現(xiàn)場總線技術(shù)在人防工程自動化的應(yīng)用研究

【摘要】人防工程是指為保障戰(zhàn)時指揮通暢以及人民群眾生命財產(chǎn)安全的防衛(wèi)工事。目前我國人防工程自動化程度以及信息化程度不高，有待進(jìn)一步提高。本文主要對人防工程自動化控制系統(tǒng)中底層現(xiàn)場設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)的必要性以及底層設(shè)備和接口設(shè)計方案進(jìn)行探討。

【關(guān)鍵詞】人防工程；現(xiàn)場總線；系統(tǒng)設(shè)計

1、引言

人防工程是為保障戰(zhàn)爭時期或其他非常規(guī)時期物資掩蔽以及人員安全而單獨(dú)修建或者依托于地面建筑的地下防護(hù)建筑。我國人防工程的發(fā)展始于上世紀(jì)六十年代末七十年代初，當(dāng)時興起的“深挖洞”的群眾運(yùn)動，各家各戶甚至各單位都在自家房屋地下挖地洞，相互連通，形成四通八達(dá)的地道網(wǎng)。但是這種工程輻射面積較小、質(zhì)量差?，F(xiàn)在，各地政府在建設(shè)人防工程時都會進(jìn)行可行性論證，既要保證戰(zhàn)時防空需要又要考慮到經(jīng)濟(jì)建設(shè)、城市發(fā)展以及人民生活的需要。[1]

在我國整個國防工程體系中人防工程占據(jù)重要地位，同時也是現(xiàn)代城市建設(shè)的重要內(nèi)容。人防工程根據(jù)其戰(zhàn)時用途可以分為指揮通訊、人員掩蔽、醫(yī)院、救護(hù)站、倉庫、車庫等，按平時用途則可以分為商場、游樂場等。伴隨信息技術(shù)、電力電子技術(shù)以及計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，各國人防工程紛紛采用先進(jìn)控制技術(shù)手段，人防工程自動化控制程度不斷提高。[2]目前我國人防工程自動化程度相比其他先進(jìn)國家還有差距，在提高人防工程保障能力和保障水平，節(jié)約能源，降低工程運(yùn)行管理費(fèi)用方面尚有所欠缺。

本文分析了現(xiàn)場總線技術(shù)在人防工程底層設(shè)備鋪設(shè)以及集成方面的應(yīng)用，同時對于其他自動控制技術(shù)以及設(shè)備應(yīng)用進(jìn)行初步的討論。

2、現(xiàn)場總線技術(shù)概述

現(xiàn)場總線（Fieldbus）問世至今不過二三十年，但是從其出現(xiàn)到現(xiàn)在卻經(jīng)歷了迅速的發(fā)展?，F(xiàn)場總線技術(shù)致力于解決現(xiàn)場智能化儀表儀器、控制器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備之間數(shù)字通信以及這些設(shè)備和更高級的控制系統(tǒng)之間的信息傳遞的問題?，F(xiàn)場總線設(shè)備的工作環(huán)境處于過程設(shè)備的底層，承擔(dān)總控系統(tǒng)基礎(chǔ)通訊網(wǎng)絡(luò)，要求其具有協(xié)議簡單、容錯能力強(qiáng)、安全性好和成本低等特點?，F(xiàn)圖1為人防工程現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)圖示。

上圖所示即為人防工程自動化控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)模式，此系統(tǒng)最底層設(shè)備之間連接技術(shù)即為現(xiàn)場總線技術(shù)，此分布式控制系統(tǒng)由現(xiàn)場從站多個節(jié)點子系統(tǒng)構(gòu)成，各子系統(tǒng)組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)類型可以分為樹型、線型、環(huán)型等，采用光纖絞線作為傳輸介質(zhì)。頂層主站可以與Internet實現(xiàn)互聯(lián)，形成或開放或封閉的多選擇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。[3]

3、現(xiàn)場總線技術(shù)在人防工程中的應(yīng)用

人防工程中現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用具有其巨大優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在以下幾點：

（1）現(xiàn)場總線技術(shù)由于其布線方式簡單，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡潔，從而使得系統(tǒng)成本較低，系統(tǒng)調(diào)試以及維護(hù)投資大大降低。

（2）現(xiàn)場總線技術(shù)數(shù)據(jù)響應(yīng)速度快、傳輸可靠、抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

（3）現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用在底層設(shè)備上，從站節(jié)點的設(shè)計專門為了應(yīng)對復(fù)雜的環(huán)境，適用場合較廣。

（4）現(xiàn)場總線技術(shù)不同于其他高層控制技術(shù)，其接口具有高度適用性，可與多種高層控制系統(tǒng)對接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)，系統(tǒng)具有明顯的開放性。

人防工程系統(tǒng)是一個綜合型系統(tǒng)，其主要組成為供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、進(jìn)排風(fēng)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)以及空調(diào)系統(tǒng)等子系統(tǒng)。供配電子系統(tǒng)的作用包括供電以及配電兩個方面，主要負(fù)責(zé)供應(yīng)電力電源以及備用電源，同時負(fù)責(zé)向其他各個子系統(tǒng)配送電力。供配電系統(tǒng)的底層電子設(shè)備主要包括各變壓器、柴油發(fā)電機(jī)組、各高低壓配電柜、計量柜、電容補(bǔ)償柜等，其可靠性要求極高，對于保障人防工程戰(zhàn)時安全運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要。照明系統(tǒng)、給排水、給排風(fēng)系統(tǒng)以及空調(diào)系統(tǒng)的主要作用是維持人防工程內(nèi)部適宜的環(huán)境，確保內(nèi)部人員的生存需要。其底層電子設(shè)備主要包括值班、應(yīng)急、火災(zāi)疏散、安全用等照明設(shè)備，循環(huán)水泵、電動閘閥、給水泵、排水泵等設(shè)備，溫控、濕控以及送風(fēng)量控制設(shè)備，循環(huán)風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)以及排風(fēng)機(jī)，各伺服電動機(jī)等設(shè)備，這些系統(tǒng)是確?；旧嫘枰母荆飨到y(tǒng)之間需要密切配合，因而對于通訊速度以及響應(yīng)速度的要求很高。消防系統(tǒng)主要是指火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，主要包括消防聯(lián)動裝置、警報裝置、喇叭、電動防火門以及防火卷簾門等設(shè)備，消防子系統(tǒng)要求反應(yīng)快速準(zhǔn)確，動作精確，為防止誤報、遲報等情況的發(fā)生，控制系統(tǒng)必須具備響應(yīng)快速的要求。上述各子系統(tǒng)配套設(shè)備輸入/輸出信號多樣，既有數(shù)字量的輸入/輸出，也有模擬量的輸入/輸出，同時包括繼電器信號的輸出等，因而要求控制系統(tǒng)接口必須符合使用要求，具有多樣性或者較強(qiáng)的通用性。

現(xiàn)場總線技術(shù)包括CAN總線Lon Works總線以及RS-485、Modbus協(xié)議等幾種。[4]CAN總線技術(shù)相比于其他幾種現(xiàn)場總線技術(shù)在可靠性方面最高，其通訊方式靈活、具有較高的抗干擾能力，成本較低、傳輸速度快，符合人防系統(tǒng)中三防系統(tǒng)（三種不同的通風(fēng)防護(hù)方式轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)）應(yīng)用要求。Lon Works總線技術(shù)采用多種通信介質(zhì)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多樣，有多種組網(wǎng)方式，編程難度低，由于其成本較高，目前尚無成熟開發(fā)工具，但是由于其高度智能化，因此在人防工程系統(tǒng)的多個子系統(tǒng)諸如進(jìn)排風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)以及消防監(jiān)控系統(tǒng)中均可以采用此種技術(shù)。

另外，在人防系統(tǒng)底層電氣設(shè)備中有相當(dāng)數(shù)量設(shè)備采用RS-485接口，利用RS-485接口強(qiáng)大的抗干擾能力實現(xiàn)較長距離設(shè)備之間快速連接，其結(jié)構(gòu)也相對簡單，成本低廉。RS-485物理接口需要建立適用的高層通訊協(xié)議，Modbus協(xié)議可應(yīng)用于RS-485規(guī)范，作為其接口的高層通訊協(xié)議，完成人防系統(tǒng)子系統(tǒng)中空調(diào)系統(tǒng)和給排水系統(tǒng)中，實現(xiàn)集中監(jiān)控。

人防工程的電氣系統(tǒng)中，PC機(jī)與現(xiàn)場設(shè)備組成分布式監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)中的自動化設(shè)備如智能儀表以及PLC等通常情況下只有RS-232接口，區(qū)別于現(xiàn)場設(shè)備的RS-485接口，因此在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建時應(yīng)當(dāng)充分考慮到兩種接口（RS-232和RS-485）的轉(zhuǎn)換以及對接問題。有學(xué)者提出基于NPort串口服務(wù)器進(jìn)行設(shè)備的智能集成，避免了高層協(xié)議復(fù)雜的影響同時也解決了復(fù)雜接口的連接與轉(zhuǎn)換問題，簡單靈活而且實用經(jīng)濟(jì)。

另外，也有學(xué)者在基于PROFIBUS核心技術(shù)基礎(chǔ)上重新設(shè)計了PROFIBUS-DP從站節(jié)點，現(xiàn)場總線技術(shù)的采用與本文上述選擇基本吻合，同時采用C8051F023微控制器以及通信控制器SPC3作為核心對從站節(jié)點進(jìn)行了一系列設(shè)計，實現(xiàn)了對人防工程現(xiàn)場常見離散量和模擬信號的處理，建立了人防系統(tǒng)底層設(shè)備從站系統(tǒng)模型，并進(jìn)行了驗證。系統(tǒng)設(shè)備安裝完成后，系統(tǒng)的實時性以及整個從站系統(tǒng)一次完整響應(yīng)時間等多項指標(biāo)都進(jìn)行了測試與驗證，結(jié)果表明現(xiàn)場總線技術(shù)在各性能指標(biāo)方面均滿足人防工程底層設(shè)備管理的要求，加之其較低的成本投入，使得現(xiàn)場總線技術(shù)成為人防工程底層設(shè)備管理的甚佳選擇。

4、結(jié)語

本文主要對人防工程底層設(shè)備子系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建進(jìn)行了討論，本文認(rèn)為在人防工程不同子系統(tǒng)中應(yīng)當(dāng)根據(jù)其使用要求、使用環(huán)境以及對于通信質(zhì)量和通訊速度等方面的需求進(jìn)行設(shè)計，并提出適應(yīng)各子系統(tǒng)的幾種總線技術(shù)。在人防工程建設(shè)過程中，尤其是底層電子設(shè)備集成過程的技術(shù)選擇方面，本文在技術(shù)選擇上的指導(dǎo)意義，對于進(jìn)一步提高人防工程自動化程度、保障能力及水平、實現(xiàn)節(jié)約能源等目的具有重要意義。