施耐德電氣Modicon系列可編程邏輯控制器PLC在綜合管廊弱電系統中的應用

周 佳 麟

[施耐德電氣(中國)有限公司工業事業部, 上?！?00062]

0　引　言

我國正處在城鎮化快速發展時期,地下基礎設施建設滯后。推進城市地下綜合管廊建設,統籌各類市政管線規劃、建設和管理,解決反復開挖路面、架空線網密集、管線事故頻發等問題,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展,有利于提高城市綜合承載能力和城鎮化發展質量。

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、?？?、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、景德鎮、威海、青島、鄭州、廣州、南寧、成都、保山、海東和銀川。隨著城市經濟的快速發展,綜合管廊建設規模不足、管理水平不高等問題凸顯,一些城市相繼發生管線泄漏爆炸、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

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

綜合監控系統中的子系統如圖1所示。

圖1　綜合監控系統中的子系統

根據GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術規范》的要求,綜合管廊每200 m劃分防火分區,環境與設備監控系統在每個防火分區內會設置一臺ACU區域控制單元,負責綜合管廊現場防火分區范圍內的信號采集、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)、工業以太網交換機、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) 環境監控。PLC通過模擬量或ModBus總線的方式采集每個防火分區內出入口和通風口處安裝的氣體(O2、CH4、H2S)、溫/濕度、水位、水浸等監測傳感器的信號,可實現與風機、水泵的自動化控制與對接,并通過工業以太網將信號傳送到監控中心計算機。在監控中心控制室顯示屏上以數字形式顯示每個防火分區的氧氣百分比含量和溫度/濕度等參數。

(2) 設備監控。PLC對布置在每個防火分區內的排水泵、照明、風機、風道閥門、紅外入侵報警裝置、環境溫度/濕度/氧檢測儀表等儀表和設備進行數據采集,監測集水井內液位上限報警信號,實現遠程控制風機水泵的開停及相應防火分區內照明設備總開關的分合。

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

PLC是綜合管廊環境與設備監控系統的核心組件,在產品選型上應優先選用符合工業使用環境、抗干擾和耐環境能力強、安全穩定可靠的工業級控制器產品。

2　綜合管廊PLC的三種常用架構

根據現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,綜合管廊環境與設備監控系統有以下三種常用PLC架構。

(1) 第一種常用架構,常規單機PLC方案,即在各分變電所/人員出入口(通常合建)、各防火分區均設置一套PLC。有時為了體現變電所/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綜合管廊項目、景德鎮昌南拓展區綜合管廊項目等,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,而在防火分區內設置遠程I/O站,分變電所的異地冗余PLC通過以太環網將分變電所供電范圍內的防火分區遠程I/O站連接在一起,實現統一的遠程監控和數據采集。代表管廊項目有合肥高新區綜合管廊項目、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綜合管廊項目、南京江北新區綜合管廊項目、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集成內存保障,控制能力更強。

(3) 高速的通信、應用程序和指令執行。

(4) 創新的機電設計提供高于IEC標準規約的EMC性能和魯棒性。

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

(6) 異地冗余最遠距離可達15 km。

(7) 不同系列PLC采用統一的IO模塊,且所有模塊支持帶電熱插拔。

(8) 產品通過國家信息安全認證。

施耐德Modicon PLC自動化平臺將工業以太網技術的諸多優勢集于一身,從而確保不同控制層級之間、各系統之間和系統內設備之間協同工作更順暢、更高效。

Modicon PLC在多年不斷積累的基礎上,面向未來工業自動化控制需求推出集開放靈活、穩定可靠于一身的新一代高端控制器,包括專業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在模塊化工業可編程自動化控制器運行穩定、可靠的基礎上,引入開放性更好的以太網通信技術,支持ModBus和Ethernet兩種工業以太網協議。通過全面開放的以太網架構,為不同系統設計時需要的不同產品的高效互聯提供全面的支持。同時,更全面的安全保障策略也讓系統的用戶更安心。

施耐德電氣Modicon系列PLC產品如圖3所示。

圖3　施耐德電氣Modicon系列PLC產品

施耐德Modicon系列PLC技術優勢如下:

(1) 控制響應時間不大于1 s?？刂祈憫獣r間為監控中心綜合監控系統發出命令到弱電間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系統輸入模塊接受狀態信號到監控中心綜合監控系統正常顯示的時間。

(3) 系統整體實現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),溫度的分辨率不低于0.2 ℃。

(4) 系統主要單臺設備平均無故障時間(MTBF)>50萬h。

(5) 系統故障恢復時間(MTTR)<30 min。

(6) 系統不因單點設備故障,影響整個系統的正常運轉。

(7) 系統顯示設備的圖形更新和數據更新響應時間小于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、網絡通信設備能自動重新起動,并在120 s內恢復正常運行。

(9) 當接收到由火災報警系統發出的火災報警信號后,相關的控制命令在1 s內控制相關的消防模式進行聯動,并返回信息。

(10) 系統具有抗電磁干擾能力,滿足相關的標準和規范要求。

(11) 系統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范要求。

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

(13) 實時性:網絡具備高度實時性,刷新時間、I/O數據的傳送時間有保證。

(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、系統診斷和數據采集功能,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控軟件、配電產品和自動化產品,能為綜合管廊提供從監控中心到配電系統,再到環境與設備監控系統的整體解決方案。

施耐德電氣擁有的相關產品如圖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,提供自控系統程序編程和現場調試服務。

(3) 實現綜合管廊現場數據透明傳輸。Modicon系列PLC產品的設計基于開放的以太網技術,從而有效地優化設備互聯和通信,強大的控制器提供更高水平的復雜網絡通信、顯示和應用控制的處理能力。實現從監控中心到現場設備E網到底全部通過工業以太網實現數據透明通信。

Modicon系列PLC產品實現綜合管廊現場數據透明傳輸如圖6所示。

圖6　Modicon系列PLC產品實現綜合管廊現場數據透明傳輸

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,通過開放的以太網架構,為不同系統設計中需要的不同產品的高效互聯提供全面的支持,在綜合管廊弱電系統中具有很大的優勢。