淺析城市綜合管廊弱電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

史艷玲

（南昌市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院）

淺析城市綜合管廊弱電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

史艷玲

（南昌市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院）

城市綜合管廊是城市現(xiàn)代化的基礎(chǔ)設(shè)施，管廊內(nèi)不僅包含自來水、煤氣、電力、電信管線而且自身使用的動(dòng)力、照明排水等設(shè)備繁多。既要考慮到綜合管廊的管理成本，也要考慮到管理水平和管理質(zhì)量。通過分析綜合管廊的實(shí)際情況，將建立一套安全可靠、功能齊全、先進(jìn)適用的管廊綜合監(jiān)控系統(tǒng)。

綜合管廊；監(jiān)控系統(tǒng)；設(shè)備監(jiān)控；環(huán)境監(jiān)控；中央計(jì)算機(jī)

弱電系統(tǒng)設(shè)計(jì)：

本文以某管廊為例，介紹管廊的弱電設(shè)計(jì)情況。

本設(shè)計(jì)采用現(xiàn)代化的自動(dòng)監(jiān)控設(shè)備和中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)建城市管廊綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)無人值守，控制中心集中監(jiān)控。

該管廊采用綜合倉+電力倉的全封閉雙倉構(gòu)造，單倉全長(zhǎng)3656m，整個(gè)管廊涉及21個(gè)交叉口管廊及接戶管廊。考慮人員正常和緊急出入，設(shè)備材料進(jìn)出及管廊內(nèi)通風(fēng)，整個(gè)管廊設(shè)置2個(gè)正常出入口，18個(gè)逃生口、18個(gè)投料口以及19個(gè)機(jī)械排風(fēng)口。

1　總體需求

監(jiān)控系統(tǒng)主要針對(duì)綜合管廊內(nèi)的各種設(shè)備，采集管理所需的各類數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、狀態(tài)集中顯示、數(shù)據(jù)檢測(cè)等功能。對(duì)外場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行遙控、遙信和遙測(cè)功能，從而達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化、節(jié)能、環(huán)境控制、科學(xué)管理、合理應(yīng)用等目的。為提高管理效率與服務(wù)質(zhì)量，降低運(yùn)營成本提供可靠保證。最終達(dá)到如下目標(biāo)：

（1）在常態(tài)下：管廊內(nèi)安全順暢，環(huán)境適宜，各系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行正常、科學(xué)節(jié)能；

（2）在發(fā)生各種事件狀態(tài)下：事件檢測(cè)迅速準(zhǔn)確，反應(yīng)快速合理，能最大程度降低事件所引起的負(fù)面后果，減少生命財(cái)產(chǎn)損失。

2　設(shè)計(jì)原則

2.1環(huán)境管理

（1）管理人員能實(shí)時(shí)掌握管廊內(nèi)各種環(huán)境參數(shù)，包括管廊內(nèi)各分區(qū)的溫度、濕度、氧氣含量、水位及爆管等環(huán)境參數(shù)，并通過閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)整個(gè)管廊進(jìn)行圖像監(jiān)視。

（2）管理人員能迅速發(fā)現(xiàn)管廊內(nèi)發(fā)生的環(huán)境惡劣、爆管、火災(zāi)等事件，并能夠再現(xiàn)事件前后一段事件（至少1min）的錄像，以供分析。

（3）管理人員能及時(shí)獲知影響管廊環(huán)境的其它相關(guān)系統(tǒng)的事件。

（4）針對(duì)所有以上獲取的信息，能對(duì)管廊內(nèi)，以及即將進(jìn)入管廊的人員進(jìn)行相應(yīng)的控制。所執(zhí)行的控制方案應(yīng)該能自動(dòng)生成，由管理人員確認(rèn)，或直接由管理人員根據(jù)具體情況制定，并且能通過相關(guān)控制設(shè)備準(zhǔn)確及時(shí)地給受困人員提供誘導(dǎo)信息。對(duì)設(shè)備的控制可以在中央控制室集中遙控，也可以在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)控制。實(shí)時(shí)圖像的顯示能根據(jù)發(fā)生事件進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。應(yīng)該能自動(dòng)屏蔽錯(cuò)誤的人工控制命令。

（5）管理人員能對(duì)歷史事件、數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。包括：環(huán)境歷史數(shù)據(jù)資料的查詢、統(tǒng)計(jì)、分析，人機(jī)對(duì)話記錄、系統(tǒng)故障處理，并且能用圖形、表格形式打印。

2.2設(shè)備管理

設(shè)備管理主要有通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)、排水系統(tǒng)的水泵，供配電系統(tǒng)的高、低壓開關(guān)柜，照明系統(tǒng)的控制柜、燈具，消防系統(tǒng)的氣體滅火裝置等。

（1）實(shí)時(shí)掌握各管理設(shè)備的狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)。

（2）實(shí)時(shí)關(guān)注設(shè)備運(yùn)行的條件參數(shù)，包括管廊各分區(qū)的溫度、濕度、集水坑液位等。

（3）根據(jù)以上獲取的信息，能對(duì)管廊相關(guān)設(shè)備進(jìn)行人工和自動(dòng)控制。設(shè)備運(yùn)行的條件參數(shù)超越預(yù)先設(shè)定值時(shí)，應(yīng)通過聲光報(bào)警方式提醒管理人員。

（4）對(duì)歷史進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3　系統(tǒng)組成

為實(shí)現(xiàn)管廊一體化集中管理，根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則，監(jiān)控系統(tǒng)將建立統(tǒng)一的中央控制室，并組成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，主要是由以下3個(gè)系統(tǒng)組成。

（1）中央計(jì)算機(jī)分系統(tǒng)；

（2）設(shè)備監(jiān)控分系統(tǒng)（含風(fēng)機(jī)控制、水泵控制、照明控制、環(huán)境及非法入侵等信號(hào)的采集）；

（3）環(huán)境監(jiān)控分系統(tǒng)。

3.1中央計(jì)算機(jī)分系統(tǒng)功能

（1）在控制中心實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控、集中管理，實(shí)現(xiàn)管廊設(shè)備及人員的一體化管理，確保管廊內(nèi)環(huán)境適宜、設(shè)備及人員安全；

（2）管廊內(nèi)相關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙測(cè)、遙控和遙信；

（3）管廊內(nèi)的供電系統(tǒng)實(shí)行監(jiān)控優(yōu)化管理；

（4）實(shí)時(shí)分析記錄管廊環(huán)境情況，聯(lián)動(dòng)相應(yīng)設(shè)備，改善管廊環(huán)境狀況；

（5）實(shí)現(xiàn)全區(qū)及各分區(qū)的通信功能，正確、及時(shí)地傳輸管廊內(nèi)外的信息，協(xié)調(diào)與相關(guān)部門實(shí)時(shí)通訊；

（6）使用多級(jí)、多功能、多系統(tǒng)集成的中央機(jī)網(wǎng)絡(luò)，完成智能監(jiān)控、操作、維護(hù)、通信、資源共享等功能。系統(tǒng)具有降級(jí)使用功能；

（7）高速、實(shí)時(shí)、可靠地檢測(cè)管廊內(nèi)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境情況以及各種事故、災(zāi)情，掌握各類管理信息，作出及時(shí)有效的措施，抵御災(zāi)害，把損失降至最低；

（8）為將來實(shí)現(xiàn)管廊統(tǒng)一管理預(yù)留網(wǎng)絡(luò)通信接口。將管廊的環(huán)境及運(yùn)行信息向上級(jí)監(jiān)控中心上傳送信息，并接收其下載的控制信息。

3.2設(shè)備監(jiān)控分系統(tǒng)

設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)主要針對(duì)管廊內(nèi)和管理房?jī)?nèi)的各種用電設(shè)備，采集管理所需的各類數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、狀態(tài)集中顯示、數(shù)據(jù)檢測(cè)等功能。對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行遙控、遙信和遙測(cè)功能，對(duì)全管廊實(shí)現(xiàn)電力調(diào)度自動(dòng)化，從而達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化、節(jié)能、環(huán)境控制科學(xué)管理、合理應(yīng)用等目的。

3.2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)是集合了先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、工業(yè)控制設(shè)備、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)等為一體的先進(jìn)的管廊設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。關(guān)鍵設(shè)備采用冗余配置，以增加系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

整個(gè)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)區(qū)域及功能劃分，主要包括3套雙機(jī)熱備冗余區(qū)域控制器ACU01、ACU02、ACU03分別負(fù)責(zé)綜合倉、電力倉和聯(lián)動(dòng)控制。

ACU01下掛綜合倉20個(gè)分區(qū)的以太網(wǎng)遠(yuǎn)程I/O站（ERIO站），ACU02下掛電力倉20個(gè)分區(qū)的遠(yuǎn)程I/O站，ACU03下掛管理房的遠(yuǎn)程I/O站。

雙機(jī)熱備主控單元：

雙機(jī)熱備主控單元是雙機(jī)架硬件級(jí)熱備產(chǎn)品，由主、備兩個(gè)機(jī)架，兩套完整獨(dú)立的、配置完全一樣的系統(tǒng)構(gòu)成，通過熱備光纖連接構(gòu)成熱備系統(tǒng)。每套配置如下：

（1）機(jī)架——雙機(jī)架結(jié)構(gòu)；

（2）電源模塊——1：1冗余；

（3）CPU模塊——1：1冗余；

（4）以太網(wǎng)模塊——1：1冗余；

（5）ERIO通訊處理器模塊——1：1冗余。

2套系統(tǒng)通過熱備光纖連接構(gòu)成完整的熱備系統(tǒng)。

通過主備機(jī)架上的ERIO通訊處理器模塊與各ERIO站上的ERIO適配器模塊通訊，與各ERIO子系統(tǒng)通訊連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視。

主控制器執(zhí)行應(yīng)用程序，控制ERIO，在每次掃描（程序周期）之后更新備用控制器。如果主控制器故障，備用控制器在一個(gè)掃描周期內(nèi)將起控制作用，主備狀態(tài)自動(dòng)切換。根據(jù)控制器上液晶顯示屏上顯示的控制器狀態(tài)和RIO主站發(fā)光二極管顯示的狀態(tài)，來判斷主控制器是否故障。

CPU為雙處理器結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)同步與程序處理同時(shí)進(jìn)行，數(shù)據(jù)交換和冗余切換不影響掃描周期。處理器上集成高速同步光纖口，通過熱備光纖直接連接兩個(gè)CPU模板，進(jìn)行熱備冗余數(shù)據(jù)交換，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸速度快。冗余系統(tǒng)配置要求安裝簡(jiǎn)單，支持即插即備式的冗余，所有的默認(rèn)數(shù)據(jù)都進(jìn)行交換，無需用戶專門配置。

冗余切換時(shí)，以太網(wǎng)模塊地址應(yīng)自動(dòng)切換，對(duì)過程管理計(jì)算機(jī)無任何擾動(dòng)；遠(yuǎn)程I/O通訊處理器控制權(quán)應(yīng)自動(dòng)切換，對(duì)ERIO無任何擾動(dòng)。

ERIO子系統(tǒng)：

采用基于Enthnet/IP的遠(yuǎn)程I/O體系結(jié)構(gòu)解決方案——ERIO子系統(tǒng)。

ERIO構(gòu)架是一個(gè)可擴(kuò)展、靈活、集成且協(xié)作性的系統(tǒng)，可滿足許多不同類型用戶的系統(tǒng)擴(kuò)展需求。ERIO構(gòu)架，采用基于Enthnet/IP通訊協(xié)議的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可通過同軸電纜或光纖與主控單元進(jìn)行I/O擴(kuò)展，同軸電纜距離擴(kuò)展為每個(gè)ERIO站100m，運(yùn)用光纖可以擴(kuò)展到2～15km。

本方案采用單模光纖作為通訊介質(zhì)，以機(jī)架安裝的光纖模塊作為通訊介質(zhì)連接板。主控單元的光纖模塊安裝在本地?cái)U(kuò)展機(jī)架上，ERIO的光纖模塊安裝在各ERIO子系統(tǒng)機(jī)架上，位置緊靠遠(yuǎn)程I/O適配器模塊，各NRP模塊采用逐級(jí)連接的方式，構(gòu)成一個(gè)完整的環(huán)形光纖熱備冗余控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

控制設(shè)備具有自診斷功能，維修簡(jiǎn)便，并設(shè)置人機(jī)界面，當(dāng)系統(tǒng)中有故障時(shí)能及時(shí)準(zhǔn)確的報(bào)警，當(dāng)上位中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)設(shè)備能降級(jí)使用。整體上，系統(tǒng)具有開放性、可靠性、先進(jìn)性和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，并具有實(shí)時(shí)高速可靠的檢測(cè)整個(gè)管廊內(nèi)的各種狀態(tài)，以及檢測(cè)和預(yù)告事故、災(zāi)情的能力。

各控制器的I/O及通訊接口考慮20%的備用量。

3.2.2系統(tǒng)總體功能

（1）達(dá)到設(shè)備、環(huán)境及安防監(jiān)控、防災(zāi)減災(zāi)、統(tǒng)一管理的功能。

（2）對(duì)管廊內(nèi)相關(guān)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、狀態(tài)集中顯示、數(shù)據(jù)檢測(cè)等工作并達(dá)到自動(dòng)化操作、節(jié)能、配合環(huán)境控制等目的。

（3）對(duì)管廊內(nèi)的能源系統(tǒng)實(shí)行監(jiān)控，滿足管廊動(dòng)力、照明及其它設(shè)備用電正常供給。

（4）及時(shí)反映管廊內(nèi)環(huán)境情況，對(duì)于災(zāi)害（如火災(zāi)，爆管）能實(shí)時(shí)判斷和報(bào)警，聯(lián)動(dòng)相應(yīng)設(shè)備，抵御災(zāi)害，把損失降到最低。

（5）實(shí)現(xiàn)管廊內(nèi)全區(qū)及相關(guān)區(qū)域的通信功能，正確、及時(shí)地傳輸管廊內(nèi)外的信息。實(shí)現(xiàn)本管廊與相關(guān)整體管廊網(wǎng)絡(luò)上協(xié)調(diào)管理，數(shù)據(jù)通信應(yīng)具有快速、有效、準(zhǔn)確具強(qiáng)抗干擾的能力。

3.3環(huán)境監(jiān)控分系統(tǒng)

3.3.1系統(tǒng)概述

本工程環(huán)境監(jiān)控主要涉及到管廊內(nèi)的溫濕度、氧含量、積水及爆管監(jiān)測(cè)等。通過在地下管廊內(nèi)配置相應(yīng)的傳感器及變送器，將測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA電流信號(hào)，送入對(duì)應(yīng)防火分區(qū)的ERIO遠(yuǎn)程控制站中，進(jìn)入設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)并傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，通過配套的綜合管理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過軟件對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的地理位置、測(cè)量值或工作狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)采集，如出現(xiàn)異常，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成報(bào)警（聲光報(bào)警、短信報(bào)警、郵件報(bào)警可選），第一時(shí)間通知到相關(guān)人員，將可能出現(xiàn)的險(xiǎn)情消滅在萌芽狀態(tài)，避免造成大的經(jīng)濟(jì)損失及影響管廊的正常工作。

3.3.2系統(tǒng)功能

系統(tǒng)通過溫濕度監(jiān)測(cè)儀、氧氣監(jiān)測(cè)儀、超聲波液位計(jì)、液位開關(guān)等沿線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲取管廊內(nèi)各分區(qū)的環(huán)境參數(shù)，經(jīng)ERIO遠(yuǎn)程控制站采集、經(jīng)區(qū)域控制器預(yù)處理，經(jīng)光環(huán)網(wǎng)送至中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)，同時(shí)存入數(shù)據(jù)庫中。

考慮到環(huán)境監(jiān)控與設(shè)備監(jiān)控的關(guān)聯(lián)性，環(huán)境監(jiān)控不單獨(dú)設(shè)控制系統(tǒng)，所有信號(hào)進(jìn)入設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)除承擔(dān)環(huán)境監(jiān)控的任務(wù)外，還作為設(shè)備監(jiān)控的判斷條件參與通風(fēng)設(shè)備控制及排水設(shè)備的控制。

3.3.3設(shè)備功能

（1）溫濕度監(jiān)測(cè)：在每段綜合管廊的防火分區(qū)兩端（離通風(fēng)口10m左右）及中間設(shè)置溫濕度儀，檢測(cè)綜合管廊內(nèi)的濕度。經(jīng)區(qū)域控制器送中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)，在實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)控的同時(shí)參與通風(fēng)設(shè)備控制。溫濕度監(jiān)測(cè)儀按按40個(gè)防火分區(qū)，每個(gè)區(qū)域3套配置，21個(gè)入戶或交叉管廊各設(shè)1套，共計(jì)141套。

（2）氧氣監(jiān)測(cè)：在每段綜合管廊的防火分區(qū)內(nèi)每50m設(shè)1臺(tái)氧檢測(cè)儀，監(jiān)測(cè)綜合管廊內(nèi)的氧氣含量。經(jīng)區(qū)域控制器送中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)，在實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)控的同時(shí)參與通風(fēng)設(shè)備控制。氧氣監(jiān)測(cè)儀按按40個(gè)防火分區(qū)，每個(gè)區(qū)域3套配置，21個(gè)入戶或交叉管廊各設(shè)1套，共計(jì)141套。

（3）水位監(jiān)測(cè)：在每段綜合管廊的防火分區(qū)內(nèi)的積水坑配置一套超聲波液位計(jì)，水位信號(hào)即作為排水泵控制依據(jù)，又作為爆管后的水位測(cè)量及報(bào)警。經(jīng)區(qū)域控制器送中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)，在實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)控的同時(shí)參與排水設(shè)備控制。超聲波液位計(jì)按47個(gè)集水坑，每個(gè)集水坑1套配置，共計(jì)47套。

（4）爆管監(jiān)測(cè)：在每段綜合管廊的防火分區(qū)內(nèi)地坪低處安裝液位開關(guān)，報(bào)警液位離地坪30cm，用以水管爆管事故發(fā)生時(shí)管廊內(nèi)水位上升報(bào)警。經(jīng)區(qū)域控制器送中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)，在實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)控的同時(shí)參與排水設(shè)備控制。液位開關(guān)按40個(gè)防火分區(qū)及21個(gè)入戶或交叉管廊，每個(gè)區(qū)域1套配置，共計(jì)61套。

4　結(jié)束語

通過對(duì)管廊分析與設(shè)計(jì)，組成管廊整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)備，環(huán)境等監(jiān)控系統(tǒng)，形式完善的后臺(tái)管理系統(tǒng)，建立統(tǒng)一的中央控制室監(jiān)控系統(tǒng)。隨著以后城市管廊應(yīng)用越來越普遍，該類設(shè)計(jì)會(huì)更加廣泛的進(jìn)入到我們的設(shè)計(jì)工作，在科技快速發(fā)展的今天，希望這篇簡(jiǎn)文能對(duì)管廊弱電設(shè)計(jì)有所幫助。

[1]《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》（GB50838-2015）.

[2]《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50016-2014）.

[3]《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50116-2013）.

TU994

A

1673-0038（2015）48-0078-03

2015-11-10

史艷玲（1965-），女，高級(jí)工程師，本科，主要從事電氣設(shè)計(jì)工作。