橫琴新區(qū)綜合管溝計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

文│ 珠海市規(guī)劃設(shè)計研究院 鄧德源

1 引言

綜合管溝是指設(shè)置于地面下，用于容納兩種及以上市政管線及其附屬設(shè)施的構(gòu)筑物，是一種集約度高、科學(xué)性強(qiáng)的城市綜合管線敷設(shè)方式。隨著我國城市建設(shè)的深入，綜合管溝將是我國城市建設(shè)的一個發(fā)展方向，成為市政管線的主要敷設(shè)方式。

橫琴新區(qū)是珠海市橫琴島所在區(qū)域，是繼上海浦東新區(qū)、天津濱海新區(qū)之后，第三個由國務(wù)院批準(zhǔn)的國家級新區(qū)。根據(jù)橫琴新區(qū)的戰(zhàn)略定位，高起點(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)地開發(fā)建設(shè)橫琴新區(qū)，推行綠色市政理念，《橫琴城市綜合管溝專題研究》報告提出沿市政道路設(shè)置雙環(huán)型干線綜合管溝。設(shè)計范圍內(nèi)的綜合管溝總長約6.8km，橫斷面凈尺寸為2.9m（高）×5.5m（寬）。每防火分區(qū)長度不大于200m（共38個防火分區(qū)），每個防火分區(qū)設(shè)排風(fēng)室兩座、進(jìn)風(fēng)室一座、投料口一座。進(jìn)入綜合管溝的管線種類包含通信電纜、真空垃圾管、給水管、中水管、冷水管等。

本綜合管溝采用計算機(jī)控制系統(tǒng)對其進(jìn)行分布式管理，系統(tǒng)整體可靠性高。計算機(jī)控制系統(tǒng)包括門禁控制、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控、視頻監(jiān)控、電力監(jiān)測等各子系統(tǒng)。

按照國家相關(guān)的消防規(guī)范，火災(zāi)報警系統(tǒng)與計算機(jī)控制系統(tǒng)各自獨(dú)立設(shè)置。

2 計算機(jī)控制系統(tǒng)概述

管溝計算機(jī)控制系統(tǒng)包括組態(tài)軟件層、網(wǎng)絡(luò)層、設(shè)備層。

（1）軟件層

組態(tài)軟件層是計算機(jī)控制系統(tǒng)的監(jiān)控中心，由工作站、服務(wù)器及配套的軟件組成，網(wǎng)絡(luò)采用星型結(jié)構(gòu)，將現(xiàn)場各種設(shè)備數(shù)據(jù)流遠(yuǎn)程傳輸，實(shí)現(xiàn)資源共享，遠(yuǎn)程集中監(jiān)控管理。

服務(wù)器負(fù)責(zé)管理協(xié)調(diào)計算機(jī)控制系統(tǒng)的工作，完成各子系統(tǒng)實(shí)時數(shù)據(jù)的儲存。管理工作站完成相應(yīng)子系統(tǒng)的監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)的查詢和顯示，生成和打印各類運(yùn)行管理報表。

（2）網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層是計算機(jī)控制系統(tǒng)的信息高速通道。在管溝內(nèi)的設(shè)備工作環(huán)境較為惡劣，因此，綜合管溝內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備選用工業(yè)級以太網(wǎng)交換機(jī)作為中間連接設(shè)備，并采用光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)具有線路冗余功能，當(dāng)光纜發(fā)生斷點(diǎn)時，通信網(wǎng)能自動恢復(fù)。

在綜合管溝內(nèi)的每一個防火分區(qū)的進(jìn)風(fēng)室PLC柜內(nèi)設(shè)置一臺分區(qū)工業(yè)級交換機(jī)，這些交換機(jī)連接到各防火分區(qū)的現(xiàn)場設(shè)備，再通過網(wǎng)絡(luò)通信光纖連接到主交換機(jī)。

（3）設(shè)備層

設(shè)備層包含各防火分區(qū)的監(jiān)控系統(tǒng)、設(shè)備裝置和儀表等，通過分區(qū)交換機(jī)與網(wǎng)絡(luò)層連接。設(shè)備層包含網(wǎng)絡(luò)門禁、視頻監(jiān)控及PLC控制系統(tǒng)（照明、風(fēng)機(jī)、排水泵、環(huán)境監(jiān)測、電力參數(shù)監(jiān)測等）。

3 網(wǎng)絡(luò)門禁系統(tǒng)

采用網(wǎng)絡(luò)門禁系統(tǒng)管理管溝各防火分區(qū)的出入門，實(shí)現(xiàn)各出入門的遠(yuǎn)程控制和分布式管理。系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)門禁工作站、門禁管理軟件、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信光纖、門禁控制器及配套設(shè)施組成。

控制中心管理人員通過門禁管理軟件，實(shí)現(xiàn)各種管理功能。可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置門鎖的關(guān)閉時間和開門超時報警時間，實(shí)時顯示當(dāng)前門狀態(tài)，返回門的所有非法報警事件。并可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)聯(lián)動（門間聯(lián)動）與網(wǎng)外聯(lián)動（事件服務(wù)器間聯(lián)動），對門所有輸入、輸出節(jié)點(diǎn)或用戶刷卡等觸發(fā)事件產(chǎn)生聯(lián)動?；馂?zāi)時，門禁控制器根據(jù)程序設(shè)置自動打開所有或預(yù)先設(shè)定的門，以便于人員即時撤離。

4 環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)

4.1 環(huán)境探測系統(tǒng)

為保證進(jìn)入綜合管溝人員的安全，每個防火分區(qū)綜合管溝內(nèi)每隔100m均設(shè)有一套環(huán)境探測儀，監(jiān)測參數(shù)包括CO（一氧化碳）、CH4（甲烷）、O2（氧氣）、溫度和濕度。

環(huán)境探測儀現(xiàn)場顯示實(shí)際參數(shù)，同時以4～20mA模擬數(shù)據(jù)送PLC控制系統(tǒng)，作為溝內(nèi)通風(fēng)設(shè)備運(yùn)行依據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)通信光纖送到控制中心設(shè)備監(jiān)控工作站。環(huán)境探測儀的監(jiān)測參數(shù)超過設(shè)定值時，具有本身的獨(dú)立聲音報警，也可在控制中心進(jìn)行報警。

4.2 設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)

每個分區(qū)設(shè)置一套相對獨(dú)立的設(shè)備監(jiān)控PLC控制系統(tǒng)， PLC控制系統(tǒng)與計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)、控制中心設(shè)備監(jiān)控工作站、組態(tài)軟件等組成管溝設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)對綜合管溝內(nèi)各種設(shè)備的信號進(jìn)行采集，并根據(jù)設(shè)置好的程序進(jìn)行判斷，發(fā)出相應(yīng)控制指令到各執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)備的操作，并通過網(wǎng)絡(luò)將信號反饋到控制中心，在控制中心設(shè)備監(jiān)控工作站反映管溝內(nèi)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

設(shè)備控制設(shè)現(xiàn)場控制、控制中心遠(yuǎn)程控制二級控制方式，現(xiàn)場控制優(yōu)先級別高于遠(yuǎn)程控制，可不依賴于設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)而對泵站設(shè)備實(shí)施手動控制。

就地控制可采用下列控制方式：其一是就地手動方式，通過現(xiàn)場控制箱控制按鈕實(shí)施手動控制。其二是就地自動方式，由設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測參數(shù)以及預(yù)定的控制要求對設(shè)備實(shí)施自動控制，無需人工干預(yù)。

遠(yuǎn)程控制應(yīng)在控制中心實(shí)施。在遠(yuǎn)程控制方式下，設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)提供站內(nèi)設(shè)備的基本聯(lián)動、連鎖和保護(hù)控制。

PLC控制系統(tǒng)均設(shè)有觸摸控制屏，用于排水泵、通風(fēng)機(jī)、照明、水位、有害氣體濃度等的集中顯示和集中控制。

（1）照明監(jiān)控

管溝內(nèi)值班照度為10Lx，兼作火災(zāi)應(yīng)急照明；管溝巡視或檢修時照明燈全開啟，此時設(shè)計照度為30Lx?？稍诜謪^(qū)照明配電箱現(xiàn)場控制、控制中心遙控實(shí)施照明方式的切換。

照明控制的合閘一分閘狀態(tài)、失控報警由分區(qū)PLC控制系統(tǒng)從照明控制箱采集，并上傳至控制中心。照明控制箱有手動和自動兩種控制模式。手動模式下，操作照明控制箱面板上的按鈕，控制照明的合閘或分閘，此時不執(zhí)行來自PLC的控制命令。自動模式下，照明控制箱執(zhí)行來自PLC控制系統(tǒng)的啟閉控制命令。

（2）風(fēng)機(jī)監(jiān)控

風(fēng)機(jī)設(shè)備由溝內(nèi)的溫濕度、氧氣濃度、有害氣體濃度、火災(zāi)警情控制。

PLC控制系統(tǒng)控制防火分區(qū)的風(fēng)機(jī)啟停，能自動、遠(yuǎn)距離手動和就地手動控制，控制級別為近高遠(yuǎn)低、手動高于自動。當(dāng)某一防火分區(qū)的溫度超過40℃、或氧氣含量低于19%或CO/CH4濃度高于設(shè)定值或24小時周期內(nèi)規(guī)定的某些時段時，PLC系統(tǒng)啟動相應(yīng)區(qū)的風(fēng)機(jī)，直至各監(jiān)測參數(shù)恢復(fù)正常數(shù)值。

管溝內(nèi)發(fā)生火災(zāi)并確認(rèn)后，火災(zāi)報警系統(tǒng)指令自動開啟和停止通風(fēng)機(jī)運(yùn)行。此時，火災(zāi)報警系統(tǒng)指令可以屏蔽PLC控制系統(tǒng)指令，以保證各消防設(shè)備在消防控制系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)之下。

（3） 排水泵監(jiān)控

各防火分區(qū)集水坑設(shè)置超聲波液位傳感器，液位信號傳入PLC控制系統(tǒng)。

自動模式時，控制系統(tǒng)按集水坑水位自動控制排水泵的運(yùn)行，并監(jiān)測潛水泵的手動/自動、運(yùn)行、故障等狀態(tài)。集水坑上、下限水位停泵、起動泵，一用一備，自動輪換。超高水位時同時開兩臺泵，并報警。

手動模式時，操作水泵控制箱面板上的按鈕，控制水泵的啟動和停止，此時不執(zhí)行來自PLC的控制命令。

4.3 電力監(jiān)測系統(tǒng)

綜合管溝設(shè)溝外箱式配變電站與溝內(nèi)分區(qū)配電柜，各系統(tǒng)回路設(shè)置智能多功能儀表。

PLC控制系統(tǒng)通過RS485總線、多功能儀表對各配電回路的電路、電壓、功率、頻率、功率因數(shù)等電氣參量以及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并能把這些狀態(tài)和數(shù)據(jù)與控制中心電力監(jiān)測工作站通信。在電力監(jiān)測工作站進(jìn)行處理、分析、判斷、顯示和報警，根據(jù)設(shè)備故障的報警類別與等級分為事故報警和預(yù)告報警。除有聲光報警外，還在監(jiān)測工作站的圖控畫面上即時彈出相應(yīng)的報警畫面直至操作人員確認(rèn)。同時系統(tǒng)將事故記入實(shí)時數(shù)據(jù)庫，以便事后的分析與統(tǒng)計。

5 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

為保證綜合管溝管理及運(yùn)行安全，以及進(jìn)入綜合管溝的工作人員的安全，同時考慮到管溝需監(jiān)控的區(qū)域分布比較分散，信息傳輸線路長，管溝采用網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。通過基于網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的遠(yuǎn)程監(jiān)控集中管理軟件系統(tǒng)就可以對綜合管溝實(shí)現(xiàn)全面的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。

每個防火分區(qū)的投料口、進(jìn)風(fēng)室各設(shè)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)一臺，綜合管溝內(nèi)每隔100m均設(shè)有網(wǎng)絡(luò)高速球一臺。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)均采用數(shù)字技術(shù)將視頻圖像數(shù)字化，并通過網(wǎng)絡(luò)接口傳輸至與之對應(yīng)的防火分區(qū)交換機(jī)，再通過光纖網(wǎng)輸送至監(jiān)控中心主交換機(jī)、視頻監(jiān)控工作站、視頻服務(wù)器等。視頻管理工作站用于處理還原視頻畫面，并在監(jiān)視器上顯示。視頻服務(wù)器用于視頻的管理、視頻錄像和視頻存儲，報警信號能立即在指定屏幕中顯示。

6 系統(tǒng)供電

系統(tǒng)供電性質(zhì)按二級負(fù)荷設(shè)計，高壓電源采用環(huán)網(wǎng)供電，引自橫琴新區(qū)專屬的20kV電力電網(wǎng)。選用的雙變壓器（20/0.4kV）按分列運(yùn)行方式（明備用），并采用低壓雙回路（末端切換）放射式供電于每個防火分區(qū)總配電箱。

計算機(jī)控制系統(tǒng)各設(shè)備另設(shè)UPS裝置作為后備電源，后備電源的供電時間為不小于30min。

7 系統(tǒng)接地

系統(tǒng)接地設(shè)專用的接地干線，并在控制中心、防火分區(qū)進(jìn)風(fēng)室設(shè)置專用接地板。專用接地干線從專用接地板引至接地體。

計算機(jī)控制系統(tǒng)接地與管溝內(nèi)電力、火災(zāi)報警系統(tǒng)、各防火分區(qū)總及局部等電位系統(tǒng)接地共用接地裝置。接地裝置利用管溝底板結(jié)構(gòu)主筋，接地電阻≤1Ω。

8 結(jié)束語

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展及市政管線的增加，綜合管溝將是保證城市可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。綜合管溝配置計算機(jī)控制系統(tǒng)，將成為城市現(xiàn)代化建設(shè)的趨勢和潮流，有著廣闊的發(fā)展前景。橫琴新區(qū)綜合管溝計算機(jī)控制系統(tǒng)的建成將成為智能、生態(tài)橫琴島的一個重要組成部分。