周 佳 麟

[施耐德電氣(中國)有限公司工業(yè)事業(yè)部, 上海　200062]

0　引　言

我國正處在城鎮(zhèn)化快速發(fā)展時期,地下基礎設施建設滯后。推進城市地下綜合管廊建設,統(tǒng)籌各類市政管線規(guī)劃、建設和管理,解決反復開挖路面、架空線網(wǎng)密集、管線事故頻發(fā)等問題,能保障城市安全、完善城市功能、美化城市景觀、促進城市集約高效和轉型發(fā)展,有利于提高城市綜合承載能力和城鎮(zhèn)化發(fā)展質(zhì)量。

2015年中央財政支持的綜合管廊10個首批試點城市為包頭、沈陽、哈爾濱、蘇州、廈門、十堰、長沙、海口、六盤水、白銀。2016年中央財政支持的綜合管廊新增15個試點城市為石家莊、四平、杭州、合肥、平潭綜合試驗區(qū)、景德鎮(zhèn)、威海、青島、鄭州、廣州、南寧、成都、保山、海東和銀川。隨著城市經(jīng)濟的快速發(fā)展,綜合管廊建設規(guī)模不足、管理水平不高等問題凸顯,一些城市相繼發(fā)生管線泄漏爆炸、路面塌陷、“馬路拉鏈”等事件,嚴重影響人身、財產(chǎn)安全和城市運行秩序。針對這些問題,綜合管廊是保障城市運行的重要基礎設施和“生命線”。

1　綜合管廊弱電系統(tǒng)

綜合管廊弱電系統(tǒng)也稱為綜合管廊監(jiān)控與報警系統(tǒng),主要由以下部分組成:環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng),火災報警系統(tǒng)(預警與報警系統(tǒng)),安全防范系統(tǒng)(視頻監(jiān)控、入侵報警等),通信系統(tǒng)(有線電話、無線對講等)。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)中的子系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　綜合監(jiān)控系統(tǒng)中的子系統(tǒng)

根據(jù)GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》的要求,綜合管廊每200 m劃分防火分區(qū),環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)在每個防火分區(qū)內(nèi)會設置一臺ACU區(qū)域控制單元,負責綜合管廊現(xiàn)場防火分區(qū)范圍內(nèi)的信號采集、控制信號輸出和遠程通信等任務。一臺ACU通常由可編程邏輯控制器(PLC)、工業(yè)以太網(wǎng)交換機、不間斷電源(UPS)和控制機柜等部分組成。

PLC的主要功能包括如下方面:

(1) 環(huán)境監(jiān)控。PLC通過模擬量或ModBus總線的方式采集每個防火分區(qū)內(nèi)出入口和通風口處安裝的氣體(O2、CH4、H2S)、溫/濕度、水位、水浸等監(jiān)測傳感器的信號,可實現(xiàn)與風機、水泵的自動化控制與對接,并通過工業(yè)以太網(wǎng)將信號傳送到監(jiān)控中心計算機。在監(jiān)控中心控制室顯示屏上以數(shù)字形式顯示每個防火分區(qū)的氧氣百分比含量和溫度/濕度等參數(shù)。

(2) 設備監(jiān)控。PLC對布置在每個防火分區(qū)內(nèi)的排水泵、照明、風機、風道閥門、紅外入侵報警裝置、環(huán)境溫度/濕度/氧檢測儀表等儀表和設備進行數(shù)據(jù)采集,監(jiān)測集水井內(nèi)液位上限報警信號,實現(xiàn)遠程控制風機水泵的開停及相應防火分區(qū)內(nèi)照明設備總開關的分合。

(3) 電力監(jiān)控。變電所的電力儀表可以通過ModBus總線形式接入PLC,電流、電壓等信號經(jīng)由PLC傳送監(jiān)控中心計算機,實現(xiàn)對供配電系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。

PLC是綜合管廊環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)的核心組件,在產(chǎn)品選型上應優(yōu)先選用符合工業(yè)使用環(huán)境、抗干擾和耐環(huán)境能力強、安全穩(wěn)定可靠的工業(yè)級控制器產(chǎn)品。

2　綜合管廊PLC的三種常用架構

根據(jù)現(xiàn)在綜合管廊客戶的使用習慣以及設計院的設計要求,結合綜合管廊的應用特點,綜合管廊環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)有以下三種常用PLC架構。

(1) 第一種常用架構,常規(guī)單機PLC方案,即在各分變電所/人員出入口(通常合建)、各防火分區(qū)均設置一套PLC。有時為了體現(xiàn)變電所/人員出入口的重要性,PLC會要求采用冗余PLC。代表管廊項目有蘇州吳中太湖新城綜合管廊項目、北京大興機場工作區(qū)綜合管廊項目、景德鎮(zhèn)昌南拓展區(qū)綜合管廊項目等,這種PLC架構占到60%。

(2) 第二種常用架構,異地冗余PLC方案,即在分變電所設置半套冗余PLC,與相鄰的分變電所的另半套冗余PLC通過光纖連接,構成一套完整的異地冗余PLC,而在防火分區(qū)內(nèi)設置遠程I/O站,分變電所的異地冗余PLC通過以太環(huán)網(wǎng)將分變電所供電范圍內(nèi)的防火分區(qū)遠程I/O站連接在一起,實現(xiàn)統(tǒng)一的遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。代表管廊項目有合肥高新區(qū)綜合管廊項目、上海南匯新城綜合管廊項目、吉安君華大道綜合管廊項目等,這種PLC架構約占到20%。

(3) 第三種常用架構與第二種類似,兩個分變電所同樣采用異地冗余PLC,但在遠程I/O站方面,為現(xiàn)場每臺設備均單獨設置遠程站,如排水泵遠程站、排風機遠程站、風閥遠程站等。代表管廊項目有赤峰中心城區(qū)綜合管廊項目、南京江北新區(qū)綜合管廊項目、西寧綜合管廊項目等,這種PLC架構約占到10%。

3　施耐德Modicon PLC在綜合管廊的應用

施耐德Modicon PLC能夠提供不同的技術方案用于滿足以上三種常見的PLC架構,同時其具備如下特點也能充分滿足綜合管廊對PLC的技術要求:

(1) 采用最先進的嵌入式雙核Cortex A9 RISC微處理器。

(2) 高達64 MB集成內(nèi)存保障,控制能力更強。

(3) 高速的通信、應用程序和指令執(zhí)行。

(4) 創(chuàng)新的機電設計提供高于IEC標準規(guī)約的EMC性能和魯棒性。

(5) 支持寬溫環(huán)境運行(-25 ℃～+70 ℃/-13 ℉～+158 ℉)。

(6) 異地冗余最遠距離可達15 km。

(7) 不同系列PLC采用統(tǒng)一的IO模塊,且所有模塊支持帶電熱插拔。

(8) 產(chǎn)品通過國家信息安全認證。

施耐德Modicon PLC自動化平臺將工業(yè)以太網(wǎng)技術的諸多優(yōu)勢集于一身,從而確保不同控制層級之間、各系統(tǒng)之間和系統(tǒng)內(nèi)設備之間協(xié)同工作更順暢、更高效。

Modicon PLC在多年不斷積累的基礎上,面向未來工業(yè)自動化控制需求推出集開放靈活、穩(wěn)定可靠于一身的新一代高端控制器,包括專業(yè)關注冗余控制解決方案的高可用型控制器Modicon昆騰+和應用于單機控制應用需求的標準型控制器Modicon M580。

昆騰+PLC異地冗余架構如圖2所示。

圖2　昆騰+PLC異地冗余架構

Modicon PLC在模塊化工業(yè)可編程自動化控制器運行穩(wěn)定、可靠的基礎上,引入開放性更好的以太網(wǎng)通信技術,支持ModBus和Ethernet兩種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。通過全面開放的以太網(wǎng)架構,為不同系統(tǒng)設計時需要的不同產(chǎn)品的高效互聯(lián)提供全面的支持。同時,更全面的安全保障策略也讓系統(tǒng)的用戶更安心。

施耐德電氣Modicon系列PLC產(chǎn)品如圖3所示。

圖3　施耐德電氣Modicon系列PLC產(chǎn)品

施耐德Modicon系列PLC技術優(yōu)勢如下:

(1) 控制響應時間不大于1 s?？刂祈憫獣r間為監(jiān)控中心綜合監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出命令到弱電間PLC輸出動作的時間。

(2) 信息響應時間不大于1 s。信息響應時間為弱電間PLC系統(tǒng)輸入模塊接受狀態(tài)信號到監(jiān)控中心綜合監(jiān)控系統(tǒng)正常顯示的時間。

(3) 系統(tǒng)整體實現(xiàn)的顯示精度要求模擬量的顯示精度不低于1級(在合理的顯示范圍或儀表的量程內(nèi)),溫度的分辨率不低于0.2 ℃。

(4) 系統(tǒng)主要單臺設備平均無故障時間(MTBF)>50萬h。

(5) 系統(tǒng)故障恢復時間(MTTR)<30 min。

(6) 系統(tǒng)不因單點設備故障,影響整個系統(tǒng)的正常運轉。

(7) 系統(tǒng)顯示設備的圖形更新和數(shù)據(jù)更新響應時間小于1 s,在外界電磁場和靜電干擾下不會出現(xiàn)任何畫面跳動和擾動。

(8) 當電源供應中斷后再恢復運作時,PLC、網(wǎng)絡通信設備能自動重新起動,并在120 s內(nèi)恢復正常運行。

(9) 當接收到由火災報警系統(tǒng)發(fā)出的火災報警信號后,相關的控制命令在1 s內(nèi)控制相關的消防模式進行聯(lián)動,并返回信息。

(10) 系統(tǒng)具有抗電磁干擾能力,滿足相關的標準和規(guī)范要求。

(11) 系統(tǒng)可抵抗無線電頻率為150 kHz至30 MHz中的接觸性干擾或滿足國家相關的標準和規(guī)范要求。

(12) 開放性:網(wǎng)絡符合完全開放的、國際公認的網(wǎng)絡標準協(xié)議,如IEC 61158、IEEE 802.3、10Base T、100Base TX等。

(13) 實時性:網(wǎng)絡具備高度實時性,刷新時間、I/O數(shù)據(jù)的傳送時間有保證。

(14) 信息傳輸服務:控制層設備提供方便的接入端口,無論從任何一點接入,都應方便地支持編程上傳/下載、系統(tǒng)診斷和數(shù)據(jù)采集功能,且不需要復雜的編程或特殊的軟硬件支持,同時不影響實時信息傳輸性。

4　施耐德電氣在綜合管廊的優(yōu)勢

(1) 為綜合管廊提供整體解決方案。施耐德電氣擁有最為完整的監(jiān)控軟件、配電產(chǎn)品和自動化產(chǎn)品,能為綜合管廊提供從監(jiān)控中心到配電系統(tǒng),再到環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)的整體解決方案。

施耐德電氣擁有的相關產(chǎn)品如圖4所示。

施耐德電氣為綜合管廊提供的整體解決方案如圖5所示。

圖4　施耐德電氣擁有的相關產(chǎn)品

圖5　施耐德電氣為綜合管廊提供的整體解決方案

(2) 為綜合管廊客戶量身定制多種服務。作為供應商,施耐德電氣既能夠提供產(chǎn)品,也可以提供控制柜和配電柜的盤柜集成服務,并結合綜合管廊客戶實際需求,提供自控系統(tǒng)程序編程和現(xiàn)場調(diào)試服務。

(3) 實現(xiàn)綜合管廊現(xiàn)場數(shù)據(jù)透明傳輸。Modicon系列PLC產(chǎn)品的設計基于開放的以太網(wǎng)技術,從而有效地優(yōu)化設備互聯(lián)和通信,強大的控制器提供更高水平的復雜網(wǎng)絡通信、顯示和應用控制的處理能力。實現(xiàn)從監(jiān)控中心到現(xiàn)場設備E網(wǎng)到底全部通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)透明通信。

Modicon系列PLC產(chǎn)品實現(xiàn)綜合管廊現(xiàn)場數(shù)據(jù)透明傳輸如圖6所示。

圖6　Modicon系列PLC產(chǎn)品實現(xiàn)綜合管廊現(xiàn)場數(shù)據(jù)透明傳輸

5　結　語

施耐德Modicon PLC能夠提供不同的技術方案以滿足三種常見的PLC架構,通過開放的以太網(wǎng)架構,為不同系統(tǒng)設計中需要的不同產(chǎn)品的高效互聯(lián)提供全面的支持,在綜合管廊弱電系統(tǒng)中具有很大的優(yōu)勢。