便于综合管廊运维的系统集成方案

姬卫东,　戴德松

[1.上海电器科学研究所(集团)有限公司, 上海　200063;2.南京菲尼克斯电气有限公司, 江苏 南京　211100]

0　引　言

综合管廊的控制部分是保证综合管廊安全、可靠运行的核心。区域控制器负责所在片区的综合监控任务及数据处理,将现场采集到的数据上传,同时下发上位的控制指令。因此,对产品的稳定性、可靠性、环境耐受性提出很高的要求。

根据国家标准规定,综合管廊自动化控制主要包含七大系统:消防系统,通风系统,供电系统,照明系统,监控与报警系统,排水系统,标示系统。实际应用中,根据以上七大系统,每个区域控制器(ACU)需要对本区域的信息进行采集,并且控制本区域内的相关设备。一般综合管廊中需要采集的信息:仪表,包括温度、湿度、O2、CO、CO2、CH4;通风,包括通风机开启、关闭状态以及运行故障;照明,照明系统运行工况;给排水,排水泵运行工况,积水坑低液位、高液位及超高报警液位信号,水管上压力;供电,电压、电流、功率因数、电源进线信号;安防,红外对射装置报警信号;摄像机影像。需要控制的设备:通风,通风机开启、关闭;照明,照明系统;排水,排水泵启动、停止;供电,其他设备供电。

1　系统网络架构设计

综合管廊控制系统的可靠性要求高,且现场环境湿度大,存在腐蚀性、可燃性气体,对硬件产品品质有很高的要求。同时控制系统还需要有灵活的结构,以便于后期系统的扩展,冗余光纤工业以太环网及信息技术的高度集成也是项目的一个特点。

综合管廊是未来智慧城市重要组成部分,所以对综合管廊自控系统的信息化程度要求很高。综合管廊信息化程度很大程度上决定于综合管廊的系统网络架构。

1.1　网络拓扑结构

一般,综合管廊系统架构可分为如下三类。

(1) 传统离散型网络架构。每个ACU均配置PLC,再由交换机组成环网。传统离散型网络架构如图1所示。

这种网络结构优点是可以分散ACU故障风险,每个区域ACU相对独立,可以单独完成简单逻辑控制;缺点是网络可扩展性差,设备成本和运维成本高。如果区域ACU损坏,因涉及到编程,需要专业人员重新下载程序。

图1　传统离散型网络架构

(2) 中央控制结合远程IO网络架构。一个片区设置一个控制中心,在控制中心中采用冗余PLC控制。每个ACU均采用远程IO形式。中央控制结合远程IO网络架构如图2所示。

图2　中央控制结合远程IO网络架构

这种网络架构可最大程度节省硬件成本、调试成本、维护成本,通常硬件损坏不涉及到编程,可以直接更换IO模块,降低运维成本;缺点是中心PLC运行负荷大,风险高,网络扩展性能也相对较差。

(3) 分级式网络架构。每1～2 km设置控制PLC,其间5～10个ACU采用远程IO。这些PLC再组成环网,最终上传到监控中心。分级式网络架构如图3所示。

图3　分级式网络架构

监控中心冗余PLC+分变电所异地冗余PLC+防火分区ACU远程IO的分级式网络架构兼具以上网络架构的优点。

(1) 硬件成本降低。将原来10个分区PLC缩减成为2个冗余PLC,ACU部分替换为远程IO,降低硬件成本。

(2) 故障风险降低。一般,与PLC同系列同档次的远程IO接口模块成本要比PLC低。但在稳定性上,由于远程IO模块只处理信号转换(不做逻辑运算),在硬件本身的设计上相对简单、牢固、发热量小、抗电磁干扰能力强,发生故障的概率小于PLC。而在分变电所采用异地冗余PLC本身的档次定位、产品性能等各方面高于离散式方案的防火分区PLC,其发生故障概率小。又因为采用冗余系统,故障概率进一步降低。综上所述,采用分变电所异地冗余PLC+防火分区ACU远程IO系统结构,其故障风险会比传统离散式网络架构的稳定性高。

(3) 施工成本降低。程序调试时可以利用对象编程(每个防火分区功能基本相同)来减少编程调试人员工作量。工作人员只需要在分变电所冗余PLC上对各个防火分区完成编程,不需要到每个防火分区设备间单独调试,节省编程调试时间,加快项目进度。

(4) 降低后期运维成本。在后期运维方面如果采用离散式结构,若防火分区PLC故障、损坏,则必须要厂家专业人员到现场安装、下载程序、调试设备,运维成本增加,响应时间延长。如果采用远程IO,若设备损坏,现场的管廊运维人员就可以完成更换操作(只需要拆装接线),厂家可以通过远程调试完成设置。现场维护人员不需要具有PLC编程经验,降低后期运维成本,加快故障处理响应速度。

(5) 网络扩展性好。根据该网络架构,可以将网络划分与道路客观地理情况结合,按照道路的排布划分为子网络。在将来单条管廊形成路网,综合管廊扩建时仍可按照该网络结构,将增加的道路以路段为环网单位加入整个网络结构中。因此,网络结构可扩展性好,结构层次清晰。

(6) 网络容错性好。环网上的网络节点数越多,网络发生故障的风险越高。当环网两个节点以上故障时,整个故障节点区间的网络设备全部掉线、失联。故环网上节点数越少,环网故障率越低。对于分变电所异地冗余PLC+防火分区ACU远程IO网络架构,主干网络上只有分变电所PLC为网络节点(即可以理解为1～2 km设一个网络节点),可以把主干网络的节点数量控制在非常少的范围内。每个分变电所冗余PLC下的子环网只有远程IO作为子环网络的节点,即每个子环网约10个远程IO节点。故采用此种架构,可以减少环形网络节点数和网络负荷,降低网络故障风险。

1.2　开放式实时以太网协议

由于存在远程IO,同时网络节点数量多,拓扑复杂,故对现场网络实时性有很高的要求。传统TCP/IP网络已成为办公网络统一标准,但由于其协议本身的缺点,不能作为工业现场网络协议。基于此种需求,近年来工业实时以太网协议在工业现场环境得到广泛应用。目前,主流工业实时以太网协议主要有PROFINET和Ethernet/IP两种。其中Ethernet/IP具有数据量小、速度快等特点,主要适用于运动控制领域;PROFINET具有数据量大、实时性好等特点,特别适用于大型网络。采用PROFINET协议组成网络架构,硬件上可以做到“一网到底”,现场光纤环网可同时接入视频信号、电话信号等网络通信。

PROFINET是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准,可以确保在网络传输中重要数据的传输可靠性。每个区域内需要将摄像机影像传送至监控中心。摄像机影像数据与信号采集控制数据特点如表1所示。

表1　摄像机影像数据与信号采集控制数据特点

将PROFINET应用于管廊监控,可以将数据采集、控制信号、视频影像信号在同一个物理网络传输。PROFINET协议相较于普通以太网协议具有更高的数据可靠性,确保整个监控网络正常运行。

1.3　控制层系统配置

PLC是控制层逻辑控制的核心,根据综合管廊使用环境、功能要求等,可分为如下几种类型。

(1) 监控中心PLC。负责与下层PLC通信,将所有收集数据进行汇总,并提供开放数据接口,与上位信息系统进行通信。一般采用大型冗余PLC,以保证稳定性、可靠性。

(2) 防火分区PLC。如采用离散式系统架构,则该PLC负责该防火分区内部数据采集与逻辑运算,并与监控中心PLC进行数据交换。由于管廊现场环境恶劣(高温、高湿、多尘),一般也建议采用中型PLC(小型PLC普遍环境耐受性差,市场定位一般为OEM工厂客户,虽然逻辑功能和处理速度等方面勉强能满足系统要求,但在构成大型网络拓扑的组网性能、对上位信息系统的开放性支持及链接数量、整个产品定位及产品所采用的元器件方面均导致该产品在整体性能上不能满足综合管廊苛刻的环境及功能要求)。

管廊系统庞大,子站多,网络结构复杂,整个项目对防火分区PLC组网性能、可扩展性能上要求极高。另管廊所处地带气候潮湿,土地盐碱,因此在管廊中的凝结水一般都具有很高的盐碱性,对设备腐蚀及损害大。故对在该环境下运行的设备具有很高的要求。

管廊内部需要共同入廊各种线缆,包括110 kV、10 kV高压电以及各种通信电缆,内部电磁环境复杂,要求设备本身具有良好的抗电磁干扰能力,不向外发射电磁干扰,即设备具有良好的电磁兼容性。

2　无线网络特性

综合管廊同时需要实现人员对讲、人员定位、设备监控维护等功能,而这些功能都可以通过无线网络来实现。能否在同一个无线网络下实现这些功能,避免重复投资浪费,节约成本,成为无线网络覆盖首先考虑的因素。

HTML5是最新一代万维网核心语言。Windows、Android、IOS等系统均支持HTML5协议,移动设备的常用APP,如浏览器、微信、QQ等也均支持HTML5协议。

利用该技术可以发布Web网页(相当于集成在PLC内的人机界面系统),达到对PLC的监控和诊断维护。利用支持HTML5协议的移动端进行PLC的监控和维护,实现人员定位和对讲。

2.1　设备监控、维护

利用HTML5编写的网络界面下载到PLC中(网络界面的内容可根据项目具体情况编辑),通过现场工业以太网进行访问。

另外,也可为PLC配备无线模块,接入移动端(如手机、Pad等)。将PLC发布的网页访问路径制作成二维码,通过移动端APP扫二维码功能进入到PLC监控界面。将PLC本体的运行状态、故障信息等编辑到PLC发布的Web画面中,从而对PLC设备进行维护。也可以在画面中包含现场仪表、通风、照明、给排水、供电等状态和控制信号,实现对现场设备的监控和维护。

因此,利用HTML5技术为每台PLC节省触摸屏,同时方便人员对现场设备进行监控和维护。

2.2　人员定位

为现场ACU配置无线模块,巡检人员通过移动设备(手机、Pad、智能穿戴设备)接入到现场无线中,通过IP_Tech技术将巡检人员连接数据上传至监控中心,使监控中心实时监测巡检人员的当前位置。巡检人员定位示意如图4所示。

进一步,可以将管廊实际地图以及每套ACU的实际位置写入到现场PLC的HTML5画面中,现场人员通过移动设备访问PLC,从而巡检人员和监控中心都可了解巡检人员的实际位置,在发生危险情况时协助救援和巡检人员自救。

图4　巡检人员定位示意

2.3　人员对讲

巡检人员的移动设备连接无线模块的WiFi而进入到现场工业以太网中,通过手机APP可以实现实时对讲,甚至视频对讲,帮助巡检人员对现场状况进行判断,并采取正确的处理措施。

以上是基于HTML5架构所能实现的功能的初步构想,便于综合管廊运维人员巡检,确保管廊本体安全。

3　结　语

介绍了便于综合管廊运维的系统集成方案,可负责所在片区的综合监控任务和数据处理,将现场采集到的数据上传,下发上位的控制指令,同时系统还需要有灵活的结构,以便于后期系统的扩展。