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劉細鳳
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：介紹了云南滇中新區智慧管廊環境和設備監控系統的設計與實現，包括區域控制器硬件選型設計，Siemens 模塊的設計應用，工業以太網、Modbus 現場總線的應用等。該系統采用了全集成自動化可視化平臺，具有可靠穩定、高效、易操作和擴展性良等特點。
關鍵詞：管廊；環境和設備監控；ACU ；PLC 設備設計
1 引言
滇中新區是2015 年9 月批準成立的第15 個 級新區。地下綜合管廊是保障新區城市建設和人民生活、經濟、高效、便捷的城市基礎設施建設工程。根據家有關政策和新區經濟戰略定位，建設、高效的智慧管廊勢在必行。
2 項目概況
本設計包括哨關路、嵩昆路綜合管廊環境和設備監控系統。哨關路智慧管廊工程包括控制和管廊現場兩部分， 全長10.19km ；控制位于哨關路與嵩昆路交叉口東北角。嵩昆路綜合管廊長度為7.444km。兩條管廊均為雙艙結構（電力艙、管道艙）。根據當地氣象水文資料和設計需求，工程所涉及的管廊內潮濕且伴有凝露和腐蝕性氣體，監控設備應能適應管廊內環境要求，且應能承受爆管事故影響。
3 問題提出
管廊屬于地下設施，需要人員定期巡檢和管線入廊施工，為了解決環境問題，管廊環境檢測系統主要對管廊各艙室內的氧氣濃度、溫濕度、水位等參數進行監測，監控系統根據管廊內環境檢測系統的參數，對管廊環境進行實時控制，確保管廊內的環境舒適、。通過對現有管廊監控系統配置和控制方式的梳理，目前智慧管廊環境與設備監控系統所要解決的問題主要是：
1）尋求穩定可靠的方法實現管廊的環境和設備監控，保障人員財產。
2）所選設備能應對管廊的特殊環境。
3）所選設備的擴展性需滿足后續管廊建設集中監控需求。
4 系統功能設計
滇中新區綜合管廊的環境和設備監控系統設計著力于貼合項目作為綜合管廊信息化示范項目需求，提高綜合管廊工程項目的智能化水平。根據前面問題尋求*的環境和設備監控系統方案如下：考慮長期運營的可靠，本設計采用基于工業PLC 的控制柜技術方案。PLC 利用診斷系統對PLC 本身和外部連接設備的運行狀態進行分析判斷。當現場環境異常時，系統快速采集、處理故障數據，同時完成在線計算、存儲、統計、報警、分析報表和數據遠傳等功能。管廊環境檢測系統主要對管廊各艙室內的氧氣濃度、溫/ 濕度、水位等參數進行監測，監控系統根據管廊內環境檢測系統的參數，對管廊環境進行實時控制，確保管廊內的環境舒適、。管廊內設備監控主要包括排水控制、通風控制、照明控制和電力監控。
1）排水控制
綜合管廊潛水泵設就地手動操作及液位自動控制方式，并將集水坑的液位信號以及潛水泵狀態信號反饋至監控系統。液位傳感器發生水位超限報警時，系統自動報警，聯動視頻監控系統，打開相關區間的照明，自動將該位置的視頻圖像畫面切換至大屏上，供人工確認。
2）通風控制
風機設就地手動操作、防火分區出入口處手動操作及監控系統遠程操作方式，并將風機狀態信號反饋至監控系統。正常情況下，管廊內溫度超過40 ℃ 時， 電動開啟風機低速排風，低于30℃時，聯動風閉，以保證管廊內的適宜溫度；巡檢時，應開啟所需巡檢區段的通風系統30min 后，待氧含量高于21% 時，工作人員方可進入；火災發生時，電動關閉火災及其相鄰通風區段的風機及風機入口閥門；火災發生后，電動開啟風機及風機入口閥門，高速運轉進行事故通風，以排除管廊內煙氣、廢氣。
3）照明控制
綜合管廊照明按防火分區進行分段控制，設防火分區出入口處手動操作及監控系統遠程操作方式，并將各艙室的照明狀態信號反饋至監控系統。操作人員可借助多種照明控制模式，實現對不同時間、不同工況、不同區域的照度進行精確設置和合理管理，從而達到節能目的。
4）電力監控
系統對變電站供電、配電的電壓、電流和功率進行采集和監視，保證電能的和質量。電力監測設計采用電力多功能儀表通過儀表自帶RS485接口把電能質量信息通過Modbus 協議接入ACU 控制柜控制單元。
5）網絡和控制系統的診斷
利用工業PLC 的自診斷功能和工業管理型交換機的網絡管理診斷功能，來監控PLC 系統CPU 運行狀態、網絡狀態等。當系統出現故障，到診斷畫面上可以非常清晰地看到故障的控制設備和通訊設備。
系統上位機采用SCADA 監控平臺，設備具有系統資源的共享性和兼容性，操作監視集中化歸于監控。在監控實現多個HMI 的互為備用，每個HMI 操作站具有完善的報警系統、趨勢記錄、報表記錄、操作記錄，實現標準化、可視化的管廊內部環境、設備運行狀態的實時監控。
5 系統網絡結構設計
根據工程防火分區和通風分區重合，以及需要監控的設備安裝位置的實際情況，在管廊每個排風井夾層的機柜室內設置ACU 控制柜。哨關路綜合管廊工程共分為59 個防火分區，共設置了29 臺ACU 控制柜。嵩昆路綜合管廊工程共分為40 個防火分區，共設置了20 臺ACU 控制柜。每條路有各自的獨立控制系統光纖環網。同條道路地下管廊的各個ACU 控制柜與控制控制柜的道路匯聚交換機以環形結構100Mbps 單模室外光纖以太網TCP/IP 協議實現通訊；光纖采用阻燃單模八芯鎧裝光纜。
本項目監控定位管廊監控運維分監控，為主監控和智慧城市監控預留數據接口，通過防火墻進行外部數據隔離和內部數據加密。每條道路管廊控制環網接入對應匯聚交換機， 再連接到核心交換機，數據信息就能通過工業防火墻后集中到監控進行管理。工作站和服務器通過雙絞電纜與交換機連接。交換機間數據的隔離利用可以有效保障底層控制系統的。
6 系統主要硬件選型
1）現場ACU控制柜
ACU 控制柜內工業PLC 模塊和交換機，包括CPU 運算處理RAM 存儲模塊，通訊接口模塊，IO 接口擴展模塊，具有防水、防塵、防靜電設計，并加防腐涂層，單臺控制柜具有CPU 運算功能，具有自診斷功能。
控制模塊選用進口*工業級產品, 帶防腐蝕涂層, 防鹽霧和氣體腐蝕, 在冷凝/ 結霜工況下正常工作, 以應對高濕環境。ACU 中控制單元要求具有高速網絡傳輸技術，確保系統具有高效數據交換和I/O 處理能力。綜上考慮， 采用西門子SIPLUS系列產品對設計進行實現。CPU 采用1500 系列，擴展模塊采用ET200SP 系列。PLC 模塊均符合寬溫-40 ～ 60℃ ,滿足EN 60721:3C4、EN 60721:3B2標準。PLC 模塊插槽備用10%，I/O 點備用20%。
① PLC 模塊配置：以哨關路管廊控制柜為例，每臺ACU 控制柜內主要PLC
模塊配置如表1。
② 交換機：2 光6 電, 百兆單模,雙電源輸入, 寬溫-40 ～ 70℃ ；③ 柜體: 控制柜柜體具有防水、防塵、防靜電及無風扇設計，能夠滿足綜合管廊的應用環境。柜內除了常規元器件外， 還帶有溫濕度檢測模塊，能夠實時監測柜內溫濕度，并通過通訊接口控制所在機柜室的空調啟停，保證柜體散熱排濕需求。柜內以0.75mm2 銅導線為柜內線，柜體內部設有端子排，可以合理布置對外接線端子，方便調試和檢修維護。ACU 控制柜的進出線方式可以根據管廊設備夾層中的線槽位置調整，柜體進出線位置設有隔蘭頭，保證電纜接線可靠。柜體防護等級IP66，不銹鋼材質。
為了系統的供電穩定，現場儀表和PLC 控制柜電源由不間斷電源裝置（即UPS）提供。
2）環境和設備監控系統監控設備
在機柜室設主PLC 和通訊機柜,內裝主PLC, 實現各個ACU 之間的聯動；內裝核心交換機，實現和ACU、安防系統、通信系統、火災報警等系統的數據通訊，以及和管線公司、智慧城市平臺的數據共享；內裝防火墻，使智慧平臺免受網絡攻擊，保障系統；內裝隔離網閘，保障工控。在控制室設工程師站1套,裝編程軟件、畫面組態軟件、智慧平臺編程組合軟件。另設操作員站3套,裝監控軟件客戶端。
7 以安科瑞智慧城市地下綜合管廊產品選型方案為例。
7.1 管廊電力監控系統（10/0.4kV地面變電所）
應用場合 | 型號 | 功 能 | |
10kV | 進/饋線 | AM4-I | 三段式過流保護、兩段式序過流保護、反時限過流保護、負序過流、過負荷保護（告警、跳閘）、控故障告警、PT斷線告警、三相次重合閘、后加速過流、FC閉鎖、非電量保護（告警、跳閘）、過電壓保護、低電壓保護；斷路器遙控分/合閘操作；故障錄波。 |
PT監測 | AM4-U1 | 過電壓告警、序過壓告警、PT斷線告警、低電壓告警；4路交流電壓通道；故障錄波 | |
AM4-U2 | I段/II段過電壓告警、I段/II段序過壓告警、I段/II段PT斷線告警、I段/II段低電壓告警；8路交流電壓通道；故障錄波。 | ||
智能操控、節點測溫 | ASD320-Pn | 次回路動態模擬圖、彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、自動溫濕度控制及顯示（標配路強制加熱）、遠方/就地旋鈕、分合閘旋鈕、儲能旋鈕、人體感應、柜內照明控制、RS485接口、高壓柜內電氣接點無線測溫。 | |
電參量測量 | APM810 | 三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），序電流In，四象限電能，實時及zui，本月和上月極值，電流、電壓不平衡度，負載電流柱狀圖顯示，66種報警類型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄，2-63次諧波，2DI+2DO，RS485/Modbus，LCD顯示。 | |
0.4kV | 進線 | APM810 | 三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），序電流In，四象限電能，實時及zui，本月和上月極值，電流、電壓不平衡度，負載電流柱狀圖顯示，66種報警類型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄，2-63次諧波，2DI+2DO，RS485/Modbus，LCD顯示。 |
ASJ10-LD1A | 1路A型剩余電流測量；30%，50%，70%，TRIP棒狀LED指示；十種額定剩余動作電流可設定；十種極限不驅動時間可設定；互感器斷線報警指示；兩組繼電器輸出(組常開，組轉換，均可設定)；具有就地，遠程“測試”、“復位”功能。 | ||
無功補償 | ARC | 測量I、U、Hz、cosΦ，具備過電壓保護、欠流鎖定、電網諧波過大保護功能,可控制電容器的投切，RS485/Modbus協議。 | |
APM810 | 三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），序電流In，四象限電能，實時及zui，本月和上月極值，電流、電壓不平衡度，負載電流柱狀圖顯示，66種報警類型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄，2-63次諧波，2DI+2DO，RS485/Modbus，LCD顯示。 | ||
有源濾波 | ANAPF | ANAPF系列有源電力濾波器并聯在含諧波負載的低壓配電系統中，能夠對動態變化的諧波電流進行快速實時的跟蹤和補償。 | |
出線 | APM810 | 三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），序電流In，四象限電能，實時及zui，本月和上月極值，電流、電壓不平衡度，負載電流柱狀圖顯示，66種報警類型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄，2-63次諧波，2DI+2DO，RS485/Modbus，LCD顯示。 | |
ANHPD300 | 對用電設備產生的隨機高次諧波、脈沖尖峰、電涌等具有抑制和吸收作用，能有效濾除電壓尖峰雜波、矯正畸變的電壓波形，對諧波噪聲進行消化和吸收，防止保護裝置誤跳閘，保證用電設備正常運行。 | ||
ASJ10-LD1A | 1路A型剩余電流測量；30%，50%，70%，TRIP棒狀LED指示；十種額定剩余動作電流可設定；十種極限不驅動時間可設定；互感器斷線報警指示；兩組繼電器輸出(組常開，組轉換，均可設定)；具有就地，遠程“測試”、“復位”功能。 | ||
溫度檢測 | 變壓器溫度檢測 | ARTM-8 | 8路溫度巡檢，熱電阻信號輸入，RS485接口，2路繼電器輸出。 |
無線測溫 | ARTM100 | 可以嵌入式安裝在高壓柜、低壓抽屜柜內，每臺裝置可以接收240個傳感器的數據，可與ATE100、ATE200、ATE300三種傳感器選配使用。裝置帶有路485接口、可選配路以太網口，可將采集到的溫度數據上傳到監控。 | |
ATC200 | 款帶有路485接口的溫度收發器，可同時接收12個ATE200傳感器發射的數據并將采集到的數據上傳到監控。 | ||
ATE200 | 表帶式固定，測溫范圍0-125℃，測量精度±2℃，傳輸距離空曠10米。 | ||
配套附件 | AKH-0.66 | 測量型互感器，采集交流電流信號。 | |
AKH-0.66L | 剩余電流互感器，采集剩余電流信號。 | ||
網關 | Anet-2E5S | 5個RS485串口 2kV隔離， 2個以太網接口，支持Modbus RTU、IEC-60870-5-101/103/ 104、CJ/T188、DL/T645等通訊協議設備的接入，支持Modbus RTU、Modbus TCP、IEC-60870-5 -104、建筑能耗數據、電力需求側等上傳、支持多不同數據服務要求，支持網關透傳協議；裝置電源:220V AC/DC。 | |
Anet-4E10 | 10個RS485串口 2kV隔離，4個以太網接口，支持Modbus RTU、IEC-60870-5-101/103/ 104、DNP、CDT、CJ/T188、DL/T645等通訊協議設備的接入、支持Modbus RTU、Modbus TCP、IEC-60870-5 -104、CDT、建筑能耗數據、電力需求側等上傳、支持多不同數據服務要求，裝置電源:220V AC/DC。 | ||
電力監控系統 | Acrel-2000 | 數據的實時采集、數字通信、遠程操作與程序控制、保護定值管理、事件記錄與告警、故障分析、各類報表及設備維護信息管理。 | |
7.2 管廊設備監控系統（0.4kV動力箱/動力柜）
應用場合 | 型號 | 功能 | 安裝方式 | 防護等級 | 使用說明 |
動力箱/柜 | DTSD1352 | 三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，分相正向有功電能統計，總正反向有功電能統計，總正反向無功電能統計；紅外通訊；電流規格：經互感器接入3×1(6)A,直接接入3×10(80)A，有功電能精度0.5S級,無功電能精度2級。 | 導軌式 | IP30 | 同動力箱/柜配合使用，防護等級可達IP65。 |
ARD2F－XX/XX－90L/UT | ARD2F智能電動機保護器適用于額定電壓至AC690V、額定電流至AC800A、額定頻率為50/60Hz的電動機，可與接觸器、電動機起動器等電器元件構成電動機控制保護單元，有遠程自動控制、現場直接控制、面板指示、信號報警、現場總線通信等功能。 | 主體：導軌式
顯示：嵌入式 | 主體：IP30
顯示：IP65 | ||
PZ72L-E4/UT | 三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），四象限電能，LCD顯示，可選2DI/2DO，RS485/Modbus通信。 | 嵌入式 | IP65 |
| |
WHD72-11/UT | 測量并顯示控制1路溫度、1路濕度。 | 嵌入式 | IP65 |
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配套附件 | AKH-0.66 | 測量型互感器，采集交流電流信號。 | 螺絲固定 | IP30 | 同動力箱/柜配合使用，防護等級可達IP65。 |
8 結語
滇中新區智慧管廊環境與設備監控系統的設計中ACU 控制單元和控制柜柜體均采用高防護等級產品，產品實用、成熟、可靠、有使用實績，備件能夠保證供應；工業PLC 模塊在結構上采用靈活性、可擴展性良，確保系統具有高效數據交換能力和穩定性。設備選型滿足了管廊的特殊環境和后續管廊建設集中監控的擴展性需求，實現管廊的環境和設備監控的穩定可靠，項目實際應用效果良好。
參考文獻：
[1] 凌琪 滇中新區智慧管廊環境和設備監控系統設計
[2] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2019.11版
作者簡介：劉細鳳，女，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為綜合管廊監控及運維方向
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