基于PLC控制系統(tǒng)的城市綜合管廊自動化儀表解決方案

穆桐

摘要：綜合管廊工程是指在城市地下建造一個市政共用隧道，將給水、排水、電力、通信等城市工程管線進行集中敷設在一起，實行“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設、統(tǒng)一管理”的集約化建設和管理。文章以西藏那曲綜合管廊為設計背景，通過實際設計案例介紹了綜合管廊自動化儀表設計、選型要求、PLC控制系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)的設計。

關(guān)鍵詞：綜合管廊；自動化儀表；PLC控制系統(tǒng)；系統(tǒng)設計；網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu) 文獻標識碼：A

中圖分類號：TU990 文章編號：1009-2374（2017）05-0097-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.047

1 城市綜合管廊設施基本情況

1.1 定義

城市綜合管廊是通過將電力、通訊、給水、燃氣、熱力、給排水、垃圾真空管等兩種以上的管線集中設置到道路以下的同一地下空間而形成的一種現(xiàn)代化、科學化、集約化的城市基礎設施，設有專門的檢修口、吊裝口和監(jiān)測系統(tǒng)，實施統(tǒng)一規(guī)劃、設計、施工、建設和管理，它解決了城市發(fā)展過程中各類管線的維修、擴容造成的“拉鏈路”和空中“蜘蛛網(wǎng)”的問題，對提升城市總體形象，創(chuàng)造城市和諧生態(tài)環(huán)境起到了積極推動

作用。

1.2 分類

綜合管廊根據(jù)其所收容的管線不同，可分為干線管廊、支線管廊、纜線管廊（電纜溝）三種：

1.2.1 干線管廊：一般設置于道路中央下方，主要收容的管線為電力、通訊、燃氣、熱力、自來水等，個別項目將雨水、污水納入管廊內(nèi)。

1.2.2 支線管廊：一般設置在道路兩側(cè)或單側(cè)，采用單艙或雙艙敷設配給管線，直接服務于臨近地塊終端用戶。主要收容的管線為電力、通訊、燃氣、熱力、自來水等。

1.2.3 纜線管廊：采用淺埋溝道方式建設，設有可開啟蓋板，但其內(nèi)部空間不能滿足人員正常通行要求，用于容納電力電纜和通信電纜的管廊。

1.3 建設綜合管廊的意義

1.3.1 城市地下綜合管廊是新型城市市政管理基礎設施建設現(xiàn)代化的重要標志之一。它對現(xiàn)代化城市環(huán)境、減少城市道路重復開挖，起到良好的示范和推動

作用。

1.3.2 地下綜合管廊對滿足民生基本需求和提高城市綜合承載力發(fā)揮著重要作用。

1.3.3 地下綜合管廊建設避免由于敷設和維修地下管線頻繁挖掘道路而對交通和居民出行造成影響和干擾，保持路容完整和美觀。

1.3.4 降低了路面多次翻修的費用和工程管線的維修費用，保持了路面的完整性和各類管線的耐久性。

1.3.5 倉內(nèi)管線布置緊湊合理，有效利用了道路下的空間，節(jié)約了城市用地。

2 西藏那曲城市綜合管廊控制系統(tǒng)介紹及設計

2.1 概述

在綜合管廊內(nèi)部，設置管廊環(huán)境檢測儀表、視頻監(jiān)測設備、火災報警裝置、控制設備（如防火門、通風風機、照明系統(tǒng)等）、管廊管道介質(zhì)測控儀表等，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和通訊網(wǎng)絡，將數(shù)據(jù)匯總至管廊信息管理平臺。建設統(tǒng)一的管理信息系統(tǒng)，集成相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對地下管廊的屬性信息和狀態(tài)信息運行透徹的感知和度量，并可進行報警和預警。

2.2 自動化儀表監(jiān)控系統(tǒng)的設計特點及設計原則

2.2.1 設計原則。依據(jù)國家節(jié)能環(huán)保要求，結(jié)合國家相關(guān)規(guī)范，設計采用的測控儀器儀表和控制系統(tǒng)考慮其先進性、安全性、可靠性、實用性、性能價格比，同時考慮業(yè)主的要求和操作便利、易于維護等因素，并適應測控儀表和控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

2.2.2 設計特點。

第一，采用集散型控制架構(gòu)，徹底貫徹“集中管理、分散控制”的思想，將控制權(quán)下放到每一個防火分區(qū)。當災害發(fā)生時，即使某一個分區(qū)的控制系統(tǒng)遭到破壞，也不影響相鄰分區(qū)和其他分區(qū)的控制，將災害的破壞壓縮到最低。

第二，本工程從儀表數(shù)據(jù)采集、通信網(wǎng)絡、控制系統(tǒng)架構(gòu)、智能聯(lián)動和綜合數(shù)據(jù)服務等方面的設計，解決了管廊監(jiān)控與報警建設中存在著內(nèi)部干擾性強、使用單位多及協(xié)調(diào)復雜的根本問題，大大提高了系統(tǒng)運行的可靠性和可管理性，提升了管廊基礎設施、環(huán)境和設備的恢復效率。

第三，本系統(tǒng)支持工業(yè)環(huán)網(wǎng)技術(shù)，具備毫秒級解環(huán)，單個設備或某一段線路出現(xiàn)故障時，會在系統(tǒng)中有相應的顯示，提示維護，從而避免因單個設備或某一段線路出現(xiàn)故障而對整個系統(tǒng)造成影響。

2.2.3 主要檢測控制項目及控制回路說明。

第一，管廊內(nèi)部溫濕度檢測、顯示、報警聯(lián)鎖。當某防火分區(qū)室內(nèi)溫度過高于40℃時或濕度高于90%時，控制系統(tǒng)自動啟動該區(qū)通風機強制換氣，保障綜合管廊內(nèi)設施和工作人員的安全；室內(nèi)溫度低于27℃同時濕度低于80%時，風機自動關(guān)閉。

第二，管廊內(nèi)部O2、CO2含量檢測、顯示、報警聯(lián)鎖。當某防火分區(qū)CO2濃度高于1000ppm或O2含量濃度低于下限值時，禁止工作人員進入該區(qū)工作，同時控制系統(tǒng)啟動該區(qū)通風機強制換氣，保障綜合管廊內(nèi)工作人員的安全；CO2濃度降至1000ppm以下或O2含量濃度達標時，工作人員方可入艙工作。

第三，管廊內(nèi)部甲烷含量檢測、顯示、報警聯(lián)鎖。當某防火分區(qū)甲烷濃度超過報警濃度設定值（上限值）時，應由可燃氣體報警器或者消防聯(lián)動控制器聯(lián)動啟動天然氣艙事故段分區(qū)及相鄰分區(qū)的事故通風設備。

第四，管廊內(nèi)部集水坑液位、水侵液位檢測、顯示、報警聯(lián)鎖。當某防火分區(qū)內(nèi)集水坑液位達到監(jiān)測高位，兩臺泵輪換運轉(zhuǎn)；當液位達到監(jiān)測超高位，雙泵同時啟動并報警；當液位達到集水坑頂標高時，監(jiān)控室發(fā)出侵水報警信號。

第五，管廊內(nèi)部風機、排水泵、照明總開關(guān)狀態(tài)信號檢測、顯示。

第六，管廊配電系統(tǒng)的運行狀態(tài)信號檢測、顯示。

第七，管廊出入口控制裝置信號檢測、顯示。

第八，管廊內(nèi)部熱力進水、回水主管道的壓力、溫度檢測、顯示、報警聯(lián)鎖。

第九，管廊內(nèi)供熱管道回水流量檢測、記錄。

第十，管廊內(nèi)燃氣管道天然氣壓力、溫度檢測、顯示、報警聯(lián)鎖。

第十一，主要受控設備：風機，區(qū)間照明系統(tǒng)，出入口控制裝置（液壓井蓋），排水泵。

2.2.4 儀表選型。

第一，O2、CO2、甲烷、溫濕度檢測儀表：信號選用4～20mA DC（三線制），防護等級：IP65。

第二，壓力、差壓變送器：壓力、差壓變送器選用智能型，帶HART協(xié)議，帶數(shù)顯表頭，防護等級：IP65，信號采用4～20mA DC（二線制）差壓變送器帶三閥組。

第三，溫度檢測儀表：溫度測量采用熱電阻（Pt100），一般采用溫度變送器進行信號轉(zhuǎn)換進入PLC。

第四，熱水流量測量，優(yōu)選電磁流量計或差壓式流量計。

第五，液位計：選用投入式液位計，數(shù)顯表頭，防護等級：IP65，信號采用4～20mA DC（二線制）。

2.2.5 控制中心的設置及PLC控制系統(tǒng)介紹。控制系統(tǒng)采用集散型計算機控制架構(gòu)，本著“集中管理、分散控制”的原則，南北綜合管廊各設置一個控制中心（共2個），每個防火分區(qū)現(xiàn)場設置一套遠程控制站（RTU）。控制中心負責整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和管理工作，現(xiàn)場RTU控制站負責各自區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)的采集和設備控制。現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、設備控制采用一套電儀一體化PLC系統(tǒng)。在綜合管廊每個路段的每個防火分區(qū)設置1套RTU柜，每個RTU柜內(nèi)安裝一臺千兆工業(yè)以太網(wǎng)交換機、一套可編程控制器（PLC）、一套UPS。控制站帶有就地操作屏。所有區(qū)間的RTU柜通過千兆光纖環(huán)網(wǎng)（以太網(wǎng)）連接至管廊控制中心核心交換機。

現(xiàn)場控制站RTU對綜合管廊內(nèi)各設備、儀表進行分散控制。RTU與測控儀表、受控設備之間由開放式現(xiàn)場總線或信號線連接。現(xiàn)場控制系統(tǒng)網(wǎng)絡采用以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)，TCP/IP通訊協(xié)議、分布式實時關(guān)系數(shù)據(jù)庫，網(wǎng)絡連接設備采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機。各現(xiàn)場RTU與控制中心之間由工業(yè)以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通訊。現(xiàn)場控制系統(tǒng)具備設備的手動/自動狀態(tài)檢測、啟停控制、運行狀態(tài)監(jiān)測、故障報警監(jiān)測、溫濕度檢測、空氣質(zhì)量檢測、集水坑水位監(jiān)測以及實現(xiàn)相關(guān)的各種邏輯控制關(guān)系等功能。

參考文獻

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[2] 湖南省建筑標準設計辦公室.城市綜合管廊附屬工程-湖南省工程建設標準設計圖集（湘2015SZ102-3）[S].

[3] 中冶東方工程技術(shù)有限公司.西藏那曲綜合管廊高階段設計[S].

（責任編輯：蔣建華）