陳曉勇

摘 要：電力隧道環(huán)境綜合監(jiān)測系統(tǒng)作為保障電力隧道安全、可靠運行的重要信息化、智能化系統(tǒng)，由若干個子系統(tǒng)構成。本文對有毒氣體在線監(jiān)測子系統(tǒng)進行解構和分析，通過分析系統(tǒng)構成、工作原理等，以指導系統(tǒng)方案設計，為系統(tǒng)安裝實施提供參考。

關鍵詞：電力隧道;環(huán)境綜合監(jiān)測系統(tǒng);有毒氣體在線監(jiān)測

中圖分類號：U456.3;U459.9 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）31-0085-03

Integrated Monitoring System for Electric Tunnel Environment

Design and Implementation of Toxic Gas Online Monitoring

CHEN Xiaoyong

（Chongqing Yiwei Technology Co.， Ltd.，Chongqing 40000）

Abstract： As an important information and intelligent system to ensure the safe and reliable operation of power tunnel， the comprehensive monitoring system of power tunnel environment is composed of several subsystems. In this paper， the toxic gas on-line monitoring subsystem was deconstructed and analyzed， through the analysis of system composition， working principle， etc.， to guide the system scheme design， and provide a reference for system installation and implementation.

Keywords： power tunnel;environmental comprehensive monitoring system;toxic gas online monitoring

1 概述

電力隧道環(huán)境綜合監(jiān)測系統(tǒng)一般由電纜本體測溫子系統(tǒng)，電子井蓋防盜報警子系統(tǒng)，視頻監(jiān)控子系統(tǒng)，風機、水泵、燈光聯動控制子系統(tǒng)，有毒氣體監(jiān)測子系統(tǒng)，無線通信子系統(tǒng)，以及電纜本體的局部放電、環(huán)流監(jiān)測子系統(tǒng)等組成。各個子系統(tǒng)既各自實現對應功能，又為一個整體系統(tǒng)平臺服務，且各個子系統(tǒng)的功能互為補充。例如，電子井蓋防盜報警子系統(tǒng)和視頻監(jiān)控子系統(tǒng)互為聯動補充，本文闡述的有毒氣體監(jiān)測子系統(tǒng)和風機聯動控制子系統(tǒng)也互為聯動補充。

電力隧道建設通常處于城市市政管網交叉密布中，往往和市政雨水、污水、排氣等相關通道互為交叉。受大雨影響，污水、雨水排入隧道集水井中沒有及時排出，可能導致隧道滲漏。腐質在集水井中腐敗，產生甲烷、硫化氫等有毒氣體。由于隧道常年處于封閉狀態(tài)，因此，其可能會出現空氣中氧氣含量不足，一氧化碳超標或甲烷、硫化氫等有毒氣體無法及時排出等情況。一旦有檢修人員或臨時施工人員進入隧道，會導致重大安全事故。建設有毒氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)即是為了實時監(jiān)測隧道空氣中有毒氣體含量，并聯動排風系統(tǒng)實時將有毒氣體排除，輸入新風，保障進入隧道人員的人身安全。

2 系統(tǒng)構架

電力隧道有毒氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)作為電力隧道環(huán)境綜合監(jiān)測系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)，主要由四部分構成：前端氣體監(jiān)測數據采集部分、數據傳輸部分、數據分析處理部分和聯動通風部分。

系統(tǒng)工作原理即前端氣體監(jiān)測數據采集部分實時采集信號，并將信號傳輸至管理中心服務器，服務器通過對采集的數據進行分析，做出是否啟動通風設備的決定，并發(fā)出指令啟動通風設備。

2.1 前端氣體監(jiān)測數據采集部分

硫化氫是一種易燃的酸性氣體，無色，濃度較低時有臭雞蛋氣味，有劇毒。一氧化碳在一些工業(yè)可燃性場所時，會與氧氣混合，遇到火源會發(fā)生爆炸。在電力隧道這種相對封閉的環(huán)境中，當一氧化碳達到一定濃度時，會有損人體健康，危害作業(yè)安全，為有毒、有害氣體。甲烷對人基本無毒，但濃度過高時，會使空氣中的氧含量明顯降低，使人窒息。

這三種氣體在封閉空間內和氧氣混合，達到一定濃度時，易燃易爆。因此，這三種氣體濃度較高時，不但對人體有巨大的毒性傷害，還可能導致隧道發(fā)生可燃氣體爆炸，造成重大財產損失。

氣體監(jiān)測數據采集部分由硫化氫氣體探測器、氧氣氣體探測器、一氧化碳氣體探測器、甲烷氣體探測器四種探測器組成。

2.2 數據傳輸部分

系統(tǒng)的傳輸部分由三部分構成：模擬量轉RS485信號、RS485轉網絡信號、網絡信號通過光纖傳輸到管理中心。

前端氣體監(jiān)測傳感器實時輸出模擬量信號，并將信號輸入專用的模擬量接收模塊。模擬量接收模塊對輸入的信號進行編碼確認，通過RS485總線方式傳輸到485轉以太網網絡模塊。

以太網網絡模塊將RS485信號轉化成數字信號，通過網絡交換機將數據傳入中心機房綜合應用服務器進行數字處理。隧道通常較長，因此，數字傳輸采用光纖加光設備的方式。

2.3 數據分析處理部分

數據分析處理分成兩部分：自動控制部分和遠程手動控制部分。

自動控制部分及綜合應用服務器對傳感器采集的實時數據設立閾值，并通過邏輯編輯。當個體氣體濃度超過閾值時，服務器系統(tǒng)自動判定濃度超標，并發(fā)出告警信號，且自動下發(fā)啟動通風指令。

遠程手動控制模式則是綜合管理服務器系統(tǒng)通過設定的單色氣體閾值和實時采集氣體濃度對比，發(fā)生濃度超標后發(fā)出告警信號，值班人員根據數值進行判斷，通過控制軟件客戶端手動控制下發(fā)啟動通風指令。

2.4 聯動通風部分

綜合管理服務器系統(tǒng)下發(fā)的指令為數字信號，通過交換設備傳輸至以太網轉485模塊，將數字指令轉換成RS485信號進行傳輸。

風機聯動是通過弱電繼電器聯動控制模塊控制風機控制箱內的交流接觸裝置，實現風機的遠程控制。

模擬量接收模塊實時采集交流接觸裝置狀態(tài)反饋信號，并通過控制軟件客戶端實時顯示風機狀態(tài)，服務器發(fā)出指令后，風機不會正常運行，避免風險。

系統(tǒng)拓撲圖如圖1所示。

3 設備選型

電力隧道內的電磁環(huán)境較為復雜，因此氣體在線監(jiān)測傳感器本身采集的信息是否準確決定了整個系統(tǒng)的可靠性。在選擇傳感器時，既需要考察其采集信息的準確可靠性，還需要關注數據傳輸的穩(wěn)定性。

對于氣體探測器的選型，本文建議采用固態(tài)金屬氧化物技術的氣體探測器[1]。其傳感器通常由金屬氧化錫構成，通過改變電阻反映某種氣體的存在。該類型探測器具備的優(yōu)點符合電力隧道的工作環(huán)境：①該類型探測器的傳感器壽命長，避免短時間頻繁更換傳感器;②氣體類型探測較廣、反應速度快、具備實時在線監(jiān)測的條件。

傳感器采集信息的輸出信號采用模擬信號輸出方式。所謂模擬信號是指用連續(xù)變化的物理量表示的信息，如溫度、濕度、壓力、長度、電流、電壓等，其信號的幅度，或頻率，或相位隨時間作連續(xù)變化，或在一段連續(xù)的時間間隔內，其代表信息的特征量可以在任意瞬間呈現為任意數值的信號[2]。傳感器采用4～20mA直流信號，在復雜電磁環(huán)境下具備較強的抗干擾能力，且保證較長的傳輸距離。

硫化氫、一氧化碳、甲烷等為可燃氣體，因此氣體探測器的選型還需要考慮防爆等級。

模擬量接收模塊、繼電器聯動控制模塊數據傳輸在電力隧道中的安裝位置處于一級匯聚點上，模擬量接收模塊距離傳感器或者風機控制箱的距離較近，繼電器控制模塊可能就安裝于風機控制箱內交流接觸裝置旁。這類設備距離上一級匯聚點通常距離較遠，且相對分散。因此，其和上一級數據通信傳輸，建議采用工業(yè)控制總線485方式。

典型的RS485工業(yè)總線傳輸具備以下特點;完全符合隧道復雜電磁環(huán)境下的中短距離控制指令的傳輸;模擬量接收模塊、繼電器聯動模塊傳輸的數據指令不多，RS-485的數據最高傳輸速率為10Mbps，完全可以滿足其需求;RS-485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強，即抗噪聲干擾性好，可以保證數據傳輸的準確性;RS-485接口的最大傳輸距離標準值為1 200m，符合隧道控制節(jié)點設計的特點;既保證通信穩(wěn)定性，又考慮到系統(tǒng)的經濟性。

4 數字指令傳輸

數字指令傳輸指將模擬量接收模塊和繼電器聯動模塊的模擬信號指令轉換成數字信號進行傳輸，主要為了解決隧道內各個控制匯聚點到中心機房的通信問題。

電力隧道通常較長，且一般設置一個中心控制機房位于隧道一端。隧道內各個匯聚節(jié)點和中心控制機房之間的采集信號和發(fā)送指令都通過光纜傳輸。由于隧道內匯聚節(jié)點較多，光纜接頭較多，為了保證通信鏈路的可靠性和穩(wěn)定性，建議各個匯聚節(jié)點的光交換設備采用環(huán)網交換設備，在一個匯聚節(jié)點出現故障的情況下，以保證隧道其他匯聚節(jié)點的數據正常通信使用。

5 綜合管理服務器

為保證電力系統(tǒng)內的信息安全，綜合管理服務器要求采用LINIX操作系統(tǒng);由于氣體監(jiān)測傳感器輸出的為模擬量信號，綜合管理服務器系統(tǒng)需要對采集的模擬量信號數據進行二次計算和調整，并準確實時地顯示出所監(jiān)測氣體的濃度值。

6 實施要點

實施要點即在項目實時過程中，除了項目構建符合整個系統(tǒng)構架外，還需要根據現場的實際情況，因地制宜，在調整設備安裝方式、安裝范圍的情況下保證系統(tǒng)功能的實現。下面就系統(tǒng)結構中的實施要點進行分析。

6.1 前端設備的安裝位置

隧道中有毒氣體的產生和釋放主要來源在于隧道中設置的集水坑內的殘留腐敗物，因此，有毒氣體監(jiān)測傳感器的安裝位置以靠近集水坑為最佳，可以實時準確地采集附近空氣質量數據。若隧道內兩個相鄰集水坑距離較遠，則選擇在兩個相鄰集水坑中部低洼地段設置為宜。

6.2 前端設備的安裝高度

前端設備主要由氧氣、硫化氫、一氧化碳、甲烷四種探測器構成，根據化學分子式得出四種氣體的分子質量由大到小分別為硫化氫（34）、氧氣（32）、一氧化碳（28）、甲烷（16）。因此，在墻面上垂直安裝傳感器設備高度由高到低分別為甲烷、一氧化碳、氧氣、硫化氫。

空氣的分子質量為29，硫化氫的密度比空氣大，所以，在安裝硫化氫探測器時，應安裝在距離地面300～500mm，具體高度則要考慮電纜溝可能出現的因排水不及時導致傳感器被浸濕的情況。其他三個設備依次向上，且傳感器向下安裝。

由上文可知，傳感器模擬量選型通常采用4～20mA電流信號，通常采用3線制的方式，即直流供電正負極，信號輸出正極，電源負極與信號輸出負極共用的方式。要求采用防火阻燃屏蔽線，以增強信號傳輸的抗干擾能力，建議傳感器采集信號距離模擬量采集模塊距離不大于100m，以保證系統(tǒng)數據的真實性、可靠性。

7 結語

本文主要對電力隧道有毒氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)的構成、工作原理進行分析介紹，并結合作者在相關工程實踐中的經驗成文，以供參考。

參考文獻：

[1]徐毓龍，G.Heiland.金屬氧化物氣敏傳感器（V）[J].傳感技術學報，1996（4）：93-99.

[2]沈利榮，孫廣，宋楠.基于4～20mA電流環(huán)的井下供電與信號傳輸方案研究[J].儀表技術與傳感器，2013（3）：96-98.