公路隧道通風自動監測控制系統的開發與應用研究

摘 要：針對公路隧道內能見度低，影響車輛行駛安全，人工運營成本高的問題，開發了一套通風自動監測控制系統。該系統是以自動化控制技術為支撐，對隧道內部的環境參數進行實時監測，如粉塵顆粒物濃度、風速、風向和噪音等，對通風設備進行自動控制和在線遠程控制。該系統已在三明市G534線石馬岬隧道安裝運行，實現了對隧道內環境參數的實時監測及通風設備的自動控制，為同類型隧道工程的智慧節能建設提供參考。

關鍵詞：公路隧道;通風系統;自動監測;控制技術;遠程控制

隨著我國交通公路建設的不斷發展，公路隧道數量明顯增加，且隧道內的交通量大幅提升，隧道的通風工作是保正隧道暢通和運行安全的保障[1]。隨著隧道內車流量的增加，尤其是商用車，隧道內的空氣質量也隨之變差。由于自然環境和隧道結構因素造成長隧道內通風差，尤其是單洞雙行隧道，污染物不容易排出增加。過高的污染物使得隧道內出現異味，而過高的粉塵顆粒濃度會出現消光，降低隧道內的能見度，嚴重影響行車安全[2]。若采用定時定頻率的換氣工作[3]，既無法適應隧道內變化的交通量和環境變量，也增加不必要的能源消耗。傳統的隧道監測以人工為主，而人為的準確性、實時性和安全性無法保證，發展通風自動化監測控制系統已成為的必然趨勢。

隧道通風自動監測控制系統是以現代自動控制技術，傳感器，計算機應用為主動，以通信網絡為傳輸媒介，以及可編程控制技術的綜合性控制系統。在正常交通工況下，該系統能實時對隧道內粉塵顆粒濃度等環境參數進行監測，準確的對通風設備進行控制，保障隧道內良好的通風環境;在異常交通工況下（火災、交通阻塞等），可以根據現場情況遠程控制風機，保障救援及疏散工作開展。

1 通風自動監測控制系統開發

1.1 系統的總體結構

通風自動監測控制系統是由數據采集儀，信息傳輸設備、控制系統和通風設備等構成，實現對隧道內環境信息的采集、傳輸、管理、控制和決策。通風自動監測控制系統可分為三層：由工控機或人機接口界面組成的管理層，有控制器實時采集控制設備組成的控制層，數據采集設備和射流風機組成的設備層。每一層有若干個模塊，層與層之間采用通信協議連接。系統分為三種操作模式：自動模式、手動模式和時空模式。其中，自動模式可以根據隧道內粉塵情況和風向情況，下位機自動啟停射流風機。根據有關國內外研究資料，空氣環境中的PM2.5質量濃度在50μg·m-3為能見度好轉的“拐點”。當PM2.550μg·m-3值，自動啟動射流風機，當PM2.5<50μg·m-3值，風機停止運轉;手動模式為通過上位機直接控制隧道內的通風設備運作;時空模式為根據設置的時間段確定隧道內通風設備運行時間。

1.2 系統硬件開發

根據隧道的實際情況和自動監測控制要求，設計通風系統硬件自動監測系統硬件構成如下圖1所示。

通風自動監測控制系統的硬件包括工控機，服務器，交換機，本體控制器，變頻器和數據采集設備。其中，工控機是該系統的上位機，在工控機上可以監控隧道內環境參數、界面控制、輸出控制信號進行遠程控制。服務器主要用于數據保存，實時交互數據和查詢。考慮到隧道內需要長距離傳輸數據，采用要求性能穩定，傳輸速度快的以太網。本地控制器為可編程控制器（PLC），部分控制子模塊連接圖如圖2所示。PLC在自動模式下，可自動開啟控制變頻器工作;變頻器接受PLC控制信號，對風機繼續啟動和變頻調速。數據采集儀是隧道通風自動監測的“感知器”，包括各種環境參數采集傳感器。

1.3 控制系統軟件開發

該系統軟件包括上位機軟件和下位機軟件。其中，上位機軟件是控制系統的人機界面，其采用Windows平臺的利用組態軟件開發的工業軟件程序，具有靈活的組態形式，易于構建，界面美觀等特點。上位機軟件主要用于設定各種儀表參數、報警限制、顯示各種設備參數，可對下位機進行監控和操作。

根據硬件系統，搭建下位機PLC程序。下位機對通風設備的控制主要為啟動，停止，改變旋轉方向和變頻這四種工作內容。考慮隧道內容現場的手動模式，在工控機直接控制PLC控制通風設備。在自動模式情況下，該程序判斷在每個采樣周期（20s）內PM2.5數值是否大于50，自動對風機進行控制。

1.4 控制系統數據傳輸

工控機內部嵌入模數采集模塊，實現對各種信號機數據的采集和處理。工控機采用基于工業以太網，通信協議采用MODBUS-TCP，實現系統的實時控制和數據交換的統一。PLC與變頻器采用RS485通信接口實現集中控制。RS485通信接口支持MODBUS-RTU從站通信協議，通過通信協議設定變頻器運行命名，修改或讀取變頻器工作狀態及故障信息等。

2 系統應用實例

石馬岬隧道位于G534線上三明市大田縣和三元區交界處，全長2.539km，單洞雙向通行。隧道原裝有射流風機27臺，風機間距92m，距洞口72m，原先采用接觸器啟動，為人工單機控制。現對隧道內通風系統進行改造升級為自動監測控制系統，實現自動化監測及遠程控制，在保障行車安全方面發揮著重要作用。

2.1 數據采集設備

數據采集設備包括粉塵顆粒物PM2.5采集儀、風速、風向傳感器、噪聲采集儀和顯示屏等部件。

2.2 本地控制器

石馬岬隧道為雙向行駛，因此本地控制器采用兩套PLC控制兩側通風設備。其中，每套PLC由1個CPU和9個子模塊構成。本地控制器PLC輸出信號到變頻器控制風機的啟停和速度，其控制器連接實物。

2.3 變頻器

本系統采用英捷思Y500系列變頻器，該變頻器采用矢量控制技術，良好的動態特性、超強的過載能力。變頻器的使用，避免風機啟動時，電流過大，對電網容量產生較大沖擊，影響風機的使用壽命。同時，快速限流也可以避免線路出現短路現象而引起風機燒毀。

2.4 在線監測平臺

為了方便現場實時管理，在線監測平臺提供網頁（WEB）段和移動手機端數據監測，方便管理人員監測隧道內環境參數，實時對通風設備進行遠程控制。

2.5 通風自動控制系統的應用效果

相對于原先隧道內機電設備的人工控制，通風自動控制系統的應用效果具體如下：有效的保證隧道內空氣的清潔度，隧道內能見度顯著提高;該自動監測控制節能效果明顯，相對原先控制方式而言，僅從射流風機負載用電情況統計，節電率可達20%;該系統可以通過網頁端和手機端實行遠程監測控制，大幅度節約隧道管理人力成本;降低機電設備故障率和維修成本，自動監測系統能夠有效監測風機發生故障或電纜出線缺相漏電情況，避免備事故升級，即使在異常交通工況狀態下，通風設備能夠安全平穩運行。

3 結語

本文開發建立一套公路隧道通風自動監測控制系統。通過數據采集儀實現對隧道內通風環境數據的實時檢測，再經過通信光纖傳輸到服務器及工控機。控制系統根據監測數據對通風設備進行控制自動控制，實現了公路隧道運營管理的自動化和信息化。該系統的建立為公路隧道運營管理提供技術支撐，極大程度節省了人力物力，也為同類型隧道的建設提供參考，為實現公路隧道智能交通具有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]郭大偉，鄭晅，李雪.公路隧道環境監測及控制系統設計[J].物聯網技術，2020，3：28-30.

[2]胡貴松.自動監測技術在新建公路隧道上跨既有高速鐵路隧道施工中的應用[J].中外建筑，2018，（10）：202-205.

[3]JTG/T D70/2-02-2014，公路隧道通風設計細則[S].北京：人民交通出版社，2014.

作者簡介：蘇昌勝（1972— ），男，漢族，福建三明人，本科，機械工程師，三明市公路養護中心三元分中心，應急股股長，研究方向：石馬岬隧道通風系統智能化節能改造。