畢業(yè)設(shè)計(jì)--基于plc的隧道通風(fēng)排水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（含外文翻譯）

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　題 目 基于PLC的隧道通風(fēng) </p><p>　　排水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p>　　院 系 　 </p><p>　　專 業(yè)　 </p><p>　　班

2、 級(jí) 　　 </p><p>　　學(xué)生姓名 　 </p><p>　　學(xué) 號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　2016年 5 月 26日</p&g

3、t;<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)以普通地下車(chē)輛交通隧道通風(fēng)風(fēng)機(jī)和排水泵為控制對(duì)象，根據(jù)隧道內(nèi)檢測(cè)的煙霧濃度、風(fēng)速、蓄水池液位及相應(yīng)控制要求，設(shè)計(jì)電氣控制原理圖和PLC控制程序，可實(shí)現(xiàn)煙霧濃度檢測(cè)、液位檢測(cè)、風(fēng)機(jī)啟停、水泵啟停全自動(dòng)控制，具有互鎖保護(hù)功能，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)-手動(dòng)轉(zhuǎn)換操作。本文采用了西門(mén)子S7-200PLC的CPU226 AC/DC/RL

4、Y模塊，加之EM231的模擬量輸入擴(kuò)展模塊，并輔以隧道CO/VI檢測(cè)器、超聲波液位計(jì)、單向式射流風(fēng)機(jī)和德國(guó)威樂(lè)水泵等元器件，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道通風(fēng)排水的自動(dòng)-手動(dòng)控制。即使是火災(zāi)或暴風(fēng)雨等特殊情況，該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)運(yùn)行調(diào)試后也能游刃有余。</p><p>　　關(guān)鍵詞：隧道；通風(fēng)排水；射流風(fēng)機(jī)；水泵</p><p><b>　　Abstract</b></p>&

5、lt;p>　　The 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 leve

6、l 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 sta

7、rt and stop automatic control, with interlocking protection function, </p><p>　　Key words: tunnel; ventilation and drainage; jet fan; water pump</p><p><b>　　目 錄</b></p><p&

8、gt;<b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractI</p><p><b>　　1 緒 論1</b></p><p>　　1.1 選題的背景和意義1</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究情況綜述1</p><p>　　1.3 論文應(yīng)達(dá)到的要

9、求及采用設(shè)備方法3</p><p>　　1.4 本章總結(jié)與反思3</p><p>　　2 可編程控制器4</p><p>　　2.1 可編程控制器發(fā)展4</p><p>　　2.2 可編程控制器概述4</p><p>　　2.3 可編程控制器分類及組成5</p><p>　　2.4

10、S7-200 PLC簡(jiǎn)述7</p><p>　　2.5 本章總結(jié)與反思7</p><p>　　3 PLC硬件設(shè)計(jì)8</p><p>　　3.1 通風(fēng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)8</p><p>　　3.2 排水系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)18</p><p>　　3.3 隧道通風(fēng)排水控制系統(tǒng)總PLC原理圖22</p>&l

11、t;p>　　3.4 本章總結(jié)與反思25</p><p>　　4 PLC軟件設(shè)計(jì)26</p><p>　　4.1 系統(tǒng)控制要求簡(jiǎn)述26</p><p>　　4.2 PLC軟件設(shè)計(jì)27</p><p>　　4.3 PLC的安裝與維修36</p><p>　　4.4 本章總結(jié)與反思38</p>

12、<p><b>　　5 結(jié) 論40</b></p><p>　　致 謝………………………………………………………………………………………………..42</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)42</b></p><p>　　附錄1：外文資料翻譯44</p><p>　　A1.1 譯文

13、:基于PLC專用處理器的一種高性能體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)44</p><p>　　A1.2 原文：A high performance architecture design of PLC dedicated processor53</p><p>　　附錄2 電氣原理圖64</p><p>　　附錄3 程序清單67</p><p><b

14、>　　1 緒 論</b></p><p>　　1.1 選題的背景和意義</p><p>　　自從改革開(kāi)放以來(lái)，伴隨著我國(guó)國(guó)際地位的飛速提升，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)水平也走到了世界的前列，堪稱世界第三大經(jīng)濟(jì)體。這其中，交通運(yùn)輸業(yè)對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)助力頗多。但是我國(guó)國(guó)土資源有限，交通運(yùn)輸業(yè)目前還存在著浪費(fèi)土地的不高效現(xiàn)狀，違背了可持續(xù)發(fā)展。再加之很多山地地區(qū)由于地形的緣故，所以隧道工程自改革開(kāi)

15、放以來(lái)在我國(guó)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。隧道的高效安全問(wèn)題，以及自動(dòng)工業(yè)化程度也就顯得尤為重要。</p><p>　　隧道的幾何特性導(dǎo)致了隧道具有相對(duì)密閉性，尾氣等污染物無(wú)法第一時(shí)間排出隧道。就這樣日積月累,當(dāng)污染物聚積到一定濃度，就會(huì)導(dǎo)致可見(jiàn)度下降和有害氣體含量上升，甚至隧道內(nèi)積水無(wú)法及時(shí)排掉，直接危害到行車(chē)安全以及人體健康[1]。在這種情況下，基于PLC的隧道通風(fēng)排水控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。</p><

16、;p>　　該系統(tǒng)能加強(qiáng)隧道內(nèi)的通風(fēng)排水，以降低汽車(chē)所排污染物濃度，保證隧道正常的空氣濕度。通風(fēng)排水系統(tǒng)即在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這些隧道環(huán)境參數(shù)的基礎(chǔ)上，控制隧道通風(fēng)風(fēng)機(jī)和排水泵的開(kāi)啟臺(tái)數(shù)及功率大小，保障隧道的安全健康運(yùn)營(yíng)。通過(guò)PLC和各種傳感器的配合使用，使通風(fēng)排水控制的安全性、可靠性大大的提高，不僅節(jié)約了電能，而且還提高了設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率。特別是在面對(duì)車(chē)禍火災(zāi)或暴雨積水的特殊情況時(shí)，該系統(tǒng)能自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，這將有著很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用前景。<

17、;/p><p>　　一個(gè)國(guó)家的交通運(yùn)輸對(duì)一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。其一我國(guó)國(guó)土遼闊，在廣闊的土地上，一條條交通要道縱橫交錯(cuò)，有很多的交通要道都要經(jīng)過(guò)隧道，因而探尋更加合理高效的隧道技術(shù)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的必要條件；再者，據(jù)有效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年交通事故發(fā)生在隧道內(nèi)的比重很大，而且造成的損失也十分的嚴(yán)重，因此隧道技術(shù)在減少事故發(fā)生率和安全運(yùn)營(yíng)方面也顯得更加不可或缺。</p><p>

18、　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究情況綜述</p><p>　　在高速公路工程的建設(shè)上，國(guó)外相對(duì)于國(guó)內(nèi)起步比較早，對(duì)隧道通風(fēng)排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究也更為先進(jìn)。國(guó)外擁有交通工控的一套完整設(shè)計(jì)思路，尤其瑞士等一些歐洲國(guó)家在公路及鐵路隧道建設(shè)方面經(jīng)驗(yàn)豐富。瑞士這個(gè)國(guó)度以多山地形聞名，其中就有世界著名的阿爾卑斯山橫貫。早在100多年前的20世紀(jì)初，在美國(guó)礦務(wù)局以及當(dāng)時(shí)一些知名大學(xué)通力合作下，美國(guó)修建紐約一隧道時(shí)，對(duì)隧道內(nèi)CO濃度以及人體

19、能夠承受CO濃度上限進(jìn)行了研究測(cè)試。研究結(jié)果顯示科學(xué)家們將400ppm當(dāng)做CO臨界值，并以此計(jì)算隧道需要的通風(fēng)量，這是歷史上第一次對(duì)隧道系統(tǒng)的正式研究。世界各國(guó)的隧道通風(fēng)方式的發(fā)展也經(jīng)歷了一個(gè)逐步完善的過(guò)程。日本大多數(shù)隧道所采用的縱向式通風(fēng)（包括分段縱向式通風(fēng)），開(kāi)始了隧道通風(fēng)的新紀(jì)元，其中以日本的惠娜山隧道為代表隧道。高速公路高速發(fā)展的過(guò)程中出現(xiàn)了許多特長(zhǎng)特大隧道，但因隧道通風(fēng)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)不恰當(dāng)所引起的交通事故，造成了許多的生命和財(cái)產(chǎn)

20、損失[2]。因此隧道通風(fēng)排水控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度需要不斷提高才能跟上社會(huì)的腳步，滿足人們的需求。</p><p>　　最近幾年我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的飛速發(fā)展離不開(kāi)以高速公路為骨干的高等級(jí)公路建設(shè)，其中隧道的建設(shè)更是重中之重。我國(guó)的多山丘陵地形決定了隧道在公路建設(shè)中的必要性。</p><p>　　目前隧道通風(fēng)方式種類繁多，但以機(jī)械通風(fēng)為主要形式。其中機(jī)械通風(fēng)又細(xì)分為縱向式，射流式，風(fēng)道式，噴嘴式和豎井

21、式通風(fēng)。</p><p>　　自然通風(fēng)。這種通風(fēng)方式不安裝專門(mén)的通風(fēng)設(shè)備，是采用存在于兩個(gè)洞口間的自然壓力差值產(chǎn)生的自然風(fēng)或者汽車(chē)行駛時(shí)車(chē)體周?chē)Σ廉a(chǎn)生的交通風(fēng)，達(dá)到送風(fēng)的目的。我國(guó)規(guī)定：LN<600可采用自然通風(fēng)。（L-隧道長(zhǎng)度，公里；N-高峰小時(shí)交通量，輛/小時(shí)）</p><p>　　縱向通風(fēng)。其中射流式送風(fēng)方式利用設(shè)置于隧道頂部的射流式風(fēng)機(jī)通風(fēng)，設(shè)備費(fèi)用低，但是噪聲頗大。而豎井

22、式通常用于長(zhǎng)隧道中，進(jìn)行分段通風(fēng)。</p><p>　　半橫向式通風(fēng)。其特點(diǎn)是利用空氣動(dòng)力學(xué)原理使新鮮的空氣聚集在汽車(chē)排氣孔附近，第一時(shí)間稀釋尾氣，這種方法僅需要設(shè)置排風(fēng)道，比較經(jīng)濟(jì)。</p><p>　　橫向通風(fēng)。這種通風(fēng)方式方便了防止火災(zāi)和處理煙霧，但需建造送風(fēng)道和排風(fēng)道，從而變向增加建設(shè)費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用。</p><p>　　隧道是否積水是隧道正常行車(chē)與否的關(guān)鍵

23、。這個(gè)問(wèn)題也是隧道能否正常運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵。目前國(guó)外隧道排水系統(tǒng)主要是在隧道內(nèi)按一定的距離設(shè)置濾水箅，濾水箅通常是設(shè)置在路面以下。濾水箅主要分為暗溝與開(kāi)口式明溝，暗溝較之明溝更加的隱蔽，也更加的易于維護(hù)。而我國(guó)根據(jù)隧道附近地理形態(tài)的相異，提出了隧道排水的原則是“排，隔，堵三種處理方式相互結(jié)合，因地制宜，綜合治理”。</p><p>　　我國(guó)常用的排水結(jié)構(gòu)：盲溝-泄水溝-排水溝。但是這種排水系統(tǒng)收集隧道內(nèi)積水的能力還是有

24、限，遇到大雨或者暴雨時(shí)，其排水能力就顯得捉襟見(jiàn)肘。同時(shí)目前眾多排水系統(tǒng)基本上是一個(gè)項(xiàng)目一個(gè)邊溝型式，未把隧道的長(zhǎng)度考慮在內(nèi)，往往得不到對(duì)積水的最佳引排效果[3]。</p><p>　　1.3 論文應(yīng)達(dá)到的要求及采用設(shè)備方法</p><p>　　該系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到的要求：</p><p>　　a.能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)控制。</p><p><b>

25、;　　b.能夠手動(dòng)控制。</b></p><p>　　c.具有互鎖保護(hù)功能。</p><p>　　擬用設(shè)備：AUTO CAD、V4.0 STEP7 Micro WIN SP9、S7-200仿真、鼓風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)、水泵、CO/VI檢測(cè)器/監(jiān)測(cè)儀、液位傳感器。</p><p>　　方法：使用AUTO CAD繪制主電氣控制原理圖，使用V4.0 STEP7 Mic

26、ro WIN SP9繪制PLC程序清單和軟件梯形圖，最后使用S7-200仿真進(jìn)行仿真。</p><p>　　1.4 本章總結(jié)與反思</p><p>　　本章著重介紹了選這個(gè)課題的背景和意義，對(duì)于此課題目前國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，以及PLC在隧道內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀。最后我大致敘述了本論文擬解決的主要問(wèn)題和論文應(yīng)達(dá)到的要求，一些采用的設(shè)備和方法。此章節(jié)是我對(duì)這個(gè)設(shè)計(jì)的一些宏觀規(guī)劃，后續(xù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)都是以本章為

27、核心的。由于實(shí)際情況限制，這個(gè)設(shè)計(jì)我無(wú)法去現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，所以我采用的設(shè)備可能不足以支撐整個(gè)長(zhǎng)隧道的運(yùn)營(yíng)。所以，我覺(jué)得我的設(shè)計(jì)更適合中小型隧道，一些射流風(fēng)機(jī)、水泵以及傳感器的實(shí)際安裝還需要進(jìn)一步實(shí)地檢測(cè)。這些是我的設(shè)計(jì)以后需要改進(jìn)的地方。</p><p><b>　　2 可編程控制器</b></p><p>　　2.1 可編程控制器發(fā)展</p><p&g

28、t;　　PLC最初研制時(shí)的目的主要是用于替代傳統(tǒng)的控制裝置，即以繼電器接觸器為代表的低壓電器控制。繼電器控制裝置的運(yùn)行方式是若某個(gè)線圈得電或失電，這個(gè)線圈的其他觸點(diǎn)也會(huì)同時(shí)動(dòng)作，是硬邏輯并行運(yùn)行。這種控制系統(tǒng)有著明顯的缺點(diǎn)，系統(tǒng)體積大，運(yùn)行不方便，學(xué)習(xí)成本高，尤其無(wú)法根據(jù)設(shè)計(jì)要求靈活改變程序，必須全部從頭開(kāi)始。而不同于繼電器控制裝置，PLC運(yùn)行方式是一種類似棧的方式，不管輸出繼電器是動(dòng)作信號(hào)還是存儲(chǔ)信號(hào)，他都會(huì)按照順序，只有其觸點(diǎn)被掃描

29、到，它才會(huì)動(dòng)作進(jìn)行后續(xù)操作，相對(duì)來(lái)說(shuō)安全保障性更佳。</p><p>　　PLC的發(fā)展與數(shù)字電子、模擬電子、電力電子等大多數(shù)工控學(xué)科的發(fā)展完善息息相關(guān)。從控制功能來(lái)分，PLC的發(fā)展經(jīng)歷下列四個(gè)階段：</p><p>　　第一階段，也就是可編程序控制器的誕生階段，指從第一臺(tái)可編程序邏輯控制器問(wèn)世取代繼電器控制方式開(kāi)始。這一階段產(chǎn)品主要用于邏輯運(yùn)算和定時(shí)、計(jì)數(shù)，其功能相對(duì)簡(jiǎn)單實(shí)用。</p

30、><p>　　第二階段，貫穿20世紀(jì)中期到末期為止，屬于可編程序邏輯控制器的小范圍擴(kuò)展階段。此階段新增了從模擬儀表發(fā)展而來(lái)的控制器，主要功能是邏輯運(yùn)算和模擬運(yùn)算。</p><p>　　第三階段，從20世紀(jì)70年代末期到80年代中期，是PLC的大力發(fā)展階段。期間伴隨計(jì)算機(jī)通信的發(fā)展，PLC也形成了小范圍的通信功能，數(shù)據(jù)傳播與運(yùn)算在這一時(shí)段得到了迅速發(fā)展。</p><p>

31、　　第四階段，即第三階段開(kāi)始至今，是PLC的開(kāi)放階段。此階段PLC形成工業(yè)控制產(chǎn)業(yè)網(wǎng)，全球自動(dòng)化開(kāi)始發(fā)展，形成統(tǒng)一的通信軟硬件系統(tǒng)，增加了多種編程語(yǔ)言，可以稱之為一門(mén)完整的學(xué)科了。</p><p>　　2.2 可編程控制器概述</p><p>　　PLC的全稱是可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller），國(guó)際工委會(huì)（IEC）對(duì)PLC進(jìn)行過(guò)定義。通俗的講，

32、可編程邏輯控制器是一種服務(wù)于自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)的電子系統(tǒng)。它通過(guò)數(shù)字運(yùn)算，利用內(nèi)部的可以編程序的存儲(chǔ)器來(lái)處理邏輯運(yùn)算、順序控制、存儲(chǔ)、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字的輸入輸出或模擬的輸入和輸出來(lái)控制各種生產(chǎn)過(guò)程[4]?？删幊绦蚩刂破骷捌渖衔粰C(jī)、下位機(jī)構(gòu)成完整的以太網(wǎng)控制系統(tǒng)，在工業(yè)生產(chǎn)中提供了很大的便利與幫助。</p><p>　　世界上生產(chǎn)PLC的著名企業(yè)有：美國(guó)（Rockwell公司所屬的AB公

33、司、GE-Fanuc公司）、日本（三菱、松下公司、OMRON）、德國(guó)（西門(mén)子）、法國(guó)（施耐德）。</p><p>　　PLC具有十分強(qiáng)大的功能，不僅具有采集信號(hào)、處理數(shù)據(jù)的能力，還可以實(shí)現(xiàn)邏輯控制，對(duì)輸出進(jìn)行控制，而且對(duì)于系統(tǒng)故障具有自診斷功能，具有以太網(wǎng)接口，可實(shí)現(xiàn)通信聯(lián)網(wǎng)、人機(jī)對(duì)話。</p><p>　　PLC具有如下特點(diǎn)：</p><p>　　安全可靠，自主能

34、力強(qiáng)。</p><p>　　PLC是用軟件代替了中間繼電器和時(shí)間繼電器，與傳統(tǒng)的繼電器控制相比，減少了大量的硬件觸點(diǎn)和接線，僅僅在輸入和輸出電路部分還需使用一些硬件元件，可以大大降低因?yàn)橛布|點(diǎn)的老化、使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成的接觸不良，提高系統(tǒng)的可靠性。</p><p>　　可編程邏輯控制器有很強(qiáng)的抗干擾能力，原因就在于，PLC設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)了許多抗干擾措施，包括硬件電路的抗干擾和軟件設(shè)計(jì)中加入軟件

35、抗干擾的方法，使系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中受現(xiàn)場(chǎng)的干擾信號(hào)的影響很小，自主性能好。</p><p><b>　　編程容易，操作方便</b></p><p>　　梯形圖語(yǔ)言是PLC應(yīng)用廣泛的編程語(yǔ)言，梯形圖語(yǔ)言十分形象直觀，它的表達(dá)方式和電路符號(hào)與繼電器電路的原理圖十分相似，沒(méi)有接觸過(guò)梯形圖的電氣技術(shù)人員只需要花上很短的時(shí)間就能過(guò)掌握梯形圖語(yǔ)言，并能夠編寫(xiě)簡(jiǎn)單的用戶程序。</

36、p><p>　　便于設(shè)計(jì)、調(diào)試、安裝，以及后期的維護(hù)</p><p>　　由于采用軟件電路代替大量的時(shí)間繼電器、中間繼電器和定時(shí)、計(jì)數(shù)器，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試、安裝十分方便。</p><p>　　體積小，重量輕，功耗低</p><p>　　由于軟件電路代替了大量的繼電器，PLC的體積、重量也大大降低。</p><p>　　模塊

37、化結(jié)構(gòu)，通用性強(qiáng)</p><p>　　PLC采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，便于系統(tǒng)的安裝與拆卸，而且方便對(duì)模塊進(jìn)行擴(kuò)展，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的通用性。</p><p>　　2.3 可編程控制器分類及組成</p><p>　　2.3.1可編程邏輯控制器分類</p><p><b>　　a.按結(jié)構(gòu)分類</b></p><

38、;p>　　PLC以其硬件的結(jié)構(gòu)形式為標(biāo)準(zhǔn)，分為整體式、模塊式和疊裝式。</p><p>　　b.按照控制規(guī)模分類</p><p>　　PLC的控制規(guī)模，即數(shù)字量的I/O點(diǎn)數(shù)及模擬量的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)。按照以上劃分方式，PLC較為細(xì)致的被分為數(shù)十點(diǎn)的微型機(jī)、500點(diǎn)以下的小型機(jī)、500點(diǎn)至上千點(diǎn)的中型機(jī)、數(shù)千點(diǎn)的大型機(jī)、上萬(wàn)點(diǎn)的超大型機(jī)等。</p><p>　　2

39、.3.2可編程控制器工作過(guò)程</p><p>　　PLC的工作過(guò)程是以按順序循環(huán)掃描的方式的方式進(jìn)行的。運(yùn)行狀態(tài)下的PLC，其運(yùn)行周期可劃分為輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段總共三個(gè)基本階段。此工作過(guò)程的特點(diǎn)是輸出對(duì)輸入的響應(yīng)有滯后現(xiàn)象。這個(gè)滯后時(shí)間的長(zhǎng)短主要取決于循環(huán)周期的長(zhǎng)短、輸入電路濾波時(shí)間和輸出電路滯后時(shí)間等。</p><p>　　2.3.3可編程邏輯控制器的組成</

40、p><p>　　圖2.1 PLC硬件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　2.4 S7-200 PLC簡(jiǎn)述</p><p>　　西門(mén)子的可編程控制產(chǎn)品有三個(gè)系列：S7、M7和C7，它們各有特點(diǎn)及應(yīng)用環(huán)境。S7-200是其中一款經(jīng)濟(jì)型的PLC，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，易于擴(kuò)展，價(jià)格低廉而功能強(qiáng)大，可靠性高，運(yùn)行速度快，性價(jià)比一流。S7-200繼承和發(fā)揮了其在大、中型PLC領(lǐng)域

41、的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　S7-200系列PLC的基本結(jié)構(gòu)包括四部分，其中以PLC主機(jī)為核心。PLC本身自帶有I/O端口，同時(shí)還可以擴(kuò)展各種功能模塊。因此S7-200系列PLC既可以單機(jī)運(yùn)行，也可以連接各種功能擴(kuò)展模塊。</p><p>　　為了擴(kuò)展I/O點(diǎn)和執(zhí)行特殊功能，S7-200可以連接擴(kuò)展模塊。常用的擴(kuò)展模塊有：定位模塊EM253、通信處理模塊EM241和測(cè)溫模塊EM231

42、等。</p><p>　　S7-200擁有三種模式，分別是PLC共有的模式（RUN和STOP）以及特色的模式--TERM（終端）模式。而且這種模式需要編程軟件STEP7的結(jié)合使用。這三者之間可以通過(guò)安裝在PLC上的方式選擇開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換使用。除此之外，S7-200擁有5種常用編程語(yǔ)言。</p><p>　　2.5 本章總結(jié)與反思</p><p>　　本章主要介紹了可編

43、程邏輯控制器的發(fā)展、概述、組成以及工作過(guò)程。世界上一些生產(chǎn)PLC的大型廠商中沒(méi)用中國(guó)廠商，這實(shí)在是一種遺憾和諷刺。特別的，我著重介紹了本設(shè)計(jì)我使用的PLC S7-200，它的組成，CPU模塊以及編程語(yǔ)言。在后續(xù)的研究中，我發(fā)現(xiàn)S7-200已經(jīng)漸漸被S7-1200所取代了，我得擴(kuò)展我的PLC掌握范圍，學(xué)習(xí)更先進(jìn)的PLC，趕上時(shí)代的步伐。像S7-300或S7-400等中大型機(jī)才是工業(yè)生產(chǎn)的主力軍，這些我都得彌補(bǔ)。</p>&l

44、t;p><b>　　3 PLC硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 通風(fēng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　通風(fēng)系統(tǒng)主要是為了使隧道系統(tǒng)的CO濃度以及能見(jiàn)度保持在正常值范圍，使隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量、行車(chē)環(huán)境符合標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的。本設(shè)計(jì)中隧道通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要是由CO/VI傳感器、PLC、風(fēng)機(jī)等幾部分組成。CO/VI檢測(cè)儀可以對(duì)隧道內(nèi)的CO濃度和能見(jiàn)度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

45、，將測(cè)得的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓或電流信號(hào)（2～10v、4～20mA）輸入到PLC的模擬輸入模塊，PLC對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理，控制風(fēng)機(jī)做出相應(yīng)的動(dòng)作。為了設(shè)計(jì)隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)，首先應(yīng)該對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行選擇，主要包括風(fēng)機(jī)型號(hào)的選型、傳感器型號(hào)的選型、以及PLC型號(hào)的選型，最后根據(jù)系統(tǒng)的要求得出PLC的輸入輸出分配表，得出PLC的原理圖，然后再組成系統(tǒng)。</p><p>　　3.1.1 VI/CO檢測(cè)儀的選型<

46、;/p><p>　　經(jīng)查閱資料得到，隧道一般情況下CO濃度范圍為0~500ppm,VI數(shù)值為0~0.035 l/m左右。根據(jù)上述數(shù)據(jù)選擇CO/VI檢測(cè)儀US Regal Tunnel VICO 740。</p><p>　　隧道CO/VI檢測(cè)器/監(jiān)測(cè)儀 US Regal Tunnel VICO 740是一款設(shè)計(jì)用來(lái)實(shí)時(shí)采集CO/VI數(shù)據(jù)，并為進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控而服務(wù)的儀器，也為隧道通風(fēng)及道路通行提供

47、決策依據(jù)。</p><p>　　VI分析儀由兩個(gè)部分組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。安裝距離3米或10米（可調(diào)）。經(jīng)反射后其量程會(huì)得到翻倍。光束經(jīng)過(guò)灰塵會(huì)衰減，此時(shí)接收器得到信號(hào)并經(jīng)判斷閱讀單元處理為測(cè)量值。分析儀會(huì)自我進(jìn)行一部分?jǐn)?shù)據(jù)分析與誤差處理。</p><p>　　CO采用紅外光譜氣體吸收相關(guān)法，利用特定CO在紅外光譜上顯示的CO吸收波峰左右數(shù)值來(lái)估算CO的濃度測(cè)量值。</p><

48、;p>　　隧道CO/VI檢測(cè)器/監(jiān)測(cè)儀 US Regal Tunnel VICO 740 特點(diǎn)：</p><p>　　◆可同時(shí)或分別測(cè)量能見(jiàn)度和CO濃度。</p><p>　　◆分析部分可顯示測(cè)量曲線。</p><p>　　◆開(kāi)機(jī)后可自動(dòng)調(diào)整，快速，節(jié)約費(fèi)用。</p><p>　　◆安裝

49、、開(kāi)機(jī)、維護(hù)費(fèi)用低。</p><p>　　◆大量程，完善且耐用的光學(xué)探頭。</p><p><b>　　◆零點(diǎn)補(bǔ)償功能。</b></p><p>　　◆多種輸出方式，數(shù)據(jù)采集方便。</p><p>　　◆可安裝于小隧道，只需測(cè)量一點(diǎn)。</p><p><b>　　◆可安裝于長(zhǎng)隧道。<

50、;/b></p><p>　　◆每一隧道口可集成有霧探頭。</p><p>　　◆具有可擴(kuò)展功能，根據(jù)未來(lái)設(shè)計(jì)需要，可增加對(duì)含氮或硫元素等其他有害氣體的檢測(cè)功能。</p><p><b>　　技術(shù)參數(shù)如下：</b></p><p>　　產(chǎn)品型號(hào) US Regal  Tunnel

51、0; VICO  740 </p><p>　　量程 VIS: K=0…35 1/km   CO: 0...500ppm</p><p>　　測(cè)量精度 VIS: ±0.1×1/km     &

52、#160;    CO: ±1ppm </p><p>　　防護(hù)等級(jí) IP68 </p><p>　　模擬輸出 2通道：0/2/4～20mA，最大負(fù)載1000歐 </p><p>　　數(shù)字接口 RS232/RS485/RS422 <

53、/p><p>　　繼電器輸出 CO故障；VI故障；維護(hù)/污染/報(bào)警指示 </p><p>　　數(shù)字輸入 5V 最大，2mA；外部維護(hù)開(kāi)關(guān) </p><p>　　工作溫度 -50℃ ～ +70℃ </p><p>　　工作濕度 0～100%RH

54、60;無(wú)冷凝 </p><p>　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)＞72小時(shí) </p><p>　　狀態(tài)顯示 設(shè)備狀態(tài)LED顯示 </p><p>　　數(shù)值顯示 測(cè)量數(shù)值LCD實(shí)時(shí)顯示 </p><p>　　安裝方式 壁掛安裝 </p><p

55、>　　響應(yīng)時(shí)間 ≤30s[5]</p><p>　　電流轉(zhuǎn)換參數(shù)對(duì)照表如下所示：</p><p>　　表3.1 電流轉(zhuǎn)換參數(shù)對(duì)照表</p><p>　　煙霧濃度和輸出電流成線性關(guān)系，見(jiàn)下圖3.1</p><p>　　圖 3.1 煙霧濃度和輸出電流關(guān)系</p><p>　　CO與輸出電流轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：&l

56、t;/p><p>　　表3.2 CO與電流成線性關(guān)系</p><p>　　CO濃度和輸出電流成線性關(guān)系，見(jiàn)下圖3.2</p><p>　　圖 3.2 CO濃度和輸出電流關(guān)系</p><p>　　VI/CO檢測(cè)儀如圖3.3：</p><p>　　圖 3.3 VI/CO檢測(cè)儀</p><p>　　US

57、Regal Tunnel VICO 740檢測(cè)儀是專門(mén)針對(duì)隧道惡劣環(huán)境所設(shè)計(jì)的，它能將隧道內(nèi)的能見(jiàn)度值、CO濃度值轉(zhuǎn)換為4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸入到PLC的模擬量通道，輸入量程與模擬量輸入輸出通道的量程相匹配，方便計(jì)算對(duì)應(yīng)值。因此選 US Regal Tunnel VICO 740檢測(cè)儀作為隧道通風(fēng)系統(tǒng)測(cè)量能見(jiàn)度、CO濃度值的傳感器。</p><p>　　3.1.2 隧道風(fēng)機(jī)型號(hào)選型</p>&

58、lt;p>　　射流風(fēng)機(jī)是專門(mén)針對(duì)公路及鐵路隧道的通風(fēng)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，以射流風(fēng)機(jī)為主要通風(fēng)設(shè)備的通風(fēng)方式屬于縱向通風(fēng)方式。隧道風(fēng)機(jī)一般是懸掛在隧道的頂部和兩側(cè)的位置，不占用交通面積。也不需要修建風(fēng)道，是一種十分經(jīng)濟(jì)可靠地通風(fēng)方式。</p><p>　　射流風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,能產(chǎn)生較高的推力，流經(jīng)隧道內(nèi)的部分空氣被吸入風(fēng)機(jī)中，經(jīng)過(guò)葉輪做功，由風(fēng)機(jī)出口噴出高速的氣流，根據(jù)沖擊傳動(dòng)原理，獲得能量的高速氣流將能量傳遞給隧

59、道內(nèi)的 空氣，推動(dòng)隧道內(nèi)的空氣向前流動(dòng)。隧道內(nèi)間隔分布的風(fēng)機(jī)將隧道內(nèi)的氣流不斷向前傳遞，新鮮空氣從隧道入口處被吸入，隧道內(nèi)被污染的空氣通過(guò)風(fēng)機(jī)運(yùn)行及自然風(fēng)的作用由出口排出，通過(guò)隧道內(nèi)的空氣流動(dòng)，改善隧道中的空氣質(zhì)量，營(yíng)造更好的行車(chē)環(huán)境。</p><p>　　遂道式通風(fēng)機(jī)有兩種類型組成，分別是單向射流風(fēng)機(jī)SDS和雙向射流風(fēng)機(jī)SDS(R)，最大推力可達(dá)3500牛。SDS隧道射流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖3.4所示。</p&

60、gt;<p>　　圖 3.4 隧道射流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　從上圖射流風(fēng)機(jī)外觀來(lái)看，風(fēng)機(jī)主要由左右兩端的消聲器、支架腳以及風(fēng)機(jī)本體組成。SDS射流風(fēng)機(jī)外部進(jìn)行涂裝處理以保證風(fēng)機(jī)的強(qiáng)度和防腐度。風(fēng)機(jī)本體中的葉輪可根據(jù)需要由設(shè)計(jì)人員改變?nèi)~片數(shù)和葉片角度。兩端的消聲器通過(guò)螺栓與風(fēng)機(jī)本體固定，消聲器通常情況下為風(fēng)機(jī)直徑的一倍，對(duì)消除噪聲要求嚴(yán)格的場(chǎng)合也可以取為風(fēng)機(jī)直徑的兩倍[6]。</p&g

61、t;<p>　　本系統(tǒng)選擇型號(hào)為SDS-90t-4p-22kw的射流風(fēng)機(jī)，是單向運(yùn)轉(zhuǎn)軸流風(fēng)機(jī)，且自帶故障信號(hào)，具體參數(shù)如下：</p><p>　　風(fēng)機(jī)直徑：900mm </p><p>　　電機(jī)功率：22 KW </p><p>　　軸向推力：695 N </p><p>　　風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（N/min）：1470 </p>

62、;<p>　　風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量：20 </p><p>　　風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速：31.4 m/s</p><p>　　射流風(fēng)機(jī)外形如圖所示：</p><p>　　圖 3.5 單向式射流風(fēng)機(jī)</p><p>　　由風(fēng)機(jī)參數(shù)可得，基于SDS-90t-4p-22kw射流風(fēng)機(jī)的射流通風(fēng)方式能滿足長(zhǎng)度在1000米及以下的雙向交通隧道，符合本文中隧道

63、通風(fēng)的要求。</p><p>　　3.1.3 PLC選型</p><p>　　選擇PLC時(shí)，對(duì)所選擇的PLC的基本要求是所選擇的PLC要能夠滿足控制系統(tǒng)對(duì)功能的要求。選擇PLC主要從以下幾個(gè)方面考慮：</p><p><b>　　結(jié)構(gòu)的選擇</b></p><p>　　系統(tǒng)在功能和I/O點(diǎn)數(shù)相同的情況下，整體式的PLC相

64、對(duì)與模塊式的PLC價(jià)格要低。</p><p><b>　　輸出方式的選擇</b></p><p>　　不同的負(fù)載對(duì)PLC的輸出方式的要求也不相同。一般來(lái)講，PLC的輸出類型有晶體管、繼電器和SSR輸出三種。但對(duì)于S7-200CPU則只有前兩種方式。其中繼電器輸出型的PLC可以驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載和交流負(fù)載。在下列表中，電源電壓是PLC的工作電壓，輸出電壓是由用戶提供的負(fù)載工作

65、電壓。</p><p>　　I/O 響應(yīng)時(shí)間的選擇</p><p>　　系統(tǒng)的輸入、輸出電路和PLC的掃描工作方式會(huì)引起延時(shí)，這也是PLC響應(yīng)時(shí)間的重要組成部分。沒(méi)有模擬量輸入輸出的系統(tǒng)不許考慮PLC I/O響應(yīng)時(shí)間。</p><p><b>　　聯(lián)網(wǎng)通信的選擇 </b></p><p>　　如果控制系統(tǒng)要求PLC要能夠

66、與其他設(shè)備通信，那么所選擇的PLC就應(yīng)具備通信聯(lián)網(wǎng)的功能。即所選擇的PLC要有與系統(tǒng)中其他的PLC、上位機(jī)、HMI等設(shè)備互聯(lián)的接口。</p><p><b>　　PLC 電源的選擇</b></p><p>　　電源是PLC干擾引入的主要途徑之一，為了確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，應(yīng)選擇優(yōu)質(zhì)電源。</p><p>　　I/O 點(diǎn)數(shù)和 I/O 接口設(shè)備的

67、選擇</p><p>　　a．輸入模塊的輸入電路應(yīng)與外部傳感器或電子設(shè)備（例如變頻器）的輸出電路的類型相匹配，最好能使二者直接相連。</p><p>　　b．選擇模擬量模塊時(shí)應(yīng)考慮使用變送器，以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的量程是否能與 PLC 的模擬量輸入 / 輸出模塊的量程匹配。</p><p>　　C．使用旋轉(zhuǎn)編碼器時(shí)，應(yīng)考慮 PLC 的高速計(jì)數(shù)器的功能和工作頻率是否能滿足要求

68、。 </p><p><b>　　存儲(chǔ)器容量的選擇 </b></p><p>　　存儲(chǔ)器是儲(chǔ)存系統(tǒng)程序、用戶程序和邏輯變量的一種半導(dǎo)體電路。系統(tǒng)程序是控制和完成PLC多種功能的程序，有生產(chǎn)廠家編寫(xiě)。用戶程序是根據(jù)生產(chǎn)工藝和工藝要求設(shè)計(jì)的控制程序。PLC中常用的存儲(chǔ)器有ROM、RAM和EPROM。存儲(chǔ)器容量可按照下式對(duì)進(jìn)行估算，并加上20%~30%的裕量</p&g

69、t;<p>　　存儲(chǔ)容量（字節(jié)）=開(kāi)關(guān)量I/O通道數(shù)*10+模擬量I/O通道數(shù)*100</p><p>　　一般情況下，能夠滿足輸入輸出點(diǎn)數(shù)要求的PLC對(duì)存儲(chǔ)器容量也能滿足。</p><p>　　S7-200的CPU模塊目前有五種型號(hào)，見(jiàn)下表</p><p>　　表3.3 S7-200 PLC的主要技術(shù)性能指標(biāo)[7]</p><p&

70、gt;　　根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，每個(gè)PLC要控制三臺(tái)風(fēng)機(jī)/水泵的啟停，另外考慮安全性問(wèn)題，要在輸入端加入風(fēng)機(jī)/水泵的過(guò)流、欠壓保護(hù)輸入，以及超聲波液位計(jì)、CO/VI檢測(cè)儀的模擬信號(hào)輸入，由于PLC的輸入輸出I/O接口價(jià)格相對(duì)較高，因此在選擇I/O點(diǎn)數(shù)時(shí)應(yīng)本著在滿足系統(tǒng)控制要求的前提下盡可能的使I/O點(diǎn)數(shù)最少且必須留有一定的裕量的原則，I/O點(diǎn)數(shù)應(yīng)根據(jù)控制對(duì)象的I/O點(diǎn)數(shù)數(shù)量實(shí)際需求，再加上10%~15%的裕量來(lái)確定，本系統(tǒng)中有18個(gè)數(shù)字量

71、輸入，控制隧道通風(fēng)系統(tǒng)的PLC應(yīng)有VI檢測(cè)輸入和CO檢測(cè)輸入兩個(gè)模擬量輸入通道，控制隧道排水系統(tǒng)的PLC應(yīng)具有超聲液位信號(hào)輸入一個(gè)模擬量輸入通道，比較上表s7-200的五種CPU的參數(shù)可知，PLC的CPU型號(hào)選為CPU226。</p><p>　　CPU模塊的型號(hào)有5種，見(jiàn)表3.4。S7-200系列PLC的電源供電形式有兩種，即交流（DC）與直流（AC）。所有的S7-200系列PLC不只有為其自身、擴(kuò)展模塊和其他

72、用電設(shè)備供電的內(nèi)部電源，其本身還向外提供一個(gè)DC 24V電源，從電源輸出點(diǎn)（L+，M）引出。除此之外，每個(gè)擴(kuò)展模塊都需要DC 5V的電源供電，應(yīng)當(dāng)檢查所有擴(kuò)展模塊的電源要求是否超出CPU供電能力。一旦超出，就得減少或者改變模塊配置。</p><p>　　表3.4 S7-200 PLC的CPU型號(hào)</p><p>　　因?yàn)檩斎牖芈芬话闶褂肅PU內(nèi)置的DC24V電源，輸出回路控制的是交流負(fù)載，

73、因此采用繼電器輸出，CPU電源電壓和輸入、輸出版本選擇為AC/DC/Relay。CPU AC/DC/Relay的外部接線圖如圖所示：</p><p>　　圖3.6 CPU226AC/DC/Relay端子接線</p><p>　　S7-200的CPU可以根據(jù)系統(tǒng)的需要進(jìn)行擴(kuò)展（CPU221除外）。信號(hào)模塊連接到CPU的右側(cè)，以擴(kuò)展其數(shù)字量或模擬量I/O的點(diǎn)數(shù)。CPU 226可以最多連接7個(gè)擴(kuò)

74、展模塊單元。所有的S7-200CPU模塊上，都至少有一個(gè)或多個(gè)通信口。</p><p>　　因?yàn)楸鞠到y(tǒng)屬于小型系統(tǒng)，輸入輸出點(diǎn)數(shù)較少，S7-200 的226型的CPU不需擴(kuò)展信號(hào)板與信號(hào)模塊，不必集成通信接口與通信模塊，只需要在傳感器和CPU之間添加一個(gè)模擬量輸入模塊用以A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理即可。</p><p>　　此設(shè)計(jì)中有VI檢測(cè)輸入、CO檢測(cè)輸入和超聲液位信號(hào)輸入三個(gè)模擬量輸入通道，

75、我選用EM231模塊，由下表可知其具有4個(gè)模擬量輸入通道，符合需要且夠用。模擬量輸入分辨率為12位，單極性數(shù)據(jù)格式的全量程范圍為0~32000，雙極性范圍則是-32000~+32000.</p><p>　　表3.5 模擬量擴(kuò)展模塊型號(hào)、點(diǎn)數(shù)及消耗電流</p><p>　　CPU單元與擴(kuò)展模塊由導(dǎo)軌固定，CPU模塊放在最左側(cè)，擴(kuò)展模塊依次放在右側(cè)。CPU單元的擴(kuò)展端口位于機(jī)身中部右側(cè)前蓋下

76、，與擴(kuò)展模塊的扁平電纜連接，如下圖3-7所示。（標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝）</p><p>　　圖3.7 CPU與擴(kuò)展模塊的連接</p><p>　　EM231 的外部接線如下圖3.8所示。輸入信號(hào)為電壓信號(hào)時(shí)，用兩個(gè)端子（如A+、A-）；輸入信號(hào)為電流信號(hào)時(shí)，用三個(gè)端子（如RC、C+、C-），其中RC與C+端子短接；未用的輸入通道應(yīng)該短接（如B+、B-）。下部右邊分別是增益校準(zhǔn)電位器（在沒(méi)有精密儀器

77、的情況下，不要調(diào)整）和配置設(shè)定DIP開(kāi)關(guān)。</p><p>　　圖3.8 EM231的外部接線圖</p><p>　　3.2 排水系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　本文中排水系統(tǒng)主要是為了防止由于降雨或者是隧道火災(zāi)等情況發(fā)生時(shí)由于消防用水等情況給隧道道路造成積水導(dǎo)致影響隧道交通正常運(yùn)行的情況。本設(shè)計(jì)中排水系統(tǒng)主要是由蓄水池收集隧道內(nèi)的積水，然后當(dāng)蓄水池水位到達(dá)一定高

78、度的時(shí)候，運(yùn)行相應(yīng)的排水泵進(jìn)行排水處理以保證蓄水池水位在一個(gè)安全的水平。排水系統(tǒng)中蓄水池液位通過(guò)傳感器采集，將液位值通過(guò)水位傳感器的模擬信號(hào)輸入通道輸入PLC，通過(guò)PLC內(nèi)部程序的處理，PLC的輸出驅(qū)動(dòng)蓄水池中的水泵工作。本文中對(duì)隧道排水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括對(duì)檢測(cè)液位的傳感器的選型、對(duì)水泵型號(hào)的選型、對(duì)PLC型號(hào)的選型，最后根據(jù)系統(tǒng)的要求得出PLC的輸入輸出分配表，作出PLC的原理圖，最后組成隧道排水系統(tǒng)。</p>&l

79、t;p>　　3.2.1傳感器的選型</p><p>　　測(cè)量液位的傳感器主要有浮筒式液位傳感器、超聲波液位計(jì)和雷達(dá)液位計(jì)等。浮筒式液位傳感器利用著名科學(xué)家阿基米德浮力原理設(shè)計(jì)而成。此傳感器利用其內(nèi)部金屬薄片來(lái)感應(yīng)液位信息，但是需要人工現(xiàn)場(chǎng)操作相對(duì)不是很方便。雷達(dá)液位計(jì)主要用于重要性較高的場(chǎng)合。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)中不僅要控制水泵啟停來(lái)達(dá)到控制液位的作用，還要把實(shí)時(shí)液位值在監(jiān)控中心顯示，因此本文中選用超聲波液位計(jì)。&l

80、t;/p><p>　　超聲波液位計(jì)，屬于非接觸式液位測(cè)量?jī)x器。它利用超聲波自帶特性制成，既可以發(fā)射超聲波也可以接受超聲波。超聲波液位計(jì)之所以能測(cè)量液位高度，其原理主要是利用超聲波測(cè)距。超聲波在空氣中的傳播速度是一定的，超聲波在空氣中傳播，遇到障礙物被反射回來(lái)，可根據(jù)發(fā)射器和接收器接收到超聲波的時(shí)間差值計(jì)算出障礙物到超聲波物/液位計(jì)的距離。</p><p>　　表3.6 超聲波液位計(jì)參數(shù)<

81、/p><p><b>　　續(xù)表3.6</b></p><p>　　液位與電流呈線性關(guān)系，如下所示:</p><p>　　表3.7 液位與電流對(duì)應(yīng)關(guān)系</p><p>　　圖3.9 液位與電流轉(zhuǎn)換關(guān)系</p><p>　　一體式超聲波液位計(jì)如圖所示：</p><p>　　圖3.1

82、0 一體式超聲波液位計(jì)</p><p>　　由上述圖表可知超聲波液位和輸出電流值成正比，這樣的話，一般5米深的蓄水池內(nèi)液位值以4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流形式輸入到我選好的模擬量擴(kuò)展模塊內(nèi)，再根據(jù)比例關(guān)系進(jìn)行操作計(jì)算。而且超聲波液位計(jì)不必接觸介質(zhì)，可以大幅度增長(zhǎng)超聲波液位計(jì)的使用壽命，相對(duì)于其他液位計(jì)長(zhǎng)期與水接觸容易被破壞其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，浪費(fèi)資源。因此選超聲波液位計(jì)作為隧道排水系統(tǒng)中的蓄水池液位檢測(cè)儀器。</p>

83、;<p>　　3.2.2 排水泵的選型</p><p>　　排水系統(tǒng)中的水泵主要是安裝在池子底部，蓄水池的作用主要是收集雨水、消防用水等混雜有泥沙、雜物的污水。因?yàn)樾钏厣钗迕?，因此水泵的揚(yáng)程要選擇不低于5米的水泵。而蓄水池平時(shí)可能灌滿水的情況不是很多，而一旦遇到強(qiáng)降雨或特大交通事故，會(huì)有許多的水注入，因此選擇水泵的流量時(shí)要選擇流量相對(duì)大些的以應(yīng)對(duì)突然的水位增長(zhǎng)。綜合以上所述，本系統(tǒng)所選擇的水泵為德

84、國(guó)威樂(lè)PDV-A400E(A)型號(hào)的水泵。PDV-A400E(A)水泵具體參數(shù)如下：</p><p>　　輸入功率：600（W）</p><p>　　輸出功率：400（W）</p><p>　　揚(yáng)程：最大揚(yáng)程7m，額定揚(yáng)程5m</p><p>　　流量：最大流量230L/min，額定流量為150L/min</p><p&g

85、t;　　管徑：50mm 質(zhì)量：13kg</p><p>　　PDV-A400E(A)型水泵如圖所示：</p><p>　　圖3.11 PDV-A400E(A)型水泵</p><p>　　威樂(lè)公司潛水泵主要應(yīng)用在地下室、排水溝、下水道等的排水。電機(jī)配有過(guò)熱保護(hù)器，可大大加長(zhǎng)水泵的使用壽命，同時(shí)還允許含顆粒較大的污水通過(guò)。水泵機(jī)身采用了工程塑料和不銹鋼材質(zhì)，防腐性

86、能強(qiáng)，且重量輕[8]。因此隧道排水系統(tǒng)中應(yīng)用此排水泵基本能滿足要求。</p><p>　　3.2.3 PLC的選型</p><p>　　因?yàn)榕潘到y(tǒng)的控制要求與通風(fēng)系統(tǒng)的控制要求基本相同，所以PLC的選型標(biāo)準(zhǔn)與3.1.3完全相同，這里不再贅述。而且從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，兩個(gè)系統(tǒng)完全可以由同一個(gè)PLC控制，節(jié)約資源最大化利用。</p><p>　　3.3 隧道通風(fēng)排水控制

87、系統(tǒng)總PLC原理圖</p><p>　　3.3.1 自動(dòng)控制部分</p><p>　　在通風(fēng)控制部分，PLC需要控制三臺(tái)風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)，因此這部分PLC輸出有三個(gè)，分別控制風(fēng)機(jī)1、2、3。而PLC的輸入有風(fēng)機(jī)自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，另外SDS隧道射流風(fēng)機(jī)自帶有故障信號(hào)，此信號(hào)接入PLC，當(dāng)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，停止風(fēng)機(jī)運(yùn)行。同理，這臺(tái)PLC還要控制三臺(tái)水泵的啟停，因此PLC輸出又有三個(gè)，分別控制水泵1、2、3

88、。而PLC的輸入包括水泵自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，另外PDV-A400E(A)型水泵自帶有故障信號(hào)，此信號(hào)接入PLC，當(dāng)水泵出現(xiàn)故障時(shí)，停止水泵運(yùn)行。另外從安全性方面考慮，還要對(duì)線路中的電源故障、電路故障、設(shè)備和元件故障等電氣故障檢測(cè)并將檢測(cè)信號(hào)輸入PLC，因此一共有9+9=18個(gè)數(shù)字量輸入信號(hào)，超聲波液位檢測(cè)值、CO檢測(cè)值、VI檢測(cè)值通過(guò)模擬量通道輸入PLC，占三個(gè)模擬量通道。</p><p>　　根據(jù)以上分析，列出通風(fēng)系

89、統(tǒng)S7-200 PLC I/O分配表：</p><p><b>　　輸入地址分配表：</b></p><p>　　表3.8 隧道通風(fēng)排水控制系統(tǒng)輸入分配表</p><p><b>　　輸出地址分配表：</b></p><p>　　表3.9 隧道通風(fēng)排水控制系統(tǒng)輸出分配表</p><

90、;p>　　由上述系統(tǒng)的輸入輸出分配表得出隧道通風(fēng)排水控制系統(tǒng)PLC原理圖：</p><p>　　圖3.12 系統(tǒng)總PLC原理圖</p><p>　　3.3.2 手動(dòng)控制部分</p><p>　　圖3.13 控制部分圖</p><p>　　手動(dòng)部分電路我選擇起保停自鎖電路，并配以FR熱繼電器常閉觸頭。當(dāng)電路過(guò)熱時(shí)，它能自我熔斷，保護(hù)電路中

91、的其他重要設(shè)備防止燒壞。其中SB1，SB3，SB5，SB7，SB9，SB11為急停按鈕，當(dāng)工作人員發(fā)現(xiàn)電路故障時(shí)，可以斷開(kāi)此開(kāi)關(guān)保護(hù)電路。這些開(kāi)關(guān)與相應(yīng)電機(jī)一一對(duì)應(yīng)，關(guān)斷時(shí)不影響其余電機(jī)運(yùn)行。以風(fēng)機(jī)1號(hào)為例，手動(dòng)接觸器KM1與自動(dòng)接觸器KM7具有互鎖開(kāi)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)互鎖保護(hù)。即手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，KM7自動(dòng)斷開(kāi)；自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，手動(dòng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。</p><p>　　上述控制原理圖中還用到了很多電氣元件，比如：熔斷器、熱繼電器以及

92、中間繼電器線圈等。</p><p>　　熔斷器是指當(dāng)電流超過(guò)其標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，其內(nèi)部電阻絲由于發(fā)熱過(guò)度導(dǎo)致溶體熔斷，從而斷開(kāi)電路的一種元件。熔斷器廣泛應(yīng)用于工業(yè)電力生產(chǎn)以及居民生活中，不論是高壓電路還是低壓電路，作為短路和過(guò)電流等突發(fā)情況的保護(hù)器件，應(yīng)用十分廣泛。本設(shè)計(jì)我選用的熔斷器都是茗熔圓筒帽形熔斷器RO15。</p><p>　　熱繼電器主要用來(lái)保護(hù)電動(dòng)機(jī)以及接觸器線圈，隨著它體積小，成本

93、低使用方便的特點(diǎn)受到大家青睞。本設(shè)計(jì)我選用的熱繼電器為德力西熱過(guò)載繼電器 JRS1D-25/Z LR2。此款為最新式熱繼電器，使用和操作相對(duì)老的更容易，并且與時(shí)俱進(jìn)增加了很多新功能。</p><p>　　在電氣電路中，中間繼電器線圈是動(dòng)力部分與控制部分的連接開(kāi)關(guān)。因此，中間繼電器線圈可以看做是一種小電流控制大電流的放大電路開(kāi)關(guān)。其在電路中的意義是轉(zhuǎn)換電路信息和傳遞。本設(shè)計(jì)我采用的繼電器是原裝歐姆龍MY4N-J M

94、Y2N-J中間繼電器。歐姆龍作為一個(gè)生產(chǎn)PLC的大型廠商在繼電器領(lǐng)域也有著不錯(cuò)的成就。該廠商生產(chǎn)的原裝繼電器耐磨耐高溫，使用銀質(zhì)觸電和銀合金引腳，承載電流能力強(qiáng)，接觸性能也更強(qiáng)比傳統(tǒng)的接觸器而言。它的百分百紫銅線圈號(hào)稱機(jī)械使用8000萬(wàn)次耐久度，質(zhì)量很不錯(cuò)，口碑頗好。</p><p>　　3.4 本章總結(jié)與反思</p><p>　　本章硬件設(shè)計(jì)我詳細(xì)介紹通風(fēng)系統(tǒng)射流風(fēng)機(jī)、CO/VI傳感器以

95、及排水系統(tǒng)的水泵、超聲波液位傳感器的選型。這些都是我從網(wǎng)上根據(jù)口碑挑選的，然后我通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)字量輸入輸出和模擬量輸入數(shù)量，做出了S7-200的CPU模塊以及擴(kuò)展模塊的選擇。在開(kāi)始的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我曾在傳感器和PLC之間的連接部分遇到困難，因?yàn)閭鞲衅鬏敵鲆话愣际悄M量，PLC無(wú)法直接處理。我先詢問(wèn)老師，老師給我推薦了硬件電路通過(guò)運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)方案。但由于平時(shí)我電力電子基礎(chǔ)學(xué)的并不扎實(shí)，導(dǎo)致我在這部分工作上進(jìn)展并不盡如人意。后來(lái)指導(dǎo)老師

96、又給我指出了擴(kuò)展模塊的方法。條條大路通羅馬，我這里不僅要謝謝老師，也給我自己的平時(shí)學(xué)習(xí)敲響了警鐘。后續(xù)我得自己補(bǔ)上對(duì)于電力電子，數(shù)字電子和模擬電子技術(shù)的溫習(xí)，這些科目在以后的工作中很有用不能落下。</p><p><b>　　4 PLC軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1 系統(tǒng)控制要求簡(jiǎn)述</p><p>　　本文中控制系統(tǒng)主要通過(guò)對(duì)隧

97、道內(nèi)的風(fēng)機(jī)、水泵進(jìn)行控制來(lái)達(dá)到對(duì)隧道內(nèi)通風(fēng)、排水的自動(dòng)控制。隧道為兩個(gè)方向并行車(chē)道，車(chē)道兩側(cè)交叉安裝三臺(tái)風(fēng)機(jī)，三臺(tái)風(fēng)機(jī)由一個(gè)PLC控制，根據(jù)隧道內(nèi)的CO濃度、VI值決定運(yùn)行風(fēng)機(jī)的臺(tái)數(shù)。隧道中部有一個(gè)蓄水池，內(nèi)有三臺(tái)水泵，由一臺(tái)PLC控制。根據(jù)蓄水池中的液位決定蓄水池中的水泵運(yùn)行的臺(tái)數(shù)。</p><p>　　4.1.1 通風(fēng)系統(tǒng)控制規(guī)則</p><p>　　隧道內(nèi)的CO濃度、VI值參考下表：

98、</p><p>　　表4.1 CO濃度、VI值參考表</p><p>　　根據(jù)上表可知當(dāng)隧道內(nèi)的CO濃度≤150 ppm時(shí)，風(fēng)機(jī)不啟動(dòng)，當(dāng)隧道內(nèi)的CO濃度在150 ppm～250ppm之間時(shí)第一臺(tái)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)；當(dāng)隧道內(nèi)的CO濃度在250ppm～300ppm之間時(shí)第一、第二臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行；當(dāng)隧道內(nèi)的CO濃度達(dá)到300ppm時(shí)，全部風(fēng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。當(dāng)隧道內(nèi)的CO濃度降到150pp

99、m以下時(shí)，這里定為140ppm,所有風(fēng)機(jī)一起停止運(yùn)行。對(duì)于能見(jiàn)度的控制方式和CO濃度控制方式相同，也是分為三級(jí)，這里不再贅述。</p><p>　　4.1.2 排水系統(tǒng)控制規(guī)則</p><p>　　根據(jù)查閱資料，本系統(tǒng)中假設(shè)蓄水池深度、以及長(zhǎng)寬都為5米，當(dāng)蓄水池液位在1米以下時(shí)，水泵不啟動(dòng)，當(dāng)蓄水池液位在1m～2m時(shí)，第一臺(tái)水泵啟動(dòng)工作；當(dāng)水位在2～3m之間時(shí)，第一、第二臺(tái)水泵同時(shí)工作；當(dāng)

100、蓄水池液位超過(guò)3米時(shí)，三臺(tái)水泵同時(shí)工作，并同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。當(dāng)蓄水池的液位降到1m以下時(shí)，這里定為0.8m，所有水泵一起停止工作。</p><p>　　4.2 PLC軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　PLC的軟件設(shè)計(jì)主要是根據(jù)上述系統(tǒng)的控制規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)運(yùn)行方法分為主動(dòng)運(yùn)行方法和手動(dòng)運(yùn)行方法兩種。S7-200 PLC的編程軟件是V4.0 STEP 7 Micro WIN SP9。</

101、p><p>　　4.2.1 PLC編程軟件介紹</p><p>　　隨著PLC應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，西門(mén)子公司S7-200PLC編程軟件的功能也越來(lái)越完善，特別是漢字化工具的使用，讓PLC的的編程軟件可讀性更佳。V4.0 STEP 7 Micro WIN SP9是S7-200系列PLC所用的編程軟件，其編程界面和幫助文檔等部分都已漢化，為用戶實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)、編輯和監(jiān)控程序等提供了良好的界面環(huán)境。V4.

102、0 STEP 7 Micro WIN SP9為用戶提供了三種程序編輯語(yǔ)言：梯形圖、指令表和功能塊圖編輯器，同時(shí)還設(shè)置了完善的在線幫助服務(wù)，極大的方便了用戶獲取需要的信息。</p><p>　　4.2.2 PLC軟件編程</p><p>　　控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)控制系統(tǒng)通風(fēng)的PLC以及控制系統(tǒng)排水的PLC進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。PLC的編程過(guò)程如下：</p><p>　　

103、第一步：創(chuàng)建工程。打開(kāi)V4.0 STEP 7 Micro WIN SP9，新建一個(gè)程序文件，選擇“文件”→“新建”命令，新建的程序文件名字默認(rèn)為“項(xiàng)目1”，PLC型號(hào)默認(rèn)為CPU221。程序文件建立后，程序塊中包括一個(gè)主程序MAIN（OB1）、1個(gè)子程序SBR_0（SBR0）和一個(gè)中斷服務(wù)程序INT_0（INT0）。如下圖：</p><p><b>　　圖4.1 新建工程</b></p

104、><p>　　第二步：選擇所用的PLC的CPU型號(hào)（這里我選擇使用的是CPU226）</p><p>　　圖4.2 選擇PLC的CPU型號(hào)</p><p>　　第三步：根據(jù)需要在V4.0 STEP 7 Micro WIN SP9提供的3種編輯器中選擇一種，這里我選擇“查看”→“梯形圖”命令，開(kāi)始編輯程序。</p><p>　　首先進(jìn)行初始化程序：

105、</p><p>　　圖4.3 初始化程序[9]</p><p>　　在這段程序中，通過(guò)在V4.0 STEP 7 Micro WIN SP9 編程軟件中使用西門(mén)子可編程控制器 S7-200 的傳送指令功能塊讓后續(xù)系統(tǒng)中將要使用的AQ 輸出寄存器、V寄存器和M寄存器等寄存器清零。其中SM是一種特殊標(biāo)志繼電器，這種繼電器一般具有特殊功能，如存儲(chǔ)系統(tǒng)的狀態(tài)變量、有關(guān)的控制參數(shù)等信息。用戶可以用這

106、種繼電器來(lái)溝通PLC和被控對(duì)象之間的信息，然后我們可以直接用它來(lái)實(shí)現(xiàn)某種功能或?qū)崿F(xiàn)一些控制動(dòng)作。</p><p>　　風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制流程圖如圖所示：</p><p>　　圖4.4 通風(fēng)系統(tǒng)控制流程圖</p><p>　　編程思路：I0.0、I0.3、I0.6常閉觸點(diǎn)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移指令串聯(lián)，當(dāng)風(fēng)機(jī)都為自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，觸點(diǎn)I0.0、I0.3、I0.6狀態(tài)為1，此時(shí)讀取CO、V

107、I模擬信號(hào)；然后通過(guò)計(jì)算得出實(shí)際的CO、VI值，通過(guò)判斷CO、VI值的大小控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。</p><p>　　隧道通風(fēng)自動(dòng)控制程序：</p><p>　　圖4.5 CO/VI整形轉(zhuǎn)換</p><p>　　在I0.0、I0.3、I0.6為3個(gè)常閉觸點(diǎn)且處于閉合狀態(tài)，即狀態(tài)為1的前提下，將CO、VI輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為1字長(zhǎng)的有符號(hào)整數(shù)數(shù)據(jù)傳送到VW0、VW2中。其

108、中字傳送指令MOVW屬于周期性傳送指令，在模擬量擴(kuò)展模塊中得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　圖4.6 CO/VI實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換</p><p>　　整數(shù)到雙整數(shù)轉(zhuǎn)換指令I(lǐng)TD，在EN有效時(shí)，將VW0、VW2的字型整數(shù)輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為雙字整數(shù)類型AC0、AC2。而雙字整數(shù)到實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換指令DTR，在EN有效時(shí)，把AC0、AC2的雙字整數(shù)輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)VD0、VD4。只有實(shí)數(shù)可以進(jìn)行下面CO值、VI

109、值的計(jì)算。</p><p>　　圖4.7 CO/VI數(shù)據(jù)處理</p><p>　　以上是通風(fēng)系統(tǒng)CO/VI傳感器模擬輸入的轉(zhuǎn)換程序。根據(jù)模擬模塊EM231數(shù)字量與模擬電流成正比關(guān)系得到。然后是分三階的風(fēng)機(jī)啟動(dòng)程序（這里以風(fēng)機(jī)1號(hào)為例說(shuō)明）：</p><p>　　圖4.8 風(fēng)機(jī)1號(hào)啟動(dòng)</p><p>　　圖4.9 風(fēng)機(jī)1號(hào)延時(shí)關(guān)斷與運(yùn)行<

110、;/p><p>　　當(dāng)CO濃度大于等于150或煙霧濃度大于等于0.007時(shí)，VD0或VD4閉合，M0.0也閉合。而風(fēng)機(jī)1號(hào)電氣故障和自帶故障信號(hào)也是常閉開(kāi)關(guān)，所以M0.1導(dǎo)通。M0.1導(dǎo)通后，T37的延時(shí)關(guān)斷功能塊不啟動(dòng)，默認(rèn)閉合，所以風(fēng)機(jī)1號(hào)啟動(dòng)。當(dāng)CO/VI濃度下降到標(biāo)準(zhǔn)值以下時(shí)，我設(shè)置了10s的延時(shí)關(guān)斷，以防止風(fēng)機(jī)連續(xù)啟停，燒壞設(shè)備。10秒后，T37延時(shí)關(guān)斷啟動(dòng)，T37斷開(kāi)，風(fēng)機(jī)1號(hào)停止運(yùn)行。風(fēng)機(jī)2、3號(hào)啟動(dòng)程

111、序都與此類似，在文后附錄里提到，這里就不重復(fù)敘述了。</p><p>　　排水自動(dòng)控制流程圖如下：</p><p>　　圖4.10 排水系統(tǒng)控制流程圖</p><p>　　編程思路：I1.1、I1.4、I1.7常閉觸點(diǎn)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移指令串聯(lián)，當(dāng)水泵都為自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，觸點(diǎn)I1.1、I1.4、I1.7狀態(tài)為1，此時(shí)讀取超聲波液位信號(hào)；然后通過(guò)計(jì)算得出實(shí)際的液位值，通過(guò)判斷

112、水位值的高低控制水泵的運(yùn)行狀態(tài)。</p><p>　　排水控制系統(tǒng)程序如下：</p><p>　　圖4.11 水位信號(hào)實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換</p><p>　　在I1.1、I1.4、I1.7為3個(gè)常閉觸點(diǎn)且處于閉合狀態(tài)，即狀態(tài)為1的前提下，將超聲波液位輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為1字長(zhǎng)的有符號(hào)整數(shù)數(shù)據(jù)傳送到VW4中。其中字傳送指令MOVW屬于周期性傳送指令，在模擬量擴(kuò)展模塊中得到廣泛應(yīng)用