內燃牽引單線鐵路長大隧道通風系統的自動控制設計

霍宗文，王 巖

(1.鐵道第三勘察設計有限公司 吉林公司，吉林 132001;2.沈陽鐵路局 概預算審查所，沈陽 110001)

在隧道掘進施工過程中，為了稀釋和排出爆破產生的炮煙、粉塵和有毒有害氣體，保持良好的工作條件，必須對隧道掘進掌子面或其它工作面實施通風。但目前的隧道掘進施工中，在通風機械設備的選擇、匹配、風量和風速的控制上，大多還是根據經驗選配［1-2］。隨著“十一五”建設的順利展開和拉動內需的需要，我國鐵路建設進入了新的高潮。列車速度的不斷提高以及行車密度和客運量的與日俱增，隧道內的熱濕環境、空氣環境也將日益惡化，隧道內的空氣環境己成為隧道運營通風需要考慮的一個重要內容。我們必須對隧道內環境進行研究，并在此基礎上采取充分、合理的通風措施來為旅客、工作人員和工作設備提供舒適、安全、滿足運行要求的隧道內環境。

1 工程概況

東北東部鐵路白河至和龍段南山隧道，為國內內燃機牽引單線最長隧道。是否能夠保證良好的通風效果，保證列車安全運行，是課題項目組的難點，也是決定本項目設計方案是否可行的關鍵。

南山隧道位于延邊朝鮮族自治州和龍市境內，全長7 566 m。進口里程DK70+169，位于南崗山脈許家洞林場側，出口里程DK77+725，位于南崗山脈青山里林場側，進、出口均有一定程度的斜度。于DK76+317處設斜井1處，位于距出口1.4 km左右的山谷中。隧道所處山體地勢起伏較大，最大高差448 m，最大埋深410.55 m。隧道位于直線上，縱向坡度為9.5‰的下坡。根據該工程實際情況，在DK74+086處設斜井1處，位于距出口3.6 km左右的山谷中。本工程通風系統通風方式為無簾幕洞口通風方式和有簾幕洞口通風方式的結合。在低洞口處設置風簾將低洞口封堵，開啟通風機進行通風，在洞內形成有利于空氣流出的氣流，達到良好的通風效果。

2 通風控制系統設計準則

1)安全可靠 隧道通風控制系統的穩定性是最重要最基本的要求。因為如果控制系統不穩定，很容易造成整個系統的混亂，從而產生嚴重的后果。因此在選購和設計硬件時應充分考慮隧道環境(溫度、濕度、粉塵、電磁干擾等)對控制設備的影響，保證控制設備在特定的工作環境下工作可靠、性能穩定。

2)易操作性 通風控制系統應具備良好的人機操作界面，盡量降低對操作人員的要求，這樣可縮短操作員的培訓時間。操作人員使用的人機界面盡量使用中文，并具有幫助和提示。

3)智能化 通風控制系統的設計應該盡量提高智能化程度，最大限度地減少人工干預。

4)可維護性 在隧道通風控制系統的設計中，要從系統的軟硬件結構、硬件布局、硬件診斷等方面考慮系統的可維護性。系統中利用報警與故障診斷功能以縮短系統維護時間和減少操作員的工作量。

5)可擴充性 通風控制系統選取的設備應具有一定的富裕度，以便今后五年、十年或更長時間后系統的擴展。可擴充性是解決當前資金短缺和今后發展要求的有效途徑。

3 單線長大隧道內燃牽引通風系統的研究

鐵路隧道機械通風在我國也已有好幾十年的歷史了，從20世紀50年代開始，對隧道機械通風作了大量現場測量和研究分析，取得了不少成果。在通風方式方面，過去常采用的有無簾幕洞口風道式、有簾幕洞口風道式、洞口噴嘴式和豎(斜)井吸出式。但隨著射流風機技術的發展，進入90年代以來，縱向式射流通風方式己逐漸成為一種最為流行的鐵路隧道機械通風方式。這幾種通風方式如圖1所示。

圖1 通風方式示意

1959年，鐵道部第三勘測設計院對有簾幕、無簾幕、吹入式、吸出式等通風方式作了比較。詳細分析了洞口簾幕式通風、洞口噴嘴式通風和豎井(斜井)吸出式通風這三種鐵路隧道通風方式的優缺點、功率消耗和適用性［3］。得到的結論是洞口噴嘴式通風功率耗能過大，不宜推廣采用;長度較短的隧道采用洞口簾幕式通風是比較可行的方案;對長10 km以上的隧道應以豎井(斜井)吸出式進行分段通風為宜。

過去曾一度采用的洞口簾幕式通風，起初用的是剛性簾幕。雖然使用剛性簾幕通風方式的通風能耗較小，但剛性簾幕可能影響行車安全，特別是在行車密度大的鐵路線上。雖然實踐證明簾幕的啟閉與車站信號聯鎖，加上其它應急措施，可以保證行車安全，但萬一簾幕啟閉裝置失靈，會影響行車甚至發生列車碰撞簾幕的危險。我們結合隧道通風的實際情況，確定了以下三點設計要求。

1)取消機械簾幕，改由風簾幕代替機械簾幕，解決以往影響行車安全的問題，使內燃牽引單線修建長大隧道成為現實。根據計算，風簾幕壓力值取2～3倍選用射流風機的壓力，在左右兩側布置，經噴嘴將風噴出形成風幕簾。射流風機風量可根據隧道斷面積控制風速3.5～5.0 m/s確定，通過現場觀察測試，使用效果良好，滿足使用要求。

2)隧道內通風風速確定，隧道內規定最大風速為8 m/s［4］。通過現場試驗，我們認為風速可以提高。因鐵路隧道不同于公路隧道，沒有行人只是有養護工及工作人員，而且隧道內有避難洞，對人員沒有傷害。將風速提高到12 m/s左右，這樣在15 min通風時間內，隧道長度可以達到10 km以上。

3)采用單方向隧道通風。在列車上坡運行實現自動通風，下坡時采用自然通風。

本系統的控制系統在以上要求的框架內，研究簾幕風機與通風機開啟聯鎖方式及運行時間［5］，確定最佳的開啟時間以充分利用活塞風，達到最好的通風效果。

4 控制系統設計

隧道通風控制系統采用模塊化設計，設立總控柜、自控柜、電控柜、動力柜以及室外信息點等幾個部分。以PLC和軟啟動器為核心，采用兩種現場總線(包括Modbus總線、Profibus總線)簡化通訊設計，實現系統安全可靠、易于維護、易于擴充，見圖2。

圖2 系統總線示意

控制系統在硬件設計方面，關鍵環節都設置了傳感器進行全方位監控，自控柜通過PLC儀表實時監控運轉電機的電流、電壓信號，并在通風機設置溫度探頭監控風機工作狀態。同時設置風速探頭以判別系統工作性能，作為核心器件的PLC和計算機同時對系統運行進行監控，實現雙硬件備份。

控制系統在軟件設計方面，設計了兩個級別功能(包括手動控制級別、PLC自動控制級別)，并預留智能控制級別設計接口，前一級別為后一級別的運行提供保證和技術接口。手動控制級別通過按鈕操作，實現人工手動控制，完成風機的切換、起停控制功能。PLC自動控制級別通過按鈕“手動/自動”切換后，實現監控柜的自動通風控制。整個控制過程采用開環控制方式，以機車接近為自動啟動信號，按照預定的通風時間進行控制。智能控制級別是充分利用計算機的資源，結合機車定位、出口處氣體濃度和列車出洞時間等信息，實現PLC自動控制功能的優化，在保證工作指標前提下進一步縮短通風時間、降低能耗。

通過以上多級備份軟件設計，保留系統的降級使用功能，保證長時間可靠運營。

5 硬件設備的選型

5.1 上位機的設計選用

在系統中，上位機主要完成隧道環境數據顯示、風機狀態顯示、歷史數據查詢、遠程遙控、視頻監控等功能。由于工作環境相對較好，因此設計選型時，使用標準研華工控機和大華硬盤錄像機為主機，采用工業顯示器為顯示界面。研華工控機價格適中，操作方便，內存大，人機界面友好，帶有標準的以太網口、很強的擴展能力，易于和外設相連。

5.2 下位機的設計選用

5.2.1 PLC在隧道通風監控系統中的可行性分析

PLC是20世紀60年代末在美國首先出現的，最初叫可編程邏輯控制器，目的是取代繼電器，以執行邏輯判斷、計時、計數等順序控制功能。PLC的基本設計思想是把計算機的功能完善、靈活通用等優點和繼電器控制系統的簡單易懂、操作方便等優點結合起來，控制器的硬件是標準的、通用的。可根據實際應用的對象，將控制內容編成軟件寫入控制器的用戶存儲區內，以滿足不同的應用對象。

隨著半導體技術和微處理器技術的發展，到70年代中期以后，PLC已廣泛地使用微處理器作為中央處理器，輸入輸出和外圍電路也都采用了中、大規模甚至超大規模的集成電路。這時的PLC已不再僅有邏輯判斷功能，還同時具有數據處理、PID調節和數據通信等功能。對本系統來說，PLC的以上特點非常適合作為系統控制核心器件。

5.2.2 PLC模塊的選型

目前國內外的PLC產品有幾十個系列，上百個型號。各個種類的PLC的容量、結構形式、性能、指令系統、編程方法、價格各不相同，適應的工作場合也有差異。因此合理地選擇PLC非常重要，它直接影響到所設計系統的性能與造價。PLC的選型主要包括機型、容量、I/O模塊等內容，本系統設計的軟啟動器采用瑞士ABB公司產品PST300。該公司的PLC與其它產品比較，具備明顯的低價位和完善的售后服務體系(從技術援助到使用維修的一條龍式服務體制)，在中國廣泛獲得各個企業的信賴和好評，所以本系統選用了ABB公司的PLC和相關Profibus通訊產品。

選擇容量:PLC的容量包括主機用戶存儲器的內存容量和I/O控制點數兩個方面，選擇時應留有適當的裕度做備用。對于本隧道通風監控系統，為了使系統中的風機能更好地實現功能，每一個風機都將采集三個狀態和控制兩個開關。總共需要28個輸出點和52個輸入點以上的I/O，CPU采用較為通用AC500系列產品。

選擇通信單元:主機和軟啟動器間采用Profibus通訊總線，為此需要配置DP主機模塊一個、PDP22通訊模塊四個。通過該模塊PLC可以清晰地獲得并控制軟啟動器的參數，另外主機采用了CS31擴展技術，實現了通訊端口的擴展，為Modbus通信提供了硬件平臺。

5.2.3 現場模塊的選型

在工業現場或設備中，電壓、電流、溫度信號的周圍經常伴隨著干擾源，本系統中的大功率風機就是典型的干擾源，這些干擾源會影響信號采集。研華強固型模擬量數據采集模塊ADAM-4117和溫度采集模塊ADAM-4118的自動濾波功能便能解決以上問題。只需簡單設置，就能有效避免干擾源給信號采集帶來的困擾，增強數據采集的抗干擾能力。

數據采集模塊ADAM-4100系列產品，專為惡劣環境下的可靠操作而設計，能夠在寬溫度工作范圍(－40～+85℃)，寬 電 源 輸 入 范 圍 (+10～+48VDC)，甚至在噪聲干擾環境中操作。采用ADAM-4117和鐵路電磁感應器為系統提供了可靠的控制信號，實現了機車接近探測、速度計算、列車方向判別等功能。

6 結語

通過對南山隧道通風系統及控制系統的全面測試及營運效果的評價表明，在長大隧道中該通風系統的設計理念和模式，以及控制系統設計準則和硬件模塊選用是合理的、正確的、實用的。控制過程完全可靠，通風營運效果良好，空氣質量達到規范規定的標準，實現了設計要求。該通風系統及控制系統的設計是成功的，保證了列車運行的安全。

［1］肖楊.長大隧道的施工通風［J］.四川水力發電，2008，27(5):22-24.

［2］趙鈺.特大斷面長大高瓦斯隧道通風技術研究［J］.鐵道建筑，2007(12):39－41.

［3］趙應華.長大隧道施工通風消煙除塵新技術［J］.山西建筑，2008，34(11):309-310.

［4］張濤，郭小紅，黃民水，等.高速公路長大隧道通風豎井設計與施工技術研究［J］.華中科技大學學報，2008，25(3):245-249.

［5］田傳海.長大隧道施工通風方案設計［J］.西部探礦工程，2008(12):190-192.