隧道通风系统.论文doc

2008级毕业设计

论文题目：基于PLC、变频器、触摸            屏的隧道通风系统（设计）

指导老师： 党志勇    

所在系部： 工业自动化系

所在班级： 2008级电气维修预备技师班

学生姓名： 梁涛 秦晓川 周松松 张宵

完成时间： 2011年 03月

前言

随着我国经济的高速发展，通畅高效的交通系统成为经济进一步发展的基本需求，从而高速公路亦得以蓬勃发展。作为高速公路路段中相对事故率较高的隧道区域，为保证行车安全，提高行车效率，通常在长隧道或特长隧道内设置隧道监控系统，集中监控隧道内通风、照明以及行车情况，在必要时候发布诱导和指导性信息。而隧道内通风、照明、以及交通诱导设备均分散于整个隧道区域，因此集成隧道内各要素信息，方便隧道监控人员的集中监控与管理，成为隧道监控系统设置的主要目的。而最近几年，PLC、 变频器 以其诸多优异特点获得广泛的使用，在工业先进国家已成为工业控制的标准设备。它专为工业控制而设计，集电气、仪表、控制三电于一体，是实现机电一体化的理想控制设备。因此研究本课题的意义和目的主要是本着：安全，节能，高效，稳定，智能及人性化的目的为主要着力点的。目前国内大多数隧道内的通风系统采用的是定流量继电器恒流控制系统。这种系统虽然简便，但是不能根据车流，温度及其它突发事件的发生，有效的，实时的，调节能量供应，耗能极大，而且故障率高，不易发现问题所在。

本课题从使用功能上要求通风系统要求的风量不是恒定的，而是随着隧道内车流量，人员多少，环境条件，在不同状况能够自动的，实时的输出不同流量的要求。这就需要采用一定的技术手段，在此处定为：在不同的环境条件下通过传感器等器件感知环境的变化，把这些变化转变为电信号传送给PLC，再通过PLC控制变频器输出控制风机，供给不同流量，并通过触摸屏监视运行状态并控制。这就需要运用PLC及变频技术，采用触摸屏技术。达到练习和熟悉操作这些新兴技术并同实际项目相结合，系统的完成对他们的综合运用。

目录

    一．摘要……………………………………………………………………()

二. 系统介绍………………………………………………………………()

2.1 系统结构………………………………………………………………()

2.2 设计要求………………………………………………………………()

三．  各单元简介…………………………………………………………()

3.1 PLC的控制单元简介及选择…………………………………………()

3.2 触摸屏简介及选择……………………………………………………() 

3.3 风机的简介……………………………………………………………()

3.4 变频器应用及选择……………………………………………………()

3.5 传感器简介与选择……………………………………………………()

四．通讯安装与接线………………………………………………………() 

4.1 N：N 网络的通讯连接……………………………………………… ()

4.2 变频器与PLC的接线…………………………………………………()

4.3 触摸屏与PLC的通讯连接……………………………………………()

4.4 调试……………………………………………………………………()

五. 程序……………………………………………………………………()

5.1 PLC程序………………………………………………………………()

5.2 触摸屏程序……………………………………………………………()

六．致谢……………………………………………………………………()

七．参考文献………………………………………………………………()

八．附图……………………………………………………………………()

摘要

随着电子技术和微电子技术的迅速发展，PLC和变频器正成为通用、廉价和性能可靠的控制和驱动设备，得到广泛的应用。由PLC控制的变频调速离心风机的通风系统，具有较高的可靠性和较好的节能效果，易于组建成整体的自控系统，很方便地实现各种控制切换和远程监控。

通过对国内现有铁路，公路的观察和分析，其中隧道的占有比已达到很高的地位，而隧道内通风系统在其中的安全作用及能耗占有很高的比重。

隧道通风系统是隧道安全运行的重要组成部分，通风系统能否正常工作与隧道内运行环境条件、运行效率、运行安全密切相关。随着我国对各行各业安全生产监管力度的不断加强，尤其对公路、铁路安全运行的要求越来越高，对隧道通风系统进行技术改造，提高其运行稳定性、可靠性、节能降耗等势在必行。

本系统将 PLC与变频器及触摸屏有机地结合起来，为监控隧道内行车环境，隧道内设置有计数传感器、温度及能见度检测仪。通风控制系统即在实时检测这些环境参数的基础上，控制隧道内风机的开启，以使各项空气指标符合安全行车标准，达到既保障安全行车、同时节约能源的目的。各空气指标数据由PLC模拟量输入模块采集，风机的启停通过PLC的开关量输出模块程序控制变频器并由接触器实现控制。采用以隧道的车流量为主控参数，实现对风机工作过程和运转速度的有效控制，使隧道通风机通风高效、安全，达到了明显的节能效果。PLC控制系统具有对驱动风机的电机过热保护、故障报警、断电等功能特点，为隧道通风系统的节能技术改造提供一条新途径。

关键词：隧道、通风机、 PLC 、变频器、触摸屏

二. 系统介绍

2.1 系统结构

由于可编程控制器和触摸屏及三相异步电机的交流变频调速系统充分利用了PLC强大的逻辑处理功能和人机界面的良好的交互性，避免传统的继电器一接触器控制电路的复杂接线，降低了对运行人员的技术要求；同时对重要开关输入量实现触摸屏按键和外部按钮备用模式，提高了系统的可靠性，为现场操作人员对运行过程的实时监控和维护带来了方便。同时，作为本专业技师与高级技师专业必会之一，我们将理论与实际相结合，对我们掌握新技术新理念，提高动手能力，有很好的指导意义和现实意义。

通风控制系统主要由 4 台风机组构成，每个风机组有两台电机，由一台PLC、一台变频器控制。系统共有8台电机、四台PLC、四台变频器、一台触摸屏组成。每台电机驱动一台风机，对隧道进行供风，采用风机 2 ×4.5 kW ，PLC、触摸屏、车流量、烟尘传感器和变频器等组成一个完整的闭环控制系统。其中还包括接触器、热继电器、断路器等系统保护电器，实现对电机和PLC的有效保护，以及对电机的切换控制。

利用 PLC变频器和离心机通风系统进行节能技术改造，不仅简化了系统，提高了设备的可靠性和稳定性，设备的操作和维护方便，节省能耗，同时也大大地提高了道路的安全系数。另外还可以根据需要配置相应的通信模块，很方便地组成集散式控制系统，进行远程监控现场设备的运行状态，提高了运行效率和经济效益，具有一定的推广价值。

本控制系统以传感器为感应元件，PLC识别并控制，变频器输出可变频率，从而实现风机自动运行等功能，且由于高速公路隧道区域作为一个相对封闭区域，通风不畅，汽车尾气沉积，油污污染，高低压线缆布线的空间导致电磁干扰等等因素，使其成为一个非常恶劣的电气环境，对应用的电气设备的适应性提出很高的要求；而且隧道距离长，设备布设分散，也为监控系统的构建造成一定难度所以在此设计由触摸屏监视控制。与常规继电器实施的通风系统相比，PLC系统具有故障率低、可靠性高、接线简单、维护方便等诸多优点。 PLC和变频器及各种传感器配合使用，使系统控制的安全性、可靠性大大提高，也使通风机运行的故障率大大降低，不仅节约了电能，而且还提高了设备的运转率。控制功能使通风系统的自动化程度大大提高，减轻了岗位人员劳动强度。

系统框图                                                                                                                                    

本PLC控制系统具有对通风机的电动机启动与运行，进行监控、联锁和过热保护等功能。PLC与车流量、烟尘、温度传感器配合使用，使系统控制的安全性、可靠性大大提高，也使通风机运行的故障率大大降低，提高了设备的运转率。

本系统采用自动工作模式，具有现场控制方式、状态显示以及故障报警等功能。

在自动方式下，利用车流量感器检测车流量的电信号，然后送入 PLC，PLC将检测到车辆值与设定的车辆值进行比较和处理，输出信号控制通风机工作。当隧道的车辆低于设定范围数值，工作通风机与备用离心通风机循环工作；当出现突发事故，隧道的车辆高于设定的数值，工作离心通风机与备用通风机不再循环工作，并自动切换为同时工作，加大对隧道内的通风量，直至隧道内的空气升至设定的空气数值以上，工作通风机与备用通风机恢复循环工作。

在有烟尘的隧道供风系统中，隧道内的烟尘浓度传感器检测烟尘浓度，用变送器将现场信号变换成统一的标准信号，送入 A /D 转换模块进行模数转换，然后送入 PLC，同样 PLC将检测到的数值与设定的数值进行比较，当烟尘浓度大于设定数值后，PLC输出信号控制通风机全速工作，防止事故发生。

2.1.1 车流量的计量:

每股行车道的车流量通过PLC进行统计。当车辆进入路口经过第一个传感器时，使统计数加1，经过第二个传感器2出路口时，使统计数减1，其差值为该股车道上车辆的滞留量(动态值)，可以与设定值进行比较，据此作为调整风机运行频率的依据。

2.2 设计要求：

2.2.1 系统硬件结构

   本系统的硬件电路如下图所示，它由8台电动机，一台智能型电控柜（包括三菱变频器、PLC、交流接触器、触摸屏、继电器等），一套车流量传感器、电源保护装置以及供电主回路等构成。

  2.2.2 设计要求：

1：系统的监控及控制均在触摸屏上进行。

2：系统上电，在触摸屏上按下启动按钮，系统即进入运行模式。

3：以车流量为基准信号进行主控制调节

A、当隧道内车数量在1-29辆，风机以20HZ频率运行

B、当隧道内车数量在30-59辆，风机以25HZ运行

C、当隧道内车数量在60-辆，风机以35HZ运行

D、当隧道内车数量在90-120辆，风机以40HZ运行

E、当车数量大于120辆，在触摸屏上显示报警信号，表明隧道内发生堵塞，且各组主副电机同时全速50HZ运行

4：当隧道内因火灾或其它原因引起温度高于40℃，各组主副风机均以50HZ全速运行，并显示温度过高报警，直到温度下降到正常范围。

5：当隧道内因烟尘或大雾，造成能见度降低，各组风机以全速50HZ运行，直到环境恢复正常，并显示报警。

6：各组主副风机如有一台发生故障，另一台自动投入运行。

三．各单元介绍

可编程逻辑控制器(PLC)以其编程简单方便、控制稳定可靠、功能强大等优点通常作为控制器广泛应用于现代工业控制领域。触摸屏作为人机交互界面在一定程度上减少PLC的外部I／O点的使用以及减轻系统外部按钮开关的连线复杂程度，同时也提高了运行维护的方便性。随着工业现场对控制设备小型化、易操作化、智能化的要求的不断提高，基于PLC和触摸屏的交流变频调速系统的应用前景将非常广阔。本文采用三菱PLC(Fx1N－MR)、触摸屏(MT506)、三菱变频器和外部模拟按钮实现两台三相异步电机的交流变频调速实验系统设计。

3.1 PLC的控制单元简介及选择:

3.1.1 PLC概述:

PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：

PLC英文全称Programmable Logic Controller，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是：一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC。

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

（1）CPU的构成

CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程。

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此着控制规模。

（2）I/O模块

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

常用的I/O分类如下：

开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit，14bit，16bit等。

除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少。但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数。

（3）电源模块

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。

3.1.2.PLC外部连接:

传感器作输入信号，5个操作键分别是自动方式开关、手动方式开关、停机按钮，及2个在手动控制下控制通风机运行的按钮开关，开关量传感器为拖动通风机的吸风电机和增风速电机发生堵转故障时热继电器

3.1.3．PLC使用中需要注意的问题:

PLC是一种用于工业生产自动化控制的设备，一般不需要采取什么措施，就可以直接在工业环境中使用。然而，尽管有如上所述的可靠性较高，抗干扰能力较强，但当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，就可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证PLC的正常运行，要提高PLC控制系统可靠性，一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力；另一方面，要求设计、安装和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。因此在使用中应注意以下问题：

1. 工作环境

（1）温度

PLC要求环境温度在0~55℃，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大。

（2）湿度

为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%（无凝露）。

（3）震动

应使PLC远离强烈的震动源，防止振动频率为10~55Hz的频繁或连续振动。当使用环境不可避免震动时，必须采取减震措施，如采用减震胶等。 

（4）空气

避免有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中。

（5）电源

PLC对于电源线带来的干扰具有一定的抵制能力。在可靠性要求很高或电源干扰特别严重的环境中，可以安装一台带屏蔽层的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。一般PLC都有直流24V输出提供给输入端，当输入端使用外接直流电源时，应选用直流稳压电源。因为普通的整流滤波电源，由于纹波的影响，容易使PLC接收到错误信息。

2．控制系统中干扰及其来源

现场电磁干扰是PLC控制系统中最常见也是最易影响系统可靠性的因素之一，所谓治标先治本，找出问题所在，才能提出解决问题的办法。因此必须知道现场干扰的源头。

（1）干扰源及一般分类

影响PLC控制系统的干扰源，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，其原因是电流改变产生磁场，对设备产生电磁辐射；磁场改变产生电流，电磁高速产生电磁波。通常电磁干扰按干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态（同方向）电压叠加所形成。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏（这就是一些系统I/O模件损坏率较高的主要原因），这种共模干扰可为直流，亦可为交流。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，这种干扰叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。

（2）PLC系统中干扰的主要来源及途径

1）强电干扰

PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压。尤其是电网内部的变化，刀开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。

2）柜内干扰

控制柜内的高压电器，大的电感性负载，混乱的布线都容易对PLC造成一定程度的干扰。

3）来自信号线引入的干扰

与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。

4）来自接地系统混乱时的干扰

接地是提高电子设备电磁兼容性（EMC）的有效手段之一。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统将无法正常工作。

5）来自PLC系统内部的干扰

主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。

6）变频器干扰 

一是变频器启动及运行过程中产生谐波对电网产生传导干扰，引起电网电压畸变，影响电网的供电质量；二是变频器的输出会产生较强的电磁辐射干扰，影响周边设备的正常工作。 

3. 主要抗干扰措施 

（1） 电源的合理处理，抑制电网引入的干扰 

对于电源引入的电网干扰可以安装一台带屏蔽层的变比为1：1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰，还可以在电源输入端串接LC滤波电路。 

（2） 正确选择接地点，完善接地系统 

良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。 

PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层必须一点接地，如果电缆屏蔽层两端A、B都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层，当发生异常状态如雷击时，地线电流将更大。 

此外，屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内又会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。若系统地与其它接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布，影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降，引起对信号测控的严重失真和误动作。 

1） 安全地或电源接地 

将电源线接地端和柜体连线接地为安全接地。如电源漏电或柜体带电，可从安全接地导入地下，不会对人造成伤害。 

2） 系统接地 

PLC控制器为了与所控的各个设备同电位而接地，叫系统接地。接地电阻值不得大于4Ω，一般需将PLC设备系统地和控制柜内开关电源负端接在一起，作为控制系统地。 

3） 信号与屏蔽接地 

一般要求信号线必须要有唯一的参考地，屏蔽电缆遇到有可能产生传导干扰的场合，也要在就地或者控制室唯一接地，防止形成“地环路”。信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；不接地时，应在PLC侧接地；信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地；多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏蔽电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理，选择适当的接地处单点接点。 

3.1.4.PLC的选用:

根据设计要求得出，主站PLC需要一个启动按钮X5、和一个急停按钮X4、进口车辆传感器X0、出口车辆传感器X1、温度传感器X2、烟尘传感器X3、变频器故障输入X6七个输入信号，而输出共需8个输出信号。 由于隧道集中监控系统传输距离长，控制规模较大，采用四级控制较为灵活、安全、高效。四级控制即总中心计算机系统控制、监控分中心计算机系统控制、隧道PLC网络控制、现场自动控制。隧道监控系统一般情况下是在监控分中心主控计算机的控制下，交由控制器自动控制运行。隧道PLC网络在计算机的控制下，运行各自局部设施的自动控制。监控中心控制计算机采集来自分中心及隧道控制单元、各类检测报警单元的运行数据，并给相应的控制单元发送命令，以执行相应任务。

为了避免大材小用，而造成的资金浪费，同时要保证实现操作的可行性，及以后扩展需要，则选用三菱型号为FX1N-MR系列的PLC机型。

FX1N系列是FX系列PLC家族中比较先进的系列。由于FX1N系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，他可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活和控制能力。为大量实际应用而开发的特殊功能开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需要，模拟I/O，高速计数器。内置24V直流电源，24V、400mA直流电源可用于外围设备，如传感器或其他元件。快速断开端子块因为采用了优良的可维护性快速断开端子，即使接着电缆也可以更换单元。时钟功能和小时表功能在所有的FX1N的PLC中都有实时时钟标准。时间设置和比较指令易于操作。小时表功能对过程跟踪和机器维护提供了有价值的信息。持续扫描功能为应用所需求的持续扫描时间定义操作周期在线程序编辑在线改变程序不会损失工作时间或者停止生产运转。RUN/STOP开关面板上运行/停止开关易于操作。远程维护远处的编程软件可以通过调制调解器来检测、上载或是卸载程序和数据密码保护使用一个八位数字密码保护您的程序。

FX1N-MR的PLC机型，I/O总点数为点，输入点数为24(X000~X027)点，输出点为24（Y000~Y027）,为继电器输出，交流电源、24V直流输入类型。它具有灵活的配置，除了满足特殊需求的大量特殊模块，6个基本单元中的每个单元可扩展256个I/O。有高速运算，基本指令：0.08us/指令，应用指令：1.52至几百us/指令。有突出的寄存器容量，FX1N系列包括8K步内置RAM寄存器，用一个寄存器盒可扩展到16RAM或EEPROM。有丰富的元件资源，3072点辅助继电器，256点计时器，235点计数器，8000数据存储器。满足我的设计需要。

3.2触摸屏的介绍:

3.2.1触摸屏的定义与简介

触摸屏（Touch panel）又称为触控面板，是个可接收触头等输入讯号的感应式液晶显示装置，当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动各种连结装置，可用以取代机械式的按钮面板，并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。

随着多媒体信息查询的与日触控屏俱增，人们越来越多地谈到触摸屏，因为触摸屏不仅适用于中国多媒体信息查询的国情，而且触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。利用这种技术，我们用户只要用手指轻轻地碰计算机显示屏上的图符或文字就能实现对主机操作，从而使人机交互更为直截了当，这种技术大大方便了那些不懂电脑操作的用户。 

触摸屏作为一种最新的电脑输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。它赋予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。触摸屏在我国的应用范围非常广阔，主要是公共信息的查询；如电信局、税务局、银行、电力等部门的业务查询；城市街头的信息查询；此外应用于领导办公、工业控制、军事指挥、电子游戏、点歌点菜、多媒体教学、房地产预售等。将来，触摸屏还要走入家庭。 

随着使用电脑作为信息来源的与日俱增，触摸屏以其易于使用、坚固耐用、反应速度快、节省空间等优点，使得系统设计师们越来越多的感到使用触摸屏的确具有相当大的优越性。触摸屏出现在中国市场上至今只有短短的几年时间，这个新的多媒体设备还没有为许多人接触和了解，包括一些正打算使用触摸屏的系统设计师，还都把触摸屏当作可有可无的设备，从发达国家触摸屏的普及历程和我国多媒体信息业正处在的阶段来看，这种观念还具有一定的普遍性。事实上，触摸屏是一个使多媒体信息或控制改头换面的设备，它赋予多媒体系统以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。发达国家的系统设计师们和我国率先使用触摸屏的系统设计师们已经清楚的知道，触摸屏对于各种应用领域的电脑已经不再是可有可无的东西，而是必不可少的设备。它极大的简化了计算机的使用，即使是对计算机一无所知的人，也照样能够信手拈来，使计算机展现出更大的魅力。解决了公共信息市场上计算机所无法解决的问题。

3.2.2.触摸屏的工作原理:

 为了操作上的方便，人们用触摸屏来代替鼠标或键盘。工作时，我们必须首先用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。

目前触摸屏的应用范围从以往的银行自动柜员机、工控计算机等小众商用市场，迅速扩展到手机、PDA、 GPS(全球定位系统)、MP3，甚至平板电脑(UMPC)等大众消费电子领域。展望未来，触控操作简单、便捷，人性化的触摸屏有望成为人机互动的最佳界面而迅速普及。 

目前的触控技术尚存在屏幕所使用的材源透光较差影响显示画面的清晰度，或者长期使用后出现坐标漂移、影响使用精度等问题。而且，全球主要触摸屏生产大厂多集中在日、美、韩等国家以及我国地区；主要技术、关键零组件和原材料更是基本掌握在日、美厂商手中，中国的触摸屏/触控面板产业还基本处于起步阶段。但正因如此，整个触控行业未来的上升空间还非常大，它也有望成为我国电子企业今后创新发展、大有作为的重要领域。触摸屏目前主要还是集中在小尺寸上的应用，未来的发展将是一个触控和遥控的世界，所以大尺寸触摸屏的发展是目前触摸屏发展的趋势，在市场的应用中给了民众耳目一新的感觉，深的广大民众的喜爱。所以未来的世界是个触控的世界，是个遥控的世界，大尺寸触摸屏的发展有着广泛的空间。

3.2.3.触摸屏的选用:

由于在此系统中，触摸屏要担任监控各部分运行状态，而且还用于控制作用，所以在此担任的任务还是比较重的。所以在此选定的触摸屏为MT506T型号的触摸屏。

①可实时显示设备和系统的运行状态。

　　②通过触摸向PLC发出指令和数据，再通过PLC完成对系统或设备的控制。

　　③可做成多幅多种监控画面，替代了传统的电气操作盘及显示记录仪表等，且功能更加强大。

3.2.4触摸屏程序设计:

本系统的触摸屏人机交互界面的开发平台，采用MT506触摸屏的编程软件实现。该软件类似于组态软件，采用图形化的编程方法，只需将相关元件拖到预先定义的画面上，根据需要设置相关参数、合理配置PLC写入地址即可完成操作

3.2.5主要参数:

型号MT506外壳颜色黑色显示屏 5.7英寸彩色 STN 液晶屏， 分辨率 320 × 240，像素亮度150 CD/M，色彩256色，对比度30:1，背光灯1支CCFL (最低保证寿命 >25000 小时)触摸屏4线，精密电阻网络( 表面硬度 4H ) CPU 32位RISC CPU 200MHz，存储器 1 MB Flash ROM + 4 MB DRAM，通信端口COM1: PC RS232 & PLC RS485/422 ，COM2: PLC RS232 配方存储

器标准内置128KB，实时时钟打印端口无系统诊断电源失效检测。

触摸屏实物图

编程软件对编程PC机要求不高，利用触摸屏自带RS 232串口或者USB接口通信，将设计完成后的人机交互界面下载到触摸屏。对于程序分别设计了监视、报警、控制以及频率显示、控制键，可由相应的控键实现对电机运转状态的控制和监控。触摸屏上电后自动进入所设计的画面，操作人员可以根据需要直接通过人机交互的方式，对下位机PLC进行控制。

3.3通风机:

我国隧道使用通风机主要就是，G4 —73系列通风机，G4 —73系列通风机最初是为锅炉通风(引风) 设计的，后来被引用到隧道通风中并拥有一定的市场占有量。该系列通风机的特点是特性曲线较平缓、无驼峰、运行噪声较小、效率高。启动时关闭调节门(也叫前导器)，具有启动功率较小，启动容易的特点。运行时调节门可在 0°～70°范围内调节，用以改变运行工况，还可通过配置不同转速的电动机来改变其运行工况,适应性较好。G4 —73系列通风机的特性曲线较平缓，运行噪声较小，效率高，适用于通风阻力不是太大的中小型隧道。我国地方隧道中使用该系列通风机较多，由于机型小，配置电动机的容量也小,可配用380V的电动机使用。但对初、后期风压变化大的隧道，通风机的调节性能差。风机的作用：风机是依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的机械，它是一种从动的流体机械。 

　　通风机广泛用于工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物的通风、排尘和冷却；锅炉和工业炉窑的通风和引风；空气调节设备和家用电器设备中的冷却和通风；谷物的烘干和选送；风洞风源和气垫船的充气和推进等。 

　　通风机的工作原理与透平压缩机基本相同，只是由于气体流速较低，压力变化不大，一般不需要考虑气体比容的变化，即把气体作为不可压缩流体处理。风机可制成右旋和左旋两种型式。从电动机一侧正视，叶轮顺时针旋转，称为右旋转风机，逆时针旋转，称为左旋。

一般的高压风机，其主要的动力设备是电动机，此外还包括用来控制风机风阀位置的电动或手动执行器、风机阀门限位开关等部件。风机动力设备的传统控制方法是通过手动或继电器控制，存在可靠性和灵活性较差的问题，比如：由于电机的容量大，就存在启动时间长、启动电流大、运行安全可靠性差等问题，为了解决这些问题，需要采取在启动离心风机时减少启动负荷、通过星—三角降压启动来降低启动电流、进行安全互锁控制等措施。通风机工作时，动力机(主要是电动机)驱动叶轮在蜗形机壳内旋转，空气经吸气口从叶轮中心处吸入。由于叶片对气体的动力作用，气体压力和速度得以提高，并在离心力作用下沿着叶道甩向机壳，从排气口排出。因气体在叶轮内的流动主要是在径向平面内。

风机的用途：一般用于高压强制通风，如冶炼、送料、矿井、隧道、地下室、铁路等，亦可输送空气及其它无腐蚀性、不含粘性物质、2非易燃、易爆之气体，介质温度最高不超过八十度，介质中硬质颗粒物中大于150mg/m3。

3.4 变频器的选型和容量的确定:  

在电机的容量确定并选定其型号后，接下来就要确定变频器的容量。异步电动机是电力、化工等生产企业最主要的动力设备。作为高能耗设备，其输出功率不能随负荷按比例变化，大部分只能通过挡板或阀门的开度来调节，而电动机消耗的能量变化不大，从而造成很大的能量损耗。近年来，随着变频器生产技术的成熟以及变频器应用范围的日益广泛，使用变频器对电动机电源进行技术改造成为各企业节能降耗、提高效率的重要手段。

确定变频器容量的主要依据是输出电流，其原则为：变频器的输出额定电流应大于或等于电机的额定电流。但在连续的变动负载或断续负载中，因电动机允许有短时间的过载，而且这种过载的时间经常超过变频器一般允许的一分钟。故应考虑选择变频器的额定电流大于或等于电动机运行过程中的最大电流。电动机的型号确定后，其额定电流可以从制造商提供的样本中查到。或者，也可从电机的输出功率由下式计算

式中，P为额定输出功率（KW）；

U为额定电压（KV）；

I为额定电流（A）；

η为电机效率；

为功率因数。

本系统选用的是三菱全新一代标准变频器D700,功能强大，应用广泛。它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。

异步电动机是电力、化工等生产企业最主要的动力设备。作为高能耗设备，其输出功率不能随负荷按比例变化，大部分只能通过挡板或阀门的开度来调节，而电动机消耗的能量变化不大，从而造成很大的能量损耗。近年来，随着变频器生产技术的成熟以及变频器应用范围的日益广泛，使用变频器对电动机电源进行技术改造成为各企业节能降耗、提高效率的重要手段。

　                           n＝60 f(1－S)/P                         (1)式中n———异步电动机转速

变频器实物图

f———异步电动机的频率；                 

s———电动机转差率；         

     p———电动机极对数。

    由式(1-1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。

　　变频器主要采用交—直—交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。 

3.5传感器介绍与选择:

3.5.1车辆检测电传感器

传感器的使用对本次的设计尤为重要，本次设计所采用的传感器是电磁感应线圈。电感式传感器其主要部件是埋设在隧道路面下的柱状状霍尔传感器当有高频电流通过电感时，公路面上就会形成高频磁场。当汽车进入这一高频磁场区时，汽车就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少。当汽车正好在该感应线圈的正上方时，该感应线圈的电感减到最小值。当汽车离开这高频磁场区时，该感应线圈电感逐渐复原到初始状态。

3.5.2检测原理：

电感式传感器是利用金属导体和交变电磁场的互感原理。位于传感器

前端。

线圈产生高频磁场，当金属物体接近该磁场，金属物体内部产生涡电流，导致磁场能量衰减，当金属物体不断靠近传感器感应面，能量的被吸收而导致衰减，当衰减达到一定程度时，触发传感器开关输出信号，从而达到非接触式之检测目的。

由于电感变化该感应线圈中流动的高频电流的振幅(本论文所涉及的检测工作方式)和相位发生变化，因此，在环的始端连接上检测相位或振幅变化的检测器，就可得到汽车通过的电信号。若将环状绝缘电线作为振荡电路的一部分，则只要检测振荡频率的变化即可知道汽车的存在和通过。

电感式传感器的高频电流频率为60kHz，尺寸为 2×3m，电感约为100μH.这种传感器可检测的电感变化率在0.3％以上。

电感式传感器安装在隧道墙壁上，从交通安全和美观考虑, 它是理想的传感器。传感器最好选用防潮性能好的原材料。

传感器实物图

3.5.2.1 温度传感器：

温度是自然界中和人类打交道最多的物理参数之一，无论是在生产实验场所，还是在居住休闲场所，温度的采集或控制都十分频繁和重要，而且，网络化远程采集温度并报警是现代科技发展的一个必然趋势。 由于温度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系，所以温传感器就会相应产生。

在此系统中选用精度高且价格性能比高的PT100温度传感器。 

由于PT100热电阻的温度与阻值变化关系，人们便利用它的这一特性，发明并生产了PT100热电阻温度传感器。它是集温度湿度采集于一体的智能传感器。温度的采集范围可以在-200℃～+200℃，湿度采集范围是0%～100%。

3.5.3主要参数：

工业级环境，采集温度范围为－200℃～＋200℃，显示精度0.1℃；综合精度0.3℃。将我们的热电阻传感器与我们的RS－485中继器，可将原来只能连接32个PT100、PT1000热电阻采集模块连到同一网络曾多到255个，且最大通信距离为1200m。LM-PT100、LM-PT1000热电阻温湿度传感器还可以和LM-8052NET配合，组成TCP/IP的温度采集网络，可实现远程采集温度。

3.5.4 烟尘传感器：

 在隧道内，因乘客吸烟或从车外侵人灰尘等及汽车排放尾气，造成车内空气污染，将严重危害人体健康，因此，必须时刻检测空气质量，以保持空气清新。烟尘浓度传感器就是与PLC检测控制结合，当烟尘浓度传感器感知烟尘的存在时，就会使PLC自动控制风机运转；当没有烟尘时就会使运转恢复正常，使隧道空气始终保持清洁。

烟尘浓度传感器的结构，它由发光元件、光敏元件和信号处理电路等组成。烟尘浓度传感器的工作原理，通过烟尘浓度传感器的开口缝隙，空气能够自由流动，发光元件（发光二极管）产生肉眼看不见的间歇红外光，在空气中没有烟雾的情况下，红外光射不到光敏元件上，电路不工作；当烟雾进人烟尘浓度传感器时，间歇的红外光使烟雾粒子漫反射进入光敏元件，这时烟尘浓度传感器就判定烟雾存在，空气净化器鼓风机电动机运转而开始工作。

为防止烟尘浓度传感器受外部干扰而引起误动作，传感器内部采用了脉冲振荡电路，即使射人相同波长的红外光，而因脉冲周期不同，传感器也不会判断有烟雾。另外，传感器内部还设有定时、延时电路，此处，经查阅相关资料，最终确定为TCS230, 烟气检测有专门的光电烟雾传感器，可以反应透明度、烟气浓度！价格便宜，简单可靠！

如果烟尘检测的目的在于火灾检测，推荐使用一氧化碳传感器，这个检测火灾比烟雾报警器还准确、灵敏、可靠！

四．通讯安装与接线：

 PC机通过专用电缆与PLC模块和触摸屏模块进行通信连接，编制调试程序完毕可以直接下载到触摸屏和PLC各自程序存储器。PLC模块与触摸屏之间由专用电缆连接，触摸屏按键指令可以由通信电缆加载到控制程序以执行相应的操作。另外，外部按钮指令直接加载在PLC输入端以实现相应的指令操作。

4.1 N:N 网络的通讯连接：

   可编程控制器的通讯和网络是近年来工业自动化领域发展十分迅速的技术。简易PLC间链接也叫做N∶N网络。最多可以有8台 PLC连接构成N∶N网络,实现PLC之间的数据通讯。

①并行通讯

    并行通讯是所传送数据的各个位同时进行发送或接收的通讯方式。

②串行通讯

串行通讯是将数据一位一位顺序发送接收的通讯方式。

(2)RS-485通讯线 

有一对平衡差分信号线，以半双工方式传送数据，能够在远距离高速通讯中，以最少的信号线完成通讯任务。

4.1.2工业控制网络的结构

4.1.3主站与从站

连接在网络中的通讯站点根据功能可分为主站与从站。

    主站可以对网络中的其他设备发出初始化请求；

    从站只能响应主站的初始化请求，不能对网络中的其他设备发出初始化请求。

计算机与4台PLC连接示意图

4.1.4通讯系统的参数设置：

1.通过 FX2N-485-BD内置通讯板和专用的通讯电缆。

2.通过 FX2N-CNV-BD内置通讯板、FXON-485ADP特殊适配器和专用通讯电缆。

3.采用RS485接口的通讯系统，一台计算机最多可连接16台可编程控制器。

4. 三菱FX系列可编程控制器中的 FX2N、FX2NC、FX1N、FX1S、FXON可以构成可编程控制器多点通信网络(N∶N网络)，通过程序控制实现 PLC间数据的通讯。

4.2变频器与PLC的接线：

 在此PLC主要控制着变频器的频率控制，控制变频器的RH、RL、RM 及SD口即可。并将变频器报警的A C 端输入到PLC输入口。

4.3 触摸屏与PLC的通讯连接

用RS232线连接，注意设定好与PC机的端口设定，下载好程序后需关复位。

4.4 调试

4.4.1接线检查

1.要查接线、核对地址。

要对应I/O分配表逐点进行，要确保正确无误。可不带电核对，那就是查线，较麻烦。也可带电查，加上信号后，看电控系统的动作情况是否符合设计的目的。  

2.检查模拟量输入/输出。

看输入输出模块是否正确，指示是否正常，工作是否正常。设备检查。

3、检查与测试通讯。

PLC控制面板上的指示灯，应先对应主从站的通讯显示进行检查。一方面，查看连接上没有，另一方面检查逻辑关系是否正确。先调好它，将对进一步调试提供方便。 而后再查PLC与触摸屏通讯是否正常，如不正确，或混乱，可看参数设置是否正确，或通讯线连接是否正常。 

4、检查手动动作及手动控制逻辑关系。

完成了以上调试，继而可进行手动动作及手动控制逻辑关系调试。要查看各个手动控制的输出点，是否有相应的输出以及与输出对应的动作，然后再看，各个手动控制是否能够实现。如有问题，立即解决。  

5、半自动工作。系统可自动工作，那先调半自动工作能否实现。

调试时可一步步推进。直至完成整个控制周期。哪个步骤或环节出现问题，就着手解决哪个步骤或环节的问题。 

6.自动工作。

在完成半自动调试后，可进一步调试自动工作。要多观察几个工作循环，确保系统能正确无误地连续工作。 

7、模拟量调试、参数确定。

以上调试的都是逻辑控制的项目。这是系统调试时，首先要调通的。这些调试基本完成后，可着手调试模拟量、脉冲量控制。最主要的是选定合适控制参数。一般讲，这个过程是比较长的。要耐心调，参数也要作多种选择，再从中选出最优者。有的PLC，它的参数可通过自整定获得。但这个自整定过程，也是需要相当的时间才能完成的。  

异常条件检查，完成上述所有调试，整个调试基本也就完成了。但是好再进行一些异常条件检查。看看出现异常情况或一些难以避免的非法操作，是否会停机保护或是报警提示。

若查对后均正确无误，可进行试运行。

五．程序部分    

  5.1  PLC程序 

     5.1.1  0站PLC程序

5．1.21站PLC程序

5.1.32站PLC程序

5.1.43站PLC程序

5.2  触摸屏程序

致谢 

此次毕业设计历经5个月终于完成，在设计过程中，得到指导教师党志勇老师的悉心指导与真切关怀。特别是在课题的定性探讨和设计过程中，及对设计中遇到的技术问题，老师都花费了大量的心血，付出了大量的劳动，并一直给予我无微不至的指导与多方面的帮助与指点，使我的知识、能力等各方面都有了很大的进步，在此，谨向党老师表示最衷心的感谢！

在课题进行期间，学院为我们提供了良好的学习和设计环境。在课题的研究和进展中，各任课老师及同组同学也给予了很大的帮助，最后还有能在白忙之中来听取我们答辩的学院领导及各位老师，在这里也一同表示感谢！

由于时间和知识水平所限，论文中还可能会有许多纰漏或错误之处，恳请各位老师和同学批评指正。

参考文献

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