淺談滇中新區智慧管廊環(huán)境和設備監控系統架構和功能設計

更新時(shí)間：2020-08-05 　點(diǎn)擊次數： 622次

摘要：介紹了云南滇中新區智慧管廊環(huán)境和設備監控系統的設計與實(shí)現，包括區域控制器硬件選型設計，Siemens 模塊的設計應用，工業(yè)以太網(wǎng)、Modbus 現場(chǎng)總線(xiàn)的應用等。該系統采用了全集成自動(dòng)化可視化平臺，具有可靠穩定、安全高效、易操作和擴展性良等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：管廊；環(huán)境和設備監控；ACU ；PLC 設備設計

1 引言

滇中新區是2015 年9 月批準成立的第15 個(gè)新區。地下綜合管廊是保障新區城市建設和人民生活安全、經(jīng)濟、高效、便捷的城市基礎設施建設工程。根據國家有關(guān)政策和新區經(jīng)濟戰略定位，建設安全、高效的智慧管廊勢在必行。

2 項目概況

本設計包括哨關(guān)路、嵩昆路綜合管廊環(huán)境和設備監控系統。哨關(guān)路智慧管廊工程包括控制中心和管廊現場(chǎng)兩部分，全長(cháng)10.19km ；控制中心位于哨關(guān)路與嵩昆路交叉口東北角。嵩昆路綜合管廊長(cháng)度為7.444km。兩條管廊均為雙艙結構（電力艙、管道艙）。根據當地氣象水文資料和設計需求，工程所涉及的管廊內潮濕且伴有凝露和腐蝕性氣體，監控設備應能適應管廊內環(huán)境要求，且應能承受爆管事故影響。

3 問(wèn)題提出

管廊屬于地下設施，需要人員定期巡檢和管線(xiàn)入廊施工，為了解決環(huán)境安全問(wèn)題，管廊環(huán)境檢測系統主要對管廊各艙室內的氧氣濃度、溫濕度、水位等參數進(jìn)行監測，監控系統根據管廊內環(huán)境檢測系統的參數，對管廊環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，確保管廊內的環(huán)境舒適、安全。通過(guò)對現有管廊監控系統配置和控制方式的梳理，目智慧管廊環(huán)境與設備監控系統所要解決的問(wèn)題主要是：

1）尋求穩定可靠的方法實(shí)現管廊的環(huán)境和設備監控，保障人員財產(chǎn)安全。

2）所選設備能應對管廊的特殊環(huán)境。

3）所選設備的擴展性需滿(mǎn)足后續管廊建設集中監控需求。

4 系統功能設計

滇中新區綜合管廊的環(huán)境和設備監控系統設計著(zhù)力于貼合項目作為綜合管廊信息化示范項目需求，提高綜合管廊工程項目的智能化水平。根據面問(wèn)題尋求環(huán)境和設備監控系統方案如下：考慮長(cháng)期運營(yíng)的安全可靠，本設計采用基于工業(yè)PLC 的控制柜技術(shù)方案。PLC 利用診斷系統對PLC 本身和外部連接設備的運行狀態(tài)進(jìn)行分析判斷。當現場(chǎng)環(huán)境異常時(shí)，系統快速采集、處理故障數據，同時(shí)完成在線(xiàn)計算、存儲、統計、報警、分析報表和數據遠傳等功能。管廊環(huán)境檢測系統主要對管廊各艙室內的氧氣濃度、溫/ 濕度、水位等參數進(jìn)行監測，監控系統根據管廊內環(huán)境檢測系統的參數，對管廊環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，確保管廊內的環(huán)境舒適、安全。管廊內設備監控主要包括排水控制、通風(fēng)控制、照明控制和電力監控。

1）排水控制
綜合管廊潛水泵設就地手動(dòng)操作及液位自動(dòng)控制方式，并將集水坑的液位信號以及潛水泵狀態(tài)信號反饋至監控系統。液位傳感器發(fā)生水位超限報警時(shí)，系統自動(dòng)報警，聯(lián)動(dòng)視頻監控系統，打開(kāi)相關(guān)區間的照明，自動(dòng)將該位置的視頻圖像畫(huà)面切換至大屏上，供人工確認。

2）通風(fēng)控制
風(fēng)機設就地手動(dòng)操作、防火分區出入口處手動(dòng)操作及監控系統遠程操作方式，并將風(fēng)機狀態(tài)信號反饋至監控系統。正常情況下，管廊內溫度超過(guò)40 ℃ 時(shí)，電動(dòng)開(kāi)啟風(fēng)機低速排風(fēng)，低于30℃時(shí)，聯(lián)動(dòng)風(fēng)機關(guān)閉，以保證管廊內的適宜溫度；巡檢時(shí)，應開(kāi)啟所需巡檢區段的通風(fēng)系統30min 后，待氧含量高于21% 時(shí)，工作人員方可進(jìn)入；火災發(fā)生時(shí)，電動(dòng)關(guān)閉火災及其相鄰通風(fēng)區段的風(fēng)機及風(fēng)機入口閥門(mén)；火災發(fā)生后，電動(dòng)開(kāi)啟風(fēng)機及風(fēng)機入口閥門(mén)，高速運轉進(jìn)行事故通風(fēng)，以排除管廊內煙氣、廢氣。

3）照明控制
綜合管廊照明按防火分區進(jìn)行分段控制，設防火分區出入口處手動(dòng)操作及監控系統遠程操作方式，并將各艙室的照明狀態(tài)信號反饋至監控系統。操作人員可借助多種照明控制模式，實(shí)現對不同時(shí)間、不同工況、不同區域的照度進(jìn)行設置和合理管理，從而達到節能目的。

4）電力監控
系統對變電站供電、配電的電壓、電流和功率進(jìn)行采集和監視，保證電能的安全和質(zhì)量。電力監測設計采用電力多功能儀表通過(guò)儀表自帶RS485接口把電能質(zhì)量信息通過(guò)Modbus 協(xié)議接入ACU 控制柜控制單元。

5）網(wǎng)絡(luò )和控制系統的診斷

利用工業(yè)PLC 的自診斷功能和工業(yè)管理型交換機的網(wǎng)絡(luò )管理診斷功能，來(lái)監控PLC 系統CPU 運行狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)等。當系統出現故障，到診斷畫(huà)面上可以非常清晰地看到故障的控制設備和通訊設備。

系統上位機采用SCADA 監控平臺，設備具有系統資源的共享性和兼容性，操作監視集中化歸于監控中心。在監控中心實(shí)現多個(gè)HMI 的互為備用，每個(gè)HMI 操作站具有完善的報警系統、趨勢記錄、報表記錄、操作記錄，實(shí)現標準化、可視化的管廊內部環(huán)境、設備運行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監控。

5 系統網(wǎng)絡(luò )結構設計

根據工程防火分區和通風(fēng)分區重合，以及需要監控的設備安裝位置的實(shí)際情況，在管廊每個(gè)排風(fēng)井夾層的機柜室內設置ACU 控制柜。哨關(guān)路綜合管廊工程共分為59 個(gè)防火分區，共設置了29 臺ACU 控制柜。嵩昆路綜合管廊工程共分為40 個(gè)防火分區，共設置了20 臺ACU 控制柜。每條路有各自的獨立控制系統光纖環(huán)網(wǎng)。同一條道路地下管廊的各個(gè)ACU 控制柜與控制中心控制柜的道路匯聚交換機以環(huán)形結構100Mbps 單模室外光纖以太網(wǎng)TCP/IP 協(xié)議實(shí)現通訊；光纖采用阻燃單模八芯鎧裝光纜。

本項目監控中心定位管廊監控運維分監控中心，為主監控中心和智慧城市監控中心預留數據接口，通過(guò)防火墻進(jìn)行外部數據隔離和內部數據加密。每條道路管廊控制環(huán)網(wǎng)接入對應匯聚交換機，再連接到核心交換機，數據信息就能通過(guò)工業(yè)防火墻后集中到監控中心進(jìn)行管理。工作站和服務(wù)器通過(guò)雙絞電纜與交換機連接。交換機間數據的隔離利用可以有效保障底層控制系統的安全。

6 系統主要硬件選型

1）現場(chǎng)ACU控制柜
ACU 控制柜內工業(yè)PLC 模塊和交換機，包括CPU 運算處理RAM 存儲模塊，通訊接口模塊，IO 接口擴展模塊，具有防水、防塵、防靜電設計，并加防腐涂層，單臺控制柜具有CPU 運算功能，具有自診斷功能。
控制模塊選用進(jìn)口*工業(yè)級產(chǎn)品, 帶防腐蝕涂層, 防鹽霧和氣體腐蝕, 在冷凝/ 結霜工況下正常工作, 以應對高濕環(huán)境。ACU 中控制單元要求具有高速網(wǎng)絡(luò )傳輸技術(shù)，確保系統具有高效數據交換和I/O 處理能力。綜上考慮，采用西門(mén)子SIPLUS系列產(chǎn)品對設計進(jìn)行實(shí)現。CPU 采用1500 系列，擴展模塊采用ET200SP 系列。PLC 模塊均符合寬溫-40 ～ 60℃ ,滿(mǎn)足EN 60721:3C4、EN 60721:3B2標準。PLC 模塊插槽備用10%，I/O 點(diǎn)備用20%。

① PLC 模塊配置：以哨關(guān)路管廊控制柜為例，每臺ACU 控制柜內主要PLC

模塊配置如表1。

② 交換機：2 光6 電, 百兆單模,雙電源輸入, 寬溫-40 ～ 70℃ ；③ 柜體: 控制柜柜體具有防水、防塵、防靜電及無(wú)風(fēng)扇設計，能夠滿(mǎn)足綜合管廊的應用環(huán)境。柜內除了常規元器件外，還帶有溫濕度檢測模塊，能夠實(shí)時(shí)監測柜內溫濕度，并通過(guò)通訊接口控制所在機柜室的空調啟停，保證柜體散熱排濕需求。柜內以0.75mm2 銅導線(xiàn)為柜內線(xiàn)，柜體內部設有端子排，可以合理布置對外接線(xiàn)端子，方便調試和檢修維護。ACU 控制柜的進(jìn)出線(xiàn)方式可以根據管廊設備夾層中的線(xiàn)槽位置調整，柜體進(jìn)出線(xiàn)位置設有隔蘭頭，保證電纜接線(xiàn)安全可靠。柜體防護等級IP66，不銹鋼材質(zhì)。

為了系統的供電安全穩定，現場(chǎng)儀表和PLC 控制柜電源由不間斷電源裝置（即UPS）提供。

2）環(huán)境和設備監控系統監控中心設備

在機柜室設主PLC 和通訊機柜,內裝主PLC, 實(shí)現各個(gè)ACU 之間的聯(lián)動(dòng)；內裝核心交換機，實(shí)現和ACU、安防系統、通信系統、火災報警等系統的數據通訊，以及和管線(xiàn)公司、智慧城市平臺的數據共享；內裝防火墻，使智慧平臺免受網(wǎng)絡(luò )攻擊，保障系統安全；內裝隔離網(wǎng)閘，保障工控安全。在控制室設工程師站1套,裝編程軟件、畫(huà)面組態(tài)軟件、智慧平臺編程組合軟件。另設操作員站3套,裝監控軟件客戶(hù)端。

7 以安科瑞智慧城市地下綜合管廊產(chǎn)品選型方案為例。

7.1 管廊電力監控系統（10/0.4kV地面變電所）

應用場(chǎng)合		型號	功能
10kV	進(jìn)/饋線(xiàn)	AM4-I	三段式過(guò)流保護、兩段式零序過(guò)流保護、反時(shí)限過(guò)流保護、負序過(guò)流、過(guò)負荷保護（告警、跳閘）、控故障告警、PT斷線(xiàn)告警、三相一次重合閘、后加速過(guò)流、FC閉鎖、非電量保護（告警、跳閘）、過(guò)電壓保護、低電壓保護；斷路器遙控分/合閘操作；故障錄波。
	PT監測	AM4-U1	過(guò)電壓告警、零序過(guò)壓告警、PT斷線(xiàn)告警、低電壓告警；4路交流電壓通道；故障錄波
	PT監測	AM4-U2	I段/II段過(guò)電壓告警、I段/II段零序過(guò)壓告警、I段/II段PT斷線(xiàn)告警、I段/II段低電壓告警；8路交流電壓通道；故障錄波。
	智能操控、節點(diǎn)測溫	ASD320-Pn	一次回路動(dòng)態(tài)模擬圖、彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、自動(dòng)溫濕度控制及顯示（標配一路強制加熱）、遠方/就地旋鈕、分合閘旋鈕、儲能旋鈕、人體感應、柜內照明控制、RS485接口、高壓柜內電氣接點(diǎn)無(wú)線(xiàn)測溫。
	電參量測量	APM810	三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序電流In，四象限電能，實(shí)時(shí)及需量，本月和上月極值，電流、電壓不平衡度，負載電流柱狀圖顯示，66種報警類(lèi)型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄，2-63次諧波，2DI+2DO，RS485/Modbus，LCD顯示。
0.4kV	進(jìn)線(xiàn)	APM810	三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序電流In，四象限電能，實(shí)時(shí)及需量，本月和上月極值，電流、電壓不平衡度，負載電流柱狀圖顯示，66種報警類(lèi)型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄，2-63次諧波，2DI+2DO，RS485/Modbus，LCD顯示。
	進(jìn)線(xiàn)	ASJ10-LD1A	1路A型剩余電流測量；30%，50%，70%，TRIP棒狀LED指示；十種額定剩余動(dòng)作電流可設定；十種極限不驅動(dòng)時(shí)間可設定；互感器斷線(xiàn)報警指示；兩組繼電器輸出(一組常開(kāi)，一組轉換，均可設定)；具有就地，遠程“測試”、“復位”功能。
	無(wú)功補償	ARC	測量I、U、Hz、cosΦ，具備過(guò)電壓保護、欠流鎖定、電網(wǎng)諧波過(guò)大保護功能,可控制電容器的投切，RS485/Modbus協(xié)議。
	無(wú)功補償	APM810	三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序電流In，四象限電能，實(shí)時(shí)及需量，本月和上月極值，電流、電壓不平衡度，負載電流柱狀圖顯示，66種報警類(lèi)型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄，2-63次諧波，2DI+2DO，RS485/Modbus，LCD顯示。
	有源濾波	ANAPF	ANAPF系列有源電力濾波器并聯(lián)在含諧波負載的低壓配電系統中，能夠對動(dòng)態(tài)變化的諧波電流進(jìn)行快速實(shí)時(shí)的跟蹤和補償。
	出線(xiàn)	APM810	三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序電流In，四象限電能，實(shí)時(shí)及需量，本月和上月極值，電流、電壓不平衡度，負載電流柱狀圖顯示，66種報警類(lèi)型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄，2-63次諧波，2DI+2DO，RS485/Modbus，LCD顯示。
		ANHPD300	對用電設備產(chǎn)生的隨機高次諧波、脈沖尖峰、電涌等具有抑制和吸收作用，能有效濾除電壓尖峰雜波、矯正畸變的電壓波形，對諧波噪聲進(jìn)行消化和吸收，防止保護裝置誤跳閘，保證用電設備正常運行。
		ASJ10-LD1A	1路A型剩余電流測量；30%，50%，70%，TRIP棒狀LED指示；十種額定剩余動(dòng)作電流可設定；十種極限不驅動(dòng)時(shí)間可設定；互感器斷線(xiàn)報警指示；兩組繼電器輸出(一組常開(kāi)，一組轉換，均可設定)；具有就地，遠程“測試”、“復位”功能。
溫度檢測	變壓器溫度檢測	ARTM-8	8路溫度巡檢，熱電阻信號輸入，RS485接口，2路繼電器輸出。
	無(wú)線(xiàn)測溫	ARTM100	可以嵌入式安裝在高壓柜、低壓抽屜柜內，每臺裝置可以接收240個(gè)傳感器的數據，可與ATE100、ATE200、ATE300三種傳感器選配使用。裝置帶有一路485接口、可選配一路以太網(wǎng)口，可將采集到的溫度數據上傳到監控中心。
		ATC200	一款帶有一路485接口的溫度收發(fā)器，可同時(shí)接收12個(gè)ATE200傳感器發(fā)射的數據并將采集到的數據上傳到監控中心。
		ATE200	表帶式固定，測溫范圍0-125℃，測量精度±2℃，傳輸距離空曠10米。
配套附件		AKH-0.66	測量型互感器，采集交流電流信號。
配套附件		AKH-0.66L	剩余電流互感器，采集剩余電流信號。
網(wǎng)關(guān)		Anet-2E5S	5個(gè)RS485串口 2kV隔離， 2個(gè)以太網(wǎng)接口，支持Modbus RTU、IEC-60870-5-101/103/ 104、CJ/T188、DL/T645等通訊協(xié)議設備的接入，支持Modbus RTU、Modbus TCP、IEC-60870-5 -104、建筑能耗數據、電力需求側等上傳、支持多中心不同數據服務(wù)要求，支持網(wǎng)關(guān)透傳協(xié)議；裝置電源:220V AC/DC。
網(wǎng)關(guān)		Anet-4E10	10個(gè)RS485串口 2kV隔離，4個(gè)以太網(wǎng)接口，支持Modbus RTU、IEC-60870-5-101/103/ 104、DNP、CDT、CJ/T188、DL/T645等通訊協(xié)議設備的接入、支持Modbus RTU、Modbus TCP、IEC-60870-5 -104、CDT、建筑能耗數據、電力需求側等上傳、支持多中心不同數據服務(wù)要求，裝置電源:220V AC/DC。
電力監控系統		Acrel-2000	數據的實(shí)時(shí)采集、數字通信、遠程操作與程序控制、保護定值管理、事件記錄與告警、故障分析、各類(lèi)報表及設備維護信息管理。

7.2 管廊設備監控系統（0.4kV動(dòng)力箱/動(dòng)力柜）

應用場(chǎng)合	型號	功能	安裝方式	防護等級	使用說(shuō)明
動(dòng)力箱/柜	DTSD1352	三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，分相正向有功電能統計，總正反向有功電能統計，總正反向無(wú)功電能統計；紅外通訊；電流規格：經(jīng)互感器接入3×1(6)A,直接接入3×10(80)A，有功電能精度0.5S級,無(wú)功電能精度2級。	導軌式	IP30	同動(dòng)力箱/柜配合使用，防護等級可達IP65。
	ARD2F－XX/XX－90L/UT	ARD2F智能電動(dòng)機保護器適用于額定電壓至AC690V、額定電流至AC800A、額定頻率為50/60Hz的電動(dòng)機，可與接觸器、電動(dòng)機起動(dòng)器等電器元件構成電動(dòng)機控制保護單元，有遠程自動(dòng)控制、現場(chǎng)直接控制、面板指示、信號報警、現場(chǎng)總線(xiàn)通信等功能。	主體：導軌式顯示：嵌入式	主體：IP30 顯示：IP65	同動(dòng)力箱/柜配合使用，防護等級可達IP65。
	PZ72L-E4/UT	三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），四象限電能，LCD顯示，可選2DI/2DO，RS485/Modbus通信。	嵌入式	IP65
	WHD72-11/UT	測量并顯示控制1路溫度、1路濕度。	嵌入式	IP65
配套附件	AKH-0.66	測量型互感器，采集交流電流信號。	螺絲固定	IP30	同動(dòng)力箱/柜配合使用，防護等級可達IP65。

8 結語(yǔ)

滇中新區智慧管廊環(huán)境與設備監控系統的設計中ACU 控制單元和控制柜柜體均采用高防護等級產(chǎn)品，產(chǎn)品實(shí)用、成熟、可靠、有使用實(shí)績(jì)，備件能夠保證供應；工業(yè)PLC 模塊在結構上采用靈活性、可擴展性良，確保系統具有高效數據交換能力和安全穩定性。設備選型滿(mǎn)足了管廊的特殊環(huán)境和后續管廊建設集中監控的擴展性需求，實(shí)現管廊的環(huán)境和設備監控的穩定可靠，項目實(shí)際應用效果良好。

參考文獻：

[1] 凌琪滇中新區智慧管廊環(huán)境和設備監控系統設計

[2] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2019.11版

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