应对该变频器的输入输出有一个了解，对一个智能化设备而言，它在工作前都应该对它的系统参数进行设定，只有这样才能实现我们想要的功能，表3-2是对该变频器的参数功能说明；在操作时，也应该对该变频器面板上的按键有所了解，表3-3该变频器面板按键功能说明。表3-2变频器输入输出功能说明记号名称规格输入S1多功能输入1（正转/停止）光电耦合器DC+24V8mAS2多功能输入2（反转/停止）S3多功能输入3（外部异常a接点）S4多功能输入4（错误复位）S5多功能输入5（多段速指令1）S6多功能输入6（多段速指令2）S7多功能输入7（频率指令）SC序列输入公共端FS频率指令电源输出DC+12V20mAFR频率指令输入DC0～+10V（输入阻抗，20kΩ）FC频率指令公共端输出MA多功能接点输出（a接点错误）继电器输出DC+30V1A以下AC250V1A以下MB多功能接点输出（b接点错误）MC多功能接点输出公共端P1多功能光电耦合器输出1（运行中）集电极开路输出DC+48V50mA以下P2多功能光电耦合器输出2（频率检测）PC多功能光电耦合器输出公共端通信R＋通信收信侧符合RS-422/485R－S＋通信送信侧S－变频器运行参数设定，变频器的运行状态有多种，因此，在调试及运行时，必须对变频器运行状态以及频率参数进行设置，以下是本次对变频器进行的设置：n003=1(运行方法的选择)n004=1(频率指令的选择)n005=1(自由滑行停止)n006=0(可反转)n008=1(操作器对数字设定）n009=0(操作器按↓后频率设定有效)n024=25频率设定n025=35频率设定n026=50频率设定n027=60频率设定在对以上参数设定完之后，则可对变频器以及控制器进行系统调试运行，来验证系统的程序异常以及模拟整个系统的功能。表3-3变频器面板按键功能说明名称功能FREF频率指令LED亮灯时，可以设定或监控频率指令FOUT输出频率LED亮灯时，可监控变频器的输出频率IOUT输出电流LED亮灯时，可以监控变频器的输出电流MNTR多功能监控LED亮灯时，可以监控U－01～U－10间的设定值F/R正转/反转选择LED亮灯时，可以选择用RUN键控制运转时的运转方向LO/RE本地/远程选择LED亮灯时，数字操作器控制的操作与参数常数设定的操作的切换，变频器运行中，只能进行对照，另外，此LED亮灯时运行指令的输入将被忽略，LED亮灯时，可设定/对照n001～n179的参数常数PRGM参数设定指示灯变频器运行中，可进行对照和部分设定值的变更3.1.3上位机的选择上位机实现的功能及工作的环境决定了上位机选用情况，具体来时是上位机的功能是上位机通过组态王软件能够显示隧道环境风机状态等参数值、存储并在需要的情况下，显示检测器实时测量值的曲线图形或显示历史数据等，并作为主站进行远程控制。上位机多数在操作室内，工作环境良好，因此可以不采用工控机，而选择普通的PC机即可。3.1.4风机的选择通风控制系统的主要功能部件就是风机，风机的选择直接决定了通过风系统的优良程度，由此可见，风机对于一个通风系统的重要性；其次，风机的性价比对于一个系统的运营也是至关重要的，所以在选择风机时，必须满足系统的正常要求，如果选择风机的功率较大，对设备和能源而讲，就显得浪费，但是在选择时，应留有一定的余量，以供以后利用。本次设计采用当前较常用的SDF系列地铁隧道轴流式风机，该系列风机具有效率高，噪音小，结构紧凑，运行平稳可靠等显著特点，以适应地铁隧道特定条件下的使用要求。图3-4SDF系列地铁隧道风机的实物图。图3-4SDF系列地铁隧道风机轴流式通风机的性能特点是流量大，转数大，扬程(全压)低，流体沿轴向流入、流出叶轮。其结构特点是：结构简单，重量相对较轻。因有较大的轮毂动叶片角度可以做成可调的。动叶片可调的轴流式通风机，由于动叶片角度可随外界负荷变化而改变，因而变工况时调节性能好，保持较宽的高效工作区。轴流式风机与轴流式水泵结构基本相同。有主轴、叶轮、集流器、导叶、机壳、动叶调节装置、进气箱和扩压器等主要部件。关于轴流风机具体的结构型式见图3-5所示。图3-5轴流式（通）风机结构示意图（两级叶轮）1进气箱2叶轮3主轴承4动叶片调节装置5扩压器6轴7电动机轴流式风机在隧道，矿山地下停车场以及其他场所应用较为广泛，所以它针对不同应用环境制作了不同型号的风机，关于轴流式风机的具体参数及详细说明，具体见表3-4。表3-4轴流风机参数指标型号风量(m3/h)风压（Pa）功率（kw）转速（r/min）噪声（dB）重量（kg）SDF-3.540003430.7529007450SDF-450003430.7529007562SDF-4.565003431.129007670SDF-580003431.114507785SDF-5.6120004412.2145081105SDF-6Ⅰ170004903145083125SDF-6Ⅱ180004903145083125SDF-7260005885.5145087165SDF-8Ⅰ300004415.5145085185SDF-8Ⅱ300005937.5145086200SDF-9Ⅰ350005887.596088225SDF-9Ⅱ4000058811145090240SDF-10Ⅰ400004907.596087265SDF-10Ⅱ480005881196089286SDF-10Ⅲ5000068611145090285SDF-11.26000068618.596091380参考表3-4的风机性能指标，并结合地铁通风应有的排气容量，选择本次使用的风机型号，故此本次选择SDF-10Ш型轴流风机作为本次地铁通风控制的排气风机。3.1.5其它设备的选择二氧化碳测量仪的选择，本次采用GTB20单点壁挂式二氧化碳检测仪，GTB20型单点壁挂式二氧化碳检测仪，是一种固定式可连续检测作业环境中有毒有害气体浓度的仪器。GTB20型单点壁挂式CO2检测仪为自然扩散方式检测气体浓度，采用进口电化学传感器，具有极好的灵敏度和出色的重复性；大屏幕液晶屏实时显示泄漏气体的浓度值，超过预设报警点立即启动声光报警信号或驱动排风系统；国际标准4-20mA信号可直接接入工厂DCS系统，RS485数字信号与工厂上位机连接；其主要技术指标有：测量范围，见附表3-5；适用气体，可燃气体、氧气、有毒有害性气体；响应时间，T90<30s；显示方式，128*64点阵液晶屏实时显示数据及系统状态；报警提示，广角高亮发光指示、100dB蜂鸣音随浓度增加频率加大；报警点，一级报警用户设定，二级报警用户设定；报警输出，两路继电器输出，容量AC220V/2A；信号输出，国际标准4-20mA信号可直接接入工厂DCS系统；工作环境，-30℃—+50℃；湿度＜95%RH无结露；工作电压，AC220V50Hz，非报警状态下备用电池供电可连续工作20小时以上，可燃气体可连续工作8小时；防护等级，IP65。重量：约1200g（包含电池）。表3-5检测气体种类表检测气体种类表气体种类标准量程可选量程分辨率反映时间(T90)氧气O20－25％VOL（0－30）0.1％VOL≤30秒一氧化碳CO0－2000ppm（0－250，500，2000）1PPM≤30秒硫化氢H2S0－200ppm（0－30，50，2000）1PPM≤30秒氢氰酸HCN0－100ppm（0－50，200）1PPM≤30秒氯气cL20－20ppm（0－5，10，100）0.1PPM≤30秒臭气O30－5ppm（0－2，10，100）0.01PPM≤30秒氨气NH30－100ppm（0－25，100）1PPM≤30秒二氧化碳CO20－5000ppm（0－500，5000）1PPM≤30秒可燃气Ex0－100％LEL无1％LEL≤30秒二氧化硫SO20－20ppm（0－10，50，100）1PPM≤30秒温湿检测仪的选用，地铁运行环境处于地下，其相对温度湿度与地面有所不同，所以就需要通过仪器对其环境进行检测，从而保证人身和地铁的正常运行。所以针对该环境，采用一款在潮湿环境较常用的温室检测器，即07-8温湿度仪。它是一种采用计算机的智能仪表，仪表采用双排数码管分别同时显示湿度测量值和温度测量值，控制用的有关参数均可由面板键盘键入并实时显示，仪表有以下多种功能可供选择，如传感器，可选用高分子加双PT100来测量湿度及温度；仪表同时检测一路温度和一路湿度，同时对温度和湿度进行控制。该仪表带有通讯接口，则可以与电脑或PLC进行通讯，对温度和湿度进行远程控制，数据记录，数据打印，及查看曲线。温湿度测量仪指标：精度，温度测量精度±0.5%FS±1.0个字湿度测量精度±2%FS±1.0个字，适用于高温高湿，低温低湿的复杂坏境；湿度最大量程，1%-99%RH；湿度最佳有效量程:4%—99%RH；此传感器安装时要求风速大于4米/秒，才可以得到最佳精度；适用环境温度，-50℃—+200℃；测量误差，±１％；最佳温度范围，-10—+45℃；最大温度量程，-20—+60℃；湿度最佳有效量程，25%—95%RH；湿度最大量程，5%—98%RH；继电器输出触点容量，AC220V/10A（阻性）；数据断电保护时间，超过10年；工作电源，AC220V±10%,功耗小于5W；正常工作环境，温度0-50℃，相对湿度35%—85%的无腐蚀性气体场合。3.2风机台数确定3.2.1轴流风机的性能分析隧道内的空气流动主要是由于存在气流压差。轴流风机通过喷射高速气流而产生推力，随着空气流速的减小，其能量传递给沿隧道内的运动空气，从而产生隧道内的空气压差，其大小等于轴流风机的推力与隧道横截面积之商，用于克服隧道内的空气流动阻力。因此，轴流风机的选型主要取决于对风机推力的要求(即风机出口气流喷射速度的要求)以及所需排风量(即风机直径)的要求。在风机的基本性能测试中，通常选用转速作为固定值，然后建立全压、轴功率、效率等随流量的变化的函数关系。风机的性能曲线是指在转速和流体的密度、叶片安装角一定时风机的全压、轴功率、效率等随流量变化的一组关系曲线。该曲线的具体表述如图3-6所示。图3-6轴流式风机性能曲线风机的性能曲线有以下三条：1）全压与流量的关系曲线，用p—QV表示；2）轴功率与流量的关系曲线，用P-QV表示；3）全压效率与流量的关系曲线，用-QV表示。轴流式风机性能曲线是在叶轮转速和叶片安装角一定时测量得到的，如图3-6所示。其形状特点是p-qv曲线，在小流量区域内出现马鞍形形状，在大流量区域内非常陡降，在qv=0时，p最大；Pa-qv曲线，在qv=0时，Pa最大，随着qv的增大Pa减小，因此轴流风机不允许在空负荷时启动，除非动叶可调；p-qv曲线，高效区比较窄，最高效率点接近不稳定分界点c。分析p-qv性能曲线出现马鞍形状的原因，是风机在不同流量下，流体进入叶型冲角的改变，引起叶型升力系数变化。3.2.2地铁隧道通风要求现代社会的飞速发展，人们对生活的要求也越来越高。国家在《地下铁道设计规范》GB50157-92中做了如下规定：1）隧道通风设备传至车站站厅和站台厅的噪声不得超过70dB（A），传至地面风亭的噪声应符合国家现行有关城市区域环境噪声标准的要求。2）当采用活塞通风或机械通风时，每个乘客每小时需供应的新鲜空气量不应少于30m3。3）当采用闭式循环运行时，其新鲜空气量不应少于12.6m3。4）隧道通风系统的通风量，应保证隧道内换气次数每小时不少于3次。5）通风道和风井的风速不宜大于8m/s，站台下排风道的风速不宜大于15ｍ/ｓ，风亭格栅风速不宜大于4ｍ/ｓ。站台厅与站厅的风速宜采用1/5ｍ/ｓ。6）厕所应设置独立的机械排风、自然送风系统，所排出的气体应直接排出地面。当坑位与小便器总数不超过3个时，允许将所排出的气体排至隧道内。7）单向交通的隧道设计风速不宜大于10m/s，特殊情况可取12m/s；双向交通的隧道设计风速不应大于8m/s。8）隧道内营运通风的主流方向不应频繁变化。3.2.3风机台数的计算在地铁环境下，气体对人身体健康的影响主要取决于空气中的二氧化碳浓度，所以在通风中就以二氧化碳浓度作为主要参考指标。根据二氧化碳浓度对人生命活动的影响列出了表3-1，其具体内容说明见表3-2。表3-1大气中二氧化碳浓度对生命活动的影响二氧化碳浓度对人的影响0.03%正常1%有害4-5%气喘、头晕>10%死亡表3-2二氧化碳浓度对人体的生理影响空气中二氧化碳的体积分数（%）对人体的影响0.05人体感觉舒适1感到气闷、头晕、心悸1.55人体短期无明显影响2对人体有轻微影响（疲劳、烦闷、头晕）3.5人体反应剧烈（呼吸困难）4~5感到气闷、头痛、眩晕5气喘、气晕、精神紧张，不可忍耐6人体昏迷，个别引起死亡在现实生活中，一般是通过检测器把空气中的二氧化碳浓度以ppm的形式表示，以便进行具体的控制操作，以下是以ppm形式表示的二氧化碳浓度含量与人体生理影响：350～450ppm：同一般室外环境350～1000ppm：空气清新，呼吸顺畅1000～2000ppm：感觉空气浑浊，并开始觉得昏昏欲睡2000～5000ppm：感觉头痛、嗜睡、呆滞、注意力无法集中、心跳加速、轻度恶心大于5000ppm：可能导致严重缺氧，造成永久性脑损伤、昏迷、甚至死亡在隧道内的空气不可作为压缩流体对待；隧道内的空气流可作为不随时间变化的恒流处理。因此，可根据这个恒量来计算风机的数量。其次，在风机数量计算方面与地铁列车的车型也有关。据介绍，目前，国内的地铁车辆分为A、B、C三种车型：标准A型车车宽3米，车高3.8米，车体有效长度22.1米。与A型车相比，标准B型车车宽2.8米，车高3.8米，车体有效长度19.8m，不仅比A型车要苗条小巧一些，造价也要比A型车便宜很多。此外，因为车厢高3.8米，不管乘客是多高的个子，乘坐地铁都不会感觉到压抑。A、B型车的最大载客量正常状况下分别为310人/辆和240人/辆。风机风量的定义为，风速V与风道截面积F的乘积.大型风机由于能够用风速计准确测出风速，即根据3-2式得出。Q=VF(3-2)风机数量的确定根据所区间的换气次数，计算区间所需总风量，进而计算得风机数量。计算公式：N=V×n/Q(3-3)式3-3中：N——风机数量（台）V——场地体积（m3）n——换气次数（次/时）Q——所选风机型号的单台风量（m3/h）目前，国内地铁隧道一般为高6.6米，宽7.3米。风机设定台数设定条件地铁隧道长度L=20km区间隧道长度L1=5km地铁横截面积S=6.6×7.3㎡列车运行时速v=60km/h选用B型列车车型最大载荷为k=240人/辆取六节列车组地铁最大载荷K=1440人/列斜通风道长度L2=20m风道横截面积S1=16㎡地铁隧道设置排风口4个根据有关规定，地铁区间客流量和在区间所呆的时间，同时根据人员新风量标准满足12.6m3/h。在列车运行时，会产生活塞风且其带动空气从通风口排出的空气为V1=L2×S1×V2一般在排风口处，风速不会太大，本次去V2=2m/s。考虑到流体动力学空气流动因素，设定从通风道排出气体为V1，则在列车运停时，从风道排出的气体体积为:V3=2×V1则有：V=20000×6.6×7.3=963600m3V2=2×20×16×2=1440m3V4=V2×4=5760m3由于旅客自动输送系统初期发车对数为12对/h，则平均300s发一趟车，所以选取300s为一个周期计算，则计算出需风量。则其最大需风量为V5=1440×12×2×12.6=435456m3由此即可得出所需要的通风量，即：V=20000×6.6×7.3=963600m3V6=V×3=2890800m3《地下铁道设计规范》GB50157-92中规定：隧道通风系统的通风量，应保证隧道内换气次数每小时不少于3次。则需要的风机台数为：N=V×n/Q(3-4)N=58台载满负荷运行时：V6>V5，故可满足运行有要求考虑到火灾情况发生时，可快速的排出烟气，故此在这里选取60台风机。3.3系统参数采集数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口，然后将该数据传送到控制进行处理。数据采集技术广泛引用在各个领域。被采集数据是可以被转换为电讯号的各种物理量，如温度、水位、风速、压力等，可以是模拟量，也可以是数字量。采集的数据大多是瞬时值，也可是某段时间内的一个特征值。准确的数据量测是数据采集的基础。数据量测方法有接触式和非接触式，检测元件多种多样。不论哪种方法和测量元件，均以不影响被测对象状态和测量环境为前提，以保证数据的正确性。3.3.1温度及湿度参数的检测湿度对静坐者的舒适性来说，湿度对人体热舒适性的影响不大。虽然有效温度的指标也包含了湿度的作用，但由于湿度对人的健康、霉菌的生长和其它方面有很大的影响，因此将湿度又单独作为一个指标。地铁为温度对于乘客来说，如果地铁温度过高则直接影响着乘客以及工作人员的身体健康。所以，当人们进入地铁时，地铁作为交通运输工具，它首先就应该满足，其内部的环境温度与地面环境相付或者接近，只有这样才能真正的达到地铁运输的目的；其次，在地铁运行时，地铁的电气设备以及其与轨道间的摩擦等发出的热量，同时乘客以及工作人员在地铁内部的活动都会产生热量。因此，地铁内部的温度及湿度的检测器必须实时有效的工作，以满足控制器调节环境的要求。参照以往地铁运行环境温度数据，为本次控制系统提供控制依据，图3-7是地铁区间环境瞬时温度曲线，图3-8是地铁区间平均温度曲线。由图3-7和图3-8可以看出夏季区间瞬时温度集中在29-31℃之间，夏季区间平均温度集中在29.5-31℃之间。故此，可以根据这些数据设定系统温度控制参数值，对地铁环境温度进行相应的控制，从而使乘客和工作人员有一个舒适的环境。图3-7夏季区间温度瞬时曲线图3-8夏季区间平均温度曲线在温度检测时，选用与控制器相适合的控制器温度测量模块，本次采用的测温模块是欧姆龙公司生产的TC系列温度测量模块，该模块以DM0作为写入点温度控制单元，处理值从温度控制单元读出，并写到DM1。以下在对温度采集时的程序设计。图3-10温度采集时的程序设计3.3.2二氧化碳参数的检测新风量是车内空气品质的一项重要基本指标，其作用是调节车内空气质量，使车内环境中的各种污染物浓度保持在卫生标准所容许的浓度值以下。人们对新风的研究已从仅仅注重其“量”转变到更关注其“质”的问题上来，强调新风的利用效率和新鲜程度。传统观念认为，新风仅是为清除人体所产生的生物污染。而ASHRAE62-1989R中认为新风应可以排除来自人体和室内的气体污染两方面。同时对最小新风量提出了新的、更严格的要求。因此，在空气参数标准对新风量的要求仍不能忽视。二氧化碳，CO2是车内污染物的主要成分，它由人呼出，其产生量与人数及活动量有关。人们在呼出CO2的同时，身体其他部分也不断排出污染物，如汗的分解产物及其它挥发气体。在以人为主要污染源的场合，CO2浓度的高低基本上能完全反映人体污染物散发的情况。因此CO2浓度指标可以作为车内异味或其它有害物质的污染程度的评价指标，也是可以反映室内通风情况的评价指标，是判定空调列车污染程度最主要的参数之一。在地铁环境中，由于地铁的特殊性决定了其CO2的主要来源，乘坐地铁的乘客以及地铁工作人员。CO2浓度对人的生命活动有着重要的影响，当其浓度达到一定值时，可以直接导致认得死亡，因次，本次控制系统的设计是以CO2浓度作为主要控制参数来进行的。3.3.3烟雾参数的检测可吸入性微粒，地铁在隧道内运行中因电刷、闸瓦制动产生的粉末及隧道内灰尘，必然会通过各种渠道进入车内。人员的庞杂及其上下流动性较大，对车内尘埃浓度有很大的影响。再加上烟雾中含有大量的烟尘微粒，使可吸入性微粒也成为车内空气品质必要的衡量指标。空气微生物，地铁内空气中细菌的来源很多，必须选定一个指标来反映空气微生物的污染情况。室内空气细菌学的评价指标技术一般多采用细菌总数。我国仿照日本采用多层降菌法，以菌落数判定空气清洁程度。根据人体卫生要求，在每立方米的空间负氧离子含量不少于400个，否则人就会感到不适。当负氧离子浓度达到一定程度，可降低车内的飘逸的烟尘、CO2含量、细菌数目等，也可消除悬浮的微生物、车内有害气体、霉菌，并抑制细菌滋生，改善车内的空气品质。考虑到列车人员密度极大的特殊情况，有必要将其作为衡量车内空气品质的指标之一。在风机送入新风的同时，也带了一定的灰尘颗粒，从而也加速了隧道内环境的恶化。在地铁车辆的新风问题上，一定程度上限制了车内新风量的摄取。新风量注重“量”的要求，更要注重“质”的要求。新风利用率更加显得注重风的质量，因此，就需要在新风进地铁时，进行必要的处理。3.4系统通信通信网络是地铁行车指挥、运营管理、行政办公等有关部门和有关工作人员使用的通信设施，以及支持这些设施所需的相关网络，是各个系统所必需的，一个良好的通信系统直接影响着人身安全和系统的安全，它在整个系统中起着信息传输的重要作用。3.4.1控制器与现场设备的通信可编程控制器（PLC）是一种数字运算与操作的控制装置。PLC作为传统继电器的替代产品，广泛应用于工业控制的各个领域。由于PLC可以用软件来改变控制过程，并有体积小，组装灵活，编程简单，抗干扰能力强及可靠性高等特点，特别适用于恶劣环境下控制运行。当利用变频器构成自动控制系统进行控制时，很多情况下是采用PLC和变频器相配合使用。PLC可提供控制信号和指令对系统进行通断。一个PLC系统由三部分组成，即中央处理单元、输入输出模块和编程单元。PLC与变频器之间采用主从方式进行通讯，PLC为主机，变频器为从机。1个网络中只有一台主机，主机通过站号区分不同的从机。它们采用半双工双向通讯，从机只有在收到主机的读写命令后才发送数据。在通讯中常采用RS232或RS485进行通讯，由于RS485传输距离远的特点，所以在这里采用RS485进行通讯。单一的RS485最多可以连接31台变频器，系统可以采用广播通讯的方式或根据各变频器的地址找到需要通讯的变频器。其中需要有一个主站（PC，PLC或其他控制器），而各个变频器作为从站。如图3-9所示，其形象的表述了主机与从机的控制关系。图3-9PLC控制风机示意图3.4.2控制器与上位机通信控制器与上位机通讯系统主要由上位机(计算机)、PLC和连接电缆组成，计算机与PLC之间采用串口通讯.由于OMRONPLC本身带有RS-232接口，因此，在RS-232电缆与计算机之间直接用三线制连接(或直接用OMRONPLC自带的通讯电缆XW2Z-00S).根据通讯协议，上位机向PLC发送一定的指令，PLC接收指令，并返回一定的指令，若通讯成功则执行相应的操作。整个通信系统采用上位机主动的通信方式，PLC内部需要用特定的梯形图编程语言作下位机程序，因此，可以实现动态实时自动控制.上位机与OMRONPLC的通讯以使用命令(command)和响应(response)进行发送和接收，当上位机给PLC发送一定格式的数据命令时，PLC对接收到的数据进行分析判断，并返回一定格式的数据，若指令正确则做出相应的响应。4系统下位机软件设计合理的软件结构，是设计出一个性能优良的通风控制系统的基础，在程序设计方法上，模块化程序设计容易完成，便于调试，可供多个程序共享。软件结构设计和程序设计方法确定后，根据系统的功能，首先画出程序粗略的框图，通过对框图进行扩充和具体化，得到详细的程序流程图，然后编制具体程序。本次程序设计主要是根据图4-1来进行程序流程图的设计，在编写控制器程序也会依照此控制框图来进行，故此，程序框图对功能叶有着重要的影响。图4-1程序控制结构示意图4.1下位机的控制方法隧道通风控制系统多数时间处于自动运行状态下，其控制原理的选择很重要，这关系到隧道内的废气和烟尘是否能及时的排出。在本通风控制系统中，以CO2浓度值作为主要的控制对象，采用闭环控制系统中常应用负反馈控制方案。该方法是通过分布在隧道CO2浓度检测器检测地铁环境中的CO2值和烟雾检测器检测的烟雾浓度值，将隧道内的当前的污染浓度(CO2值，烟雾浓度值)与控制目标值相比较，以不超过目标值为原则，经计算处理后，给出控制信号，对风机运转组数进行控制。在这种控制方法下，考虑到火灾情况下，空气中的烟雾浓度以及CO2浓度突然增大的情况，在这里加入了紧急阈值，即在火灾时，首先通过把空气烟雾浓度以及CO2浓度与设定值比较，在大于设定值时，在于紧急阈值比较，如果比紧急阈值大，则认为发生了火灾，则马上进入报警模式和火灾通风模式，从而把损失减少到最小。现代控制技术已经较为发达了，在很多系统中都应用到了控制理论。本次的通风控制系统是建立在控制理论之上。图4-2是本次应用的相关的方块图：烟雾浓度方块图，在系统中，先根据在人地铁环境中生理反应设定CO2浓度设定值，再通过对排风口处CO2浓度的检测返回值与设定值比较之差作用于控制器，控制器根据比较结果来控制变频器，进而控制风机，以最终达到调节环境烟雾浓度的目的。在控制过程中，又有相关因素的影响，如新风量和回风量，在这控制室可做忽略，只在整体通风式进行处理。图4-2烟雾浓度控制方块图4.2系统软件流程图设计程序流程图是人们对要解决问题的方法、思路或算法的一种描述。它在控制系统中着承接硬件和软件的作用。4.2.1PLC编程步骤PLC梯形图的设计分为如下几步:l)分析问题，明确所要解决问题的要求和目标2)确定控制过程时序流程图3)确定采用的编程语言和算法子程序4)根据流程图和输入输出参数编制PLC逻辑控制程序5)总装调试:通过PLC编程器输入程序，按照硬件设计图现场接线并调试4.2.2软件流程图本次系统以CO2浓度为主要控制参数，以温度和烟雾浓度为辅助控制参数进行控制。当CO2浓度在正常范围内时，自动进入温度和烟雾浓度控制模式，图4-3和图4-4为本次的CO2浓度软件设计流程图。图4-3CO2浓度调节流程图图4-4温度控制流程图4.3系统下位机控制程序设计在本次程序设计中，首先从现场实际出发考虑问题，是系统具有多项功能，操作合理化，能源节约化。首先，在设计时，使控制器具有三种操作方式，即：自动运行方式，手动运行方式以及紧急运行方式，以确保对地铁隧道环境状况的绝对检测与控制。在本次控制系统中用到了四个控制器，虽然使用到了多可PLC控制器（使用多个控制器在对地铁这样的场所来说有一定的不合理性，但是使用多个控制器可以在不同的区间根据不同的情况做出不同的控制策略，在紧急情况时，可以做出紧急处理）。表4-1是本次程序的I/O端口分配说明（四个控制器程序相同）。表4-1控制器I/O端口说明输入端口输入端口说明0.00自动运行启动0.01自动运行停止0.02手动运行启动0.03手动运行停止0.04紧急启动0.05紧急停止200.03CO2正常为输入200.02CO2异常为输入200.06CO2警戒为输入200.05节能输入输出端口输出说明10.00节能输出10.01一号速度10.02二号速度10.03三号速度4.4系统软件程序设计对于一个控制系统来说，程序就是系统的控制核心，在程序里面设定了控制系统的控制要求，以实现现实环境的控制，系统软件程序设计见附录。

5基于KINGVIEW的组态监控系统科技的进步带动了工业自动化历史的进程，从某种程度上说，又是一次新的革命。在现代远程控制技术中，组态软件已经成为一种趋势，它在远程控制系统中担当者不可或缺的作用，图5-1是组态的工作界面。图5-1组态王初始界面在进入组态王功能界面后，选中自己要打开的工程或新建工程即可进入到图5-2界面中，组态王的软件开发就是在这里进行的。图5-2组态王开发界面5.1上位机软件说明组态王(KingView)是目前国内比较流行的一种国产工业自动化通用组态软件，适用于中小规模工业监控机，价格低廉。组态王配有加密锁，支持工程加密；驱动程序较为丰富，如支持DDE、板卡、OPC服务器、PLC、智能仪表、智能模块等；支持ActiveX控件、配方管理、数据库访问、网络功能、冗余功能。其扩展性强，可与管理计算机或控制计算机联网通信。5.1.1KINGVIEW功能及特点 组态软件主要用来组成监控和数据采集系统。使现场的信息实时地传送到控制室。保证现场操作人员和工厂管理人员都可以看到各种数据。管理人员不需要深入生产现场，就可以获得实时和历史数据。优化控制现场作业，提高生产率和产品质量。组态王拥有丰富的工具箱、图库和操作向导，简单易学，在工业控制中应用广泛，具体来说，它具有以下特点：1）实验全部用软件来实现，只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验，从而大大减少购置仪器的经费。2）该系统是中文界面，具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言，操作简单易学且编程简单，参数输入与修改灵活，具有多次或重复仿真运行的控制能力，可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线，能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线，这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。组态王作为当前一种流行组态软件，其具有以下几大功能，这些功能使得自动化控制有了很大的提升和进步。1）画面显示：通过组态王监控软件对现场设备进行组态，设计模拟画面，对现场设备状态进行显示，并可以通过画面对设备进行远程控制。2)监控实时数据：通过开发环境对各个采集数据点参数设定规定了数据的有效性及报警条件以及采集速度等性能，在画面上可以对这些数据进行实时显示，或者操作人员通过画面中的画面操作，手动设定个数据参数，并下发到PLC实现数据采集和控制的目的。实时采集的数据也是画面动画生成的依据。3)历史数据管理：根据开发环境中对数据属性是否进行存储以及如何存储的设定来对采集的数据进行数据管理，通常以变化情况或时间进行存储，以备查询分析所用。4)故障报警管理：各设备均设有故障信号点，该系统设计了故障显示画面，并在综合显示图中也会根据报警信号对设备进行颜色变化或闪烁等形式的报警显示，配合语音和声光报警，及时提醒操作人员故障发生，并且提供了报警数据存储功能，以备事故追踪和分析。5)报表管理：根据用户定义的格式生成报表，并可以自定义输出方式，或是进行存储或是定时进行打印，或者根据操作人员需要进行报表的输出和打印。6)事件记录：该系统具有用户管理功能，当然也具有权限管理，因此操作事件将通过事件记录方式进行备份，用户操作信息将被如实记录，用于事故追忆；内部事件如数据发生某种特定事件也将被记录在内进行管理，并可以输出打印。7)数据库接口：该系统具有数据库接口，支持SQL、ODBC、OLE等应用程序，具备开发性实时数据能接受任务的访问并与其进行数据交换。8)网络功能：具有网络接口，可以接入全场信息管理系统，进行信息共享。5.1.2组态王软件控制的基本流程在应用组态控制时。需要先对对系统的整体布局做一个整体的设计，这样可以统领整个系统的系统控制界面规划，以便做到良好的控制。在使用组态王时，首先明确其基本的操作顺序，这样才能更好的完成系统设计。以下是组态的一般使用操作顺序：1)图形界面的设计2)构造数据库3)建立动画连接4)运行和调试5.2系统工程安全设置在组态控制系统中，首先要设置主画面，在主画面中应有整个系统的所有子画面，以便在控制中进行手动切换；同时，还应考虑到非工作人员时，有非工作人员对系统的误操作，进而产生不良的后果，所以就需要设置系统工作人员登录界面，同时，在可登录的人员中还应设置优先级，来限制非系统级的工作人员对系统进行的误操作，进而减少系统的误操作率，从而把损失降到最低。最后还要对系统进行系统加密设置，防止有关信息的外流。图5-3是关于组态王工程的加密初始设置，它直接影响着工程的安全性，对于与它对应的系统也是十分重要的。图5-3系统加密初始设置在系统有密码当然就有用户的操作优先级，这个优先级的设定可以防止工作人员以及非工作人员的设定。对一个系统而言，良好的工作稳定性以及控制方式十分重要的，但是系统的操作安全性也是不容忽视的，图5-4和图5-5详细的表述了用户的设定以及优先级的设定。图5-4系统管理员优先级设置图5-5系统运行员优先级设置任何一个控制系统都会有一个登陆主界面，且该主界面可以切换到相应的子画面，从而对相应的控制部分进行控制。在主画面设定值时也需要做一些相应的工作，图5-6展示了本次控制主画面所做的画面设计工作。在控制系统主画面完成之后，就需要对各个按钮的功能以及系统的各个部分进行功能设定，以充分的检测与对电气设备的控制。图5-6系统登陆画面5.3系统画面及画面安全设计在系统登录画面中包含了四个字画面，这四个字画面设有对整个隧道空间的环境进行检测的检测器以及执行控制器的执行部件，即风机以其他辅助设备。区间隧道A区画面设计，在画面设置中，需要一些电气设备以及一些开关设备等，在对开关量的设定时，需要根据实际操作要求设定开关量的安全区以及它的优先级，这样做可以提高操作安全性，在非操作员以及非本地区间操作员操