兰州西门子中国授权代理商通讯电缆供应商

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1 引言  随着交通道路的不断发展，作为其一个重要环节的隧道，其数量也在不断增加。由于我国复杂的地理条件以及隧道本身的特点，隧道监控系统在隧道的运营和管理以及事故处理中发挥着其重要的作用。因此，建设、稳定、、经济以及可扩展的合理的隧道监控系统成为工程界和公路营运管理部门共同关心的问题。微电子、通信、计算机技术的发展大大提高了公路交通的信息化和智能化程度，与3c技术相结合的plc以其的性、抗干扰性以及灵活的控制方式成为隧道监控系统的控制器，其与开放的网络通信系统一起，共同推动着隧道监控系统的智能化程度的发展。  2系统构成  隧道对按照其长度分类，分别为短隧道（l<250m）、中隧道（250m3000m）。隧道的长度越长，需要考虑的监控设施就越多。从目前上对隧道的设计标准来看，长隧道和特长隧道需要监控系统以保证隧道内行车的和通畅。  隧道监控系统按照各个子系统分可分为：照明系统、通风系统、交通诱导系统、cctv系统、火灾报警系统、消防控制系统、紧急电话系统、广播系统等。按照设备的类型分可分为：检测设备、控制设备、显示设备和通讯设备。检测设备如：火灾报警探头、车辆检测器、covi、能见度仪、风速风向仪等；控制设备如交通区域控制器、照明区域控制器、通风区域控制器等；显示设备如：计算机工作站、大屏幕监视器、声光报警器等；通讯设备如：交换机、集线器、串口信号、光端机等。  隧道监控的难易程度不仅与隧道的长度有关而且与隧道的交通车流量有关，从对隧道监控和管理的要求，又将隧道分为a,b,c,d四个等级，其中a级对监控要求，b级次之，其余类推。当前在工程界一致认同的隧道监控模式主要分为两种，一种是适用于短隧道的集散式控制模式，一种是适用于长隧道的分布式现场总线控制模式。前者布线复杂，造价较高，由中控室对现场设施进行控制与管理，后者施工方便，不但造价较低，而且性较高，其又可分为全分布式现场总线控制和集中式现场总线控制。全分布式现场总线控制模式，中控室对现场设施不直接进行控制，由现场各种设施的控制器进行控制。分布式现场总线控制模式从网络构成来看，一般分3个层次：上层为计算机系统，即本地控制，中间是由各区域控制器组成的控制层，下层为各种检测设备和控制及诱导设备组成的设备层。  隧道控制的思想就是将所有纵向及横向的系统地结合起来，通过算法分析，终实现智能化控制。区域控制器就是其实现的。各区域控制器负责采集现场检测设备的信息，处理后传给本地控制，而本地控制的控制命令则发给区域控制器，再由区域控制器直接控制相应设备。在本地控制与区域控制器通讯中断的情况下，区域控制器仍然具备立控制现场设备的能力。因此区域控制器应且高度。作为区域控制器的控制部分，plc应用多，它的稳定性、实时性以及对环境很强的适应能力，非常适用于隧道的现场环境。  本地控制一般由现场监控工作站(控制计算机)、监控系统软件、主区域控制器及相应的附属设施构成，用于实现对整个隧道监控系统的统一监控。监控系统软件运行于现场监控工作站上，并不断与plc控制器交换数据，实时地把所有设备的当前状态以图表、颜色、闪烁、数值等方式显示在操作界面上；而操作人员在操作界面的每个动作，也由监控系统软件将相关的命令、参数写入plc，实现设备的手动控制。  除现场控制设备，整个系统的通信网络则是保系统能否运行的关键。长隧道、特长隧道以及隧道群的出现已经越来越多，单洞内的区域控制器就越来越多，这就意味着网络的结点在不断增加。通讯网络不仅要具有较高的通讯速率以保大量数据的有效传输，还具有容错的能力以提高通讯的性，即网络上出现故障时能够实现自恢复，同时，构成通讯网络的设备满足工业级要求，以适应隧道内苛刻的工作环境。系统还需要具有很好的可扩展性，使得设备新与增加、功能改善与变化，都能大限度地应用原有系统。  隧道监控的环境相对比较特殊，隧道所处的山野防雷非常重要，隧道中的控制箱经常会遇到潮湿甚至漏水的侵扰，而一些高原隧道面临严寒和低空气密度，特别是长大隧道中的汽车烟尘很容易附着在密封不好的控制箱中设备上，这些烟尘具有一定的导电性，从而造成本地控制器等设备的早期故障或损坏。从国内隧道监控系统的实际应用情况来看，对隧道监控环境的认识，在一些项目中，重视成度还不够，一些隧道控制箱远没有达到ip65以上的防护等级，这样的监控系统是不的。  3解决方案  监控系统通讯网络和plc是隧道监控系统的组成部分，他们的性能对隧道监控系统会起到决定性的作用。根据隧道本身的特点和监控需求选择合适的plc及通讯网络是保隧道监控系统性能的重要因素。  3.1通信网络  在隧道监控系统的结构上，国内在管理体制上主要采用三级管理，即监控总、区域监控分和监控站。由于监控站不直接对隧道的外场设备进行直接控制，因此工程界按照系统结构的划分把监控系统划分为信息层、控制层和设备层。  层为信息层，主要负责大量信息及不同厂家不同设备之间的信息传输，工业以太网ethernet为目前较常用的一种信息网络，世界各大plc生产厂商均支持工业以太网，并且他们在原有tcp/ip的基础上，相继开发出实时性高的工业以太网，如欧姆龙和罗克维尔支持的ethernet/ip，支持的modbus-tcp/ip以及西门子支持的profinet等。由于ethernet的信息量大，因此在隧道监控上以太网主要用于各个隧道管理所与监控的，包括各种交通流量信息，各传感器数据等大量历史数据信息。  二层为控制层，主要采用现场总线组成隧道区域控制器网络，其特点是由于采用了标准总线组网，既能满足实时通信的要求，又具有开放协议的标准接口，能在总线上方便的挂接各种外场设备，有利于监控系统的扩展。目前，现场总线有40多种，在公路监控系统中应用的现场总线主要有controller bbbb、lonworks、inetrtbus、profibus、can和modbus+。他们的共同特点是高速、高，适合plc与计算机、plc与plc及其它设备之间的大量数据的高速通讯。为使系统的稳定，控制层的网络结构多采用环网的方式组成，包括线缆型和光纤作为传输介质，具体组网将在后面作出实例说明。  三层为设备层，这一层用于plc与现场设备、远程i/o端子及现场仪表之间的通讯，它们有devicenet、modbus以及profibus/dp等，其中devicenet已经成为工业界的标准总线而得到了广泛的应用，而profibus/dp虽然没有成为标准，但是它的应该也相当广泛。  值得指出的是，近年来以太网的广泛应用使得人们把目光投向了现场总线上来，工业以太网是否终将取代现场总线仍然是一个争论的话题。然而，不论是ethernet/ip还是modbus-tcp/ip，以太网在一些重要的性能指标上仍然无法具有现场总线的特点和优势。从  本质上来讲，以太网的载波帧听冲突监测csma/cd的访问方式，实时性并没有现场总线采用的令牌总线和令牌环的访问方式高，不论人们采用何种方式，如协议封装、分时访问控制等，都只能改善以太网的实时性，起不到本质的改变，隧道控制的一个思想是保证隧道的尤其是突发事件时候隧道的，如果突发事件的发生造成数据访问发生碰撞，使得信息不能及时得到处理而导致重大事故，后果将不堪设想。在当前技术还未成熟之前，现场总线应用于控制层，是一个积和稳妥的选择。随着以太网技术的不断发展，今后其取代现场总线而用于控制层也是很有可能的。  3.2监控分及上位软件  监控分一般将设置多台scada工作站（工控机）。分别用于交通监控、消防报警、图形控制、通风照明控制、视频等，完成隧道内各种设备的状态显示、自动控制、半自动控制、打印报警、分析报表等工作。同时，监控分还将设置了多台服务器，为其它计算机提供支援和与监控总进行通信。  3.3 plc的选择  隧道监控对plc的性能提出了高的要求，作为隧道监控的控制器，其具备以下几大功能特点：本身稳定，并具有预先处理数据和集中传输数据的能力，具有较高的故障保护能力；其次，区域控制器可以立承担控制分区的基本控制任务，即使监控站或者监控因故障停止运行，相邻区域的控制器也能交换交通量信息；再次，当某区域的交通量出现变化时，可按预定方案和程序采取相应的算法，对相关区域的流量做出相应的调整。因此，它至少有如下功能模块，数据采集存储处理功能（实现集中和立工作方式，尤其是在立控制时能与相邻控制器实现数据交换）；通信功能、容错功能、自动诊断功能和本地操作功能（即能带触摸屏）。  综合考虑整个监控系统的性能要求和自然条件以及运营周期对设备的要求进行选择，尤其在端气候和恶劣环境状况条件下以及长、特长隧道的时候，需要选择性能好的双机热备冗余的plc。如schneider的quantum系列、rockwell的controllogix、omron的cs1d系列、siemens的s7-417系列。  在一般的环境状态以及中长隧道的时候，多采用标准的机型作为现场控制器，如schneider的quantum140系列、rockwell的controllogix、omron的cs1系列、siemens的s7-400系列等；他们都支持工业以太网和多种现场总线，控制方式采用远程带cpu的智能分布式结构，系统开放性和兼容性强，丰富的i/o及高功能模块，满足隧道监控系统对信号处理的要求。  4 应用案例  下面以山西晋城至阳城高速公路隧道为例，具体说明隧道监控系统的实际应用。  案例：牛王山隧道监控  晋城至阳城段高速公路，设计范围36.029公里。其中高速公路长27.47公里，封闭二级公路长8.5598公里。道路起点接长晋高速公路，终点与阳城市区道路相接。本路全线有隧道4座，包括五佛山隧道（514m），牛王山隧道（1880m、1860m），天坛山隧道（1008m），管道岭隧道（1300m）。本监控方案主要就牛王山隧道机电监控系统的进行说明。  整个隧道机电监控网络由设在远端的监控通信和隧道内(包括牛王山隧道变电所)的本地控制器以及相关的通信线路组成.监控内设有交通状况模拟显示大屏幕,工作站,监控计算机群,打印机,服务器,cctv视频墙等设备, 供操作人员监视和指挥隧道内和道路的运营情况。  牛王山隧道监控系统中，包括8套本地控制器，其中一套主控本地控制器置于牛王山隧道变电所内，其余的本地控制器分散布置在牛王山隧道上下行的各个位置，所有本地控制器通过100mbps速率的以太网形成光纤冗余环网。光纤环网使得环路上任意两个区域控制器间通信有两条物理链路，这样即使某处光纤出现断裂故障,系统仍可以自动寻找到反方向的通信链路继续维持通信，既增加了通信性，又提供了在线不停机检修通信的功能。牛王山隧道变电所内的主控本地控制器也通过100mbps速率的光纤以太网与监控通信相连，保证了监控数据和指令的实时。

5 张力变频器调试 

5.1 参数设置 

为保证参数的准确性，将艾默生td3300-4t0220g工程型矢量变频器参数初始化，恢复出厂设置。控制方式选择 f0.02=1(闭环矢量控制)检查编码器是否正常。fb.00=600；按运行键，查看运行是否正常。如果变频器只在2hz左右工作或启动过流，显示电流很大。则可能是编码器接线错误、每转脉冲错误、编码器的方向反等原因；如果是低速运行正常，高流则可能是编码器的联轴器松动高速打滑的原因。设定机械传动比： 
f1.00=1(一定要准确)。电机调谐：按照电机设定电机参数。电机调谐时断开电机与负载的连接。调谐过程是自动完成的，如果调谐时电机长时间不能转动起来，说明电机参数严重不符或电机有故障。重新输入电机参数或换电机。电机方向确认：一般定义为fwd控制时电机的运行方向为实际需要的方向。惯量调谐：将电机与负载(减速系统)断开(空载)调谐。 

用默认参数调谐。完毕后将加减速时间1设为20秒，惯量自学习转矩设定1设定为10%，惯量自学习转矩2设定为20%，再进行调谐。完毕后，参数自动保存在fc.09——fc.12中。记录fc.09——fc.12的参数值，然后将fc.09——fc.12参数清零，待初调系统稳定后再输入。 

5.2 张力控制试车 

不挂纱测试整车按钮动作是否正常，并排除故障。通过触摸屏输入初始卷径、设定张力；查看触摸屏显示数值是否与变频器显示的数据一致。上纱。设定张力值为1000；启动主变频低速运行；上轴；手动将纱线绕轴一周并绷紧纱线；启动张力变频。查看张力是否合适。停车。修改设定张力。重复3至5步。直到满足工艺要求(注意：修改张力一定要停车)。 

5.3 输入参数fc.11材料惯量补偿系数 

fc.11用来补偿系统加减程中克服材料转动惯量所需的额外转矩，设定参数应为材料密度与卷轴长度的乘积，材料密度的单位为千克/米，卷轴长度单位为米。实际操作时输入计算值的1/3，并根据系统运行情况调整。本系统输入fc.11=200. 

注意：此参数输入后有可能导致卷轴反转，手动调整此参数可避免反转。 

5.4 调试中出现的问题 

(1)惯量调谐电机不转：惯量自学习转矩设定1与惯量自学习转矩设定2数值偏小，适当加大即可。 

(2)系统低速时抖动：浆纱机开车过程中在操作工整理纱线、换轴时不准停车，而是运行在一个特定的爬行速度。此速度主变频运行在2hz以下。此时张力变频器工作在开环张力转矩模式不满足张力变频器工作条件。由于速度很低纱线行走长度有限，经用户确认不影响整体工艺要求。 

(3)换轴时加张力绷断纱线：此故障为操作工操作不当引起。换轴没有按规定按下卷径复位按钮。 

6 结束语 

浆纱是棉纺织厂整理车间的重要工序。合理的浆纱张力对织布、印染等后续工序影响。随着企业的发展及市场的变化，石家庄常山纺织集团五分公司根据自身的工艺要求，提出了对旧式的大雅浆纱机改造的要求，项目实施预期效果。

3 控制系统软件编程 


3.1软件的选用 

本系统采用STEP7-Micro／WIN32编程，用LAD (梯形图) 在Program Block中对MAIN(OB1)主程序块进行编程，共运用了T45计时器巧妙地完成控制任务。同时采用西门子公司的WinCC V6.0对系统进行监控，以达到控制的目的。 

3.2混料罐控制流程 

混料罐控制流程图如图2所示。初始准备阶段，容器空、阀门关、搅拌机关；按下起动按钮I0.0，开阀1（Q0.0得电），进A液；液体A到I位，开阀2 （Q0.1得电），关阀1（Q0.0失电），进B液；液体B到H位，关阀2（Q0.1失电），启动搅拌机（Q0.3得电）；搅拌时间到，停止搅拌机（Q0.3失电），输出混合液，开阀3（Q0.2得电）；当混合液L位时，启动输出延时；延时时间到，关阀3 （Q0.2失电）。按下停止按钮I0.1后，不会立即停止，而是完成当前工作循环后才会自动停止。 

3.3上位机软件设计 

利用WinCC V6.0软件设计的混料罐监控系统能有效实现上位机与下位机之间的双向控制，监控混料罐的运行状态，以及实现变量报警、操作记录、实时数据库和历史数据库管理。 

4 结语 

本设计研究的基于PLC和组态软件的混料罐控制系统，利用了PLC性高、抗干扰能力强的特点，又利用了组态软件强大的数据处理和图形表现能力，融合了较的自动化技术、计算机技术、通讯技术，具有性高、操作简单、维护容易等特点。该方案已成功应用于化工行业，了满意的效果。 

2.3 参数设置 

PLC顺序控制的5个功能特点是PLC顺序控制的优势所在，该功能特点都是通过对MM420的设置实现的。 

(1)电动机的起、停时间。调整P1120（斜坡上升时间）的设定值实现电动机从静止加速到大电动机频率所需的时间；调整P1121（斜坡下降时间）的设定值实现电动机从其大频率减速到静止停车所需的时间。 

(2) 电动机的正反转。实现方法有两种：通过调整P0701、P0702和P0703的设定值来实现，当设为1是“ON接通正转，OFF停止”，设为2是“ON接通反转，OFF停止”；通过设定的频率正负值来实现，频率设为正值，电动机正转；频率设为负值，电动机反转。 

(3)电动机的调速。MM420的5、6、7端子设定成多段速，总共能实现7种速度的变换。参数设定：P0004=7； P0701=17；P0702=17；P0703=17；P1001~ P1007设置固定频率（用户根据需要选择）。 

2.4 控制程序 

MM420的参数设定好后用PLC的Q0.0~Q1.0输出口分别控制3个变频器的5、6、7端子（如果只用1个或者2个，不用的端子不接即可）。PLC顺序控制的主要程序如图3所示。M0.1控制台电动机的运行情况，M0.2控制二台电动机的运行情况……。当M0.1有输出时，开启台变频器，电动机1开始工作；当M0.2有输出时，开启二台变频器，电动机2开始工作；当M0.3有输出时，开启三台变频器，电动机3开始工作。反之，当M0.1无输出时，关闭台变频器，电动机1停止工作……。 

在编程时要注意：当按下起动按钮时，一定要给M0.4和M0.5置“0”，否则会出现M0.2、M0.3同时置“0”和置“1”的情况，这样电动机无法工作。 

天车起重设备在炼钢生产过程中有着广泛的应用，担负着倒运物资、衔接各工序的重要作用，种类多、负荷大，高温、高空、立体、交叉、动态作业，完成各种复杂的任务。 

目前炼钢厂传统设计的大型天车，控制复杂且零散，线路繁多，操作线容易短路或接地，发现故障较慢，容易造成停车事故，小则使炼钢生产无法连续进行，大则使整条生产线瘫痪，炼钢损失严重。现采用新型的PLC控制系统的天车，克服了传统天车的各种缺点，它的电气控制集中度高，PLC及调压柜运行稳定，保证了炼钢及连铸的正常生产。 

1 PLC的电气控制方式 

PLC的工作原理：天车工通过控制联动台上的手杆，发出相应的控制指令，PLC根据内部编程运算，发出相应信号，以达到控制各部件运行的目的，如图1所示。 

实际上，PLC的本质是将传统的继电器控制系统的中间继电器、时间继电器、常开常闭点、辅助点等一些可以模拟的器件都统一到PLC内部，根据实际要求进行编排。可以无限重复使用这些模拟器件，成本不增加，也不用人工去安装真实的器件。越的PLC，输入点和输出点越多，逻辑计算能力越强，执行程序的速度越快，实时性能越好。 

本系统PLC选用西门子S7-300。在主梁电气室内设有一主站，在操作室内设有一子站。天车各大部件，包括主钩﹑副钩﹑主小车﹑副小车﹑大车运行等，均通过控制电缆一一对应接至PLC的输入端。PLC的输出点全部控制中间继电器，中间继电器的常开触点控制电气柜中的各部件主回路接触器，从而控制全车。这是一种集中操作、分散控制的系统，符合天车的操作要求。 

该系统共设有156个数字输入点、48个数字输出点。PLC与其它数据接口通信采用MPI电缆连接。MPI电缆是多点接口的简称，物理层是RS-485，大传输速率是12M bit/s。其抗干扰能力强，传输速度快，错误率低，能充分满足的要求。该系统采用的编程语言是梯形图编程语言，由厂家完成。 

带有PLC的天车具有以下几个特点： 

（1) 电气控制集成度高，便于电气人员维护。依据PLC上的发光二管或编程软件提供的信息，可以快速查找到故障原因，排除故障，有效生产的正常进行。 

（2) 功能强，。PLC内有无数的编程元件，包括时间继电器，中间继电器等，它们可以实现很复杂的控制功能，与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性价比。 

2.1 调速 

调压柜选用美恒THYROMAT系列数字式定子调压装置，调压调速系统为四象限运行，装置含三组可控硅，电机的方向转换是通过外接的2个换向接触器(带机械联锁)来实现的。调压柜的工作原理是控制单元通过改变绕线电机每相背对背并联的一组可控硅的触发角度来改变电机的定子电压。 

220T天车的主钩是由2台320kW电机并联工作带动，属于大型电机，额定电流In约470A，在全压启动时，由于电机的启动力矩需要，要从电网吸收 7 倍的电机额定电流，即3290A。太大的启动电流对电网造成严重的冲击，并影响其它天车工作，而且增加了线损和变损。由于启动电流大，转子产生过大的起动转矩对机械的破坏性也相当大，造成机械传动部件的非正常磨损及冲击，缩短寿命从而增加维护工作量和成本，如使连轴器损坏等。鉴于以上原因，降低电机的起动电流Ist。 

改变输入电压U1就可以改变电机起动电流Ist。调压柜就是减少电机电压来进行调节起动电流Ist的。起动时晶闸管输出电压逐渐增加，电流也逐渐增加，电动机逐渐加速，直至晶闸管全导通，电动机工作在额定电压上。这一过程保证了电动机的正常起动。 

电机的转速n在起重中的作用很重要，尤其是主钩升降的速度，如升降的速度太快，则天车工的反应跟不上，会出事故；如升降的速度太慢，则等待的时间太长，影响生产。所以电机的启动速度要适当，才能控制好天车，为生产服务，同时还要具备在不同的载重下有同样的速度。基于以上要求，电机的转速调节。 

从电机转速公式可以看出，改变转差率s可以调速。220T用绕线转子回路串电阻和减压2种方法改变转差率s，调节电机转速n。绕线转子回路串电阻越大，转速越低；反之，则转速越大。电压低转矩小，则转速就低；反之转速越大。根据要求调节在绕线转子回路串入的电阻和电机输入电压U1，就可以达到调速的目的。而且绕线转子回路串入电阻能使天车具有好的操控性。 

因此调压柜在此过程中起了2个重要的作用：使电机正常起动；能够对电机进行调速。 

2.2 速度负反馈控制系统 

在调程中，220T天车引入了速度负反馈调压调速控制系统。 

速度负反馈的工作模式如图2所示。其工作原理是电动机转速下降将使测速发电机输出电压U减小，而系统给定电压U*不变，偏差电压△U=U*-U增大，经过速度调节器放大后UK增大，使触发电路的α角减小，则由晶闸管组成的主电路输出的电压U增大，从而使电动机稳定运行。

速度负反馈系统优点： 

（1)能够克服较大的速度变动。当电机负载转矩或电源电压有波动，引起转速有较大变化时，速度负反馈做出反应，调节晶闸管导能角，增大或减小电机输入电压，调节电机转速。 

（2) 电机能够拖动恒转矩负载并且转速有较宽的调节范围。如在空载或重载的情况下，电机转速相同，速度负反馈会调节输入电压，使电机恒转矩启动。 

速度负反馈系统就是将电机转速控制在一个提前设定的转速n，使电机在软启动的条件下，把转速控制在一个合适的范围内，实现了良好的控制效果。启动完毕后，当被测的电机转速达到临界值时，系统自动输出全电压，进入开环控制，此时电机在额定电压、额定电流下工作。 

在电机的转子上安装了一个比较精密的器件——编码器，可以测定电机转速n、转子位置等，给速度负反馈系统提供了必要的数据，整个系统的控制都是根据编码器测定的数据来进行的，是这个系统中比较重要的部分。 

3 结语 

从韶钢三炼钢厂的实践证明，采用基于PLC及调压柜的控制系统、运行稳定，减轻了维修人员的劳动强度

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