基于DCS人防工程监控系统的研究

王峰 张晓洁

摘要：本文描述了人防工程内部电气系统的构成，介绍了分布式控制系统（DCS）的技术特点，详细描述了基于DCS人防工程自动化监控系统的设计方案.并举例说明基于DCS人防工程自动化监控系统的构建。

关键词：人防工程;电控系统;DCS;检测监控;PLC

0 引言

人防工程是为保障人民防空指挥、通信及人员、物质掩蔽等需要而修建的防空工程，是战时保障人民群众生命安全的重要建筑设施。它关系到未来高技术战争中，能否有效地抵抗敌军战略空袭和远程火力打击，保存战争潜力，保持战略全局稳定，创造有利于我而不利于敌的战场条件。现代战争对工程内部的电气系统提出了更高自动化的要求，如更高的供电可靠性和供电质量、更高的温湿度控制精度、良好的内部空气质量、更快的保障反应能力等。

1 系统的构成

人防工程电气系统是一个复杂的系统，它包括供配电系统、空调系统、照明系统、消防系统、三防系统等子系统。

2 DCS分布式控制系统

2.1 DCS基本组成

DCS即分布式控制系统，也称集散控制系统。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统。DCS集散控制系统继承了集中监视管理和分散控制这两个理念，采用现场分散、控制分散，而操作管理集中的基本设计思想和多层分级、网络连接的结构形式。

DCS控制系统硬件上包括现场控制器、操作员站计算机、工程师站计算机，以及联系他们的网络系统。软件上是一个整体方案，解决的是一个系统的所有技术问题，系统各部分之间结合严密。

2.2 DCS几个技术特点和优势

（1）系统标准化、系列化设计，可移植性、互操作性、可得到性高。

DCS系统的工作站都是采用标准化设计，系统硬件都是像搭积木一样配置在一起的，软件也都采用模块化设计，而系统的各个控制回路都是通过组态组合在一起，所以具有很强的修改性与灵活性。用户可以根据不同的工程要求，方便灵活的修改系统规模。

（2）专用人机接口，控制系统用组态方法生成，界面友好，维护方便。

DCS的监控计算机都有专业的配套应用软件和良好的人机界面，安装、调试、使用都非常方便。操作人员能方便监控的整个处理流程，快捷的控制各个现场设备;存储装置可以保存大量的过程历史信息和系统信息，打印机能打印出各种报告和报表，适应了现代化生产综合管理的要求。

（3）控制分散。

DCS是集中分散型结构具有分散控制、设备地域分散、功能分散、危险分散的优势又具有集中监视、集中操作、集中管理的优点。

（4）算法丰富、分级控制。

DCS采取分级递阶控制方式，DCS控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批處理控制于一体，并支持开发特殊应用软件，实现综合自动化和管控一体化。

（5）采用冗余技术可靠性高。

DCS由于采取分散控制的结构，并使用冗余技术、自诊断自恢复技术、抗干扰技术，可靠性高实时性好适应性强，适应各种规模、环境、功能需求

（6）性能价格比高。

因为DCS具有先进的技术、丰富的功能、可靠的性能和很好的适应能力。现在已经成为工业自动化系统的主流方式，由于其数据、资源是的共享，所以一般系统规模越大单个回路的成本就越低。

基于上述的特点和优势，DCS在工业控制领域占有重要的一席，尤其是在一些有一定规模的工业控制领域，是当前最为流行的工业控制系统。

3 基于DCS人防工程监控系统设计

3.1 总体设计

针对人防工程监控系统的特点，系统采用基于计算机服务器软件+数据库+传输网络+PLC的DCS系统架构，主要由中央服务器、网络管理软件、组态软件、数据库、通讯网络、上位机、智能仪表、输出外设等组成，可以实现控制设备运行停止、数据采集、监控报警、联锁控制的功能。

3.2 各分系统设计

3.2.1 通风空调系统监控及空气质量监测

空调系统控制功能主要有温度控制、湿度控制、风机控制、安全控制、过滤器报警等。控制系统内空调除湿机、新风进风机、送风风机、回风风机等设备的控制可通过联动控制信号实现控制，根据设备之间的控制要求，控制系统向各设备发出控制信号，启动、停止设备并接收各设备运行、停机、故障等状态信号;这些设备的控制均可通过接收或发出开关量数字信号实现。控制系统对各阀门的控制是通过温度传感器、CO₂浓度传感器、氧气浓度传感器检测到各种模拟信号，控制系统将各设定参数与所采集的信号比较，采用PID或其他算法计算，并根据计算结果向各阀门发出开大或关小的模拟量控制信号，使工程内的温湿度CO₂浓度、氧气浓度达到设定值要求，空气质量保持在最佳状态。

3.2.2 给排水系统监控

人防工程的水系统主要由工程给水系统和工程排水系统组成。这两大系统中需要控制的设备主要是水泵、阀门等。工程内的水泵按功能分类主要有：深井泵、排污泵、冷却泵、消火栓泵、喷淋泵、稳压泵等。

（1）给水系统。

人防工程给水系统主要包括：生活给水系统、空调给水系统、消防给水系统等。给水系统的主设备包括深井泵，空调给水冷却泵，消防给水消火栓泵、喷淋泵及稳压泵等。给水系统控制系统的主要设备包括生活水池（罐）的水位传感器、压力罐中的压力传感器等。工程内各给水泵启停的控制方式分类主要有：

①由水池内水位传感器控制的水泵启停。液位测量仪表一般有两种类型，一种是接触式，另一种为非接触式。充分考虑到系统稳定性要求与人防工程特点等情况，设计时采用非接触式的超声波液位计，同时测量液位值和液位差值信号，控制水泵的运行。

②由压力罐中压力传感器控制的水泵启停。各给水泵从压力水罐抽水时，深井泵的运转由压力水罐中安装的压力传感器所产生的信号控制水泵的启停，压力水罐的压力信号低于设定值时启动水泵运转，压力水罐的压力信号高于设定值时使水泵停止运转。

（2）排水系统。

人防工程内排水系统主要有生活污水排水系统、消防废水排水系统、染毒洗消排水系统等。排水系统的主设备系统主要包括其本身独有的排水（污）泵及水位传感器组成。

污水排水泵设置一备一用，在自动控制状态时，由液位控制器自动启动和停止（高水位开启和低水位停止）污水泵的工作状态，当水位处于高位时，自动启动污水排水泵，低水位时自动停止运行。

（3）排风子系统。

排风系统的主要功能是保持工程内风压稳定、内空气清新。排风控制系统设备主要包括：排风风机、电动控制阀门。控制系统内排风风机、阀门等设备均设有压力开关（传感器）和压力变送器。它们根据压力开关测量和风机出风管的压力，来调节鼓风机的风量。首先位于送风管道上的压力传感器测得压力信号，经压力变送器转换为4～20mA电流送入PLC的AI端口，与标准值比较判断后，再由PLC输出一个4～20mA的电信号，去调节送风管道中风量和风压的作用。

战时排风系统在满足上述功能的同时，还要满足系统中与三种通风方式控制系统相关的设备三防控制的优先权，根据三防控制的要求控制排风系统内设备（排风风机、阀门等）启动、停止、开启、关闭的状态。

（4）发供电系统监控。

人防工程对供电系统的可靠性要求较高，一般采取冗余设计，设置为两路电力系统并设置两台柴油发电机组作为应急电源。控制系统通过各种检测模块实时监测整个供配电系统各主要回路的电流、电压、有功功率、无功功率、有功电度、无功电度、功率因数、频率等参数，检测模块可以直接与电流互感器、电压互感器连接，并将检测到的各参数的模拟量信号转换成数字信号，控制系统经过计算并与标准设定值比较给出控制、调整、故障、报警信号，值班人员可根据这些信号对供配电系统进行运行管理。

（5）消防系统监控。

人防工程消防系统由自动报警系统和联动控制系统两个系统组成，功能与地面工程消防系统类似。火灾自动报警系统主要是由触发装置、报警装置和电源组成。自动报警系统接受触发装置（感烟火灾探测器和感温火灾探测器）发来的报警信号，发出声、光报警。联动系统主要设备包括消防栓系统的控制装置、自动喷水（泡沫、干粉、卤代烷、二氧化碳等）灭火系统的控制装置、电动防火门、防火卷帘设备的控制装置、启动应急照明装置、启闭防火阀与排烟阀装置等。消防联动控制系统是在接受到火灾报警信号并确认后，由报警控制器向相应的联动装置设备前的地址编码控制接口发出动作信号，驱使联动装置动作参与灭火。

4 工程应用实例

某人防工程为单建掘开式地下工程，主要功能房间有三个出入口、一个空调机房间、一个排风机房、一个水泵房、一个电站机房、一个配电房，工程中央控制室同时兼作防化值班室和消防值班室。

系统分成三层，最高层为信息管理层，设置上位计算机，实现系统的远程监控;中间层为现场监控层，就地设置PLC监控分站，实现系统的就地监控;其最低层为远程I/O链路层，直接面向各子系统的传感器、智能仪表和控制装置。在集中监控室就地分站和上位机通过工业以太网进行互联，集控室的计算机设置有OPC接口，实现自动监控系统信息与人防工程自动化平台的互联。

监控系统设有中控室，具有人机界面。上位机软件采用西门子的SIMATIC WinCC组态软件和STEP？控制软件。可以实现过程的监控，与PLC通讯，提供标准接口和编程接口，显示并控制现场设备的工作状态，显示报警信息，建立历记录并获得趋势信息，打印报表等功能。

控制系统选用西门子S7-300的PLC，实现远程或就地一键控制、自动控制和检修三种控制模式，远程控制可以分为联锁控制、集中控制和单机控制等多种控制模式，可以供操作者根据现场实际情况灵活选用，确保在系统正常运行时操作灵活、易于维护，在系统出现故障或通讯中断时本地可以就地控制确保设备的正常运行，提高系统的稳定性。5总结

人防工程监控系统是一个复杂的系统，其运行环境和功能需求比较特殊。针对人防工程监控系统的自动化、智能化和数据通信的研究已远远落后于地面设施，这在很大程度上制约它的发展。本文对基于DCS系统的人防工程监控系统进行了研究，经过实际工程测试，该系统适用于人防工程这種内部环境恶劣的场所，并且运行稳定，操作维护简单，可扩展性好，性价比高，适用于在各种防护等级和各种规模的人防工程中进行推广。

参考文献

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