便于綜合管廊運(yùn)維的系統(tǒng)集成方案

姬衛(wèi)東,　戴德松

[1.上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司, 上?！?00063;2.南京菲尼克斯電氣有限公司, 江蘇 南京　211100]

0　引　言

綜合管廊的控制部分是保證綜合管廊安全、可靠運(yùn)行的核心。區(qū)域控制器負(fù)責(zé)所在片區(qū)的綜合監(jiān)控任務(wù)及數(shù)據(jù)處理,將現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)上傳,同時(shí)下發(fā)上位的控制指令。因此,對(duì)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,綜合管廊自動(dòng)化控制主要包含七大系統(tǒng):消防系統(tǒng),通風(fēng)系統(tǒng),供電系統(tǒng),照明系統(tǒng),監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng),排水系統(tǒng),標(biāo)示系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用中,根據(jù)以上七大系統(tǒng),每個(gè)區(qū)域控制器(ACU)需要對(duì)本區(qū)域的信息進(jìn)行采集,并且控制本區(qū)域內(nèi)的相關(guān)設(shè)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、CO2、CH4;通風(fēng),包括通風(fēng)機(jī)開(kāi)啟、關(guān)閉狀態(tài)以及運(yùn)行故障;照明,照明系統(tǒng)運(yùn)行工況;給排水,排水泵運(yùn)行工況,積水坑低液位、高液位及超高報(bào)警液位信號(hào),水管上壓力;供電,電壓、電流、功率因數(shù)、電源進(jìn)線信號(hào);安防,紅外對(duì)射裝置報(bào)警信號(hào);攝像機(jī)影像。需要控制的設(shè)備:通風(fēng),通風(fēng)機(jī)開(kāi)啟、關(guān)閉;照明,照明系統(tǒng);排水,排水泵啟動(dòng)、停止;供電,其他設(shè)備供電。

1　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合管廊控制系統(tǒng)的可靠性要求高,且現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境濕度大,存在腐蝕性、可燃性氣體,對(duì)硬件產(chǎn)品品質(zhì)有很高的要求。同時(shí)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(kuò)展,冗余光纖工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)及信息技術(shù)的高度集成也是項(xiàng)目的一個(gè)特點(diǎn)。

綜合管廊是未來(lái)智慧城市重要組成部分,所以對(duì)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(luò)架構(gòu)。

1.1　網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

一般,綜合管廊系統(tǒng)架構(gòu)可分為如下三類(lèi)。

(1) 傳統(tǒng)離散型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。每個(gè)ACU均配置PLC,再由交換機(jī)組成環(huán)網(wǎng)。傳統(tǒng)離散型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是可以分散ACU故障風(fēng)險(xiǎn),每個(gè)區(qū)域ACU相對(duì)獨(dú)立,可以單獨(dú)完成簡(jiǎn)單邏輯控制;缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性差,設(shè)備成本和運(yùn)維成本高。如果區(qū)域ACU損壞,因涉及到編程,需要專(zhuān)業(yè)人員重新下載程序。

圖1　傳統(tǒng)離散型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

(2) 中央控制結(jié)合遠(yuǎn)程IO網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。一個(gè)片區(qū)設(shè)置一個(gè)控制中心,在控制中心中采用冗余PLC控制。每個(gè)ACU均采用遠(yuǎn)程IO形式。中央控制結(jié)合遠(yuǎn)程IO網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2　中央控制結(jié)合遠(yuǎn)程IO網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可最大程度節(jié)省硬件成本、調(diào)試成本、維護(hù)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(yùn)維成本;缺點(diǎn)是中心PLC運(yùn)行負(fù)荷大,風(fēng)險(xiǎn)高,網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性能也相對(duì)較差。

(3) 分級(jí)式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。每1～2 km設(shè)置控制PLC,其間5～10個(gè)ACU采用遠(yuǎn)程IO。這些PLC再組成環(huán)網(wǎng),最終上傳到監(jiān)控中心。分級(jí)式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

圖3　分級(jí)式網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)程IO的分級(jí)式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)兼具以上網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。

(1) 硬件成本降低。將原來(lái)10個(gè)分區(qū)PLC縮減成為2個(gè)冗余PLC,ACU部分替換為遠(yuǎn)程IO,降低硬件成本。

(2) 故障風(fēng)險(xiǎn)降低。一般,與PLC同系列同檔次的遠(yuǎn)程IO接口模塊成本要比PLC低。但在穩(wěn)定性上,由于遠(yuǎn)程IO模塊只處理信號(hào)轉(zhuǎn)換(不做邏輯運(yùn)算),在硬件本身的設(shè)計(jì)上相對(duì)簡(jiǎn)單、牢固、發(fā)熱量小、抗電磁干擾能力強(qiáng),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?yàn)椴捎萌哂嘞到y(tǒng),故障概率進(jìn)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(yuǎn)程IO系統(tǒng)結(jié)構(gòu),其故障風(fēng)險(xiǎn)會(huì)比傳統(tǒng)離散式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的穩(wěn)定性高。

(3) 施工成本降低。程序調(diào)試時(shí)可以利用對(duì)象編程(每個(gè)防火分區(qū)功能基本相同)來(lái)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(duì)各個(gè)防火分區(qū)完成編程,不需要到每個(gè)防火分區(qū)設(shè)備間單獨(dú)調(diào)試,節(jié)省編程調(diào)試時(shí)間,加快項(xiàng)目進(jìn)度。

(4) 降低后期運(yùn)維成本。在后期運(yùn)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,則必須要廠家專(zhuān)業(yè)人員到現(xiàn)場(chǎng)安裝、下載程序、調(diào)試設(shè)備,運(yùn)維成本增加,響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)。如果采用遠(yuǎn)程IO,若設(shè)備損壞,現(xiàn)場(chǎng)的管廊運(yùn)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(guò)遠(yuǎn)程調(diào)試完成設(shè)置?，F(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員不需要具有PLC編程經(jīng)驗(yàn),降低后期運(yùn)維成本,加快故障處理響應(yīng)速度。

(5) 網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性好。根據(jù)該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),可以將網(wǎng)絡(luò)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(luò)。在將來(lái)單條管廊形成路網(wǎng),綜合管廊擴(kuò)建時(shí)仍可按照該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),將增加的道路以路段為環(huán)網(wǎng)單位加入整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。因此,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性好,結(jié)構(gòu)層次清晰。

(6) 網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)性好。環(huán)網(wǎng)上的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)越多,網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)越高。當(dāng)環(huán)網(wǎng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)以上故障時(shí),整個(gè)故障節(jié)點(diǎn)區(qū)間的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備全部掉線、失聯(lián)。故環(huán)網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)數(shù)越少,環(huán)網(wǎng)故障率越低。對(duì)于分變電所異地冗余PLC+防火分區(qū)ACU遠(yuǎn)程IO網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),主干網(wǎng)絡(luò)上只有分變電所PLC為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(即可以理解為1～2 km設(shè)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)),可以把主干網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量控制在非常少的范圍內(nèi)。每個(gè)分變電所冗余PLC下的子環(huán)網(wǎng)只有遠(yuǎn)程IO作為子環(huán)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn),即每個(gè)子環(huán)網(wǎng)約10個(gè)遠(yuǎn)程IO節(jié)點(diǎn)。故采用此種架構(gòu),可以減少環(huán)形網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)和網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷,降低網(wǎng)絡(luò)故障風(fēng)險(xiǎn)。

1.2　開(kāi)放式實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議

由于存在遠(yuǎn)程IO,同時(shí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量多,拓?fù)鋸?fù)雜,故對(duì)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性有很高的要求。傳統(tǒng)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)已成為辦公網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),但由于其協(xié)議本身的缺點(diǎn),不能作為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?；诖朔N需求,近年來(lái)工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境得到廣泛應(yīng)用。目前,主流工業(yè)實(shí)時(shí)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(diǎn),主要適用于運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域;PROFINET具有數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn),特別適用于大型網(wǎng)絡(luò)。采用PROFINET協(xié)議組成網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),硬件上可以做到“一網(wǎng)到底”,現(xiàn)場(chǎng)光纖環(huán)網(wǎng)可同時(shí)接入視頻信號(hào)、電話(huà)信號(hào)等網(wǎng)絡(luò)通信。

PROFINET是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn),可以確保在網(wǎng)絡(luò)傳輸中重要數(shù)據(jù)的傳輸可靠性。每個(gè)區(qū)域內(nèi)需要將攝像機(jī)影像傳送至監(jiān)控中心。攝像機(jī)影像數(shù)據(jù)與信號(hào)采集控制數(shù)據(jù)特點(diǎn)如表1所示。

表1　攝像機(jī)影像數(shù)據(jù)與信號(hào)采集控制數(shù)據(jù)特點(diǎn)

將PROFINET應(yīng)用于管廊監(jiān)控,可以將數(shù)據(jù)采集、控制信號(hào)、視頻影像信號(hào)在同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)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(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)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(lèi)型。

(1) 監(jiān)控中心PLC。負(fù)責(zé)與下層PLC通信,將所有收集數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總,并提供開(kāi)放數(shù)據(jù)接口,與上位信息系統(tǒng)進(jìn)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P(yáng)LC負(fù)責(zé)該防火分區(qū)內(nèi)部數(shù)據(jù)采集與邏輯運(yùn)算,并與監(jiān)控中心PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。由于管廊現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)定位一般為OEM工廠客戶(hù),雖然邏輯功能和處理速度等方面勉強(qiáng)能滿(mǎn)足系統(tǒng)要求,但在構(gòu)成大型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕M網(wǎng)性能、對(duì)上位信息系統(tǒng)的開(kāi)放性支持及鏈接數(shù)量、整個(gè)產(chǎn)品定位及產(chǎn)品所采用的元器件方面均導(dǎo)致該產(chǎn)品在整體性能上不能滿(mǎn)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(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,整個(gè)項(xiàng)目對(duì)防火分區(qū)PLC組網(wǎng)性能、可擴(kuò)展性能上要求極高。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(duì)設(shè)備腐蝕及損害大。故對(duì)在該環(huán)境下運(yùn)行的設(shè)備具有很高的要求。

管廊內(nèi)部需要共同入廊各種線纜,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(fù)雜,要求設(shè)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(shè)備具有良好的電磁兼容性。

2　無(wú)線網(wǎng)絡(luò)特性

綜合管廊同時(shí)需要實(shí)現(xiàn)人員對(duì)講、人員定位、設(shè)備監(jiān)控維護(hù)等功能,而這些功能都可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。能否在同一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下實(shí)現(xiàn)這些功能,避免重復(fù)投資浪費(fèi),節(jié)約成本,成為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋首先考慮的因素。

HTML5是最新一代萬(wàn)維網(wǎng)核心語(yǔ)言。Windows、Android、IOS等系統(tǒng)均支持HTML5協(xié)議,移動(dòng)設(shè)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(shù)可以發(fā)布Web網(wǎng)頁(yè)(相當(dāng)于集成在PLC內(nèi)的人機(jī)界面系統(tǒng)),達(dá)到對(duì)PLC的監(jiān)控和診斷維護(hù)。利用支持HTML5協(xié)議的移動(dòng)端進(jìn)行PLC的監(jiān)控和維護(hù),實(shí)現(xiàn)人員定位和對(duì)講。

2.1　設(shè)備監(jiān)控、維護(hù)

利用HTML5編寫(xiě)的網(wǎng)絡(luò)界面下載到PLC中(網(wǎng)絡(luò)界面的內(nèi)容可根據(jù)項(xiàng)目具體情況編輯),通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行訪問(wèn)。

另外,也可為PLC配備無(wú)線模塊,接入移動(dòng)端(如手機(jī)、Pad等)。將PLC發(fā)布的網(wǎng)頁(yè)訪問(wèn)路徑制作成二維碼,通過(guò)移動(dòng)端APP掃二維碼功能進(jìn)入到PLC監(jiān)控界面。將PLC本體的運(yùn)行狀態(tài)、故障信息等編輯到PLC發(fā)布的Web畫(huà)面中,從而對(duì)PLC設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。也可以在畫(huà)面中包含現(xiàn)場(chǎng)儀表、通風(fēng)、照明、給排水、供電等狀態(tài)和控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控和維護(hù)。

因此,利用HTML5技術(shù)為每臺(tái)PLC節(jié)省觸摸屏,同時(shí)方便人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和維護(hù)。

2.2　人員定位

為現(xiàn)場(chǎng)ACU配置無(wú)線模塊,巡檢人員通過(guò)移動(dòng)設(shè)備(手機(jī)、Pad、智能穿戴設(shè)備)接入到現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線中,通過(guò)IP_Tech技術(shù)將巡檢人員連接數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心,使監(jiān)控中心實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巡檢人員的當(dāng)前位置。巡檢人員定位示意如圖4所示。

進(jìn)一步,可以將管廊實(shí)際地圖以及每套ACU的實(shí)際位置寫(xiě)入到現(xiàn)場(chǎng)PLC的HTML5畫(huà)面中,現(xiàn)場(chǎng)人員通過(guò)移動(dòng)設(shè)備訪問(wèn)PLC,從而巡檢人員和監(jiān)控中心都可了解巡檢人員的實(shí)際位置,在發(fā)生危險(xiǎn)情況時(shí)協(xié)助救援和巡檢人員自救。

圖4　巡檢人員定位示意

2.3　人員對(duì)講

巡檢人員的移動(dòng)設(shè)備連接無(wú)線模塊的WiFi而進(jìn)入到現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)以太網(wǎng)中,通過(guò)手機(jī)APP可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)講,甚至視頻對(duì)講,幫助巡檢人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀況進(jìn)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(shí)現(xiàn)的功能的初步構(gòu)想,便于綜合管廊運(yùn)維人員巡檢,確保管廊本體安全。

3　結(jié)　語(yǔ)

介紹了便于綜合管廊運(yùn)維的系統(tǒng)集成方案,可負(fù)責(zé)所在片區(qū)的綜合監(jiān)控任務(wù)和數(shù)據(jù)處理,將現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)上傳,下發(fā)上位的控制指令,同時(shí)系統(tǒng)還需要有靈活的結(jié)構(gòu),以便于后期系統(tǒng)的擴(kuò)展。