便于綜合管廊運維的系統集成方案

姬衛東,　戴德松

[1.上海電器科學研究所(集團)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、可靠運行的核心。區域控制器負責所在片區的綜合監控任務及數據處理,將現場采集到的數據上傳,同時下發上位的控制指令。因此,對產品的穩定性、可靠性、環境耐受性提出很高的要求。

根據國家標準規定,綜合管廊自動化控制主要包含七大系統:消防系統,通風系統,供電系統,照明系統,監控與報警系統,排水系統,標示系統。實際應用中,根據以上七大系統,每個區域控制器(ACU)需要對本區域的信息進行采集,并且控制本區域內的相關設備。一般綜合管廊中需要采集的信息:儀表,包括溫度、濕度、O2、CO、CO2、CH4;通風,包括通風機開啟、關閉狀態以及運行故障;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、高液位及超高報警液位信號,水管上壓力;供電,電壓、電流、功率因數、電源進線信號;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,通風機開啟、關閉;照明,照明系統;排水,排水泵啟動、停止;供電,其他設備供電。

1　系統網絡架構設計

綜合管廊控制系統的可靠性要求高,且現場環境濕度大,存在腐蝕性、可燃性氣體,對硬件產品品質有很高的要求。同時控制系統還需要有靈活的結構,以便于后期系統的擴展,冗余光纖工業以太環網及信息技術的高度集成也是項目的一個特點。

綜合管廊是未來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絡架構。

1.1　網絡拓撲結構

一般,綜合管廊系統架構可分為如下三類。

(1) 傳統離散型網絡架構。每個ACU均配置PLC,再由交換機組成環網。傳統離散型網絡架構如圖1所示。

這種網絡結構優點是可以分散ACU故障風險,每個區域ACU相對獨立,可以單獨完成簡單邏輯控制;缺點是網絡可擴展性差,設備成本和運維成本高。如果區域ACU損壞,因涉及到編程,需要專業人員重新下載程序。

圖1　傳統離散型網絡架構

(2) 中央控制結合遠程IO網絡架構。一個片區設置一個控制中心,在控制中心中采用冗余PLC控制。每個ACU均采用遠程IO形式。中央控制結合遠程IO網絡架構如圖2所示。

圖2　中央控制結合遠程IO網絡架構

這種網絡架構可最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;缺點是中心PLC運行負荷大,風險高,網絡擴展性能也相對較差。

(3) 分級式網絡架構。每1～2 km設置控制PLC,其間5～10個ACU采用遠程IO。這些PLC再組成環網,最終上傳到監控中心。分級式網絡架構如圖3所示。

圖3　分級式網絡架構

監控中心冗余PLC+分變電所異地冗余PLC+防火分區ACU遠程IO的分級式網絡架構兼具以上網絡架構的優點。

(1) 硬件成本降低。將原來10個分區PLC縮減成為2個冗余PLC,ACU部分替換為遠程IO,降低硬件成本。

(2) 故障風險降低。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IO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單、牢固、發熱量小、抗電磁干擾能力強,發生故障的概率小于PLC。而在分變電所采用異地冗余PLC本身的檔次定位、產品性能等各方面高于離散式方案的防火分區PLC,其發生故障概率小。又因為采用冗余系統,故障概率進一步降低。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,其故障風險會比傳統離散式網絡架構的穩定性高。

(3) 施工成本降低。程序調試時可以利用對象編程(每個防火分區功能基本相同)來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上對各個防火分區完成編程,不需要到每個防火分區設備間單獨調試,節省編程調試時間,加快項目進度。

(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,則必須要廠家專業人員到現場安裝、下載程序、調試設備,運維成本增加,響應時間延長。如果采用遠程IO,若設備損壞,現場的管廊運維人員就可以完成更換操作(只需要拆裝接線),廠家可以通過遠程調試完成設置?，F場維護人員不需要具有PLC編程經驗,降低后期運維成本,加快故障處理響應速度。

(5) 網絡擴展性好。根據該網絡架構,可以將網絡劃分與道路客觀地理情況結合,按照道路的排布劃分為子網絡。在將來單條管廊形成路網,綜合管廊擴建時仍可按照該網絡結構,將增加的道路以路段為環網單位加入整個網絡結構中。因此,網絡結構可擴展性好,結構層次清晰。

(6) 網絡容錯性好。環網上的網絡節點數越多,網絡發生故障的風險越高。當環網兩個節點以上故障時,整個故障節點區間的網絡設備全部掉線、失聯。故環網上節點數越少,環網故障率越低。對于分變電所異地冗余PLC+防火分區ACU遠程IO網絡架構,主干網絡上只有分變電所PLC為網絡節點(即可以理解為1～2 km設一個網絡節點),可以把主干網絡的節點數量控制在非常少的范圍內。每個分變電所冗余PLC下的子環網只有遠程IO作為子環網絡的節點,即每個子環網約10個遠程IO節點。故采用此種架構,可以減少環形網絡節點數和網絡負荷,降低網絡故障風險。

1.2　開放式實時以太網協議

由于存在遠程IO,同時網絡節點數量多,拓撲復雜,故對現場網絡實時性有很高的要求。傳統TCP/IP網絡已成為辦公網絡統一標準,但由于其協議本身的缺點,不能作為工業現場網絡協議?；诖朔N需求,近年來工業實時以太網協議在工業現場環境得到廣泛應用。目前,主流工業實時以太網協議主要有PROFINET和Ethernet/IP兩種。其中Ethernet/IP具有數據量小、速度快等特點,主要適用于運動控制領域;PROFINET具有數據量大、實時性好等特點,特別適用于大型網絡。采用PROFINET協議組成網絡架構,硬件上可以做到“一網到底”,現場光纖環網可同時接入視頻信號、電話信號等網絡通信。

PROFINET是新一代基于工業以太網技術的自動化總線標準,可以確保在網絡傳輸中重要數據的傳輸可靠性。每個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

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物理網絡傳輸。PROFINET協議相較于普通以太網協議具有更高的數據可靠性,確保整個監控網絡正常運行。

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境、功能要求等,可分為如下幾種類型。

(1) 監控中心PLC。負責與下層PLC通信,將所有收集數據進行匯總,并提供開放數據接口,與上位信息系統進行通信。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進行數據交換。由于管廊現場環境惡劣(高溫、高濕、多塵),一般也建議采用中型PLC(小型PLC普遍環境耐受性差,市場定位一般為OEM工廠客戶,雖然邏輯功能和處理速度等方面勉強能滿足系統要求,但在構成大型網絡拓撲的組網性能、對上位信息系統的開放性支持及鏈接數量、整個產品定位及產品所采用的元器件方面均導致該產品在整體性能上不能滿足綜合管廊苛刻的環境及功能要求)。

管廊系統龐大,子站多,網絡結構復雜,整個項目對防火分區PLC組網性能、可擴展性能上要求極高。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。故對在該環境下運行的設備具有很高的要求。

管廊內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,內部電磁環境復雜,要求設備本身具有良好的抗電磁干擾能力,不向外發射電磁干擾,即設備具有良好的電磁兼容性。

2　無線網絡特性

綜合管廊同時需要實現人員對講、人員定位、設備監控維護等功能,而這些功能都可以通過無線網絡來實現。能否在同一個無線網絡下實現這些功能,避免重復投資浪費,節約成本,成為無線網絡覆蓋首先考慮的因素。

HTML5是最新一代萬維網核心語言。Windows、Android、IOS等系統均支持HTML5協議,移動設備的常用APP,如瀏覽器、微信、QQ等也均支持HTML5協議。

利用該技術可以發布Web網頁(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協議的移動端進行PLC的監控和維護,實現人員定位和對講。

2.1　設備監控、維護

利用HTML5編寫的網絡界面下載到PLC中(網絡界面的內容可根據項目具體情況編輯),通過現場工業以太網進行訪問。

另外,也可為PLC配備無線模塊,接入移動端(如手機、Pad等)。將PLC發布的網頁訪問路徑制作成二維碼,通過移動端APP掃二維碼功能進入到PLC監控界面。將PLC本體的運行狀態、故障信息等編輯到PLC發布的Web畫面中,從而對PLC設備進行維護。也可以在畫面中包含現場儀表、通風、照明、給排水、供電等狀態和控制信號,實現對現場設備的監控和維護。

因此,利用HTML5技術為每臺PLC節省觸摸屏,同時方便人員對現場設備進行監控和維護。

2.2　人員定位

為現場ACU配置無線模塊,巡檢人員通過移動設備(手機、Pad、智能穿戴設備)接入到現場無線中,通過IP_Tech技術將巡檢人員連接數據上傳至監控中心,使監控中心實時監測巡檢人員的當前位置。巡檢人員定位示意如圖4所示。

進一步,可以將管廊實際地圖以及每套ACU的實際位置寫入到現場PLC的HTML5畫面中,現場人員通過移動設備訪問PLC,從而巡檢人員和監控中心都可了解巡檢人員的實際位置,在發生危險情況時協助救援和巡檢人員自救。

圖4　巡檢人員定位示意

2.3　人員對講

巡檢人員的移動設備連接無線模塊的WiFi而進入到現場工業以太網中,通過手機APP可以實現實時對講,甚至視頻對講,幫助巡檢人員對現場狀況進行判斷,并采取正確的處理措施。

以上是基于HTML5架構所能實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　結　語

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和數據處理,將現場采集到的數據上傳,下發上位的控制指令,同時系統還需要有靈活的結構,以便于后期系統的擴展。