淺析城市綜合管廊弱電系統設計

史艷玲

（南昌市城市規劃設計研究總院）

淺析城市綜合管廊弱電系統設計

史艷玲

（南昌市城市規劃設計研究總院）

城市綜合管廊是城市現代化的基礎設施，管廊內不僅包含自來水、煤氣、電力、電信管線而且自身使用的動力、照明排水等設備繁多。既要考慮到綜合管廊的管理成本，也要考慮到管理水平和管理質量。通過分析綜合管廊的實際情況，將建立一套安全可靠、功能齊全、先進適用的管廊綜合監控系統。

綜合管廊；監控系統；設備監控；環境監控；中央計算機

弱電系統設計：

本文以某管廊為例，介紹管廊的弱電設計情況。

本設計采用現代化的自動監控設備和中央計算機系統系統構建城市管廊綜合監控系統，實現現場無人值守，控制中心集中監控。

該管廊采用綜合倉+電力倉的全封閉雙倉構造，單倉全長3656m，整個管廊涉及21個交叉口管廊及接戶管廊。考慮人員正常和緊急出入，設備材料進出及管廊內通風，整個管廊設置2個正常出入口，18個逃生口、18個投料口以及19個機械排風口。

1　總體需求

監控系統主要針對綜合管廊內的各種設備，采集管理所需的各類數據，實現設備的遠程控制、狀態集中顯示、數據檢測等功能。對外場設備進行遙控、遙信和遙測功能，從而達到整個系統的自動化、節能、環境控制、科學管理、合理應用等目的。為提高管理效率與服務質量，降低運營成本提供可靠保證。最終達到如下目標：

（1）在常態下：管廊內安全順暢，環境適宜，各系統設備運行正常、科學節能；

（2）在發生各種事件狀態下：事件檢測迅速準確，反應快速合理，能最大程度降低事件所引起的負面后果，減少生命財產損失。

2　設計原則

2.1環境管理

（1）管理人員能實時掌握管廊內各種環境參數，包括管廊內各分區的溫度、濕度、氧氣含量、水位及爆管等環境參數，并通過閉路電視監控系統對整個管廊進行圖像監視。

（2）管理人員能迅速發現管廊內發生的環境惡劣、爆管、火災等事件，并能夠再現事件前后一段事件（至少1min）的錄像，以供分析。

（3）管理人員能及時獲知影響管廊環境的其它相關系統的事件。

（4）針對所有以上獲取的信息，能對管廊內，以及即將進入管廊的人員進行相應的控制。所執行的控制方案應該能自動生成，由管理人員確認，或直接由管理人員根據具體情況制定，并且能通過相關控制設備準確及時地給受困人員提供誘導信息。對設備的控制可以在中央控制室集中遙控，也可以在設備現場控制。實時圖像的顯示能根據發生事件進行聯動。應該能自動屏蔽錯誤的人工控制命令。

（5）管理人員能對歷史事件、數據進行處理。包括：環境歷史數據資料的查詢、統計、分析，人機對話記錄、系統故障處理，并且能用圖形、表格形式打印。

2.2設備管理

設備管理主要有通風系統的風機、排水系統的水泵，供配電系統的高、低壓開關柜，照明系統的控制柜、燈具，消防系統的氣體滅火裝置等。

（1）實時掌握各管理設備的狀態和運行參數。

（2）實時關注設備運行的條件參數，包括管廊各分區的溫度、濕度、集水坑液位等。

（3）根據以上獲取的信息，能對管廊相關設備進行人工和自動控制。設備運行的條件參數超越預先設定值時，應通過聲光報警方式提醒管理人員。

（4）對歷史進行數據處理。

3　系統組成

為實現管廊一體化集中管理，根據以上設計原則，監控系統將建立統一的中央控制室，并組成計算機網絡，主要是由以下3個系統組成。

（1）中央計算機分系統；

（2）設備監控分系統（含風機控制、水泵控制、照明控制、環境及非法入侵等信號的采集）；

（3）環境監控分系統。

3.1中央計算機分系統功能

（1）在控制中心實現統一監控、集中管理，實現管廊設備及人員的一體化管理，確保管廊內環境適宜、設備及人員安全；

（2）管廊內相關設備實現遠程遙測、遙控和遙信；

（3）管廊內的供電系統實行監控優化管理；

（4）實時分析記錄管廊環境情況，聯動相應設備，改善管廊環境狀況；

（5）實現全區及各分區的通信功能，正確、及時地傳輸管廊內外的信息，協調與相關部門實時通訊；

（6）使用多級、多功能、多系統集成的中央機網絡，完成智能監控、操作、維護、通信、資源共享等功能。系統具有降級使用功能；

（7）高速、實時、可靠地檢測管廊內設備運行狀態、環境情況以及各種事故、災情，掌握各類管理信息，作出及時有效的措施，抵御災害，把損失降至最低；

（8）為將來實現管廊統一管理預留網絡通信接口。將管廊的環境及運行信息向上級監控中心上傳送信息，并接收其下載的控制信息。

3.2設備監控分系統

設備監控系統主要針對管廊內和管理房內的各種用電設備，采集管理所需的各類數據，實現設備的遠程控制、狀態集中顯示、數據檢測等功能。對電力系統進行遙控、遙信和遙測功能，對全管廊實現電力調度自動化，從而達到整個系統的自動化、節能、環境控制科學管理、合理應用等目的。

3.2.1系統結構

本系統是集合了先進計算機技術、網絡技術、工業控制設備、工業現場總線技術等為一體的先進的管廊設備監控系統。關鍵設備采用冗余配置，以增加系統的可靠性和穩定性。

整個設備監控系統根據區域及功能劃分，主要包括3套雙機熱備冗余區域控制器ACU01、ACU02、ACU03分別負責綜合倉、電力倉和聯動控制。

ACU01下掛綜合倉20個分區的以太網遠程I/O站（ERIO站），ACU02下掛電力倉20個分區的遠程I/O站，ACU03下掛管理房的遠程I/O站。

雙機熱備主控單元：

雙機熱備主控單元是雙機架硬件級熱備產品，由主、備兩個機架，兩套完整獨立的、配置完全一樣的系統構成，通過熱備光纖連接構成熱備系統。每套配置如下：

（1）機架——雙機架結構；

（2）電源模塊——1：1冗余；

（3）CPU模塊——1：1冗余；

（4）以太網模塊——1：1冗余；

（5）ERIO通訊處理器模塊——1：1冗余。

2套系統通過熱備光纖連接構成完整的熱備系統。

通過主備機架上的ERIO通訊處理器模塊與各ERIO站上的ERIO適配器模塊通訊，與各ERIO子系統通訊連接，實現數據采集和監視。

主控制器執行應用程序，控制ERIO，在每次掃描（程序周期）之后更新備用控制器。如果主控制器故障，備用控制器在一個掃描周期內將起控制作用，主備狀態自動切換。根據控制器上液晶顯示屏上顯示的控制器狀態和RIO主站發光二極管顯示的狀態，來判斷主控制器是否故障。

CPU為雙處理器結構，數據同步與程序處理同時進行，數據交換和冗余切換不影響掃描周期。處理器上集成高速同步光纖口，通過熱備光纖直接連接兩個CPU模板，進行熱備冗余數據交換，抗干擾能力強，傳輸速度快。冗余系統配置要求安裝簡單，支持即插即備式的冗余，所有的默認數據都進行交換，無需用戶專門配置。

冗余切換時，以太網模塊地址應自動切換，對過程管理計算機無任何擾動；遠程I/O通訊處理器控制權應自動切換，對ERIO無任何擾動。

ERIO子系統：

采用基于Enthnet/IP的遠程I/O體系結構解決方案——ERIO子系統。

ERIO構架是一個可擴展、靈活、集成且協作性的系統，可滿足許多不同類型用戶的系統擴展需求。ERIO構架，采用基于Enthnet/IP通訊協議的遠程網絡技術，可通過同軸電纜或光纖與主控單元進行I/O擴展，同軸電纜距離擴展為每個ERIO站100m，運用光纖可以擴展到2～15km。

本方案采用單模光纖作為通訊介質，以機架安裝的光纖模塊作為通訊介質連接板。主控單元的光纖模塊安裝在本地擴展機架上，ERIO的光纖模塊安裝在各ERIO子系統機架上，位置緊靠遠程I/O適配器模塊，各NRP模塊采用逐級連接的方式，構成一個完整的環形光纖熱備冗余控制網絡結構。

控制設備具有自診斷功能，維修簡便，并設置人機界面，當系統中有故障時能及時準確的報警，當上位中央計算機系統發生故障時，系統設備能降級使用。整體上，系統具有開放性、可靠性、先進性和可擴展性強等特點，并具有實時高速可靠的檢測整個管廊內的各種狀態，以及檢測和預告事故、災情的能力。

各控制器的I/O及通訊接口考慮20%的備用量。

3.2.2系統總體功能

（1）達到設備、環境及安防監控、防災減災、統一管理的功能。

（2）對管廊內相關的設備實現遠程監控、狀態集中顯示、數據檢測等工作并達到自動化操作、節能、配合環境控制等目的。

（3）對管廊內的能源系統實行監控，滿足管廊動力、照明及其它設備用電正常供給。

（4）及時反映管廊內環境情況，對于災害（如火災，爆管）能實時判斷和報警，聯動相應設備，抵御災害，把損失降到最低。

（5）實現管廊內全區及相關區域的通信功能，正確、及時地傳輸管廊內外的信息。實現本管廊與相關整體管廊網絡上協調管理，數據通信應具有快速、有效、準確具強抗干擾的能力。

3.3環境監控分系統

3.3.1系統概述

本工程環境監控主要涉及到管廊內的溫濕度、氧含量、積水及爆管監測等。通過在地下管廊內配置相應的傳感器及變送器，將測量信號轉換為標準的4～20mA電流信號，送入對應防火分區的ERIO遠程控制站中，進入設備監控系統并傳輸到監控中心，通過配套的綜合管理軟件對數據進行分析。通過軟件對每個測點的地理位置、測量值或工作狀態進行連續采集，如出現異常，系統會自動生成報警（聲光報警、短信報警、郵件報警可選），第一時間通知到相關人員，將可能出現的險情消滅在萌芽狀態，避免造成大的經濟損失及影響管廊的正常工作。

3.3.2系統功能

系統通過溫濕度監測儀、氧氣監測儀、超聲波液位計、液位開關等沿線現場設備，實時、準確地獲取管廊內各分區的環境參數，經ERIO遠程控制站采集、經區域控制器預處理，經光環網送至中央監控計算機，同時存入數據庫中。

考慮到環境監控與設備監控的關聯性，環境監控不單獨設控制系統，所有信號進入設備監控系統，系統除承擔環境監控的任務外，還作為設備監控的判斷條件參與通風設備控制及排水設備的控制。

3.3.3設備功能

（1）溫濕度監測：在每段綜合管廊的防火分區兩端（離通風口10m左右）及中間設置溫濕度儀，檢測綜合管廊內的濕度。經區域控制器送中央監控計算機，在實現環境監控的同時參與通風設備控制。溫濕度監測儀按按40個防火分區，每個區域3套配置，21個入戶或交叉管廊各設1套，共計141套。

（2）氧氣監測：在每段綜合管廊的防火分區內每50m設1臺氧檢測儀，監測綜合管廊內的氧氣含量。經區域控制器送中央監控計算機，在實現環境監控的同時參與通風設備控制。氧氣監測儀按按40個防火分區，每個區域3套配置，21個入戶或交叉管廊各設1套，共計141套。

（3）水位監測：在每段綜合管廊的防火分區內的積水坑配置一套超聲波液位計，水位信號即作為排水泵控制依據，又作為爆管后的水位測量及報警。經區域控制器送中央監控計算機，在實現環境監控的同時參與排水設備控制。超聲波液位計按47個集水坑，每個集水坑1套配置，共計47套。

（4）爆管監測：在每段綜合管廊的防火分區內地坪低處安裝液位開關，報警液位離地坪30cm，用以水管爆管事故發生時管廊內水位上升報警。經區域控制器送中央監控計算機，在實現環境監控的同時參與排水設備控制。液位開關按40個防火分區及21個入戶或交叉管廊，每個區域1套配置，共計61套。

4　結束語

通過對管廊分析與設計，組成管廊整個項目的設備，環境等監控系統，形式完善的后臺管理系統，建立統一的中央控制室監控系統。隨著以后城市管廊應用越來越普遍，該類設計會更加廣泛的進入到我們的設計工作，在科技快速發展的今天，希望這篇簡文能對管廊弱電設計有所幫助。

[1]《城市綜合管廊工程技術規范》（GB50838-2015）.

[2]《建筑設計防火規范》（GB50016-2014）.

[3]《火災自動報警系統設計規范》（GB50116-2013）.

TU994

A

1673-0038（2015）48-0078-03

2015-11-10

史艷玲（1965-），女，高級工程師，本科，主要從事電氣設計工作。