浅析城市综合管廊弱电系统设计

史艳玲

（南昌市城市规划设计研究总院）

浅析城市综合管廊弱电系统设计

史艳玲

（南昌市城市规划设计研究总院）

城市综合管廊是城市现代化的基础设施，管廊内不仅包含自来水、煤气、电力、电信管线而且自身使用的动力、照明排水等设备繁多。既要考虑到综合管廊的管理成本，也要考虑到管理水平和管理质量。通过分析综合管廊的实际情况，将建立一套安全可靠、功能齐全、先进适用的管廊综合监控系统。

综合管廊；监控系统；设备监控；环境监控；中央计算机

弱电系统设计：

本文以某管廊为例，介绍管廊的弱电设计情况。

本设计采用现代化的自动监控设备和中央计算机系统系统构建城市管廊综合监控系统，实现现场无人值守，控制中心集中监控。

该管廊采用综合仓+电力仓的全封闭双仓构造，单仓全长3656m，整个管廊涉及21个交叉口管廊及接户管廊。考虑人员正常和紧急出入，设备材料进出及管廊内通风，整个管廊设置2个正常出入口，18个逃生口、18个投料口以及19个机械排风口。

1　总体需求

监控系统主要针对综合管廊内的各种设备，采集管理所需的各类数据，实现设备的远程控制、状态集中显示、数据检测等功能。对外场设备进行遥控、遥信和遥测功能，从而达到整个系统的自动化、节能、环境控制、科学管理、合理应用等目的。为提高管理效率与服务质量，降低运营成本提供可靠保证。最终达到如下目标：

（1）在常态下：管廊内安全顺畅，环境适宜，各系统设备运行正常、科学节能；

（2）在发生各种事件状态下：事件检测迅速准确，反应快速合理，能最大程度降低事件所引起的负面后果，减少生命财产损失。

2　设计原则

2.1环境管理

（1）管理人员能实时掌握管廊内各种环境参数，包括管廊内各分区的温度、湿度、氧气含量、水位及爆管等环境参数，并通过闭路电视监控系统对整个管廊进行图像监视。

（2）管理人员能迅速发现管廊内发生的环境恶劣、爆管、火灾等事件，并能够再现事件前后一段事件（至少1min）的录像，以供分析。

（3）管理人员能及时获知影响管廊环境的其它相关系统的事件。

（4）针对所有以上获取的信息，能对管廊内，以及即将进入管廊的人员进行相应的控制。所执行的控制方案应该能自动生成，由管理人员确认，或直接由管理人员根据具体情况制定，并且能通过相关控制设备准确及时地给受困人员提供诱导信息。对设备的控制可以在中央控制室集中遥控，也可以在设备现场控制。实时图像的显示能根据发生事件进行联动。应该能自动屏蔽错误的人工控制命令。

（5）管理人员能对历史事件、数据进行处理。包括：环境历史数据资料的查询、统计、分析，人机对话记录、系统故障处理，并且能用图形、表格形式打印。

2.2设备管理

设备管理主要有通风系统的风机、排水系统的水泵，供配电系统的高、低压开关柜，照明系统的控制柜、灯具，消防系统的气体灭火装置等。

（1）实时掌握各管理设备的状态和运行参数。

（2）实时关注设备运行的条件参数，包括管廊各分区的温度、湿度、集水坑液位等。

（3）根据以上获取的信息，能对管廊相关设备进行人工和自动控制。设备运行的条件参数超越预先设定值时，应通过声光报警方式提醒管理人员。

（4）对历史进行数据处理。

3　系统组成

为实现管廊一体化集中管理，根据以上设计原则，监控系统将建立统一的中央控制室，并组成计算机网络，主要是由以下3个系统组成。

（1）中央计算机分系统；

（2）设备监控分系统（含风机控制、水泵控制、照明控制、环境及非法入侵等信号的采集）；

（3）环境监控分系统。

3.1中央计算机分系统功能

（1）在控制中心实现统一监控、集中管理，实现管廊设备及人员的一体化管理，确保管廊内环境适宜、设备及人员安全；

（2）管廊内相关设备实现远程遥测、遥控和遥信；

（3）管廊内的供电系统实行监控优化管理；

（4）实时分析记录管廊环境情况，联动相应设备，改善管廊环境状况；

（5）实现全区及各分区的通信功能，正确、及时地传输管廊内外的信息，协调与相关部门实时通讯；

（6）使用多级、多功能、多系统集成的中央机网络，完成智能监控、操作、维护、通信、资源共享等功能。系统具有降级使用功能；

（7）高速、实时、可靠地检测管廊内设备运行状态、环境情况以及各种事故、灾情，掌握各类管理信息，作出及时有效的措施，抵御灾害，把损失降至最低；

（8）为将来实现管廊统一管理预留网络通信接口。将管廊的环境及运行信息向上级监控中心上传送信息，并接收其下载的控制信息。

3.2设备监控分系统

设备监控系统主要针对管廊内和管理房内的各种用电设备，采集管理所需的各类数据，实现设备的远程控制、状态集中显示、数据检测等功能。对电力系统进行遥控、遥信和遥测功能，对全管廊实现电力调度自动化，从而达到整个系统的自动化、节能、环境控制科学管理、合理应用等目的。

3.2.1系统结构

本系统是集合了先进计算机技术、网络技术、工业控制设备、工业现场总线技术等为一体的先进的管廊设备监控系统。关键设备采用冗余配置，以增加系统的可靠性和稳定性。

整个设备监控系统根据区域及功能划分，主要包括3套双机热备冗余区域控制器ACU01、ACU02、ACU03分别负责综合仓、电力仓和联动控制。

ACU01下挂综合仓20个分区的以太网远程I/O站（ERIO站），ACU02下挂电力仓20个分区的远程I/O站，ACU03下挂管理房的远程I/O站。

双机热备主控单元：

双机热备主控单元是双机架硬件级热备产品，由主、备两个机架，两套完整独立的、配置完全一样的系统构成，通过热备光纤连接构成热备系统。每套配置如下：

（1）机架——双机架结构；

（2）电源模块——1：1冗余；

（3）CPU模块——1：1冗余；

（4）以太网模块——1：1冗余；

（5）ERIO通讯处理器模块——1：1冗余。

2套系统通过热备光纤连接构成完整的热备系统。

通过主备机架上的ERIO通讯处理器模块与各ERIO站上的ERIO适配器模块通讯，与各ERIO子系统通讯连接，实现数据采集和监视。

主控制器执行应用程序，控制ERIO，在每次扫描（程序周期）之后更新备用控制器。如果主控制器故障，备用控制器在一个扫描周期内将起控制作用，主备状态自动切换。根据控制器上液晶显示屏上显示的控制器状态和RIO主站发光二极管显示的状态，来判断主控制器是否故障。

CPU为双处理器结构，数据同步与程序处理同时进行，数据交换和冗余切换不影响扫描周期。处理器上集成高速同步光纤口，通过热备光纤直接连接两个CPU模板，进行热备冗余数据交换，抗干扰能力强，传输速度快。冗余系统配置要求安装简单，支持即插即备式的冗余，所有的默认数据都进行交换，无需用户专门配置。

冗余切换时，以太网模块地址应自动切换，对过程管理计算机无任何扰动；远程I/O通讯处理器控制权应自动切换，对ERIO无任何扰动。

ERIO子系统：

采用基于Enthnet/IP的远程I/O体系结构解决方案——ERIO子系统。

ERIO构架是一个可扩展、灵活、集成且协作性的系统，可满足许多不同类型用户的系统扩展需求。ERIO构架，采用基于Enthnet/IP通讯协议的远程网络技术，可通过同轴电缆或光纤与主控单元进行I/O扩展，同轴电缆距离扩展为每个ERIO站100m，运用光纤可以扩展到2～15km。

本方案采用单模光纤作为通讯介质，以机架安装的光纤模块作为通讯介质连接板。主控单元的光纤模块安装在本地扩展机架上，ERIO的光纤模块安装在各ERIO子系统机架上，位置紧靠远程I/O适配器模块，各NRP模块采用逐级连接的方式，构成一个完整的环形光纤热备冗余控制网络结构。

控制设备具有自诊断功能，维修简便，并设置人机界面，当系统中有故障时能及时准确的报警，当上位中央计算机系统发生故障时，系统设备能降级使用。整体上，系统具有开放性、可靠性、先进性和可扩展性强等特点，并具有实时高速可靠的检测整个管廊内的各种状态，以及检测和预告事故、灾情的能力。

各控制器的I/O及通讯接口考虑20%的备用量。

3.2.2系统总体功能

（1）达到设备、环境及安防监控、防灾减灾、统一管理的功能。

（2）对管廊内相关的设备实现远程监控、状态集中显示、数据检测等工作并达到自动化操作、节能、配合环境控制等目的。

（3）对管廊内的能源系统实行监控，满足管廊动力、照明及其它设备用电正常供给。

（4）及时反映管廊内环境情况，对于灾害（如火灾，爆管）能实时判断和报警，联动相应设备，抵御灾害，把损失降到最低。

（5）实现管廊内全区及相关区域的通信功能，正确、及时地传输管廊内外的信息。实现本管廊与相关整体管廊网络上协调管理，数据通信应具有快速、有效、准确具强抗干扰的能力。

3.3环境监控分系统

3.3.1系统概述

本工程环境监控主要涉及到管廊内的温湿度、氧含量、积水及爆管监测等。通过在地下管廊内配置相应的传感器及变送器，将测量信号转换为标准的4～20mA电流信号，送入对应防火分区的ERIO远程控制站中，进入设备监控系统并传输到监控中心，通过配套的综合管理软件对数据进行分析。通过软件对每个测点的地理位置、测量值或工作状态进行连续采集，如出现异常，系统会自动生成报警（声光报警、短信报警、邮件报警可选），第一时间通知到相关人员，将可能出现的险情消灭在萌芽状态，避免造成大的经济损失及影响管廊的正常工作。

3.3.2系统功能

系统通过温湿度监测仪、氧气监测仪、超声波液位计、液位开关等沿线现场设备，实时、准确地获取管廊内各分区的环境参数，经ERIO远程控制站采集、经区域控制器预处理，经光环网送至中央监控计算机，同时存入数据库中。

考虑到环境监控与设备监控的关联性，环境监控不单独设控制系统，所有信号进入设备监控系统，系统除承担环境监控的任务外，还作为设备监控的判断条件参与通风设备控制及排水设备的控制。

3.3.3设备功能

（1）温湿度监测：在每段综合管廊的防火分区两端（离通风口10m左右）及中间设置温湿度仪，检测综合管廊内的湿度。经区域控制器送中央监控计算机，在实现环境监控的同时参与通风设备控制。温湿度监测仪按按40个防火分区，每个区域3套配置，21个入户或交叉管廊各设1套，共计141套。

（2）氧气监测：在每段综合管廊的防火分区内每50m设1台氧检测仪，监测综合管廊内的氧气含量。经区域控制器送中央监控计算机，在实现环境监控的同时参与通风设备控制。氧气监测仪按按40个防火分区，每个区域3套配置，21个入户或交叉管廊各设1套，共计141套。

（3）水位监测：在每段综合管廊的防火分区内的积水坑配置一套超声波液位计，水位信号即作为排水泵控制依据，又作为爆管后的水位测量及报警。经区域控制器送中央监控计算机，在实现环境监控的同时参与排水设备控制。超声波液位计按47个集水坑，每个集水坑1套配置，共计47套。

（4）爆管监测：在每段综合管廊的防火分区内地坪低处安装液位开关，报警液位离地坪30cm，用以水管爆管事故发生时管廊内水位上升报警。经区域控制器送中央监控计算机，在实现环境监控的同时参与排水设备控制。液位开关按40个防火分区及21个入户或交叉管廊，每个区域1套配置，共计61套。

4　结束语

通过对管廊分析与设计，组成管廊整个项目的设备，环境等监控系统，形式完善的后台管理系统，建立统一的中央控制室监控系统。随着以后城市管廊应用越来越普遍，该类设计会更加广泛的进入到我们的设计工作，在科技快速发展的今天，希望这篇简文能对管廊弱电设计有所帮助。

[1]《城市综合管廊工程技术规范》（GB50838-2015）.

[2]《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）.

[3]《火灾自动报警系统设计规范》（GB50116-2013）.

TU994

A

1673-0038（2015）48-0078-03

2015-11-10

史艳玲（1965-），女，高级工程师，本科，主要从事电气设计工作。