任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘 要：從網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、開放式實時以太網(wǎng)協(xié)議、控制層系統(tǒng)配置方面介紹了綜合管廊的系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)設計，分析了無線網(wǎng)絡特性，闡述了基于HTML5架構(gòu)所能實現(xiàn)的功能的初步構(gòu)想，以便于綜合管廊運維人員巡檢，確保管廊本體安全。

關鍵詞：綜合管廊；網(wǎng)絡架構(gòu)設計；無線網(wǎng)絡；人員定位

0 引 言

綜合管廊的控制部分是保證綜合管廊安全、可靠運行的核心。區(qū)域控制器負責所在片區(qū)的綜合監(jiān)控任務及數(shù)據(jù)處理，將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)上傳，同時下發(fā)上位的控制指令。因此，對產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性、環(huán)境耐受性提出很高的要求。根據(jù)國家標準規(guī)定，綜合管廊自動化控制主要包含七大系統(tǒng)：消防系統(tǒng)，通風系統(tǒng)，供電系統(tǒng)，照明系統(tǒng)，監(jiān)控與報警系統(tǒng)，排水系統(tǒng)，標示系統(tǒng)。實際應用中，根據(jù)以上七大系統(tǒng)，每個區(qū)域控制器(ACu)需要對本區(qū)域的信息進行采集，并且控制本區(qū)域內(nèi)的相關設備。一般綜合管廊中需要采集的信息：儀表，包括溫度、濕度、O₂、CO、C0₂、CH₄；通風，包括通風機開啟、關閉狀態(tài)以及運行故障；照明，照明系統(tǒng)運行工況；給排水，排水泵運行工況，積水坑低液位、高液位及報警液位信號，水管上壓力；供電，電壓、電流、功率因數(shù)、電源進線信號；安防，紅外對射裝置報警信號；攝像機影像。需要控制的設備：通風，通風機開啟、關閉；照明，照明系統(tǒng)；排水，排水泵啟動、停止；供電，其他設備供電。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)設計

綜合管廊控制系統(tǒng)的可靠性要求高，且現(xiàn)場環(huán)境濕度大，存在腐蝕性、可燃性氣體，對硬件產(chǎn)品品質(zhì)有很高的要求。同時控制系統(tǒng)還需要有靈活的結(jié)構(gòu)，以便于后期系統(tǒng)的擴展，冗余光纖工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)及信息技術的高度集成也是項目的一個特點。綜合管廊是未來智慧城市重要組成部分，所以對綜合管廊自控系統(tǒng)的信息化程度要求很高。綜合管廊信息化程度很大程度上決定于綜合管廊的系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)。

1.1網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

一般，綜合管廊系統(tǒng)架構(gòu)可分為如下三類。

(1)傳統(tǒng)離散型網(wǎng)絡架構(gòu)。每個ACu均配置PLc，再由交換機組成環(huán)網(wǎng)。傳統(tǒng)離散型網(wǎng)絡架構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)離散型網(wǎng)絡架構(gòu)

這種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)優(yōu)點是可以分散Acu故障風險，每個區(qū)域Acu相對獨立，可以單獨完成簡單邏輯控制；缺點是網(wǎng)絡可擴展性差，設備成本和運維成本高。如果區(qū)域Acu損壞，因涉及到編程，需要專業(yè)人員重新下載程序。

（2）中央控制結(jié)合遠程IO網(wǎng)絡架構(gòu)如圖2所示。

圖2 中央控制結(jié)合遠程IO網(wǎng)絡架構(gòu)

這種網(wǎng)絡架構(gòu)可*大程度節(jié)省硬件成本、調(diào)試成本、維護成本，通常硬件損壞不涉及到編程，可以直接更換IO模塊，降低運維成本；缺點是中心PLc運行負荷大，風險高，網(wǎng)絡擴展性能也相對較差。

（3）分級式網(wǎng)絡架構(gòu)。每1～2 km設置控制PLc，其間5～10個ACU采用遠程IO。這些PLc再組成環(huán)網(wǎng)，*終上傳到監(jiān)控中心。分級式網(wǎng)絡架構(gòu)如圖3所示。

圖3 分級式網(wǎng)絡架構(gòu)

監(jiān)控中心冗余PLC+分變電所異地冗余PLC+防火分區(qū)Acu遠程IO的分級式網(wǎng)絡架構(gòu)兼具以上網(wǎng)絡架構(gòu)的優(yōu)點。

（1）硬件成本降低。將原來10個分區(qū)PLc縮減成為2個冗余PLc，ACu部分替換為遠程IO，降低硬件成本。

（2）故障風險降低。一般，與PLc同系列同檔次的遠程IO接口模塊成本要比PLC低。但在穩(wěn)定性上，由于遠程10模塊只處理信號轉(zhuǎn)換(不做邏輯運算)，在硬件本身的設計上相對簡單、牢固、發(fā)熱量小、抗電磁干擾能力強，發(fā)生故障的概率小于PLc。而在分變電所采用異地冗余PLC本身的檔次定位、產(chǎn)品性能等各方面高于離散式方案的防火分區(qū)PLc，其發(fā)生故障概率小。又因為采用冗余系統(tǒng)，故障概率進一步降低。綜上所述，采用分變電所異地冗余PLC+防火分區(qū)Acu遠程IO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其故障風險會比傳統(tǒng)離散式網(wǎng)絡架構(gòu)的穩(wěn)定性高。

（3）施工成本降低。程序調(diào)試時可以利用對象編程(每個防火分區(qū)功能基本相同)來減少編程調(diào)試人員工作量。工作人員只需要在分變電所冗余PLC上對各個防火分區(qū)完成編程，不需要到每個防火分區(qū)設備間單獨調(diào)試，節(jié)省編程調(diào)試時間，加快項目進度。

（4）降低后期運維成本。在后期運維方面

如果采用離散式結(jié)構(gòu)，若防火分區(qū)PLc故障、損壞，則要廠家專業(yè)人員到現(xiàn)場安裝、下載程序、調(diào)試設備，運維成本增加，響應時間延長。如果采用遠程IO，若設備損壞，現(xiàn)場的管廊運維人員就可以完成更換操作(只需要拆裝接線)，廠家可以通過遠程調(diào)試完成設置?，F(xiàn)場維護人員不需要具有PLC編程經(jīng)驗，降低后期運維成本，加快故障處理響應速度。

（5）網(wǎng)絡擴展性好。根據(jù)該網(wǎng)絡架構(gòu)，可以

將網(wǎng)絡劃分與道路客觀地理情況結(jié)合，按照道路的排布劃分為子網(wǎng)絡。在將來單條管廊形成路網(wǎng)，綜合管廊擴建時仍可按照該網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，將增加的道路以路段為環(huán)網(wǎng)單位加人整個網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中。因此，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可擴展性好，結(jié)構(gòu)層次清晰。

（6）網(wǎng)絡容錯性好。環(huán)網(wǎng)上的網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)越多，網(wǎng)絡發(fā)生故障的風險越高。當環(huán)網(wǎng)兩個節(jié)點以上故障時，整個故障節(jié)點區(qū)間的網(wǎng)絡設備全部掉線、失聯(lián)。故環(huán)網(wǎng)上節(jié)點數(shù)越少，環(huán)網(wǎng)故障率越低。對于分變電所異地冗余PLC+防火分區(qū)Acu遠程IO網(wǎng)絡架構(gòu)，主干網(wǎng)絡上只有分變電所PLC為網(wǎng)絡節(jié)點(即可以理解為l～2 km設一個網(wǎng)絡節(jié)點)，可以把主干網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)量控制在非常少的范圍內(nèi)。每個分變電所冗余PLC下的子環(huán)網(wǎng)只有遠程IO作為子環(huán)網(wǎng)絡的節(jié)點，即每個子環(huán)網(wǎng)約10個遠程IO節(jié)點。故采用此種架構(gòu)，可以減少環(huán)形網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)和網(wǎng)絡負荷降低網(wǎng)絡故障風險。

1.2開放式實時以太網(wǎng)協(xié)議

由于存在遠程IO，同時網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量多，拓撲復雜，故對現(xiàn)場網(wǎng)絡實時性有很高的要求。傳統(tǒng)TCP／IP網(wǎng)絡已成為辦公網(wǎng)絡統(tǒng)一標準，但由于其協(xié)議本身的缺點，不能作為工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡協(xié)議?；诖朔N需求，近年來工業(yè)實時以太網(wǎng)協(xié)議在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境得到廣泛應用。目前，主流工業(yè)實時以太網(wǎng)協(xié)議主要有PROFINET和Ethernet／IP兩種。其中Ethernet／IP具有數(shù)據(jù)量小、速度快等特點，主要適用于運動控制領域；PROFINET具有數(shù)據(jù)量大、實時性好等特點，特別適用于大型網(wǎng)絡。采用PROFINET協(xié)議組成網(wǎng)絡架構(gòu)，硬件上可以做到“一網(wǎng)到底"，現(xiàn)場光纖環(huán)網(wǎng)可同時接入視頻信號、電話信號等網(wǎng)絡通信。PROFINET是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術的自動化總線標準，可以確保在網(wǎng)絡傳輸中重要數(shù)據(jù)的傳輸可靠性。每個區(qū)域內(nèi)需要將攝像機影像傳送至監(jiān)控中心。攝像機影像數(shù)據(jù)與信號采集控制數(shù)據(jù)特點如表1所示。

表1 攝像機影像數(shù)據(jù)與信號采集控制數(shù)據(jù)特點

將PROFINET應用于管廊監(jiān)控，可以將數(shù)據(jù)采集、控制信號、視頻影像信號在同一個物理網(wǎng)絡傳輸。PROFINET協(xié)議相較于普通以太網(wǎng)協(xié)議具有更高的數(shù)據(jù)可靠性，確保整個監(jiān)控網(wǎng)絡正常運行。

1.3控制層系統(tǒng)配置

PLC是控制層邏輯控制的核心，根據(jù)綜合管廊使用環(huán)境、功能要求等，可分為如下幾種類型。

(1)監(jiān)控中心PLc。負責與下層PLc通信，將所有收集數(shù)據(jù)進行匯總，并提供開放數(shù)據(jù)接口，與上位信息系統(tǒng)進行通信。一般采用大型冗余PLc，以保證穩(wěn)定性、可靠性。

(2)防火分區(qū)PLC。如采用離散式系統(tǒng)架構(gòu)，則該PLC負責該防火分區(qū)內(nèi)部數(shù)據(jù)采集與邏輯運算，并與監(jiān)控中心PLc進行數(shù)據(jù)交換。由于管廊現(xiàn)場環(huán)境惡劣(高溫、高濕、多塵)，一般也建議采用中型PLc(小型PLC普遍環(huán)境耐受性差，市場定位一般為0EM工廠客戶，雖然邏輯功能和處理速度等方面勉強能滿足系統(tǒng)要求，但在構(gòu)成大型網(wǎng)絡拓撲的組網(wǎng)性能、對上位信息系統(tǒng)的開放性支持及鏈接數(shù)量、整個產(chǎn)品定位及產(chǎn)品所采用的元器件方面均導致該產(chǎn)品在整體性能上不能滿足綜合管廊苛刻的環(huán)境及功能要求)。管廊系統(tǒng)龐大，子站多，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)復雜，整個項目對防火分區(qū)PLc組網(wǎng)性能、可擴展性能上要求很高。另管廊所處地帶氣候潮濕，土地鹽堿，因此在管廊中的凝結(jié)水一般都具有很高的鹽堿性，對設備腐蝕及損害大。故對在該環(huán)境下運行的設備具有很高的要求。

管廊內(nèi)部需要共同人廊各種線纜，包括110 kV、10 kV高壓電以及各種通信電纜，內(nèi)部

電磁環(huán)境復雜，要求設備本身具有良好的抗電磁干擾能力，不向外發(fā)射電磁干擾，即設備具有良好的電磁兼容性。

2無線網(wǎng)絡特性

綜合管廊同時需要實現(xiàn)人員對講、人員定位、設備監(jiān)控維護等功能，而這些功能都可以通過無線網(wǎng)絡來實現(xiàn)。能否在同一個無線網(wǎng)絡下實現(xiàn)這些功能，避免重復投資浪費，節(jié)約成本，成為無線網(wǎng)絡覆蓋首先考慮的因素。

HTML5是*新—代萬維網(wǎng)核心語言。Windows、Android、IOS等系統(tǒng)均支持H】['ML5協(xié)議，移動設備的常用APP，如瀏覽器、微信、QQ等也均支持HTML5協(xié)議。

利用該技術可以發(fā)布web網(wǎng)頁(相當于集成在PLC內(nèi)的人機界面系統(tǒng))，達到對PLC的監(jiān)控和診斷維護。利用支持HTML5協(xié)議的移動端進行PLC的監(jiān)控和維護，實現(xiàn)人員定位和對講。

2.1設備監(jiān)控、維護

利用HTML5編寫的網(wǎng)絡界面下載到PLc中(網(wǎng)絡界面的內(nèi)容可根據(jù)項目具體情況編輯)，通過現(xiàn)場工業(yè)以太網(wǎng)進行訪問。另外，也可為PLC配備無線模塊，接入移動端(如手機、Pad等)。將PLc發(fā)布的網(wǎng)頁訪問路徑制作成二維碼，通過移動端APP掃二維碼功能進入到PLC監(jiān)控界面。將PLC本體的運行狀態(tài)、故障信息等編輯到PLc發(fā)布的web畫面中，從而對PL設備進行維護。也可以在畫面中包含現(xiàn)場儀表、通風、照明、給排水、供電等狀態(tài)和控制信號，實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的監(jiān)控和維護。因此，利用HTML5技術為每臺PLC節(jié)省觸摸屏，同時方便人員對現(xiàn)場設備進行監(jiān)控和維護。

2.2人員定位

為現(xiàn)場ACu配置無線模塊，巡檢人員通過移動設備(手機、Pad、智能穿戴設備)接入到現(xiàn)場無線中，通過IP—Tech技術將巡檢人員連接數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心實時監(jiān)測巡檢人員的當前位置。巡檢人員定位示意如圖4所示。

進一步，可以將管廊實際地圖以及每套ACu的實際位置寫入到現(xiàn)場PLC的HTML5畫面中，現(xiàn)場人員通過移動設備訪問PLc，從而巡檢人員和監(jiān)控中心都可了解巡檢人員的實際位置，在發(fā)生危險情況時協(xié)助救援和巡檢人員自救。

圖4 巡檢人員定位示意圖

2.3人員對講

巡檢人員的移動設備連接無線模塊的WiFi而進入到現(xiàn)場工業(yè)以太網(wǎng)中，通過手機APP可以實現(xiàn)實時對講，甚至視頻對講，幫助巡檢人員對現(xiàn)場狀況進行判斷，并采取正確的處理措施。以上是基于HTML5架構(gòu)所能實現(xiàn)的功能的初步構(gòu)想，便于綜合管廊運維人員巡檢，確保管廊本體安全。

3 AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺

3.1平臺概述

AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺集電力監(jiān)控、能源管理、電氣安全、照明控制、環(huán)境監(jiān)測于一體，為建立可靠、安全、高效的綜合管廊管理體系提供數(shù)據(jù)支持，從數(shù)據(jù)采集、通信網(wǎng)絡、系統(tǒng)架構(gòu)、聯(lián)動控制和綜合數(shù)據(jù)服務等方面的設計，解決了綜合管廊在管理過程中存在內(nèi)部干擾性強、使用單位多及協(xié)調(diào)復雜的根本問題，大大提高了系統(tǒng)運行的可靠性和可管理性，提升了管廊基礎設施、環(huán)境和設備的使用和恢復效率。

3.2平臺組成

安科瑞城市地下綜合管廊能效管理系統(tǒng)是一個深度集成的自動化平臺，它集成了10KV/O.4KV變電站電力監(jiān)控系統(tǒng)、變電所環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、智能馬達監(jiān)控系統(tǒng)、電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)、消防設備電源系統(tǒng)、防火門監(jiān)控系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、消防應急照明和疏散指示系統(tǒng)。用戶可通過瀏覽器、手機APP獲取數(shù)據(jù)，通過一個平臺即可全局、整體的對管廊用電和用電安全進行進行集中監(jiān)控、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)度，同時滿足管廊用電可靠、安全、穩(wěn)定、高效、有序的要求。

3.3平臺拓撲

3.4平臺子系統(tǒng)

3.4.1電力監(jiān)控

電力監(jiān)控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監(jiān)控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數(shù)和用能情況，可實時監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開關柜、變壓器微機保護測控裝置、發(fā)電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調(diào)、事故報警及記錄等。

3.4.2環(huán)境監(jiān)測

環(huán)境監(jiān)測包括溫濕度、煙感溫感、積水浸水、可燃氣體濃度、門禁、視頻、空調(diào)、消防數(shù)據(jù)的采集、展示和預警，同時也可接入管廊艙室內(nèi)的水泵和通風排煙風機等設備集成的第三方系統(tǒng)完成管廊環(huán)境綜合監(jiān)控。

3.4.3電氣安全

AcrelEMS-UT能效管理系統(tǒng)針對配電系統(tǒng)的電氣安全隱患配置相應的電氣火災傳感器、溫度傳感器，消防設備電源傳感器、防火門狀態(tài)傳感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態(tài)實時顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內(nèi)阻進行實時監(jiān)視，發(fā)生異常時通過聲光、短信、APP及時預警。

3.5相關平臺部署硬件選型清單

3.5.1電力監(jiān)控及配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

3.5.2電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)

3.5.3消防設備電源監(jiān)控系統(tǒng)

3.5.4防火門監(jiān)控系統(tǒng)

3.5.5消防應急照明和疏散指示系統(tǒng)

4 結(jié)語

介紹了便于綜合管廊運維的系統(tǒng)集成方案，可負責所在片區(qū)的綜合監(jiān)控任務和數(shù)據(jù)處理，將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)上傳，下發(fā)上位的控制指令，同時系統(tǒng)還需要有靈活的結(jié)構(gòu)，以便于后期系統(tǒng)的擴展。

參考文獻

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【2】鄭立寧.羅春燕,王建．綜合管廊智能化運維管理技術綜述[J]

【3】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05

【4】姬衛(wèi)東，戴德松. 便于綜合管廊運維的系統(tǒng)集成方案

作者簡介：任運業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事智慧管廊監(jiān)控研究發(fā)展。