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您的位置：網(wǎng)站首頁 > 技術文章 > 淺談滇中新區(qū)智慧管廊環(huán)境和設備監(jiān)控系統(tǒng)架構和功能設計 劉細鳳
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：介紹了云南滇中新區(qū)智慧管廊環(huán)境和設備監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，包括區(qū)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(xiàn)場總線的應用等。該系統(tǒng)采用了全集成自動化可視化平臺，具有可靠穩(wěn)定、高效、易操作和擴展性良等特點。
關鍵詞：管廊；環(huán)境和設備監(jiān)控；ACU ；PLC 設備設計
1 引言
滇中新區(qū)是2015 年9 月批準成立的第15 個 級新區(qū)。地下綜合管廊是保障新區(qū)城市建設和人民生活、經(jīng)濟、高效、便捷的城市基礎設施建設工程。根據(jù)家有關政策和新區(qū)經(jīng)濟戰(zhàn)略定位，建設、高效的智慧管廊勢在必行。
2 項目概況
本設計包括哨關路、嵩昆路綜合管廊環(huán)境和設備監(jiān)控系統(tǒng)。哨關路智慧管廊工程包括控制和管廊現(xiàn)場兩部分， 全長10.19km ；控制位于哨關路與嵩昆路交叉口東北角。嵩昆路綜合管廊長度為7.444km。兩條管廊均為雙艙結構（電力艙、管道艙）。根據(jù)當?shù)貧庀笏馁Y料和設計需求，工程所涉及的管廊內(nèi)潮濕且伴有凝露和腐蝕性氣體，監(jiān)控設備應能適應管廊內(nèi)環(huán)境要求，且應能承受爆管事故影響。
3 問題提出
管廊屬于地下設施，需要人員定期巡檢和管線入廊施工，為了解決環(huán)境問題，管廊環(huán)境檢測系統(tǒng)主要對管廊各艙室內(nèi)的氧氣濃度、溫濕度、水位等參數(shù)進行監(jiān)測，監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)管廊內(nèi)環(huán)境檢測系統(tǒng)的參數(shù)，對管廊環(huán)境進行實時控制，確保管廊內(nèi)的環(huán)境舒適、。通過對現(xiàn)有管廊監(jiān)控系統(tǒng)配置和控制方式的梳理，目前智慧管廊環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)所要解決的問題主要是：
1）尋求穩(wěn)定可靠的方法實現(xiàn)管廊的環(huán)境和設備監(jiān)控，保障人員財產(chǎn)。
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足后續(xù)管廊建設集中監(jiān)控需求。
4 系統(tǒng)功能設計
滇中新區(qū)綜合管廊的環(huán)境和設備監(jiān)控系統(tǒng)設計著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(jù)前面問題尋求*的環(huán)境和設備監(jiān)控系統(tǒng)方案如下：考慮長期運營的可靠，本設計采用基于工業(yè)PLC 的控制柜技術方案。PLC 利用診斷系統(tǒng)對PLC 本身和外部連接設備的運行狀態(tài)進行分析判斷。當現(xiàn)場環(huán)境異常時，系統(tǒng)快速采集、處理故障數(shù)據(jù)，同時完成在線計算、存儲、統(tǒng)計、報警、分析報表和數(shù)據(jù)遠傳等功能。管廊環(huán)境檢測系統(tǒng)主要對管廊各艙室內(nèi)的氧氣濃度、溫/ 濕度、水位等參數(shù)進行監(jiān)測，監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)管廊內(nèi)環(huán)境檢測系統(tǒng)的參數(shù)，對管廊環(huán)境進行實時控制，確保管廊內(nèi)的環(huán)境舒適、。管廊內(nèi)設備監(jiān)控主要包括排水控制、通風控制、照明控制和電力監(jiān)控。
1）排水控制
綜合管廊潛水泵設就地手動操作及液位自動控制方式，并將集水坑的液位信號以及潛水泵狀態(tài)信號反饋至監(jiān)控系統(tǒng)。液位傳感器發(fā)生水位超限報警時，系統(tǒng)自動報警，聯(lián)動視頻監(jiān)控系統(tǒng)，打開相關區(qū)間的照明，自動將該位置的視頻圖像畫面切換至大屏上，供人工確認。
2）通風控制
風機設就地手動操作、防火分區(qū)出入口處手動操作及監(jiān)控系統(tǒng)遠程操作方式，并將風機狀態(tài)信號反饋至監(jiān)控系統(tǒng)。正常情況下，管廊內(nèi)溫度超過40 ℃ 時， 電動開啟風機低速排風，低于30℃時，聯(lián)動風閉，以保證管廊內(nèi)的適宜溫度；巡檢時，應開啟所需巡檢區(qū)段的通風系統(tǒng)30min 后，待氧含量高于21% 時，工作人員方可進入；火災發(fā)生時，電動關閉火災及其相鄰通風區(qū)段的風機及風機入口閥門；火災發(fā)生后，電動開啟風機及風機入口閥門，高速運轉(zhuǎn)進行事故通風，以排除管廊內(nèi)煙氣、廢氣。
3）照明控制
綜合管廊照明按防火分區(qū)進行分段控制，設防火分區(qū)出入口處手動操作及監(jiān)控系統(tǒng)遠程操作方式，并將各艙室的照明狀態(tài)信號反饋至監(jiān)控系統(tǒng)。操作人員可借助多種照明控制模式，實現(xiàn)對不同時間、不同工況、不同區(qū)域的照度進行精確設置和合理管理，從而達到節(jié)能目的。
4）電力監(jiān)控
系統(tǒng)對變電站供電、配電的電壓、電流和功率進行采集和監(jiān)視，保證電能的和質(zhì)量。電力監(jiān)測設計采用電力多功能儀表通過儀表自帶RS485接口把電能質(zhì)量信息通過Modbus 協(xié)議接入ACU 控制柜控制單元。
5）網(wǎng)絡和控制系統(tǒng)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)絡管理診斷功能，來監(jiān)控PLC 系統(tǒng)CPU 運行狀態(tài)、網(wǎng)絡狀態(tài)等。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障，到診斷畫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(tǒng)上位機采用SCADA 監(jiān)控平臺，設備具有系統(tǒng)資源的共享性和兼容性，操作監(jiān)視集中化歸于監(jiān)控。在監(jiān)控實現(xiàn)多個HMI 的互為備用，每個HMI 操作站具有完善的報警系統(tǒng)、趨勢記錄、報表記錄、操作記錄，實現(xiàn)標準化、可視化的管廊內(nèi)部環(huán)境、設備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控。
5 系統(tǒng)網(wǎng)絡結構設計
根據(jù)工程防火分區(qū)和通風分區(qū)重合，以及需要監(jiān)控的設備安裝位置的實際情況，在管廊每個排風井夾層的機柜室內(nèi)設置ACU 控制柜。哨關路綜合管廊工程共分為59 個防火分區(qū)，共設置了29 臺ACU 控制柜。嵩昆路綜合管廊工程共分為40 個防火分區(qū)，共設置了20 臺ACU 控制柜。每條路有各自的獨立控制系統(tǒng)光纖環(huán)網(wǎng)。同條道路地下管廊的各個ACU 控制柜與控制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)議實現(xiàn)通訊；光纖采用阻燃單模八芯鎧裝光纜。
本項目監(jiān)控定位管廊監(jiān)控運維分監(jiān)控，為主監(jiān)控和智慧城市監(jiān)控預留數(shù)據(jù)接口，通過防火墻進行外部數(shù)據(jù)隔離和內(nèi)部數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)信息就能通過工業(yè)防火墻后集中到監(jiān)控進行管理。工作站和服務器通過雙絞電纜與交換機連接。交換機間數(shù)據(jù)的隔離利用可以有效保障底層控制系統(tǒng)的。
6 系統(tǒng)主要硬件選型
1）現(xiàn)場ACU控制柜
ACU 控制柜內(nèi)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)絡傳輸技術，確保系統(tǒng)具有高效數(shù)據(jù)交換和I/O 處理能力。綜上考慮， 采用西門子SIPLUS系列產(chǎn)品對設計進行實現(xiàn)。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℃ ,滿足EN 60721:3C4、EN 60721:3B2標準。PLC 模塊插槽備用10%，I/O 點備用20%。
① PLC 模塊配置：以哨關路管廊控制柜為例，每臺ACU 控制柜內(nèi)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、防靜電及無風扇設計，能夠滿足綜合管廊的應用環(huán)境。柜內(nèi)除了常規(guī)元器件外， 還帶有溫濕度檢測模塊，能夠?qū)崟r監(jiān)測柜內(nèi)溫濕度，并通過通訊接口控制所在機柜室的空調(diào)啟停，保證柜體散熱排濕需求。柜內(nèi)以0.75mm2 銅導線為柜內(nèi)線，柜體內(nèi)部設有端子排，可以合理布置對外接線端子，方便調(diào)試和檢修維護。ACU 控制柜的進出線方式可以根據(jù)管廊設備夾層中的線槽位置調(diào)整，柜體進出線位置設有隔蘭頭，保證電纜接線可靠。柜體防護等級IP66，不銹鋼材質(zhì)。
為了系統(tǒng)的供電穩(wěn)定，現(xiàn)場儀表和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(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控設備
在機柜室設主PLC 和通訊機柜,內(nèi)裝主PLC, 實現(xiàn)各個ACU 之間的聯(lián)動；內(nèi)裝核心交換機，實現(xiàn)和ACU、安防系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、火災報警等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊，以及和管線公司、智慧城市平臺的數(shù)據(jù)共享；內(nèi)裝防火墻，使智慧平臺免受網(wǎng)絡攻擊，保障系統(tǒng)；內(nèi)裝隔離網(wǎng)閘，保障工控。在控制室設工程師站1套,裝編程軟件、畫面組態(tài)軟件、智慧平臺編程組合軟件。另設操作員站3套,裝監(jiān)控軟件客戶端。
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(jiān)控系統(tǒng)（10/0.4kV地面變電所）
應用場合 | 型號 | 功 能 | |
10kV | 進/饋線 | AM4-I | 三段式過流保護、兩段式序過流保護、反時限過流保護、負序過流、過負荷保護（告警、跳閘）、控故障告警、PT斷線告警、三相次重合閘、后加速過流、FC閉鎖、非電量保護（告警、跳閘）、過電壓保護、低電壓保護；斷路器遙控分/合閘操作；故障錄波。 |
PT監(jiān)測 | AM4-U1 | 過電壓告警、序過壓告警、PT斷線告警、低電壓告警；4路交流電壓通道；故障錄波 | |
AM4-U2 | I段/II段過電壓告警、I段/II段序過壓告警、I段/II段PT斷線告警、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(jié)點測溫 | ASD320-Pn | 次回路動態(tài)模擬圖、彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、自動溫濕度控制及顯示（標配路強制加熱）、遠方/就地旋鈕、分合閘旋鈕、儲能旋鈕、人體感應、柜內(nèi)照明控制、RS485接口、高壓柜內(nèi)電氣接點無線測溫。 | |
電參量測量 | APM810 | 三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），序電流In，四象限電能，實時及zui，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 | 進線 | APM810 | 三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），序電流In，四象限電能，實時及zui，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。 |
ASJ10-LD1A | 1路A型剩余電流測量；30%，50%，70%，TRIP棒狀LED指示；十種額定剩余動作電流可設定；十種極限不驅(qū)動時間可設定；互感器斷線報警指示；兩組繼電器輸出(組常開，組轉(zhuǎn)換，均可設定)；具有就地，遠程“測試”、“復位”功能。 | ||
無功補償 | ARC | 測量I、U、Hz、cosΦ，具備過電壓保護、欠流鎖定、電網(wǎng)諧波過大保護功能,可控制電容器的投切，RS485/Modbus協(xié)議。 | |
APM810 | 三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），序電流In，四象限電能，實時及zui，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(tǒng)中，能夠?qū)討B(tài)變化的諧波電流進行快速實時的跟蹤和補償。 | |
出線 | APM810 | 三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），序電流In，四象限電能，實時及zui，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；十種額定剩余動作電流可設定；十種極限不驅(qū)動時間可設定；互感器斷線報警指示；兩組繼電器輸出(組常開，組轉(zhuǎn)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。 |
無線測溫 | ARTM100 | 可以嵌入式安裝在高壓柜、低壓抽屜柜內(nèi)，每臺裝置可以接收240個傳感器的數(shù)據(jù)，可與ATE100、ATE200、ATE300三種傳感器選配使用。裝置帶有路485接口、可選配路以太網(wǎng)口，可將采集到的溫度數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控。 | |
ATC200 | 款帶有路485接口的溫度收發(fā)器，可同時接收12個ATE200傳感器發(fā)射的數(shù)據(jù)并將采集到的數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控。 | ||
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。 | |
AKH-0.66L | 剩余電流互感器，采集剩余電流信號。 | ||
網(wǎng)關 | Anet-2E5S | 5個RS485串口 2kV隔離， 2個以太網(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(shù)據(jù)、電力需求側等上傳、支持多不同數(shù)據(jù)服務要求，支持網(wǎng)關透傳協(xié)議；裝置電源:220V AC/DC。 | |
Anet-4E10 | 10個RS485串口 2kV隔離，4個以太網(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(shù)據(jù)、電力需求側等上傳、支持多不同數(shù)據(jù)服務要求，裝置電源:220V AC/DC。 | ||
電力監(jiān)控系統(tǒng) | Acrel-2000 | 數(shù)據(jù)的實時采集、數(shù)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、各類報表及設備維護信息管理。 | |
7.2 管廊設備監(jiān)控系統(tǒng)（0.4kV動力箱/動力柜）
應用場合 | 型號 | 功能 | 安裝方式 | 防護等級 | 使用說明 |
動力箱/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(tǒng)計，總正反向有功電能統(tǒng)計，總正反向無功電能統(tǒng)計；紅外通訊；電流規(guī)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,無功電能精度2級。 | 導軌式 | IP30 | 同動力箱/柜配合使用，防護等級可達IP65。 |
ARD2F－XX/XX－90L/UT | ARD2F智能電動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的電動機，可與接觸器、電動機起動器等電器元件構成電動機控制保護單元，有遠程自動控制、現(xiàn)場直接控制、面板指示、信號報警、現(xiàn)場總線通信等功能。 | 主體：導軌式
顯示：嵌入式 | 主體：IP30
顯示：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 | 同動力箱/柜配合使用，防護等級可達IP65。 |
8 結語
滇中新區(qū)智慧管廊環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)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)品實用、成熟、可靠、有使用實績，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(tǒng)具有高效數(shù)據(jù)交換能力和穩(wěn)定性。設備選型滿足了管廊的特殊環(huán)境和后續(xù)管廊建設集中監(jiān)控的擴展性需求，實現(xiàn)管廊的環(huán)境和設備監(jiān)控的穩(wěn)定可靠，項目實際應用效果良好。
參考文獻：
[1] 凌琪 滇中新區(qū)智慧管廊環(huán)境和設備監(jiān)控系統(tǒng)設計
[2] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2019.11版
作者簡介：劉細鳳，女，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為綜合管廊監(jiān)控及運維方向
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