基于PLC的隧道通风排水控制系统设计样本.doc

　郑州大学毕业设计（论文）

题 目 基于PLC隧道通风
排水控制系统设计

院 系 　
专 业　
班 级 　　
学生姓名 　
学 号
指引教师 职称

5 月 26日

摘 要

本设计以普通地下车辆交通隧道通风风机和排水泵为控制对象，依照隧道内检测烟雾浓度、风速、蓄水池液位及相应控制规定，设计电气控制原理图和PLC控制程序，可实现烟雾浓度检测、液位检测、风机启停、水泵启停全自动控制，具备互锁保护功能，能实现自动-手动转换操作。本文采用了西门子S7-200PLCCPU226 AC/DC/RLY模块，加之EM231模仿量输入扩展模块，并辅以隧道CO/VI检测器、超声波液位计、单向式射流风机和德国威乐水泵等元器件，成功实现了对隧道通风排水自动-手动控制。虽然是火灾或暴风雨等特殊状况，该系统通过运营调试后也能游刃有余。

核心词：隧道；通风排水；射流风机；水泵

Abstract

The design of common underground vehicle traffic tunnel ventilation and drainage pump as the control object，according to the requirements of the tunnel detection of smoke concentration，wind speed，liquid level of the reservoir and corresponding control and electrical design control principle diagram and the PLC control program can achieve the start and stop smoke concentration detection，liquid level detection，fan，pump start and stop automatic control，with interlocking protection function，can realize the automatic and manual conversion operation. In this paper，the Siemens S7-200 cpu226 AC/DC/RLY module，coupled with the EM231 analog input expansion module，and supplemented by tunnel CO/VI detector is and ultrasonic level meter，one-way jet fan and German wilo pumps and other components，successfully realize the of tunnel ventilation and drainage of automatic and manual control. Even the fire storm or other special circumstances，the system can also ease after operation after commissioning.

Key words：tunnel；ventilation and drainage；jet fan；water pump

目 录

摘 要 I
Abstract I
1 绪 论 1
1.1 选题背景和意义 1
1.2 国内外研究状况综述 1
1.3 论文应达到规定及采用设备办法 3
1.4 本章总结与反思 3
2 可编程控制器 4
2.1 可编程控制器发展 4
2.2 可编程控制器概述 4
2.3 可编程控制器分类及构成 5
2.4 S7-200 PLC简述 7
2.5 本章总结与反思 7
3 PLC硬件设计 8
3.1 通风系统硬件设计 8
3.2 排水系统硬件设计 18
3.3 隧道通风排水控制系统总PLC原理图 22
3.4 本章总结与反思 25
4 PLC软件设计 26
4.1 系统控制规定简述 26
4.2 PLC软件设计 27
4.3 PLC安装与维修 36
4.4 本章总结与反思 38
5 结 论 40
致 谢………………………………………………………………………………………………..42
参照文献 42
附录1：外文资料翻译 44
A1.1 译文:基于PLC专用解决器一种高性能体系构造设计 44
A1.2 原文：A high performance architecture design of PLC dedicated processor 53
附录2 电气原理图 64
附录3 程序清单 67

1 绪 论

1.1 选题背景和意义

自从改革开放以来，随着着国内国际地位飞速提高，国内经济水平也走到了世界前列，堪称世界第三大经济体。这其中，交通运送业对经济增长助力颇多。但是国内国土资源有限，交通运送业当前还存在着挥霍土地不高效现状，违背了可持续发展。再加之诸多山地地区由于地形缘故，因此隧道工程自改革开放以来在国内得到了突飞猛进发展。隧道高效安全问题，以及自动工业化限度也就显得尤为重要。
隧道几何特性导致了隧道具备相对密闭性，尾气等污染物无法第一时间排出隧道。就这样日积月累,当污染物聚积到一定浓度，就会导致可见度下降和有害气体含量上升，甚至隧道内积水无法及时排掉，直接危害到行车安全以及人体健康[1]。在这种状况下，基于PLC隧道通风排水控制系统应运而生。
该系统能加强隧道内通风排水，以减少汽车所排污染物浓度，保证隧道正常空气湿度。通风排水系统即在实时监测这些隧道环境参数基本上，控制隧道通风风机和排水泵启动台数及功率大小，保障隧道安全健康运营。通过PLC和各种传感器配合使用，使通风排水控制安全性、可靠性大大提高，不但节约了电能，并且还提高了设备运转率。特别是在面对车祸火灾或暴雨积水特殊状况时，该系统能自动进行调节，这将有着很强现实意义和应用前景。
一种国家交通运送对一种国家经济发展起到至关重要作用。其一国内国土辽阔，在辽阔土地上，一条条交通要道纵横交错，有诸多交通要道都要通过隧道，因而探寻更加合理高效隧道技术是国内经济高速发展必要条件；再者，据有效数据记录，国内每年交通事故发生在隧道内比重很大，并且导致损失也十分严重，因而隧道技术在减少事故发生率和安全运营方面也显得更加不可或缺。

1.2 国内外研究状况综述

在高速公路工程建设上，国外相对于国内起步比较早，对隧道通风排水系统设计研究也更为先进。国外拥有交通工控一套完整设计思路，特别瑞士等某些欧洲国家在公路及铁路隧道建设方面经验丰富。瑞士这个国度以多山地形闻名，其中就有世界知名阿尔卑斯山横贯。早在100近年前20世纪初，在美国矿务局以及当时某些知名大学通力合伙下，美国修建纽约一隧道时，对隧道内CO浓度以及人体可以承受CO浓度上限进行了研究测试。研究成果显示科学家们将400ppm当做CO临界值，并以此计算隧道需要通风量，这是历史上第一次对隧道系统正式研究。世界各国隧道通风方式发展也经历了一种逐渐完善过程。日本大多数隧道所采用纵向式通风（涉及分段纵向式通风），开始了隧道通风新纪元，其中以日本惠娜山隧道为代表隧道。高速公路高速发展过程中浮现了许多特长特大隧道，但因隧道通风排水系统设计不恰当所引起交通事故，导致了许多生命和财产损失[2]。因而隧道通风排水控制系统自动化限度需要不断提高才干跟上社会脚步，满足人们需求。
近来几年国内经济实力飞速发展离不开以高速公路为骨干高级别公路建设，其中隧道建设更是重中之重。国内多山丘陵地形决定了隧道在公路建设中必要性。
当前隧道通风方式种类繁多，但以机械通风为重要形式。其中机械通风又细分为纵向式，射流式，风道式，喷嘴式和竖井式通风。
自然通风。这种通风方式不安装专门通风设备，是采用存在于两个洞口间自然压力差值产生自然风或者汽车行驶时车体周边摩擦产生交通风，达到送风目。国内规定：LN<600可采用自然通风。（L-隧道长度，公里；N-高峰小时交通量，辆/小时）
纵向通风。其中射流式送风方式运用设立于隧道顶部射流式风机通风，设备费用低，但是噪声颇大。而竖井式通惯用于长隧道中，进行分段通风。
半横向式通风。其特点是运用空气动力学原理使新鲜空气汇集在汽车排气孔附近，第一时间稀释尾气，这种办法仅需要设立排风道，比较经济。
横向通风。这种通风方式以便了防止火灾和解决烟雾，但需建造送风道和排风道，从而变向增长建设费用和维护费用。
隧道与否积水是隧道正常行车与否核心。这个问题也是隧道能否正常运营核心。当前国外隧道排水系统重要是在隧道内按一定距离设立滤水箅，滤水箅普通是设立在路面如下。滤水箅重要分为暗沟与开口式明沟，暗沟较之明沟更加隐蔽，也更加易于维护。而国内依照隧道附近地理形态相异，提出了隧道排水原则是“排，隔，堵三种解决方式互相结合，因地制宜，综合治理”。
国内惯用排水构造：盲沟-泄水沟-排水沟。但是这种排水系统收集隧道内积水能力还是有限，遇到大雨或者暴雨时，其排水能力就显得捉襟见肘。同步当前众多排水系统基本上是一种项目一种边沟型式，未把隧道长度考虑在内，往往得不到对积水最佳引排效果[3]。

1.3 论文应达到规定及采用设备办法

该系统应达到规定：
a.可以实现全自动控制。
b.可以手动控制。
c.具备互锁保护功能。
拟用设备：AUTO CAD、V4.0 STEP7 Micro WIN SP9、S7-200仿真、鼓风机、排风机、水泵、CO/VI检测器/监测仪、液位传感器。
办法：使用AUTO CAD绘制主电气控制原理图，使用V4.0 STEP7 Micro WIN SP9绘制PLC程序清单和软件梯形图，最后使用S7-200仿真进行仿真。

1.4 本章总结与反思

本章着重简介了选这个课题背景和意义，对于此课题当前国内外研究现状，以及PLC在隧道内应用现状。最后我大体论述了本论文拟解决重要问题和论文应达到规定，某些采用设备和办法。此章节是我对这个设计某些宏观规划，后续实验设计都是以本章为核心。由于实际状况限制，这个设计我无法去现场实验，因此我采用设备也许局限性以支撑整个长隧道运营。因此，我觉得我设计更适合中小型隧道，某些射流风机、水泵以及传感器实际安装还需要进一步实地检测。这些是我设计后来需要改进地方。

2 可编程控制器

2.1 可编程控制器发展

PLC最初研制时目重要是用于代替老式控制装置，即以继电器接触器为代表低压电器控制。继电器控制装置运营方式是若某个线圈得电或失电，这个线圈其她触点也会同步动作，是硬逻辑并行运营。这种控制系统有着明显缺陷，系统体积大，运营不以便，学习成本高，特别无法依照设计规定灵活变化程序，必要所有从头开始。而不同于继电器控制装置，PLC运营方式是一种类似栈方式，不论输出继电器是动作信号还是存储信号，她都会按照顺序，只有其触点被扫描到，它才会动作进行后续操作，相对来说安全保障性更佳。
PLC发展与数字电子、模仿电子、电力电子等大多数工控学科发展完善息息有关。从控制功能来分，PLC发展经历下列四个阶段：
第一阶段，也就是可编程序控制器诞生阶段，指从第一台可编程序逻辑控制器问世取代继电器控制方式开始。这一阶段产品重要用于逻辑运算和定期、计数，其功能相对简朴实用。
第二阶段，贯穿20世纪中期到末期为止，属于可编程序逻辑控制器小范畴扩展阶段。此阶段新增了从模仿仪表发展而来控制器，重要功能是逻辑运算和模仿运算。
第三阶段，从20世纪70年代末期到80年代中期，是PLC大力发展阶段。期间随着计算机通信发展，PLC也形成了小范畴通信功能，数据传播与运算在这一时段得到了迅速发展。
第四阶段，即第三阶段开始至今，是PLC开放阶段。此阶段PLC形成工业控制产业网，全球自动化开始发展，形成统一通信软硬件系统，增长了各种编程语言，可以称之为一门完整学科了。

2.2 可编程控制器概述

PLC全称是可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），国际工委会（IEC）对PLC进行过定义。通俗讲，可编程逻辑控制器是一种服务于自动化工业生产电子系统。它通过数字运算，运用内部可以编程序存储器来解决逻辑运算、顺序控制、存储、定期、计数和算术操作等面向顾客指令，并通过数字输入输出或模仿输入和输出来控制各种生产过程[4]。可编程序控制器及其上位机、下位机构成完整以太网控制系统，在工业生产中提供了很大便利与协助。
世界上生产PLC知名公司有：美国（Rockwell公司所属AB公司、GE-Fanuc公司）、日本（三菱、松下公司、OMRON）、德国（西门子）、法国（施耐德）。
PLC具备十分强大功能，不但具备采集信号、解决数据能力，还可以实现逻辑控制，对输出进行控制，并且对于系统故障具备自诊断功能，具备以太网接口，可实现通信联网、人机对话。
PLC具备如下特点：
a. 安全可靠，自主能力强。
PLC是用软件代替了中间继电器和时间继电器，与老式继电器控制相比，减少了大量硬件触点和接线，仅仅在输入和输出电路某些还需使用某些硬件元件，可以大大减少由于硬件触点老化、使用时间过长导致接触不良，提高系统可靠性。
可编程逻辑控制器有很强抗干扰能力，因素就在于，PLC设计者设计了许多抗干扰办法，涉及硬件电路抗干扰和软件设计中加入软件抗干扰办法，使系统运营过程中受现场干扰信号影响很小，自主性能好。
b. 编程容易，操作以便
梯形图语言是PLC应用广泛编程语言，梯形图语言十分形象直观，它表达方式和电路符号与继电器电路原理图十分相似，没有接触过梯形图电气技术人员只需要花上很短时间就能过掌握梯形图语言，并可以编写简朴顾客程序。
c. 便于设计、调试、安装，以及后期维护
由于采用软件电路代替大量时间继电器、中间继电器和定期、计数器，系统设计、调试、安装十分以便。
d. 体积小，重量轻，功耗低
由于软件电路代替了大量继电器，PLC体积、重量也大大减少。
e. 模块化构造，通用性强
PLC采用模块化设计方式，便于系统安装与拆卸，并且以便对模块进行扩展，使系统具备较强通用性。

2.3 可编程控制器分类及构成

2.3.1可编程逻辑控制器分类

a.按构造分类
PLC以其硬件构造形式为原则，分为整体式、模块式和叠装式。
b.按照控制规模分类
PLC控制规模，即数字量I/O点数及模仿量输入/输出点数。按照以上划分方式，PLC较为细致被分为数十点微型机、500点如下小型机、500点至上千点中型机、数千点大型机、上万点超大型机等。

2.3.2可编程控制器工作过程

PLC工作过程是以按顺序循环扫描方式方式进行。运营状态下PLC，其运营周期可划分为输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段总共三个基本阶段。此工作过程特点是输出对输入响应有滞后现象。这个滞后时间长短重要取决于循环周期长短、输入电路滤波时间和输出电路滞后时间等。

2.3.3可编程逻辑控制器构成

输入单元
CPU
输出设备
电源
通信接口
扩展接口
扩展单元
存储器
编程器
写入器
打印机
人机界面
上位机
PLC
总线
输入设备
输出设备
输入接口
输出接口

图2.1 PLC硬件系统基本构造框图

2.4 S7-200 PLC简述

西门子可编程控制产品有三个系列：S7、M7和C7，它们各有特点及应用环境。S7-200是其中一款经济型PLC，它构造简朴紧凑，易于扩展，价格低廉而功能强大，可靠性高，运营速度快，性价比一流。S7-200继承和发挥了其在大、中型PLC领域技术优势。
S7-200系列PLC基本构造涉及四某些，其中以PLC主机为核心。PLC自身自带有I/O端口，同步还可以扩展各种功能模块。因而S7-200系列PLC既可以单机运营，也可以连接各种功能扩展模块。
为了扩展I/O点和执行特殊功能，S7-200可以连接扩展模块。惯用扩展模块有：定位模块EM253、通信解决模块EM241和测温模块EM231等。
S7-200拥有三种模式，分别是PLC共有模式（RUN和STOP）以及特色模式--TERM（终端）模式。并且这种模式需要编程软件STEP7结合使用。这三者之间可以通过安装在PLC上方式选取开关进行切换使用。除此之外，S7-200拥有5种惯用编程语言。

2.5 本章总结与反思

本章重要简介了可编程逻辑控制器发展、概述、构成以及工作过程。世界上某些生产PLC大型厂商中没用中华人民共和国厂商，这实在是一种遗憾和讽刺。特别，我着重简介了本设计我使用PLC S7-200，它构成，CPU模块以及编程语言。在后续研究中，我发现S7-200已经徐徐被S7-1200所取代了，我得扩展我PLC掌握范畴，学习更先进PLC，赶上时代步伐。像S7-300或S7-400等中大型机才是工业生产主力军，这些我都得弥补。

3 PLC硬件设计

3.1 通风系统硬件设计

通风系统重要是为了使隧道系统CO浓度以及能见度保持在正常值范畴，使隧道内空气质量、行车环境符合原则而设计。本设计中隧道通风系统现场设备重要是由CO/VI传感器、PLC、风机等几某些构成。CO/VI检测仪可以对隧道内CO浓度和能见度进行实时监测，将测得模仿信号转换为原则电压或电流信号（2～10v、4～20mA）输入到PLC模仿输入模块，PLC对该信号进行解决，控制风机做出相应动作。为了设计隧道通风控制系统，一方面应当对通风系统硬件进行选取，重要涉及风机型号选型、传感器型号选型、以及PLC型号选型，最后依照系统规定得出PLC输入输出分派表，得出PLC原理图，然后再构成系统。

3.1.1 VI/CO检测仪选型

经查阅资料得到，隧道普通状况下CO浓度范畴为0~500ppm,VI数值为0~0.035 l/m左右。依照上述数据选取CO/VI检测仪US Regal Tunnel VICO 740。
隧道CO/VI检测器/监测仪 US Regal Tunnel VICO 740是一款设计用来实时采集CO/VI数据，并为进行实时监控而服务仪器，也为隧道通风及道路通行提供决策根据。
VI分析仪由两个某些构成，构造简朴。安装距离3米或10米（可调）。经反射后其量程会得到翻番。光束通过灰尘会衰减，此时接受器得到信号并经判断阅读单元解决为测量值。分析仪会自我进行一某些数据分析与误差解决。
CO采用红外光谱气体吸取有关法，运用特定CO在红外光谱上显示CO吸取波峰左右数值来估算CO浓度测量值。
隧道CO/VI检测器/监测仪 US Regal Tunnel VICO 740 特点：
◆可同步或分别测量能见度和CO浓度。
◆分析某些可显示测量曲线。
◆开机后可自动调节，迅速，节约费用。
◆安装、开机、维护费用低。
◆大量程，完善且耐用光学探头。
◆零点补偿功能。
◆各种输出方式，数据采集以便。
◆可安装于小隧道，只需测量一点。
◆可安装于长隧道。
◆每一隧道口可集成有雾探头。
◆具备可扩展功能，依照将来设计需要，可增长对含氮或硫元素等其她有害气体检测功能。
技术参数如下：
产品型号 US Regal  Tunnel  VICO  740 
量程 VIS: K=0…35 1/km   CO: 0...500ppm
测量精度 VIS: ±0.1×1/km          CO: ±1ppm 
防护级别 IP68 
模仿输出 2通道：0/2/4～20mA，最大负载1000欧 
数字接口 RS232/RS485/RS422 
继电器输出 CO故障；VI故障；维护/污染/报警批示 
数字输入 5V 最大，2mA；外部维护开关 
工作温度 -50℃ ～ +70℃ 
工作湿度 0～100%RH 无冷凝 
数据存储 本地数据存储＞72小时 
状态显示 设备状态LED显示 
数值显示 测量数值LCD实时显示 
安装方式 壁挂安装 
响应时间 ≤30s[5]
电流转换参数对照表如下所示：

表3.1 电流转换参数对照表
烟雾浓度（1/m）
输出电流（4~ 20mA）
0
4.00
3.5E-02
20.00

烟雾浓度和输出电流成线性关系，见下图3.1

图 3.1 烟雾浓度和输出电流关系

CO与输出电流转换关系如下：

表3.2 CO与电流成线性关系
一氧化碳CO（ppm）
输出电流（4~ 20mA）
0
4.00
500
20.00

CO浓度和输出电流成线性关系，见下图3.2

图 3.2 CO浓度和输出电流关系

VI/CO检测仪如图3.3：

图 3.3 VI/CO检测仪

US Regal Tunnel VICO 740检测仪是专门针对隧道恶劣环境所设计，它能将隧道内能见度值、CO浓度值转换为4~20mA原则电流信号输入到PLC模仿量通道，输入量程与模仿量输入输出通道量程相匹配，以便计算相应值。因而选 US Regal Tunnel VICO 740检测仪作为隧道通风系统测量能见度、CO浓度值传感器。

3.1.2 隧道风机型号选型

射流风机是专门针对公路及铁路隧道通风系统而设计，以射流风机为重要通风设备通风方式属于纵向通风方式。隧道风机普通是悬挂在隧道顶部和两侧位置，不占用交通面积。也不需要修建风道，是一种十分经济可靠地通风方式。
射流风机运营过程中,能产生较高推力，流经隧道内某些空气被吸入风机中，通过叶轮做功，由风机出口喷出高速气流，依照冲击传动原理，获得能量高速气流将能量传递给隧道内 空气，推动隧道内空气向前流动。隧道内间隔分布风机将隧道内气流不断向前传递，新鲜空气从隧道入口处被吸入，隧道内被污染空气通过风机运营及自然风作用由出口排出，通过隧道内空气流动，改进隧道中空气质量，营造更好行车环境。
遂道式通风机有两种类型构成，分别是单向射流风机SDS和双向射流风机SDS(R)，最大推力可达3500牛。SDS隧道射流风机构造图如图3.4所示。

图 3.4 隧道射流风机构造图

从上图射流风机外观来看，风机重要由左右两端消声器、支架脚以及风机本体构成。SDS射流风机外部进行涂装解决以保证风机强度和防腐度。风机本体中叶轮可依照需要由设计人员变化叶片数和叶片角度。两端消声器通过螺栓与风机本体固定，消声器普通状况下为风机直径一倍，对消除噪声规定严格场合也可以取为风机直径两倍[6]。
本系统选取型号为SDS-90t-4p-22kw射流风机，是单向运转轴流风机，且自带故障信号，详细参数如下：
风机直径：900mm
电机功率：22 KW
轴向推力：695 N
风机转速（N/min）：1470
风机出口风量：20
风机出口风速：31.4 m/s
射流风机外形如图所示：

图 3.5 单向式射流风机

由风机参数可得，基于SDS-90t-4p-22kw射流风机射流通风方式能满足长度在1000米及如下双向交通隧道，符合本文中隧道通风规定。

3.1.3 PLC选型

选取PLC时，对所选取PLC基本规定是所选取PLC要可以满足控制系统对功能规定。选取PLC重要从如下几种方面考虑：
1) 构造选取
系统在功能和I/O点数相似状况下，整体式PLC相对与模块式PLC价格要低。
2) 输出方式选取
不同负载对PLC输出方式规定也不相似。普通来讲，PLC输出类型有晶体管、继电器和SSR输出三种。但对于S7-200CPU则只有前两种方式。其中继电器输出型PLC可以驱动直流负载和交流负载。在下列表中，电源电压是PLC工作电压，输出电压是由顾客提供负载工作电压。
3) I/O 响应时间选取
系统输入、输出电路和PLC扫描工作方式会引起延时，这也是PLC响应时间重要构成某些。没有模仿量输入输出系统不许考虑PLC I/O响应时间。
4) 联网通信选取
如果控制系统规定PLC要可以与其她设备通信，那么所选取PLC就应具备通信联网功能。即所选取PLC要有与系统中其她PLC、上位机、HMI等设备互联接口。
5) PLC 电源选取
电源是PLC干扰引入重要途径之一，为了保证系统稳定可靠运营，应选取优质电源。
6) I/O 点数和 I/O 接口设备选取
a．输入模块输入电路应与外部传感器或电子设备（例如变频器）输出电路类型相匹配，最佳能使两者直接相连。
b．选取模仿量模块时应考虑使用变送器，以及执行机构量程与否能与 PLC 模仿量输入 / 输出模块量程匹配。
C．使用旋转编码器时，应考虑 PLC 高速计数器功能和工作频率与否能满足规定。
7) 存储器容量选取
存储器是储存系统程序、顾客程序和逻辑变量一种半导体电路。系统程序是控制和完毕PLC各种功能程序，有生产厂家编写。顾客程序是依照生产工艺和工艺规定设计控制程序。PLC中惯用存储器有ROM、RAM和EPROM。存储器容量可按照下式对进行估算，并加上20%~30%裕量
存储容量（字节）=开关量I/O通道数*10+模仿量I/O通道数*100
普通状况下，可以满足输入输出点数规定PLC对存储器容量也能满足。
S7-200CPU模块当前有五种型号，见下表

表3.3 S7-200 PLC重要技术性能指标[7]
性能指标
CPU221
CPU222
CPU224
CPU224XP
CPU226
外形尺寸(mm)
90×80×62
90×80×62
120.5×80×62
140×80×62
196×80×62
顾客程序
4096
4096
8192
12288
16384
顾客数据
2048
2048
8192
10240
10240
掉电保持时间(h)
50
50
100
100
100
本机数字量I/O
6/4
8/6
14/10
14/10
24/16
本机模仿量I/O
无
无
无
2/1
无
扩展模块数量
0
2
7
7
7
数字量I/O映像区
128 A/128出
128 A/128出
128 A/128出
128入/128出
128入/128出
模仿量I/O映像区
无
16 A/16出
32入/32出
32 A/32出
32 A/32出
脉冲捕获输入
6
8
14
14
24
脉冲输出
2
2
2
2
2
辅助继电器(M)
256
256
256
256
256
定期器／计数器
256/256
256/256
256/206
256/256
256/256
状态寄存器(S)
256
256
256
256
256
高速计数器
4
4
6
6
6
定期中断
2 (1-255ms)
2 (1-255ms)
2 (1-255rns)
2 (1-255ms)
(1-255ms)
边沿中断
4个上升沿或4个下降沿
模仿电位器
1 (8bit)
1 (8bjt)
2 (8bit)
2 (8bit)
2 (8bit)
布尔指令执行速
度（μS/指令）
0.22
0.22
0.22
0.22
0.22
口令保护
有
有
有
有
有
通信口
1
1
1
2
2
通信合同
PPI、DP、自由口
最多主站数
32
32
32
32
32

依照系统控制规定，每个PLC要控制三台风机/水泵启停，此外考虑安全性问题，要在输入端加入风机/水泵过流、欠压保护输入，以及超声波液位计、CO/VI检测仪模仿信号输入，由于PLC输入输出I/O接口价格相对较高，因而在选取I/O点数时应本着在满足系统控制规定前提下尽量使I/O点数至少且必要留有一定裕量原则，I/O点数应依照控制对象I/O点数数量实际需求，再加上10%~15%裕量来拟定，本系统中有18个数字量输入，控制隧道通风系统PLC应有VI检测输入和CO检测输入两个模仿量输入通道，控制隧道排水系统PLC应具备超声液位信号输入一种模仿量输入通道，比较上表s7-200五种CPU参数可知，PLCCPU型号选为CPU226。
CPU模块型号有5种，见表3.4。S7-200系列PLC电源供电形式有两种，即交流（DC）与直流（AC）。所有S7-200系列PLC不只有为其自身、扩展模块和其她用电设备供电内部电源，其自身还向外提供一种DC 24V电源，从电源输出点（L+，M）引出。除此之外，每个扩展模块都需要DC 5V电源供电，应当检查所有扩展模块电源规定与否超过CPU供电能力。一旦超过，就得减少或者变化模块配备。

表3.4 S7-200 PLCCPU型号
CPU模块
CPU供电（标称）
数字量输人
数字量输出
通信口
模仿量输入
模仿量输出
可拆卸连接
CPU221
24V DC
6×24V DC
4×24V DC
1
否
否
否
CPU221
120-240V AC
6×24V DC
4×继电器
1
否
否
否
CPU222
24V DC
5×24V DC
6×24V DC
1
否
否
否
CPU222
120-240V AC
5×24V DC
6×继电器
1
否
否
否
CPU224
24V DC
14×24V DC
10×24V DC
1
否
否
是
CPU224
120-240V AC
14×24V DC
10×继电器
1
否
否
是
CPU224XP
24V DC
14×24V DC
10×24V DC
2
2
1
是
CPU224XP
120-240V AC
14×24V DC
10×继电器
2
2
1
是
CPU226
24V DC
24×24V DC
16×24V DC
2
否
否
是
CPU226
120-240V AC
24×24V DC
16×继电器
2
否
否
是

由于输入回路普通使用CPU内置DC24V电源，输出回路控制是交流负载，因而采用继电器输出，CPU电源电压和输入、输出版本选取为AC/DC/Relay。CPU AC/DC/Relay外部接线图如图所示：

图3.6 CPU226AC/DC/Relay端子接线

S7-200CPU可以依照系统需要进行扩展（CPU221除外）。信号模块连接到CPU右侧，以扩展其数字量或模仿量I/O点数。CPU 226可以最多连接7个扩展模块单元。所有S7-200CPU模块上，都至少有一种或各种通信口。
由于本系统属于小型系统，输入输出点数较少，S7-200 226型CPU不需扩展信号板与信号模块，不必集成通信接口与通信模块，只需要在传感器和CPU之间添加一种模仿量输入模块用以A/D转换数据解决即可。
此设计中有VI检测输入、CO检测输入和超声液位信号输入三个模仿量输入通道，我选用EM231模块，由下表可知其具备4个模仿量输入通道，符合需要且够用。模仿量输入辨别率为12位，单极性数据格式全量程范畴为0~3，双极性范畴则是-3~+3.

表3.5 模仿量扩展模块型号、点数及消耗电流
名称
型号
输入/输出点数
模块消耗电流（mA）
DC+5V
DC+24V
输入模块
EM231
4路模仿量输入
20
60
输出模块
EM232
2路模仿量输出
20
70
混合模块
EM235
4路模仿量输入/1路模仿量输出
30
60

CPU单元与扩展模块由导轨固定，CPU模块放在最左侧，扩展模块依次放在右侧。CPU单元扩展端口位于机身中部右侧前盖下，与扩展模块扁平电缆连接，如下图3-7所示。（原则导轨安装）

图3.7 CPU与扩展模块连接

EM231 外部接线如下图3.8所示。输入信号为电压信号时，用两个端子（如A+、A-）；输入信号为电流信号时，用三个端子（如RC、C+、C-），其中RC与C+端子短接；未用输入通道应当短接（如B+、B-）。下部右边分别是增益校准电位器（在没有精密仪器状况下，不要调节）和配备设定DIP开关。

图3.8 EM231外部接线图

3.2 排水系统硬件设计

本文中排水系统重要是为了防止由于降雨或者是隧道火灾等状况发生时由于消防用水等状况给隧道道路导致积水导致影响隧道交通正常运营状况。本设计中排水系统重要是由蓄水池收集隧道内积水，然后当蓄水池水位到达一定高度时候，运营相应排水泵进行排水解决以保证蓄水池水位在一种安全水平。排水系统中蓄水池液位通过传感器采集，将液位值通过水位传感器模仿信号输入通道输入PLC，通过PLC内部程序解决，PLC输出驱动蓄水池中水泵工作。本文中对隧道排水系统硬件设计重要涉及对检测液位传感器选型、对水泵型号选型、对PLC型号选型，最后依照系统规定得出PLC输入输出分派表，作出PLC原理图，最后构成隧道排水系统。

3.2.1传感器选型

测量液位传感器重要有浮筒式液位传感器、超声波液位计和雷达液位计等。浮筒式液位传感器运用知名科学家阿基米德浮力原理设计而成。此传感器运用其内部金属薄片来感应液位信息，但是需要人工现场操作相对不是很以便。雷达液位计重要用于重要性较高场合。由于本系统中不但要控制水泵启停来达到控制液位作用，还要把实时液位值在监控中心显示，因而本文中选用超声波液位计。
超声波液位计，属于非接触式液位测量仪器。它运用超声波自带特性制成，既可以发射超声波也可以接受超声波。超声波液位计之因此能测量液位高度，其原理重要是运用超声波测距。超声波在空气中传播速度是一定，超声波在空气中传播，遇到障碍物被反射回来，可依照发射器和接受器接受到超声波时间差值计算出障碍物到超声波物/液位计距离。

表3.6 超声波液位计参数
功能
一体型
分体型
量程
5米、10米、15米、20米、30米、40米、50米、60米
5米、10米、15米、20米、30米、40米、50米、60米70米
测量精度
0.25%~0.5%
0.25%~0.5%
模仿输出
4线制4~20mA/750Ώ负载
2线制4~20mA/250Ώ负载
4~20mA/750Ώ负载
继电器输出
2组AC 250V/8A或DC 30V/5A状态可编程（可选配）
单通道为2组，双通道是4组AC 250V/8A或DC 30V/5A 状态可编程（可选配）

续表3.6
功能
一体型
分体型
供电
标配24DC
可选220V AC±15% 50HZ
标配220V AC±15% 50