韓歡慶

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘 要：從網(wǎng)絡(luò )拓撲結構、開(kāi)放式實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議、控制層系統配置方面介紹了綜合管廊的系統網(wǎng)絡(luò )架構設計，分析了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )特性，闡述了基于HTML5架構所能實(shí)現的功能的初步構想，以便于綜合管廊運維人員巡檢，確保管廊本體安全。

關(guān)鍵詞：綜合管廊；網(wǎng)絡(luò )架構設計；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )；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。區域控制器負責所在片區的綜合監控任務(wù)及數據處理，將現場(chǎng)采集到的數據上傳，同時(shí)下發(fā)上位的控制指令。因此，對產(chǎn)品的穩定性、可靠性、環(huán)境耐受性提出很高的要求。根據國家標準規定，綜合管廊自動(dòng)化控制主要包含七大系統：消防系統，通風(fēng)系統，供電系統，照明系統，監控與報警系統，排水系統，標示系統。實(shí)際應用中，根據以上七大系統，每個(gè)區域控制器(ACu)需要對本區域的信息進(jìn)行采集，并且控制本區域內的相關(guān)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(fēng)，包括通風(fēng)機開(kāi)啟、關(guān)閉狀態(tài)以及運行故障；照明，照明系統運行工況；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、電源進(jìn)線(xiàn)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(fēng)，通風(fēng)機開(kāi)啟、關(guān)閉；照明，照明系統；排水，排水泵啟動(dòng)、停止；供電，其他設備供電。

1 系統網(wǎng)絡(luò )架構設計

綜合管廊控制系統的可靠性要求高，且現場(chǎng)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(shí)控制系統還需要有靈活的結構，以便于后期系統的擴展，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，所以對綜合管廊自控系統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網(wǎng)絡(luò )架構。

1.1網(wǎng)絡(luò )拓撲結構

一般，綜合管廊系統架構可分為如下三類(lèi)。

(1)傳統離散型網(wǎng)絡(luò )架構。每個(gè)ACu均配置PLc，再由交換機組成環(huán)網(wǎng)。傳統離散型網(wǎng)絡(luò )架構如圖1所示。

圖1 傳統離散型網(wǎng)絡(luò )架構

這種網(wǎng)絡(luò )結構優(yōu)點(diǎn)是可以分散Acu故障風(fēng)險，每個(gè)區域Acu相對獨立，可以單獨完成簡(jiǎn)單邏輯控制；缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò )可擴展性差，設備成本和運維成本高。如果區域Acu損壞，因涉及到編程，需要專(zhuān)業(yè)人員重新下載程序。

（2）中央控制結合遠程IO網(wǎng)絡(luò )架構如圖2所示。

圖2 中央控制結合遠程IO網(wǎng)絡(luò )架構

這種網(wǎng)絡(luò )架構可*大程度節省硬件成本、調試成本、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(diǎn)是中心PLc運行負荷大，風(fēng)險高，網(wǎng)絡(luò )擴展性能也相對較差。

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

圖3 分級式網(wǎng)絡(luò )架構

監控中心冗余PLC+分變電所異地冗余PLC+防火分區Acu遠程IO的分級式網(wǎng)絡(luò )架構兼具以上網(wǎng)絡(luò )架構的優(yōu)點(diǎn)。

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

（2）故障風(fēng)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。但在穩定性上，由于遠程10模塊只處理信號轉換(不做邏輯運算)，在硬件本身的設計上相對簡(jiǎn)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PLc，其發(fā)生故障概率小。又因為采用冗余系統，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Acu遠程IO系統結構，其故障風(fēng)險會(huì )比傳統離散式網(wǎng)絡(luò )架構的穩定性高。

（3）施工成本降低。程序調試時(shí)可以利用對象編程(每個(gè)防火分區功能基本相同)來(lái)減少編程調試人員工作量。工作人員只需要在分變電所冗余PLC上對各個(gè)防火分區完成編程，不需要到每個(gè)防火分區設備間單獨調試，節省編程調試時(shí)間，加快項目進(jìn)度。

（4）降低后期運維成本。在后期運維方面

如果采用離散式結構，若防火分區PLc故障、損壞，則要廠(chǎng)家專(zhuān)業(yè)人員到現場(chǎng)安裝、下載程序、調試設備，運維成本增加，響應時(shí)間延長(cháng)。如果采用遠程IO，若設備損壞，現場(chǎng)的管廊運維人員就可以完成更換操作(只需要拆裝接線(xiàn))，廠(chǎng)家可以通過(guò)遠程調試完成設置?，F場(chǎng)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(luò )擴展性好。根據該網(wǎng)絡(luò )架構，可以

將網(wǎng)絡(luò )劃分與道路客觀(guān)地理情況結合，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)，綜合管廊擴建時(shí)仍可按照該網(wǎng)絡(luò )結構，將增加的道路以路段為環(huán)網(wǎng)單位加人整個(gè)網(wǎng)絡(luò )結構中。因此，網(wǎng)絡(luò )結構可擴展性好，結構層次清晰。

（6）網(wǎng)絡(luò )容錯性好。環(huán)網(wǎng)上的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數越多，網(wǎng)絡(luò )發(fā)生故障的風(fēng)險越高。當環(huán)網(wǎng)兩個(gè)節點(diǎn)以上故障時(shí)，整個(gè)故障節點(diǎn)區間的網(wǎng)絡(luò )設備全部掉線(xiàn)、失聯(lián)。故環(huán)網(wǎng)上節點(diǎn)數越少，環(huán)網(wǎng)故障率越低。對于分變電所異地冗余PLC+防火分區Acu遠程IO網(wǎng)絡(luò )架構，主干網(wǎng)絡(luò )上只有分變電所PLC為網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)(即可以理解為l～2 km設一個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn))，可以把主干網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)數量控制在非常少的范圍內。每個(gè)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(luò )的節點(diǎn)，即每個(gè)子環(huán)網(wǎng)約10個(gè)遠程IO節點(diǎn)。故采用此種架構，可以減少環(huán)形網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數和網(wǎng)絡(luò )負荷降低網(wǎng)絡(luò )故障風(fēng)險。

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

由于存在遠程IO，同時(shí)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數量多，拓撲復雜，故對現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)性有很高的要求。傳統TCP／IP網(wǎng)絡(luò )已成為辦公網(wǎng)絡(luò )統一標準，但由于其協(xié)議本身的缺點(diǎn)，不能作為工業(yè)現場(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)現場(chǎng)環(huán)境得到廣泛應用。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具有數據量小、速度快等特點(diǎn)，主要適用于運動(dòng)控制領(lǐng)域；PROFINET具有數據量大、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，硬件上可以做到“一網(wǎng)到底"，現場(chǎng)光纖環(huán)網(wǎng)可同時(shí)接入視頻信號、電話(huà)信號等網(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(xiàn)標準，可以確保在網(wǎng)絡(luò )傳輸中重要數據的傳輸可靠性。每個(gè)區域內需要將攝像機影像傳送至監控中心。攝像機影像數據與信號采集控制數據特點(diǎn)如表1所示。

表1 攝像機影像數據與信號采集控制數據特點(diǎn)

將PROFINET應用于管廊監控，可以將數據采集、控制信號、視頻影像信號在同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò )傳輸。PROFINET協(xié)議相較于普通以太網(wǎng)協(xié)議具有更高的數據可靠性，確保整個(gè)監控網(wǎng)絡(luò )正常運行。

1.3控制層系統配置

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

(1)監控中心PLc。負責與下層PLc通信，將所有收集數據進(jìn)行匯總，并提供開(kāi)放數據接口，與上位信息系統進(jìn)行通信。一般采用大型冗余PLc，以保證穩定性、可靠性。

(2)防火分區PLC。如采用離散式系統架構，則該PLC負責該防火分區內部數據采集與邏輯運算，并與監控中心PLc進(jìn)行數據交換。由于管廊現場(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0EM工廠(chǎng)客戶(hù)，雖然邏輯功能和處理速度等方面勉強能滿(mǎn)足系統要求，但在構成大型網(wǎng)絡(luò )拓撲的組網(wǎng)性能、對上位信息系統的開(kāi)放性支持及鏈接數量、整個(gè)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(mǎn)足綜合管廊苛刻的環(huán)境及功能要求)。管廊系統龐大，子站多，網(wǎng)絡(luò )結構復雜，整個(gè)項目對防火分區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。

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

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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )特性

綜合管廊同時(shí)需要實(shí)現人員對講、人員定位、設備監控維護等功能，而這些功能都可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現。能否在同一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )下實(shí)現這些功能，避免重復投資浪費，節約成本，成為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )覆蓋首先考慮的因素。

HTML5是*新—代萬(wàn)維網(wǎng)核心語(yǔ)言。Windows、Android、IOS等系統均支持H】['ML5協(xié)議，移動(dòng)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(shù)可以發(fā)布web網(wǎng)頁(yè)(相當于集成在PLC內的人機界面系統)，達到對PLC的監控和診斷維護。利用支持HTML5協(xié)議的移動(dòng)端進(jìn)行PLC的監控和維護，實(shí)現人員定位和對講。

2.1設備監控、維護

利用HTML5編寫(xiě)的網(wǎng)絡(luò )界面下載到PLc中(網(wǎng)絡(luò )界面的內容可根據項目具體情況編輯)，通過(guò)現場(chǎng)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。另外，也可為PLC配備無(wú)線(xiàn)模塊，接入移動(dòng)端(如手機、Pad等)。將PLc發(fā)布的網(wǎng)頁(yè)訪(fǎng)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(huà)面中，從而對PL設備進(jìn)行維護。也可以在畫(huà)面中包含現場(chǎng)儀表、通風(fēng)、照明、給排水、供電等狀態(tài)和控制信號，實(shí)現對現場(chǎng)設備的監控和維護。因此，利用HTML5技術(shù)為每臺PLC節省觸摸屏，同時(shí)方便人員對現場(chǎng)設備進(jìn)行監控和維護。

2.2人員定位

為現場(chǎng)ACu配置無(wú)線(xiàn)模塊，巡檢人員通過(guò)移動(dòng)設備(手機、Pad、智能穿戴設備)接入到現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)中，通過(guò)IP—Tech技術(shù)將巡檢人員連接數據上傳至監控中心實(shí)時(shí)監測巡檢人員的當前位置。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)入到現場(chǎng)PLC的HTML5畫(huà)面中，現場(chǎng)人員通過(guò)移動(dòng)設備訪(fǎng)問(wèn)PLc，從而巡檢人員和監控中心都可了解巡檢人員的實(shí)際位置，在發(fā)生危險情況時(shí)協(xié)助救援和巡檢人員自救。

圖4 巡檢人員定位示意圖

2.3人員對講

巡檢人員的移動(dòng)設備連接無(wú)線(xiàn)模塊的WiFi而進(jìn)入到現場(chǎng)工業(yè)以太網(wǎng)中，通過(guò)手機APP可以實(shí)現實(shí)時(shí)對講，甚至視頻對講，幫助巡檢人員對現場(chǎng)狀況進(jìn)行判斷，并采取正確的處理措施。以上是基于HTML5架構所能實(shí)現的功能的初步構想，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控、能源管理、電氣安全、照明控制、環(huán)境監測于一體，為建立可靠、安全、高效的綜合管廊管理體系提供數據支持，從數據采集、通信網(wǎng)絡(luò )、系統架構、聯(lián)動(dòng)控制和綜合數據服務(wù)等方面的設計，解決了綜合管廊在管理過(guò)程中存在內部干擾性強、使用單位多及協(xié)調復雜的根本問(wèn)題，大大提高了系統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是一個(gè)深度集成的自動(dòng)化平臺，它集成了10KV/O.4KV變電站電力監控系統、變電所環(huán)境監控系統、智能馬達監控系統、電氣火災監控系統、消防設備電源系統、防火門(mén)監控系統、智能照明系統、消防應急照明和疏散指示系統。用戶(hù)可通過(guò)瀏覽器、手機APP獲取數據，通過(guò)一個(gè)平臺即可全局、整體的對管廊用電和用電安全進(jìn)行進(jìn)行集中監控、統一管理、統一調度，同時(shí)滿(mǎn)足管廊用電可靠、安全、穩定、高效、有序的要求。

3.3平臺拓撲

3.4平臺子系統

3.4.1電力監控

電力監控主要針對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(jìn)行保護和監控，對0.4kV出線(xiàn)配置多功能計量?jì)x表，用于測控出線(xiàn)回路電氣參數和用能情況，可實(shí)時(shí)監控高低壓供配電系統開(kāi)關(guān)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、事故報警及記錄等。

3.4.2環(huán)境監測

環(huán)境監測包括溫濕度、煙感溫感、積水浸水、可燃氣體濃度、門(mén)禁、視頻、空調、消防數據的采集、展示和預警，同時(shí)也可接入管廊艙室內的水泵和通風(fēng)排煙風(fēng)機等設備集成的第三方系統完成管廊環(huán)境綜合監控。

3.4.3電氣安全

AcrelEMS-UT能效管理系統針對配電系統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(mén)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(shí)時(shí)顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內阻進(jìn)行實(shí)時(shí)監視，發(fā)生異常時(shí)通過(guò)聲光、短信、APP及時(shí)預警。

3.5相關(guān)平臺部署硬件選型清單

3.5.1電力監控及配電室環(huán)境監控系統

3.5.2電氣火災監控系統

3.5.3消防設備電源監控系統

3.5.4防火門(mén)監控系統

3.5.5消防應急照明和疏散指示系統

介紹了便于綜合管廊運維的系統集成方案，可負責所在片區的綜合監控任務(wù)和數據處理，將現場(chǎng)采集到的數據上傳，下發(fā)上位的控制指令，同時(shí)系統還需要有靈活的結構，以便于后期系統的擴展。4 結語(yǔ)

參考文獻

【1】殷憲飛．BIM技術(shù)在城市綜合管廊運營(yíng)維護階段的應用研究[D]

【2】鄭立寧.羅春燕,王建．綜合管廊智能化運維管理技術(shù)綜述[J]

【3】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05

【4】姬衛東，戴德松. 便于綜合管廊運維的系統集成方案

作者簡(jiǎn)介：韓歡慶，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事智慧管廊監控研究發(fā)展。