目 录
第一章 高速公路隧道及控制实训系统概述 .......................................................................................... 2 第二章 高速公路隧道及控制实训内容.................................................................................................. 5 实训一 隧道通风系统本地控制实训 ................................................................................................... 5 实训二 隧道通风系统远程控制实训 ................................................................. 错误！未定义书签。 实训三 通风系统设计与控制实训 ....................................................................................................... 9 实训四 隧道照明系统设计与控制实训...............................................................................................11 实训五 隧道火灾报警系统操作实训.................................................................... 错误！未定义书签。 实训六 消防设备的认识与使用实训 ................................................................. 错误！未定义书签。 实训七 车辆检测器的应用实训 ......................................................................... 错误！未定义书签。 实训八 隧道交通灯的设计与操作实训.............................................................. 错误！未定义书签。 实训九 可变情报板的设计与操作实训.............................................................. 错误！未定义书签。 实训十 高速公路隧道交通诱导与控制策略编程实训 ...................................... 错误！未定义书签。 实训十一 隧道标志的认知实训 ......................................................................... 错误！未定义书签。 实训十二 球形摄像机的接线与调试实训.......................................................... 错误！未定义书签。 实训十三 彩色枪机的接线与调试实训.............................................................. 错误！未定义书签。 实训十四 矩阵的使用与控制 ............................................................................. 错误！未定义书签。 实训十五 硬盘录像机的使用与控制.................................................................... 错误！未定义书签。 实训十六 监控组态软件的组态与设计 ............................................................ 错误！未定义书签。 附录1：μVision2集成开发环境说明 ................................................................... 错误！未定义书签。 附录2：单片机ISP下载说明 ............................................................................... 错误！未定义书签。 附录3 ICCAVR 编程软件使用说明 ................................................................. 错误！未定义书签。 附录4 S7-200PLC的I/O点定义 ....................................................................... 错误！未定义书签。
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第一章 隧道机电及组态控制实训系统概述
一、系统概述
本实训系统是高速公路实训系列产品中的最重要、最复杂的产品之一，它主要用于国内“智能交通工程”、“公路运输与管理”、“高等级公路维护与管理”、“交通安全与智能控制”等相关专业的实训教学。该系统在设计过程中以高速公路隧道模型为框架，将高速公路隧道各个子系统（含隧道通风子系统、隧道照明子系统、隧道消防子系统、隧道交通控制子系统、隧道监控子系统）完全放置于高速公路隧道模型内进行设计，尽可能地体现高速公路隧道实际设计的内容和形式。 二、隧道模型示意图
隧道模型由隧道接近段和入口段模型、隧道基本段模型、隧道扩展段模型、隧道出口段模型四部分组成。隧道每一段模型框架均采用铝合金型材进行设计，其中除隧道接近段外，每一段模型由两面隧道墙体（每一面墙体的上部为设备安装网孔板，下部为实体）模型、人行道模型、顶棚（含顶部横梁）及地板组成。隧道接近段和入口段、隧道基本段、隧道扩展段、隧道出口段之间用连接块顺序相连。
另外隧道实训系统的监控中心主要由控制柜、监视柜及PC机（含隧道监控软件和相关开发软件）组成。其中控制柜主要由隧道各个检测点的数据显示及报警信息、PLC控制主机、变频器、隧道供电电源及漏电保护空气开关、电源开关等组成，而监视柜则主要由硬盘录像机、矩阵、监视器等组成。 三、产品特点
1、系统以隧道模型为框架，按实际高速公路隧道的设计内容和形式进行设计，能真正满足交通类院校对高速公路隧道的教学需求。
2、将高速公路中的隧道通风子系统、隧道照明子系统、隧道消防子系统、隧道交通控制子系统、隧道监控子系统进行分开设计，实训层次更加清晰、方便。
3、对于一氧化碳（CO）及能见度（VI）检测器信号输出采用了情景模拟的形式设计，实训过程更加方便、形象。
4、隧道可变情报板和车道指示器的采用单片机和大型LED显示，学生在实训过程中还可以进行系统的
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二次设计与编程。
5、除了完成隧道中各个子系统的设计与操作实训外，学生还可以在隧道中控室中进行控制器的编程及上位机监控界面的组态设计。 四、技术参数
1. 工作电源：AC 380V±10% 50Hz
2. 工作环境：环境温度范围为-20℃～+45℃ 相对湿度＜85% 海拔﹤4000m
3. 外形尺寸： L（沿隧道方面）×W（隧道宽度）×H（隧道高度）=4.2m×1.8m×2.3m 五、实训内容
1）隧道通风系统本地控制实训 2）隧道通风系统远程控制实训 3）通风系统设计与控制实训 4）隧道照明系统设计与控制实训 5）隧道火灾报警系统操作实训 6）消防设备的认识与使用实训 7）车辆检测器的应用实训 8）隧道交通灯的设计与操作实训 9）可变情报板的设计与操作实训
10）高速公路隧道交通诱导与控制策略编程实训 11）隧道标志的认知实训 12）球形摄像机的接线与调试实训 13）彩色枪机的接线与调试实训 14）矩阵的使用与控制 15）硬盘录像机的使用与控制 16）监控组态软件的组态与设计 六、基本配置
1.隧道模型
隧道模型由隧道接入段及入口段模型、隧道基本段模型、隧道扩展段模型和隧道出口段模型四部分组成，各个模型框架采用铝合金型材进行设计，框架内安装有隧道人行道模型、隧道墙体、隧道设备安装网孔板、隧道顶部横梁等钣金设备。
2.隧道通风子系统
隧道通风子系统主要设备有轴流风机、一氧化碳（CO）及能见度(VI) 模拟检测器、风速（WS）检测器、风机控制箱等设备。
3.隧道照明子系统
隧道照明子系统主要设备有光亮度模拟检测器、应急照明灯、三防灯、顶棚灯、照明控制箱等。 4.隧道消防子系统
隧道消防子系统主要设备有手动报警按钮、火焰探测器、消防箱（含消防栓、水带、水枪、手提式CO2
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灭火器、手提式干粉灭火器等设备）、警示灯等。
5.隧道交通控制子系统
隧道交通控制子系统主要设备有车辆检测器、车道指示器、交通信号灯、可变情报板、各种标志（如可变限速标志、限高标志、隧道标志等）等。
6.隧道监控子系统
隧道监控子系统含视频监控子系统和通风、消防、照明等系统软件监控系统。其中隧道视频监控子系统主要设备有球形摄像机、彩色枪机、监视器、矩阵、硬盘录像机等设备组成。
7.隧道监控中心
隧道监控中心主要设备有监控系统的监视器、矩阵、硬盘录像机、隧道各个子系统的控制器（西门子S7-200PLC及模拟量输入输出模块）、声光报警器、隧道检测器的仪表显示、隧道及隧道设备供电电源、变频器等设备等。
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第二章隧道机电及组态控制实训内容 实训一 隧道通风系统本地控制实训
一、实训目的
1．熟悉隧道轴流风机的控制原理。 2．掌握轴流风机的接线及控制方法。 二、实训设备
1．THJTSD-1型 高速公路隧道及控制实训系统
2．THJTSD-1 型 高速公路隧道控制柜（含PPI电缆线） 三、实训原理 1．隧道风机概述
由于隧道内汽车排放的废气、行驶时带起路面上的烟气和粉尘不易扩散，对人体非常有害，也影响行车安全，因此隧道内保持良好的空气是行车安全的必要条件。
隧道风机按结构和工作原理主要分为离心式风机、混流式风机、轴流式风机和横流式风机。隧道式轴流风机主要用于地下隧道通风换气，亦可用于铁路隧道，山洞及地下工程和建筑物的通风换气，是一种高压力，低噪声，高效轴流风机。
射流风机(隧道风机)是一种特殊的轴流风机，主要用在公路、铁路及地铁等隧道的纵向通风系统中。射流风机一般悬挂在隧道顶部或两侧。运行时，隧道风机将隧道内的一部分空气从风机的～端吸人，经叶轮加速后，由风机的另一端高速射出。这部分带有较高动能的高速气流将能量传送给隧道内的其他气体，产生克服隧道阻力的压升，从而推动隧道内的空气顺风机喷射气流方向流动。当流动速度衰减到一定程度时，下一组风机继续工作。这样，就实现了从隧道的一端吸人新鲜空气，从另一端排出污浊空气的目的。
射流风机主要由消声器、机体、叶轮、电动机、电机接线盒等组成。其中消音器配在风机进出气两端，一般为两层圆筒结构，内筒为穿孔板，外筒为钢板滚圆焊接而成，中间填充高效的吸声材料。机体是由钢板滚圆焊接而成的外壳，两端的法兰使消声器与机体方便连接。
2．隧道风机的选型
隧道风机的选型一般按下述步骤进行： 1) 计算确定隧道内所需通风量： 2) 计算所需总推力It It=△P×At(N)
其中，At：隧道横截面积(m2)
△P：各项阻力之和(Pa)；一般应计及下列4项： ① 隧道进风口阻力与出风口阻力；
② 隧道表面摩擦阻力，悬吊风机装置、支架及路标等引起的阻力； ③ 交通阻力；
④ 隧道进出口之间因温度、气压、风速不同而生的压力差所产生的阻力。 3) 确定风机布置的总体方案
根据隧道长度、所需总推力以及射流风机提供推力的范围，初步确定在隧道总长上共布置m组风机，
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每组n台，每台风机的推力T。满足m×n×T≥It的总推力要求，同时考虑下列限制条件： ① n台风机并列时，其中心线横向间距应大于2倍风机直径； ② m组(台)风机串列时，纵向间距应大于10倍隧道直径。 4）单台风机参数的确定
射流风机的性能以其施加于气流的推力来衡量，风机产生的推力在理论上等于风机进出口气流的动量差(动量等于气流质量流量与流速的乘积)，在风机测试条件下，进口气流的动量为零，所以可以计算出在测试条件下，风机的理论推力： 理论推力=ρ×Q×V=ρQ2/A(N) Ρ：空气密度(kg/m3) Q：风量(m3/s) A：风机出口面积(m2)
试验台架量测推力T1一般为理论推力的0.85-1.05倍。取决于流场分布与风机内部及消声器的结构。风机性能参数图表中所给出的风机推力数据均以试验台架量测推力为准，但量测推力还不等于风机装在隧道内所能产生的可用推力T，这是因为风机吊装在隧道中时会受到隧道中时会受到隧道中气流速度产生的卸荷作用的影响(柯达恩效应)，可用推力减少。影响的程度可用系数K1和K2来表示和计算： T=T1×K1×K2或T1=T(K1×K2)
其中T：安装在隧道中的射流风机可用推力(N) T1：试验台架量测推力(N)
K1：隧道中平均气流速度以及风机出口风速对风机推力的影响系数 K2：风机轴流离隧道壁之间距离的影响系数 3．隧道风机的安装
不同厂家的隧道风机有不同的安装方法，但一般情况下均在隧道顶部的混凝土衬砌内埋入一块或多块钢板，用于安装和固定隧道风机。
4．THJTSD-1型高速公路隧道风机
由于受隧道模型大小限制，THJTSD-1型高速公路隧道风机采用轴流风机，其风机参数为：
型号：DZT-3 额定功率：370w 额定电压：380V 工作频率：50Hz 转速：2800转/分 风量：33m3/m
接线方法：“Y”型接法
5．THJTSD-1型高速公路隧道风机的电气控制原理
在“THJTSD-1型 高速公路隧道及控制实训系统”中，隧道风机的控制电气原理图如图1-1、图1-2、图1-3、图1-4所示：
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图1-1 隧道风机控制主电路原理图
说明：图中1#风机采用开关直接控制，2#风机采用开关直接控制和变频器变频控制两种方法。所有标识均来源于风机控制箱线路上的号码管标识。其中V-U、V-V、V-W、000为风机控制箱输入的三相四线交流电源，V-A、V-B、V-C为变频器输出的～380V三相电压；V-V/U、V-V/V、V-V/U为1#风机的控制电压，V-VA/U、V-VB/V、V-VC/W为2#风机的控制电压。
图1-2 隧道风机控制线路原理图
说明：图中SH为风机本地/远程切换开关，V-Q2.2为PLC控制器Q2.2输出控制脚，主要用于1#
风机的自动控制（2#风机采用PLC变频控制）；ST1、ST2分别为2#、1#风机的启动按钮，STP1、STP2分别2#、1#风机的停止按钮；KM2、KM3、KM4为常开触点，主要是将风机的工作状态反馈给PLC控制器（具体可参考图1-4所示）。另外为了保证系统的安全性和可靠性，风机的手自动带有互锁功能，并在风机三相输入端增加了FR1和FR2两个热过载继电器，以防止风机过载或缺相造成电机损坏。
图1-3 隧道风机控制指示灯电路
说明：图中V-Q0.0、V-Q0.1、V-Q02、V-Q0.3分别对应PLC控制器的Q0.0、Q0.1、Q02、Q0.3引脚，主要用于两个风机工作状态的指示。
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图1-4 隧道风机控制反馈信号电路
说明：图中V-I0.6、V-I0.4、V-I0.3分别对应PLC控制器的I0.6、I0.4、I0.3引脚，主要用于反馈两个风机工作状态。 四、实训内容及步骤 1、实训准备
1）根据图1-1、图1-2、图1-3、图1-4熟悉并理解“THJTSD-1型 高速公路隧道及控制实训系统”中隧道风机控制的电气原理及PLC控制器输入输出引脚的定义。
2）用专用的航空插头连接线将“隧道控制柜”和“THJTSD-1型 高速公路隧道及控制实训系统”之间的航空插头连接起来。
3）启动“隧道控制柜”隧道电源面板上的总电源开关，如电源正常，则隧道三相电源的U、V、W三相对应的指示灯亮。
4）将“隧道控制柜”面板上隧道电源的“开关电源”、“风速检测器”的电源开关打到“开”位置。 2、实训操作
1）将“隧道控制柜”面板上“风机（～380V）”的开关打到“开”位置，此时“THJTSD-1型 高速公路隧道及控制实训系统”中“风机控制箱”的U、V、W三相电源指示灯亮。 2）将“风机控制箱”本地/远程开关打到“本地”位置。
3）按下“1#风机”的启动按钮，启动1#风机，此时在“隧道控制柜”面板上的观测1#风速检测器（固定于隧道顶部）所测量的风速值（由于本实训装置采用轴流风机，故该值的变化范围可能比较大）。 4）在上一步骤的基础上，按下“2#风机”的启动按钮，启动2#风机，同样在“隧道控制柜”面板上观测1#风速传感器所测量的风速值。
说明：本隧道实训系统中“2#风速检测器”的值没有应用，该风速检测器主要用于指示在实际隧道中风速检测器的安装位置。 五、实验报告要求
1）画出“THJTSD-1型 高速公路隧道及控制实训系统”中隧道风机控制的电气原理图。 2）写出隧道风机的选型的常用步骤。 3）写出一般隧道中使用的隧道风机类型。 六、实验思考题
1、一般隧道使用的隧道风机有哪几种类型？通常又使用哪种类型？
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实训三 通风系统设计与控制实训
一、实训目的
1．了解隧道通风控制的主要方式。 2．熟悉隧道风机的控制流程。 3、掌握PLC风机控制器的程序设计。 二、实训设备
1．THJTSD-1型 高速公路隧道及控制实训系统
2．PC机（含上位机PCAuto6力控监控软件1套，RS485转换器及数据线1套） 3．THJTSD-1型 高速公路隧道控制柜（含PPI电缆线） 三、实训原理 1．风机控制箱
风机控制箱可设置在隧道内相应的风机下方隧道侧壁内，中心高度在1.3～1.5m，以便于操作和维修。控制箱内应有风机启停按钮及指示灯显示，当转换开关处于“远程”时，接受隧道控制柜的控制，当转换开关处于“本地”时，只执行现场人工控制命令，控制柜具有自检和故障报警功能，可将风机故障信号反馈给隧道控制柜的控制器。 2．隧道通风控制流程
目前在国内外在隧道通风控制中采用的主要方法有：手动控制、时序控制、实时控制和智能模糊控制等。
1）手动控制
手动控制是最简单最直接的一种方法，该方法是通过操作员在现场对风机的运行状态进行控制。 2）时序控制
时序控制时，一般不考虑实时CO、VI值及交通量变化情况，而是按时、日、月、年交通量的历史数据和经验，结合隧道本身固有的影响因素，制定编排风机运转的程序来实施控制。 3）实时控制
实时控制可分为直接控制和间接控制。
直接控制：直接控制是通过布设在隧道内的CO检测器检测的CO值和烟雾透过率检测的VI值，将隧道内当前的污染浓度（CO值、VI值）与控制目标值相比较，以不超过目标值为原则，经计算处理后，给出控制方案（开启风机的数量），实施通风控制。基于CO、VI值的实时控制法较简单直接，国内目前大部分隧道通风控制都采用这种方式。
间接控制：间接控制是根据洞内车辆检测器检测到的交通量数据作为基本的控制参考进行决策，确定开启风机的数量，实施通风控制。还可以两者结合使用，即先根据交通量决策（确定开启风机数量），然后用CO、VI实时值进行校正，再对运行通风机数量进行增减，使通风系统的运行更加合理。 4）智能模糊控制
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隧道通风智能模糊控制是将CO浓度和VI浓度作为模糊控制系统的两个输入量，风机的运行数量作为模糊控制器的输出。这种方法充分利用模糊控制善于表达人的经验性知识的优点，将CO浓度和VI浓度值结合起来，CO浓度和VI浓度值的语言值所覆盖的相邻整数论域范围有交叠，克服了简单的门限控制方式的缺点，可有效缓解风机频繁起停的问题，既节约能源，又有利于设备维护。 3．隧道通风控制原则
通风控制应遵守以下基本原则：
1）单向交通的隧道设计风速不宜大于10m/s，特殊情况可取12m/s；双向交通的隧道设计风速不应大于8m/s。
2）保持隧道内环境指标在标准范围内。主要指隧道内CO浓度、VI能见度指标及风速指标应在规定的范围之内。
3）将CO浓度和VI的数值分为若干等级，与投入运行的风机台数及运转时间建立对应关系，此对应关系可在实际运营过程中根据实际情况不断优化和完善。
4）隧道内某一段的CO或VI值含量达到门限值时，本段或最靠近此段的风机应首先启动。 5）累计运行时间最短的风机应首先启动，以便平衡各台风机的劳逸程度，延长风机的使用寿命。 6）因风机启动瞬间冲击电流很大，故各台风机的启动应有短暂的延时，以减少对电网的冲击。 7）若一条隧道因事故关闭，另一条隧道改为双向运行时，因交通量增加很多，若全部风机启动而环境指标还达不到正常值，则应和洞口交通信号灯配合，利用信号灯控制进入隧道的车辆，以达到正常的环境指标。
8）正常运行状态时，风机为正向运转（即沿行车方向吹风），当火灾或双向行驶正向交通量小于逆向交通量时，风机才可能逆向吹风。如有需要逆向吹风时，应先停机，再启动逆向运转。
9）隧道火灾时，弃车而逃生者占多数，其平均奔跑速度一般为1.5m/s。因此，对于中短隧道，火灾时应采取双向排烟通风，且风速不大于3m/s；对于长大隧道，火灾时应采用风速零化措施，以抑制在火灾发生情况下烟雾的扩散速度和范围，使交通空间下半部分保持无烟，确保良好的避难环境。 4．THJTSD-1型高速公路隧道风机的控制
“THJTSD-1型高速公路隧道”风机的控制受本地风机控制箱（本地控制）和隧道控制柜（远程控制）的控制。控制方式采用了手动控制、直接控制、火灾时的紧急控制等三种控制方法，另外从节能技术方面考虑，隧道中2#风机的控制采用了变频节能技术。 四、实训内容及步骤 1、实训准备
1）用专用的航空插头连接线将“隧道控制柜”和“THJTSD-1型 高速公路隧道及控制实训系统”之间的航空插头连接起来。
2）启动“隧道控制柜”面板上的总电源开关，如电源正常，则隧道三相电源的U、V、W三相对应的指示灯亮。
3）将“隧道控制柜”面板上“开关电源”和“CO/VI检测器”的电源开关打到“开”位置。 4）将“隧道控制柜”面板上“PLC可编程控制器”的电源开关打到“开”位置。 2、实训操作
1）参考“实训一 隧道通风系统本地控制实训”和“实训二 隧道通风系统远程控制实训”中相应的实训操作步骤，完成隧道风机控制方式中本地手动控制和基于CO检测器的直接控制方式操作。
2）根据“实训二 隧道通风系统远程控制实训”中相应的实训内容，在PC机上编写 PLC通风控制器中CO/VI检测器与风机的联动控制程序（在产品发货光盘中有“通风.mwp” 参考程序），并下载到PLC（S7-200PLC的使用方法请查看相关手册或书籍内容）程序中进行调试、运行，直到满足实训要求为止；
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3）本实训结束后，重新将隧道常规的“THJTSD-1.mwp”程序下载到PLC，并启动PLC的运行。 五、实验报告要求
1、叙述隧道风机控制器的几种控制方法。 2、编写CO/VI检测器与风机的联动控制。
实训四 隧道照明系统设计与控制实训
一、实训目的
1．了解三防灯和应急照明灯在隧道中的作用 2．掌握顶棚灯在高速公路中的作用及设计方法
3．了解光亮度检测器在隧道中的作用及本实训中情景模拟的方法； 4．掌握隧道照明系统的设计及PLC控制器程序的编写。 二、实训设备及工具
1．THJTSD-1型 高速公路隧道及控制实训系统
2．PC机（含上位机PCAuto6力控监控软件1套，RS485转换器及数据线1套） 3．THJTSD-1型 高速公路隧道控制柜（含PPI电缆线） 三、实训原理 1．照明器的选择
隧道内的照明光源通常选用大功率的日光灯、高、低压钠灯和高压水银灯。对电光源的选择应考虑隧道内的环境和通风情况，如低压钠灯常用于长隧道或汽车、烟雾较多的情况，高压水银灯多用于短隧道和烟雾少的情况。
对于照明器的形式和安装位置的选择，应考虑不要使其直接进入驾驶员眼睛的光线过多，否则会产生眩光和不舒适感。另外，还应注意照明器的发光效率要高，结构要易于维修和清洁。 2．照明器的布置
隧道内照明器一般应安装在路面以上4m为宜，布设形式可依据照明器的配光、路面平均照度及分布、对驾驶员的眩光效应、夜间为节电而减灯、维修和经济性等因素进行综合决策。其布置形式一般有两侧对称排列、两侧交错排列和中间排列。
照明器的安装通常采用贴顶式或嵌入式。中间排列时照明器贴顶安装，可避免照明器不连续而造成眩光的不适感，但这种方式维修较困难。相对排列时照明器采用嵌入式，这种对照度分布均匀，并可在夜间减少开灯数量。 3．照明控制系统
随着计算机技术、通信技术、自动控制技术、总线技术、信号检测技术和微电子技术等的迅速发展，照明控制技术有了很大的发展，智能控制技术成为最有代表性的照明控制技术。高速公路照明系统采用智能控制技术一方面可提高照明系统的控制和管理水平，减少照明系统的维护成本；另一方面可以节约能源，降低照明系统的运营成本。
智能控制照明系统具有系统集成性、智能化、网络化和使用方便等特点。
照明控制系统的基本类型包括点灯控制型、区域控制型、网络控制型、节能控制型。 1）点灯控制型是指可以直接对某盏灯进行控制的系统或设备。
2）区域控制型是指在某个区域范围内完成照明控制的照明控制系统，特点是可以对整个控制区域范围内的所有灯具按不同的功能要求进行直接或者间接的控制。
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3）网络控制型是通过计算机网络技术将许多局部小区域内的照明设备进行联网，从而由一个控制中心进行统一控制的照明控制系统，可分为控制系统中心、控制信号传输系统、区域照明控制和灯控制设备。
4）节能控制型一般可以通过两个途径实现：一是使用高效的照明装置（例如光源、灯具和整流器等）；二是在需要照明时使用，不需要照明时关断，尽量减少不必要的开灯时间、开灯数量和过高照明亮度，主要包括了照明灯具的节能和照明控制设备的节能。 4．THJTSD-1型高速公路隧道照明控制箱的接线原理图
图4-1 照明控制箱的接线原理图
5．THJTSD-1型高速公路隧道顶棚灯、三防灯的接线
在THJTSD-1型高速公路隧道中，三防灯的接线如图4-2所示。
图4-2 三防灯的接线图
顶棚灯的照明电源由照明控制箱提供，能够实现白天照明和夜晚照明切换，其控制方式有：手动本地控制、自动远程控制、手动远程控制三种。电气接线图如下
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