施耐德电气Modicon系列可编程逻辑控制器PLC在综合管廊弱电系统中的应用

周 佳 麟

[施耐德电气(中国)有限公司工业事业部, 上海　200062]

0　引　言

我国正处在城镇化快速发展时期,地下基础设施建设滞后。推进城市地下综合管廊建设,统筹各类市政管线规划、建设和管理,解决反复开挖路面、架空线网密集、管线事故频发等问题,能保障城市安全、完善城市功能、美化城市景观、促进城市集约高效和转型发展,有利于提高城市综合承载能力和城镇化发展质量。

2015年中央财政支持的综合管廊10个首批试点城市为包头、沈阳、哈尔滨、苏州、厦门、十堰、长沙、海口、六盘水、白银。2016年中央财政支持的综合管廊新增15个试点城市为石家庄、四平、杭州、合肥、平潭综合试验区、景德镇、威海、青岛、郑州、广州、南宁、成都、保山、海东和银川。随着城市经济的快速发展,综合管廊建设规模不足、管理水平不高等问题凸显,一些城市相继发生管线泄漏爆炸、路面塌陷、“马路拉链”等事件,严重影响人身、财产安全和城市运行秩序。针对这些问题,综合管廊是保障城市运行的重要基础设施和“生命线”。

1　综合管廊弱电系统

综合管廊弱电系统也称为综合管廊监控与报警系统,主要由以下部分组成:环境与设备监控系统,火灾报警系统(预警与报警系统),安全防范系统(视频监控、入侵报警等),通信系统(有线电话、无线对讲等)。

综合监控系统中的子系统如图1所示。

图1　综合监控系统中的子系统

根据GB 50838—2015《城市综合管廊工程技术规范》的要求,综合管廊每200 m划分防火分区,环境与设备监控系统在每个防火分区内会设置一台ACU区域控制单元,负责综合管廊现场防火分区范围内的信号采集、控制信号输出和远程通信等任务。一台ACU通常由可编程逻辑控制器(PLC)、工业以太网交换机、不间断电源(UPS)和控制机柜等部分组成。

PLC的主要功能包括如下方面:

(1) 环境监控。PLC通过模拟量或ModBus总线的方式采集每个防火分区内出入口和通风口处安装的气体(O2、CH4、H2S)、温/湿度、水位、水浸等监测传感器的信号,可实现与风机、水泵的自动化控制与对接,并通过工业以太网将信号传送到监控中心计算机。在监控中心控制室显示屏上以数字形式显示每个防火分区的氧气百分比含量和温度/湿度等参数。

(2) 设备监控。PLC对布置在每个防火分区内的排水泵、照明、风机、风道阀门、红外入侵报警装置、环境温度/湿度/氧检测仪表等仪表和设备进行数据采集,监测集水井内液位上限报警信号,实现远程控制风机水泵的开停及相应防火分区内照明设备总开关的分合。

(3) 电力监控。变电所的电力仪表可以通过ModBus总线形式接入PLC,电流、电压等信号经由PLC传送监控中心计算机,实现对供配电系统的远程监控。

PLC是综合管廊环境与设备监控系统的核心组件,在产品选型上应优先选用符合工业使用环境、抗干扰和耐环境能力强、安全稳定可靠的工业级控制器产品。

2　综合管廊PLC的三种常用架构

根据现在综合管廊客户的使用习惯以及设计院的设计要求,结合综合管廊的应用特点,综合管廊环境与设备监控系统有以下三种常用PLC架构。

(1) 第一种常用架构,常规单机PLC方案,即在各分变电所/人员出入口(通常合建)、各防火分区均设置一套PLC。有时为了体现变电所/人员出入口的重要性,PLC会要求采用冗余PLC。代表管廊项目有苏州吴中太湖新城综合管廊项目、北京大兴机场工作区综合管廊项目、景德镇昌南拓展区综合管廊项目等,这种PLC架构占到60%。

(2) 第二种常用架构,异地冗余PLC方案,即在分变电所设置半套冗余PLC,与相邻的分变电所的另半套冗余PLC通过光纤连接,构成一套完整的异地冗余PLC,而在防火分区内设置远程I/O站,分变电所的异地冗余PLC通过以太环网将分变电所供电范围内的防火分区远程I/O站连接在一起,实现统一的远程监控和数据采集。代表管廊项目有合肥高新区综合管廊项目、上海南汇新城综合管廊项目、吉安君华大道综合管廊项目等,这种PLC架构约占到20%。

(3) 第三种常用架构与第二种类似,两个分变电所同样采用异地冗余PLC,但在远程I/O站方面,为现场每台设备均单独设置远程站,如排水泵远程站、排风机远程站、风阀远程站等。代表管廊项目有赤峰中心城区综合管廊项目、南京江北新区综合管廊项目、西宁综合管廊项目等,这种PLC架构约占到10%。

3　施耐德Modicon PLC在综合管廊的应用

施耐德Modicon PLC能够提供不同的技术方案用于满足以上三种常见的PLC架构,同时其具备如下特点也能充分满足综合管廊对PLC的技术要求:

(1) 采用最先进的嵌入式双核Cortex A9 RISC微处理器。

(2) 高达64 MB集成内存保障,控制能力更强。

(3) 高速的通信、应用程序和指令执行。

(4) 创新的机电设计提供高于IEC标准规约的EMC性能和鲁棒性。

(5) 支持宽温环境运行(-25 ℃～+70 ℃/-13 ℉～+158 ℉)。

(6) 异地冗余最远距离可达15 km。

(7) 不同系列PLC采用统一的IO模块,且所有模块支持带电热插拔。

(8) 产品通过国家信息安全认证。

施耐德Modicon PLC自动化平台将工业以太网技术的诸多优势集于一身,从而确保不同控制层级之间、各系统之间和系统内设备之间协同工作更顺畅、更高效。

Modicon PLC在多年不断积累的基础上,面向未来工业自动化控制需求推出集开放灵活、稳定可靠于一身的新一代高端控制器,包括专业关注冗余控制解决方案的高可用型控制器Modicon昆腾+和应用于单机控制应用需求的标准型控制器Modicon M580。

昆腾+PLC异地冗余架构如图2所示。

图2　昆腾+PLC异地冗余架构

Modicon PLC在模块化工业可编程自动化控制器运行稳定、可靠的基础上,引入开放性更好的以太网通信技术,支持ModBus和Ethernet两种工业以太网协议。通过全面开放的以太网架构,为不同系统设计时需要的不同产品的高效互联提供全面的支持。同时,更全面的安全保障策略也让系统的用户更安心。

施耐德电气Modicon系列PLC产品如图3所示。

图3　施耐德电气Modicon系列PLC产品

施耐德Modicon系列PLC技术优势如下:

(1) 控制响应时间不大于1 s。控制响应时间为监控中心综合监控系统发出命令到弱电间PLC输出动作的时间。

(2) 信息响应时间不大于1 s。信息响应时间为弱电间PLC系统输入模块接受状态信号到监控中心综合监控系统正常显示的时间。

(3) 系统整体实现的显示精度要求模拟量的显示精度不低于1级(在合理的显示范围或仪表的量程内),温度的分辨率不低于0.2 ℃。

(4) 系统主要单台设备平均无故障时间(MTBF)>50万h。

(5) 系统故障恢复时间(MTTR)<30 min。

(6) 系统不因单点设备故障,影响整个系统的正常运转。

(7) 系统显示设备的图形更新和数据更新响应时间小于1 s,在外界电磁场和静电干扰下不会出现任何画面跳动和扰动。

(8) 当电源供应中断后再恢复运作时,PLC、网络通信设备能自动重新起动,并在120 s内恢复正常运行。

(9) 当接收到由火灾报警系统发出的火灾报警信号后,相关的控制命令在1 s内控制相关的消防模式进行联动,并返回信息。

(10) 系统具有抗电磁干扰能力,满足相关的标准和规范要求。

(11) 系统可抵抗无线电频率为150 kHz至30 MHz中的接触性干扰或满足国家相关的标准和规范要求。

(12) 开放性:网络符合完全开放的、国际公认的网络标准协议,如IEC 61158、IEEE 802.3、10Base T、100Base TX等。

(13) 实时性:网络具备高度实时性,刷新时间、I/O数据的传送时间有保证。

(14) 信息传输服务:控制层设备提供方便的接入端口,无论从任何一点接入,都应方便地支持编程上传/下载、系统诊断和数据采集功能,且不需要复杂的编程或特殊的软硬件支持,同时不影响实时信息传输性。

4　施耐德电气在综合管廊的优势

(1) 为综合管廊提供整体解决方案。施耐德电气拥有最为完整的监控软件、配电产品和自动化产品,能为综合管廊提供从监控中心到配电系统,再到环境与设备监控系统的整体解决方案。

施耐德电气拥有的相关产品如图4所示。

施耐德电气为综合管廊提供的整体解决方案如图5所示。

图4　施耐德电气拥有的相关产品

图5　施耐德电气为综合管廊提供的整体解决方案

(2) 为综合管廊客户量身定制多种服务。作为供应商,施耐德电气既能够提供产品,也可以提供控制柜和配电柜的盘柜集成服务,并结合综合管廊客户实际需求,提供自控系统程序编程和现场调试服务。

(3) 实现综合管廊现场数据透明传输。Modicon系列PLC产品的设计基于开放的以太网技术,从而有效地优化设备互联和通信,强大的控制器提供更高水平的复杂网络通信、显示和应用控制的处理能力。实现从监控中心到现场设备E网到底全部通过工业以太网实现数据透明通信。

Modicon系列PLC产品实现综合管廊现场数据透明传输如图6所示。

图6　Modicon系列PLC产品实现综合管廊现场数据透明传输

5　结　语

施耐德Modicon PLC能够提供不同的技术方案以满足三种常见的PLC架构,通过开放的以太网架构,为不同系统设计中需要的不同产品的高效互联提供全面的支持,在综合管廊弱电系统中具有很大的优势。