一種隧道施工通風自動監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及隧道施工通風監(jiān)測系統(tǒng)。一種隧道施工通風自動監(jiān)測系統(tǒng)，由監(jiān)控柜、現(xiàn)場控制柜和傳感器柜組成；傳感器柜通過傳感器采集現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)，并通過無線傳輸技術(shù)傳送至現(xiàn)場控制柜，監(jiān)控柜與現(xiàn)場控制柜之間通過光纖進行連接；現(xiàn)場控制柜與傳感器柜之間通過無線局域網(wǎng)進行通信；風機風壓、風速傳感器信號接入監(jiān)控柜，風管風壓、風速傳感器信號接入現(xiàn)場控制柜，溫度、粉塵濃度、CO濃度、NO2濃度和含氧量傳感器采集現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)輸入傳感器柜中；現(xiàn)場控制柜將現(xiàn)場的控制命令和傳感器參數(shù)通過光纖傳送至監(jiān)控柜，監(jiān)控柜通過決策算法控制變頻器的頻率，從而調(diào)節(jié)風機的送風量。本發(fā)明設(shè)計科學、合理，結(jié)構(gòu)簡單，提高了隧道施工通風的自動化控制水平。
【專利說明】
一種隧道施工通風自動監(jiān)測系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種隧道施工通風監(jiān)測系統(tǒng)，尤其是涉及一種基于SCALANCE W700的 隧道施工通風自動監(jiān)測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國已建、在建和規(guī)劃的隧道工程量穩(wěn)居世界首位，其中隧道施工通風系統(tǒng)是隧 道工程的重要組成部分，具有以下幾個方面的特點：施工面不斷推進，需風量動態(tài)變化;隧 道工程的流動性給通風系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和維護帶來了不便;長距離通風能夠減少多頭掘 進的規(guī)模，降低隧道施工的成本；尚無柔性風管出風口風壓、風速的自動檢測技術(shù);通風距 離長，風管維護難度大;通風耗電量大；目前大多采用人工方式進行風量調(diào)節(jié)等。目前，隧道 施工通風自動控制系統(tǒng)研究滯后于隧道運營通風和煤礦通風，并沒有形成完整的研究體系 與技術(shù)框架。
[0003] 從國內(nèi)外工程實例和研究成果來看，公路隧道運營期間的數(shù)值模擬、通風系統(tǒng)設(shè) 計、風機自動控制技術(shù)等方面研究比較成熟。然而相關(guān)成果無法移植到隧道施工通風領(lǐng)域。 主要原因表現(xiàn)在:隧道施工通風多為長距離獨頭掘進，不能形成有效貫穿風流。Tuck Μ A從 通風自動控制的角度，提出了一個智能型通風控制系統(tǒng)的構(gòu)想框架；周心權(quán)提出了通風和 救災系統(tǒng)的構(gòu)想框架。雖然這兩種系統(tǒng)的內(nèi)容有較大的差別，但他們都包括了通風控制的 三個主要組成部分:通風網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的監(jiān)測與模擬;控制方案的決策;控制方案的實施。對通 風控制的大量研究也都可以歸結(jié)為對這三個方面的研究。
[0004] 國外早已實現(xiàn)巷道風量、粉塵、有害氣體、溫度、濕度的自動檢測，并已形成微機管 理系統(tǒng)。瑞典布里登礦產(chǎn)公司（Boliden Mineral AB)在其萊斯瓦爾（Laiswall)鉛鋅礦，安 裝一套PowerVent計算機輔助全礦通風控制系統(tǒng)，并使風機的運轉(zhuǎn)工況復合日常通風的需 要，還可降低礦井電耗1/3。相比之下，我國通風系統(tǒng)的自動化水平是較低的。目前，我國大 多數(shù)通風控制仍主要采用人工控制，風機的調(diào)節(jié)也主要靠人工完成。
[0005] 掘進通風的全自動化控制是科學技術(shù)發(fā)展的目標。但在以往的研究中，由于自動 控制系統(tǒng)的高昂代價和技術(shù)上還有許多問題沒有解決，因此，通風自動控制系統(tǒng)在實際中 獲得應用存在很大困難。一方面，進行全自動控制，應具備三個條件:完善的風流狀態(tài)監(jiān)測 系統(tǒng);性能完善的通風控制方案決策軟件和計算機系統(tǒng);可自動控制的調(diào)節(jié)設(shè)施及控制執(zhí) 行系統(tǒng)。由于生產(chǎn)條件復雜，作業(yè)地點分散，情況變化頻繁，使通風系統(tǒng)不斷變化，其控制系 統(tǒng)也要隨之改變。這樣復雜的一個系統(tǒng)，不僅設(shè)備的安裝、維護和管理部很費錢、費力，而且 系統(tǒng)的可靠性也難于保證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提出了一種基于光纖和無線局域網(wǎng)相結(jié)合的隧道施工 通風自動監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了隧道施工通風的自動化控制。
[0007] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案：
[0008] 一種隧道施工通風自動監(jiān)測系統(tǒng)，由監(jiān)控柜、現(xiàn)場控制柜和傳感器柜組成;傳感器 柜通過傳感器采集現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)，并通過無線傳輸技術(shù)傳送至現(xiàn)場控制柜，監(jiān)控柜與現(xiàn) 場控制柜之間通過光纖進行連接;監(jiān)控柜與變頻器之間通過485總線相連，以modbus協(xié)議進 行通信;現(xiàn)場控制柜與傳感器柜之間通過無線局域網(wǎng)進行通信;風機風壓、風速傳感器的〇-10V電壓信號直接接入監(jiān)控柜;風管風壓、風速傳感器電壓信號直接接入現(xiàn)場控制柜，溫度 傳感器、粉塵濃度傳感器、C0濃度傳感器、N0 2濃度傳感器和含氧量傳感器采集現(xiàn)場的環(huán)境 參數(shù)輸入傳感器柜中；現(xiàn)場控制柜一方面通過觸摸屏顯示傳感器參數(shù)，另一方面將現(xiàn)場的 控制命令和傳感器參數(shù)通過光纖傳送至監(jiān)控柜，監(jiān)控柜一方面接收現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)并顯示； 另一方面通過決策算法控制變頻器的頻率，從而調(diào)節(jié)風機的送風量。
[0009] 所述的隧道施工通風自動監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)控柜中的主要設(shè)備包括:工控機，觸摸顯示 器，實現(xiàn)風機風壓、風速信號米集的PLC CPU，光電交換機，PLC電源，485通信模塊;光電交換 機具有4個RJ45接口和一個SC光纖接口，實現(xiàn)多臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的互聯(lián)，485通信模塊實現(xiàn)PLC CPU與變頻器之間的通信。
[0010]所述的隧道施工通風自動監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)采用WinCC編寫并運行于工控機上， WinCC通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互聯(lián)形成的工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通道讀取現(xiàn)場各傳感器參數(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)采 用PLC作為各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的控制器，PLC對傳感器的信號進行采集并轉(zhuǎn)換，各控制器通過 Profinet接口與其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行互聯(lián)，形成監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通道;光電交換機、無線 熱點和無線客戶端將工控機、PLC CPU連接在一個局域網(wǎng)內(nèi)。
[0011] 所述的隧道施工通風自動監(jiān)測系統(tǒng)，現(xiàn)場控制柜中的主要設(shè)備包括:PLC CPU、觸 摸顯示器、無線客戶端W734及天線、光電交換機、PLC電源;PLC CHJ選擇1211C型號的CPU， 1211C具有兩路模擬量輸入端口，滿足對風管風壓、風速信號的采集需求;觸摸顯示器完成 現(xiàn)場人機交互功能，包括工況參數(shù)的錄入和監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示;無線客戶端W734及天線實現(xiàn) 與傳感器柜之間的無線通信。
[0012] 所述的隧道施工通風自動監(jiān)測系統(tǒng)，傳感器柜中的主要設(shè)備包括:PLC CPU，選擇 使用1212C，擴展4路AD模塊SM1231，1212C本身具有兩路模擬量輸入端口，加上SM1231的4路 模擬量輸入端口，實現(xiàn)滿足對環(huán)境參數(shù)的采集需求;無線熱點W774及天線，實現(xiàn)與現(xiàn)場控制 柜之間的無線通信;PLC電源，為1212C、無線熱點和SM1231供電。
[0013] 本發(fā)明的有益效果：
[0014] 1、本發(fā)明隧道施工通風自動監(jiān)控系統(tǒng)，組成包括監(jiān)控柜、現(xiàn)場控制柜和傳感器柜， 傳感器柜一方面通過無線模塊與現(xiàn)場控制柜建立網(wǎng)絡(luò)連接，一方面通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集 各個傳感器的數(shù)據(jù);現(xiàn)場控制柜一方面通過光纖與工控機建立網(wǎng)絡(luò)連接，另一方面通過無 線模塊與傳感器柜建立網(wǎng)絡(luò)連接;監(jiān)控柜實現(xiàn)了施工隧道風機控制參數(shù)和環(huán)境參數(shù)的實時 監(jiān)測，并通過對變頻器的設(shè)定實現(xiàn)風機系統(tǒng)的自動控制。
[0015] 2、本發(fā)明隧道施工通風自動監(jiān)控系統(tǒng)，提出了監(jiān)控柜、現(xiàn)場控制柜和傳感器柜之 間的有線、無線相結(jié)合的數(shù)據(jù)通道設(shè)計，系統(tǒng)采用西門子1200系列PLC作為各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的 控制器，各控制器通過Profinet接口與其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行互聯(lián)，形成監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò) 通道，有效增強了傳感器配置的靈活性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。
[0016] 3、本發(fā)明隧道施工通風自動監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計科學、合理，結(jié)構(gòu)簡單，提高了隧道施 工通風的自動化控制水平?，F(xiàn)場控制柜通過光纖與監(jiān)控柜內(nèi)工控機建立連接，傳輸通道更 加穩(wěn)定、可靠，傳輸距離長;現(xiàn)場控制柜及傳感器通過無線局域網(wǎng)互通互聯(lián)，減少了現(xiàn)場布 線和設(shè)備安裝的麻煩，簡單、可靠。
【附圖說明】
[0017] 圖1是獨頭式施工隧道結(jié)構(gòu)及隧道施工通風監(jiān)控系統(tǒng)組成原理示意圖；
[0018] 圖2是本發(fā)明隧道施工通風監(jiān)測系統(tǒng)硬件構(gòu)成原理圖；
[0019] 圖3是監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通道構(gòu)成示意圖；
[0020] 圖4是現(xiàn)場控制柜中無線客戶端主要參數(shù)設(shè)置示意圖：其中圖4a，天線設(shè)置；圖4b， 無線電設(shè)置;圖4c，無線熱點選擇；
[0021 ]圖5:現(xiàn)場控制柜中無線熱點名稱設(shè)置不意圖；
[0022]圖6:系統(tǒng)模擬信號采集程序設(shè)計。
【具體實施方式】
[0023]獨頭式施工隧道結(jié)構(gòu)及隧道施工通風自動監(jiān)測系統(tǒng)組成原理如圖1所示。圖中掌 子面①是隧道掘進方向的最前端。在這里要完成打孔、放炮和堆渣工作。鉆孔臺架②主要用 于人工打孔。仰拱棧橋③用于輔助地面襯砌施工。護水板臺架④用于安裝隧道護水板。襯砌 臺架⑤用于固化隧道壁混凝土。柔性通風風管穿過襯砌臺車和護水板臺車，開口于鉆孔臺 架前方。通風機通過風管將新鮮空氣送入隧道，并經(jīng)過隧道將有毒有害氣體排出隧道。目前 通風機變頻控制技術(shù)已普遍應用于隧道施工通風系統(tǒng)。
[0024]下面通過【具體實施方式】，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細描述。
[0025] 實施例1
[0026]參見圖2,本發(fā)明隧道施工通風自動監(jiān)測系統(tǒng)，由1.監(jiān)控柜、2.現(xiàn)場控制柜和3.傳 感器柜組成;傳感器柜通過傳感器采集現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)，并通過無線傳輸技術(shù)傳送至現(xiàn)場 控制柜，監(jiān)控柜與現(xiàn)場控制柜之間通過光纖進行連接;監(jiān)控柜與變頻器之間通過485總線相 連，以modbus協(xié)議進行通信;現(xiàn)場控制柜與傳感器柜之間通過無線局域網(wǎng)進行通信;風機風 壓、風速傳感器的0-10V電壓信號直接接入監(jiān)控柜;風管風壓、風速傳感器電壓信號直接接 入現(xiàn)場控制柜，溫度傳感器、粉塵濃度傳感器、C0濃度傳感器、N0 2濃度傳感器和含氧量傳感 器采集現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)輸入傳感器柜中；現(xiàn)場控制柜一方面通過觸摸屏顯示傳感器參數(shù)， 另一方面將現(xiàn)場的控制命令(包括工序參數(shù)和緊急情況下的風量控制命令)和傳感器參數(shù) 通過光纖傳送至監(jiān)控柜，監(jiān)控柜一方面接收現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)并顯示；另一方面通過決策算法 控制變頻器的頻率，從而調(diào)節(jié)風機的送風量。
[0027] 實施例2
[0028] 參見圖2,本實施例的隧道施工通風自動監(jiān)測系統(tǒng)，與實施例1的不同之處在于:監(jiān) 控柜中的主要設(shè)備包括:工控機，觸摸顯示器，實現(xiàn)風機風壓、風速信號采集的PLC CPU，光 電交換機，PLC電源，485通信模塊。
[0029] 監(jiān)控柜實現(xiàn)了施工隧道風機控制參數(shù)和環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測，并通過對變頻器的 設(shè)定實現(xiàn)風機系統(tǒng)的自動控制。監(jiān)控柜采用無鍵盤、鼠標和按鈕設(shè)計。
[0030] 工控機上電開機，開機進入監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的人機交互都通過觸摸屏顯示器完成。 工控機運行采用WinCC編寫的監(jiān)控系統(tǒng)軟件。
[0031]因為PLC CPU的邏輯控制需求較小，主要是利用CPU的通信功能，所以選擇功能最 簡單的1211C型號CPU。其中1211C具有兩路模擬量輸入端口，滿足對風機風壓、風速信號(如 圖2所示)的采集需求；
[0032]光電交換機具有4個RJ45接口和一個SC光纖接口，實現(xiàn)多臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的互聯(lián)以及 光電信號的轉(zhuǎn)換。光纖通信最大傳輸距離可以達到26公里；
[0033] PLC電源為1211C、光電交換機、GRPS+GPS模塊供電；
[0034] 485通信模塊CM241。實現(xiàn)1211C與變頻器之間的通信。
[0035]監(jiān)控柜內(nèi)配置WIFI+藍牙板卡。該板卡插在工控機的PCIe XI插槽上，實現(xiàn)監(jiān)控柜 與外界的短距離無線通信；
[0036]監(jiān)控柜內(nèi)配置GPRS+GPS模塊。該模塊通過USB與工控機相連，為監(jiān)控系統(tǒng)軟件提供 遠距離無線通信功能、短信收發(fā)功能和GPS定位功能。
[0037] 實施例3
[0038]參見圖3,本實施例的隧道施工通風自動監(jiān)測系統(tǒng)，與實施例2的不同之處在于:監(jiān) 控系統(tǒng)采用WinCC編寫并運行于工控機上，WinCC通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互聯(lián)形成的工業(yè)以太網(wǎng) (Profinet)數(shù)據(jù)通道讀取現(xiàn)場各傳感器參數(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)采用PLC作為各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的控制 器，PLC對傳感器的信號進行采集并轉(zhuǎn)換，各控制器通過Profinet接口與其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行 互聯(lián)，形成監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通道;光電交換機、無線熱點和無線客戶端將工控機、PLC CPU連接在一個局域網(wǎng)內(nèi)。光電交換機、無線熱點、無線客戶端、工控機和PLC CPU各自為該 無線局域網(wǎng)內(nèi)的一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。
[0039]系統(tǒng)采用西門子1200系列PLC作為各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的控制器。各控制器通過 Profinet接口與其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行互聯(lián)，形成監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通道(該數(shù)據(jù)通道構(gòu)成 如圖3所示hPLC程序?qū)鞲衅鞯男盘栠M行采集并轉(zhuǎn)換，通過數(shù)據(jù)通道送到監(jiān)測軟件。監(jiān)測 軟件采用WinCC 7.3編寫，實現(xiàn)了各傳感器數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。
[0040]其中工控機、PLC CPU、無線熱點和客戶端需要配置IP地址，光電交換機不需要配 置IP地址。如圖3連接所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備后，就可以在WinCC的變量管理器中建立與各個網(wǎng)絡(luò)節(jié) 點CPU之間的數(shù)據(jù)連接通道(WinCC置于無線客戶端一側(cè)）。
[0041 ]監(jiān)控系統(tǒng)運行時，在WinCC的變量管理器中用鼠標右鍵單擊左側(cè)"變量管理"節(jié)點， 并在"添加新的驅(qū)動程序"菜單中左鍵單擊"S頂ATIC S7-1200，S7-1500 Channel"選項。然 后在"變量管理"節(jié)點下出現(xiàn)的"SMATIC S7-1200，S7-1500 Channel"下分別建立如表1所 示的數(shù)據(jù)連接。每個連接需要通過鼠標右鍵單擊設(shè)置如表1所示的三個參數(shù)。其中訪問點在 計算機的"控制面板" "設(shè)置PG/PC接口"中進行設(shè)置。
[0042]在每個連接中分別創(chuàng)建與圖2中各個傳感器對應的變量。表1為WinCC數(shù)據(jù)連接設(shè) 置，表1中，數(shù)據(jù)地址指的是該連接對應的PLC CPU數(shù)據(jù)塊中建立的，用于采集傳感器數(shù)值的 變量在該數(shù)據(jù)塊中的偏移地址。DB1表示PLC CPU中建立的數(shù)據(jù)塊名稱;DD表示字變量;DD后 的數(shù)字即為上述偏移地址。WinCC變量管理器中各變量的數(shù)據(jù)地址必須與連接對象中數(shù)據(jù) 塊中變量的偏移地址一致才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的連通。
[0043] 表1 WinCC數(shù)據(jù)連接設(shè)置
[0045] PLC的硬件組態(tài)包括設(shè)備組態(tài)和數(shù)據(jù)塊組態(tài)兩個部分。
[0046] 打開Portal項目視圖，首先在雙擊項目樹中的"設(shè)備組態(tài)"選項打開設(shè)備組態(tài)窗 口。在右側(cè)的硬件目錄中依次點擊"0?1/'->"(：1 31]1211〇0(：/0(：/1?17"-,祉57 211-1冊40-0ΧΒ0"，并將選中的CPU添加到設(shè)備組態(tài)窗口中。在添加到設(shè)備組態(tài)窗口的CPU圖形中，雙擊 RJ45接口，在下方出現(xiàn)以太網(wǎng)組態(tài)設(shè)置。將該CPU的IP地址設(shè)置為：192.169.1.10;子網(wǎng)掩碼 設(shè)置為:255.255.255.0。至此即完成了本系統(tǒng)中監(jiān)控柜PLC的設(shè)備組態(tài)。
[0047]在Portal項目樹下的"程序塊"文件夾下新建數(shù)據(jù)塊_1081)。在DB1中新建兩個類 型為"Real"的變量"風壓"，"風速"，偏移量分別設(shè)為0.0和4.0(對應于表1中風機風壓和風 機風速的數(shù)據(jù)地址）。注意，必須將數(shù)據(jù)塊屬性中的"優(yōu)化的塊訪問"選項取消，才可以實現(xiàn) WinCC對該數(shù)據(jù)塊的訪問。至此即完成了數(shù)據(jù)塊的組態(tài)。
[0048] 實施例4
[0049] 參見圖2、圖3,本實施例的隧道施工通風自動監(jiān)測系統(tǒng)，與前述各實施例的不同之 處在于:現(xiàn)場控制柜中的主要設(shè)備包括:PLC CPU、觸摸屏顯示器、無線客戶端W734及天線、 光電交換機、PLC電源。
[0050] 現(xiàn)場控制柜一方面通過光纖與工控機建立網(wǎng)絡(luò)連接，另一方面通過無線模塊與傳 感器柜建立網(wǎng)絡(luò)連接。其中：
[0051 ] PLC CPU選擇功能最簡單的1211C型號CPU。其中1211C具有兩路模擬量輸入端口， 滿足對風管風壓、風速信號（如圖2所示）的采集需求。此處的邏輯控制需求較小，主要是利 用CPU的通信功能；
[0052]觸摸屏顯示器，完成現(xiàn)場人機交互功能，主要包括工況參數(shù)的錄入和監(jiān)測數(shù)據(jù)的 顯不；
[0053] 無線客戶端W734及天線，實現(xiàn)與傳感器柜之間的無線通信；
[0054] 光電交換機，具有4個RJ45接口和一個SC光纖接口，實現(xiàn)1211C、無線客戶端W734和 觸摸屏顯示器的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)以及光電信號的轉(zhuǎn)換；
[0055] PLC電源為1211C、光電交換機、觸摸屏顯示器和無線客戶端供電。
[0056] PLC的硬件組態(tài)包括設(shè)備組態(tài)和數(shù)據(jù)塊組態(tài)兩個部分：
[0057]打開Portal項目視圖，首先在雙擊項目樹中的"設(shè)備組態(tài)"選項打開設(shè)備組態(tài)窗 口。在右側(cè)的硬件目錄中依次點擊"CPU"->"CI3U1211CDC/DC/Rly"->"6ES7211-lHE40-0ΧΒ0"，并將選中的CPU添加到設(shè)備組態(tài)窗口中。在添加到設(shè)備組態(tài)窗口的CPU圖形中，雙擊 RJ45接口，在下方出現(xiàn)以太網(wǎng)組態(tài)設(shè)置。將該CPU的IP地址設(shè)置為：192.169.1.11;子網(wǎng)掩碼 設(shè)置為:255.255.255.0。至此即完成了本系統(tǒng)中監(jiān)控柜PLC的設(shè)備組態(tài)；
[0058]在Portal項目樹下的"程序塊"文件夾下新建數(shù)據(jù)塊j，即DB1。在DB1中新建兩個 類型為"Real"的變量"風壓"，"風速"，偏移地址分別設(shè)為0.0和4.0(分別對應于表1中風管 風壓和風管風速的數(shù)據(jù)地址）。注意，必須將數(shù)據(jù)塊DB1屬性中"優(yōu)化的塊訪問"選項取消，才 可以實現(xiàn)WinCC對該數(shù)據(jù)塊的訪問。至此即完成了數(shù)據(jù)塊的組態(tài)。
[0059] 無線客戶端的組態(tài)包括兩個步驟:IP地址分配，工作參數(shù)配置：
[0060] IP地址的分配有三種方式。第一種是采用動態(tài)主機配置協(xié)議(DHCP)自動為無線模 塊分配IP;第二種是使用工具Primary Setup Tool為無線模塊分配固定IP;第三種是采用 Portal軟件為無線模塊分配固定IP。本文采用第三種方式為無線模塊分配固定IP。具體步 驟如下：
[0061] ①首先將無線模塊通過以太網(wǎng)電纜連接在電腦的以太網(wǎng)接口上并通電；
[0062] ②在Portal環(huán)境下，直接(可以不打開任何項目）點擊左下角的按鈕打開"項目視 圖"；
[0063] ③在"項目樹"中依次展開"在線訪問"及以下的正在使用的網(wǎng)卡節(jié)點，并雙擊節(jié)點 下的"更新可訪問的設(shè)備"選項，等待設(shè)備更新；
[0064] ④選中更新后列表中的無線模塊，并在右側(cè)的屬性參數(shù)中設(shè)置該無線模塊的IP地 址為 192 · 168 · 1 · 13;子網(wǎng)掩碼為：255 · 255 · 255 · 0;
[0065]無線客戶端工作參數(shù)的設(shè)定類似于無線路由器的設(shè)置。打開EI瀏覽器并在地址欄 中輸入剛剛為無線模塊分配的IP地址，即可打開無線模塊工作參數(shù)設(shè)置畫面。首次登陸或 者在恢復出廠設(shè)置后登陸，模塊要求修改登陸密碼(初始管理用戶名和密碼均為:admin)， 之后自動進入"基本設(shè)置向?qū)?界面如圖4所示；
[0066] 其中，system頁可以恢復出廠設(shè)置和選擇設(shè)備的模式。對于無線客戶端(734)來說 只有"Client" 一種模式可以選擇。Country頁選擇工作國家和設(shè)定系統(tǒng)名稱。IP頁設(shè)置IP獲 取方式(包括DHCP方式和固定IP方式），本文選擇固定IP模式。Management Interfaces頁設(shè) 置網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)的選項，本文保留默認設(shè)置。Antenna頁設(shè)置無線客戶端連接的天線類型及 饋線的長度。如圖4a所示，本文選擇ANT792-6MN天線，饋線長度為1米。Radio頁用于設(shè)置無 線電相關(guān)的信息。如圖4b所示，本文設(shè)置無線電的最大發(fā)射功率為15dBm<Xli ent頁設(shè)置無 線熱點的名稱。如圖4c所示，本文無線熱點的名稱設(shè)置為"TF774"（見圖5的設(shè)置^Channels 頁選擇頻段內(nèi)的特定通道，本文選擇所有通道進行通信。Security頁用于輸入無線熱點的 接入密碼。本文中無線熱點的Security頁設(shè)置為Open System，即不需要密碼，所以無線客 戶端的Security頁也選擇Open System選項。Dot lx Supplicant頁無效。Summary頁顯不所 有的設(shè)置內(nèi)容，并提供"Set Value"按鈕用于激活設(shè)置。
[0067] 實施例5
[0068] 參見圖2、圖3,本實施例的隧道施工通風自動監(jiān)測系統(tǒng)，與前述各實施例的不同之 處在于:傳感器柜中的主要設(shè)備包括：
[0069] PLC CPU1212C。由于此處需要擴展4路AD模塊SM1231，所以選擇1212C CPU<a212C 本身具有兩路模擬量輸入端口，加上SM1231的4路模擬量輸入端口，可以滿足對環(huán)境參數(shù) (如圖2所示)的采集需求；
[0070] 無線熱點W774及天線。實現(xiàn)與現(xiàn)場控制柜之間的無線通信；
[0071] SM1231。模擬輸入端口。PLC電源。為1212C，無線熱點和SM1231供電。
[0072] PLC CPU傳感器柜一方面通過無線模塊與現(xiàn)場控制柜建立網(wǎng)絡(luò)連接，一方面通過 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集各個傳感器的數(shù)據(jù)。
[0073] PLC的硬件組態(tài)包括設(shè)備組態(tài)和數(shù)據(jù)塊組態(tài)兩個部分：
[0074] 打開Portal項目視圖，首先在雙擊項目樹中的"設(shè)備組態(tài)"選項打開設(shè)備組態(tài)窗 口。在右側(cè)的硬件目錄中依次點擊"CPU"->"CI 3U1212CDC/DC/Rly"->"6ES7212-lHE40-0ΧΒ0"，并將選中的CPU添加到設(shè)備組態(tài)窗口中。在添加到設(shè)備組態(tài)窗口的CPU圖形中，雙擊 RJ45接口，在下方出現(xiàn)以太網(wǎng)組態(tài)設(shè)置。將該CPU的IP地址設(shè)置為：192.169.1.12;子網(wǎng)掩碼 設(shè)置為:255.255.255.0。至此即完成了本系統(tǒng)中監(jiān)控柜PLC的設(shè)備組態(tài)；
[0075]在Portal項目樹下的"程序塊"文件夾下新建數(shù)據(jù)塊_1081)。在DB1中新建兩個類 型為"Real"的變量"風壓"，"風速"，偏移量分別設(shè)為0.0和4.0(對應于表1中風管風壓和風 管風速的數(shù)據(jù)地址）。注意，必須將數(shù)據(jù)塊屬性中的"優(yōu)化的塊訪問"選項取消，才可以實現(xiàn) WinCC對該數(shù)據(jù)塊的訪問。至此即完成了數(shù)據(jù)塊的組態(tài)。
[0076]無線熱點硬件組態(tài):無線熱點的組態(tài)與無線客戶端的組態(tài)類似，包括兩個步驟:IP 地址分配，工作參數(shù)配置。其中IP地址分配方法與無線客戶端一致。IP地址為： 192 · 168 · 1 · 14;子網(wǎng)掩碼為：255 · 255 · 255 · 0。
[0077]無線熱點的"基本設(shè)置向?qū)?界面如圖5所示。其中，system頁可以恢復出廠設(shè)置和 選擇設(shè)備的模式。對于無線熱點來說可以選擇"AP"和"Client"兩種模式。本文選擇"AP"模 式，即熱點。Country頁選擇工作國家和設(shè)定系統(tǒng)名稱。IP頁設(shè)置IP獲取方式(包括DHCP方式 和固定IP方式），本文選擇固定IP模式。Management Interfaces頁設(shè)置網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)的選 項，本文保留默認設(shè)置。Antenna頁設(shè)置無線客戶端連接的天線類型及饋線的長度。本文無 線熱點的天線配置通無線客戶端。Radio頁用于設(shè)置無線電相關(guān)的信息，配置同無線客戶 端。AP頁設(shè)置無線熱點的名稱。如圖5所示，本文無線熱點的名稱設(shè)置為"TF774" Security 頁用于輸入無線熱點的接入密碼。本文設(shè)置為Open System，即不需要密碼。Do tlx Supplicant頁無效。Summary頁顯示所有的設(shè)置內(nèi)容，并提供"Set Value"按鈕用于激活設(shè) 置。
[0078]本發(fā)明隧道施工通風自動監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)的軟件編程設(shè)計包括工控機WinCC監(jiān)控 畫面程序設(shè)計和三臺PLC CPU中的傳感器數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計。其中WinCC監(jiān)控畫面程序設(shè)計 相對比較簡單，只需要在畫面中布置1/0域，并連接變量管理器中相應的變量即可。下面主 要描述PLC的傳感器數(shù)據(jù)采集程序，如圖6所示。其中調(diào)用了標準化指令N0RM_X和 令。標準化指令的計算規(guī)則如公式(1)所示。
[0079] 〇UT= (VALUE-MIN)/(MAX-MIN) (1)
[0080] 其中MIN為標準化的最小值;MAX為標準化的最大值;VALUE為輸入變量;OUT [0081 ]為介于0到1之間的浮點數(shù)。各傳感器N0RM_X指令參數(shù)如表2所示。
[0082] 表2:各傳感器N0RM_X指令參數(shù)列表
[0084] 縮放指令的計算規(guī)則如公式(2)所示。
[0085] OUT = [VALUE X(MAX-MIN)]+MIN (2)
[0086] 其中MIN為取值最小值;MAX為取值最大值;VALUE為輸入變量;OUT為輸出結(jié)果。在 本設(shè)計中，SCALE_X指令的VALUE是個N0RM_X指令的輸出，MIN和MAX分別取個傳感器的量程， OUT直接存入數(shù)據(jù)塊中為個傳感器開辟的變量中。
【主權(quán)項】
1. 一種隧道施工通風自動監(jiān)測系統(tǒng)，由監(jiān)控柜、現(xiàn)場控制柜和傳感器柜組成;傳感器柜 通過傳感器采集現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)，并通過無線傳輸技術(shù)傳送至現(xiàn)場控制柜，其特征在于:監(jiān) 控柜與現(xiàn)場控制柜之間通過光纖進行連接；監(jiān)控柜與變頻器之間通過485總線相連，以 modbus協(xié)議進行通信;現(xiàn)場控制柜與傳感器柜之間通過無線局域網(wǎng)進行通信;風機風壓、風 速傳感器的0-10V電壓信號直接接入監(jiān)控柜;風管風壓、風速傳感器電壓信號直接接入現(xiàn)場 控制柜，溫度傳感器、粉塵濃度傳感器、C0濃度傳感器、N0 2濃度傳感器和含氧量傳感器采集 現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)輸入傳感器柜中；現(xiàn)場控制柜一方面通過觸摸屏顯示傳感器參數(shù)，另一方 面將現(xiàn)場的控制命令和傳感器參數(shù)通過光纖傳送至監(jiān)控柜，監(jiān)控柜一方面接收現(xiàn)場環(huán)境參 數(shù)并顯示;另一方面通過決策算法控制變頻器的頻率，從而調(diào)節(jié)風機的送風量。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的隧道施工通風自動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:監(jiān)控柜中的主要設(shè) 備包括:工控機，觸摸顯不器，實現(xiàn)風機風壓、風速信號米集的PLC CPU，光電交換機，PLC電 源，485通信模塊;光電交換機具有4個RJ45接口和一個SC光纖接口，實現(xiàn)多臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的互 聯(lián)，485通信模塊實現(xiàn)PLC CPU與變頻器之間的通信。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的隧道施工通風自動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：監(jiān)控系統(tǒng)采用 WinCC編寫并運行于工控機上，WinCC通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互聯(lián)形成的工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通道讀取現(xiàn) 場各傳感器參數(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)采用PLC作為各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的控制器，PLC對傳感器的信號進行 采集并轉(zhuǎn)換，各控制器通過Prof inet接口與其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行互聯(lián)，形成監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù) 網(wǎng)絡(luò)通道;光電交換機、無線熱點和無線客戶端將工控機、PLC CPU連接在一個局域網(wǎng)內(nèi)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的隧道施工通風自動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:現(xiàn)場控制柜 中的主要設(shè)備包括:PLC CPU、觸摸顯示器、無線客戶端W734及天線、光電交換機、PLC電源； PLC CPU選擇1211C型號的CPU，1211C具有兩路模擬量輸入端口，滿足對風管風壓、風速信號 的采集需求;觸摸顯示器完成現(xiàn)場人機交互功能，包括工況參數(shù)的錄入和監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示； 無線客戶端W734及天線實現(xiàn)與傳感器柜之間的無線通信。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的隧道施工通風自動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:傳感器柜中的主要 設(shè)備包括:PLC CPU，選擇使用1212C，擴展4路AD模塊SM1231，1212C本身具有兩路模擬量輸 入端口，加上SM1231的4路模擬量輸入端口，實現(xiàn)滿足對環(huán)境參數(shù)的采集需求;無線熱點 W774及天線，實現(xiàn)與現(xiàn)場控制柜之間的無線通信;PLC電源，為1212C、無線熱點和SM1231供 電。
【文檔編號】G05B19/042GK105867262SQ201610426935
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月14日
【發(fā)明人】王棟, 崔立志, 劉全貴, 劉石磊, 張文新, 趙希望, 吳元金, 卜旭輝, 楊立新, 趙軍喜, 羅占夫, 李永生, 尹龍, 茍紅松, 馬國棟
【申請人】中鐵隧道集團有限公司, 河南理工大學