基于DCS人防工程監控系統的研究

王峰 張曉潔

摘要：本文描述了人防工程內部電氣系統的構成，介紹了分布式控制系統（DCS）的技術特點，詳細描述了基于DCS人防工程自動化監控系統的設計方案.并舉例說明基于DCS人防工程自動化監控系統的構建。

關鍵詞：人防工程;電控系統;DCS;檢測監控;PLC

0 引言

人防工程是為保障人民防空指揮、通信及人員、物質掩蔽等需要而修建的防空工程，是戰時保障人民群眾生命安全的重要建筑設施。它關系到未來高技術戰爭中，能否有效地抵抗敵軍戰略空襲和遠程火力打擊，保存戰爭潛力，保持戰略全局穩定，創造有利于我而不利于敵的戰場條件。現代戰爭對工程內部的電氣系統提出了更高自動化的要求，如更高的供電可靠性和供電質量、更高的溫濕度控制精度、良好的內部空氣質量、更快的保障反應能力等。

1 系統的構成

人防工程電氣系統是一個復雜的系統，它包括供配電系統、空調系統、照明系統、消防系統、三防系統等子系統。

2 DCS分布式控制系統

2.1 DCS基本組成

DCS即分布式控制系統，也稱集散控制系統。它是一個由過程控制級和過程監控級組成的以通信網絡為紐帶的多級計算機系統。DCS集散控制系統繼承了集中監視管理和分散控制這兩個理念，采用現場分散、控制分散，而操作管理集中的基本設計思想和多層分級、網絡連接的結構形式。

DCS控制系統硬件上包括現場控制器、操作員站計算機、工程師站計算機，以及聯系他們的網絡系統。軟件上是一個整體方案，解決的是一個系統的所有技術問題，系統各部分之間結合嚴密。

2.2 DCS幾個技術特點和優勢

（1）系統標準化、系列化設計，可移植性、互操作性、可得到性高。

DCS系統的工作站都是采用標準化設計，系統硬件都是像搭積木一樣配置在一起的，軟件也都采用模塊化設計，而系統的各個控制回路都是通過組態組合在一起，所以具有很強的修改性與靈活性。用戶可以根據不同的工程要求，方便靈活的修改系統規模。

（2）專用人機接口，控制系統用組態方法生成，界面友好，維護方便。

DCS的監控計算機都有專業的配套應用軟件和良好的人機界面，安裝、調試、使用都非常方便。操作人員能方便監控的整個處理流程，快捷的控制各個現場設備;存儲裝置可以保存大量的過程歷史信息和系統信息，打印機能打印出各種報告和報表，適應了現代化生產綜合管理的要求。

（3）控制分散。

DCS是集中分散型結構具有分散控制、設備地域分散、功能分散、危險分散的優勢又具有集中監視、集中操作、集中管理的優點。

（4）算法豐富、分級控制。

DCS采取分級遞階控制方式，DCS控制算法豐富，集連續控制、順序控制和批處理控制于一體，并支持開發特殊應用軟件，實現綜合自動化和管控一體化。

（5）采用冗余技術可靠性高。

DCS由于采取分散控制的結構，并使用冗余技術、自診斷自恢復技術、抗干擾技術，可靠性高實時性好適應性強，適應各種規模、環境、功能需求

（6）性能價格比高。

因為DCS具有先進的技術、豐富的功能、可靠的性能和很好的適應能力。現在已經成為工業自動化系統的主流方式，由于其數據、資源是的共享，所以一般系統規模越大單個回路的成本就越低。

基于上述的特點和優勢，DCS在工業控制領域占有重要的一席，尤其是在一些有一定規模的工業控制領域，是當前最為流行的工業控制系統。

3 基于DCS人防工程監控系統設計

3.1 總體設計

針對人防工程監控系統的特點，系統采用基于計算機服務器軟件+數據庫+傳輸網絡+PLC的DCS系統架構，主要由中央服務器、網絡管理軟件、組態軟件、數據庫、通訊網絡、上位機、智能儀表、輸出外設等組成，可以實現控制設備運行停止、數據采集、監控報警、聯鎖控制的功能。

3.2 各分系統設計

3.2.1 通風空調系統監控及空氣質量監測

空調系統控制功能主要有溫度控制、濕度控制、風機控制、安全控制、過濾器報警等。控制系統內空調除濕機、新風進風機、送風風機、回風風機等設備的控制可通過聯動控制信號實現控制，根據設備之間的控制要求，控制系統向各設備發出控制信號，啟動、停止設備并接收各設備運行、停機、故障等狀態信號;這些設備的控制均可通過接收或發出開關量數字信號實現。控制系統對各閥門的控制是通過溫度傳感器、CO₂濃度傳感器、氧氣濃度傳感器檢測到各種模擬信號，控制系統將各設定參數與所采集的信號比較，采用PID或其他算法計算，并根據計算結果向各閥門發出開大或關小的模擬量控制信號，使工程內的溫濕度CO₂濃度、氧氣濃度達到設定值要求，空氣質量保持在最佳狀態。

3.2.2 給排水系統監控

人防工程的水系統主要由工程給水系統和工程排水系統組成。這兩大系統中需要控制的設備主要是水泵、閥門等。工程內的水泵按功能分類主要有：深井泵、排污泵、冷卻泵、消火栓泵、噴淋泵、穩壓泵等。

（1）給水系統。

人防工程給水系統主要包括：生活給水系統、空調給水系統、消防給水系統等。給水系統的主設備包括深井泵，空調給水冷卻泵，消防給水消火栓泵、噴淋泵及穩壓泵等。給水系統控制系統的主要設備包括生活水池（罐）的水位傳感器、壓力罐中的壓力傳感器等。工程內各給水泵啟停的控制方式分類主要有：

①由水池內水位傳感器控制的水泵啟停。液位測量儀表一般有兩種類型，一種是接觸式，另一種為非接觸式。充分考慮到系統穩定性要求與人防工程特點等情況，設計時采用非接觸式的超聲波液位計，同時測量液位值和液位差值信號，控制水泵的運行。

②由壓力罐中壓力傳感器控制的水泵啟停。各給水泵從壓力水罐抽水時，深井泵的運轉由壓力水罐中安裝的壓力傳感器所產生的信號控制水泵的啟停，壓力水罐的壓力信號低于設定值時啟動水泵運轉，壓力水罐的壓力信號高于設定值時使水泵停止運轉。

（2）排水系統。

人防工程內排水系統主要有生活污水排水系統、消防廢水排水系統、染毒洗消排水系統等。排水系統的主設備系統主要包括其本身獨有的排水（污）泵及水位傳感器組成。

污水排水泵設置一備一用，在自動控制狀態時，由液位控制器自動啟動和停止（高水位開啟和低水位停止）污水泵的工作狀態，當水位處于高位時，自動啟動污水排水泵，低水位時自動停止運行。

（3）排風子系統。

排風系統的主要功能是保持工程內風壓穩定、內空氣清新。排風控制系統設備主要包括：排風風機、電動控制閥門。控制系統內排風風機、閥門等設備均設有壓力開關（傳感器）和壓力變送器。它們根據壓力開關測量和風機出風管的壓力，來調節鼓風機的風量。首先位于送風管道上的壓力傳感器測得壓力信號，經壓力變送器轉換為4～20mA電流送入PLC的AI端口，與標準值比較判斷后，再由PLC輸出一個4～20mA的電信號，去調節送風管道中風量和風壓的作用。

戰時排風系統在滿足上述功能的同時，還要滿足系統中與三種通風方式控制系統相關的設備三防控制的優先權，根據三防控制的要求控制排風系統內設備（排風風機、閥門等）啟動、停止、開啟、關閉的狀態。

（4）發供電系統監控。

人防工程對供電系統的可靠性要求較高，一般采取冗余設計，設置為兩路電力系統并設置兩臺柴油發電機組作為應急電源。控制系統通過各種檢測模塊實時監測整個供配電系統各主要回路的電流、電壓、有功功率、無功功率、有功電度、無功電度、功率因數、頻率等參數，檢測模塊可以直接與電流互感器、電壓互感器連接，并將檢測到的各參數的模擬量信號轉換成數字信號，控制系統經過計算并與標準設定值比較給出控制、調整、故障、報警信號，值班人員可根據這些信號對供配電系統進行運行管理。

（5）消防系統監控。

人防工程消防系統由自動報警系統和聯動控制系統兩個系統組成，功能與地面工程消防系統類似。火災自動報警系統主要是由觸發裝置、報警裝置和電源組成。自動報警系統接受觸發裝置（感煙火災探測器和感溫火災探測器）發來的報警信號，發出聲、光報警。聯動系統主要設備包括消防栓系統的控制裝置、自動噴水（泡沫、干粉、鹵代烷、二氧化碳等）滅火系統的控制裝置、電動防火門、防火卷簾設備的控制裝置、啟動應急照明裝置、啟閉防火閥與排煙閥裝置等。消防聯動控制系統是在接受到火災報警信號并確認后，由報警控制器向相應的聯動裝置設備前的地址編碼控制接口發出動作信號，驅使聯動裝置動作參與滅火。

4 工程應用實例

某人防工程為單建掘開式地下工程，主要功能房間有三個出入口、一個空調機房間、一個排風機房、一個水泵房、一個電站機房、一個配電房，工程中央控制室同時兼作防化值班室和消防值班室。

系統分成三層，最高層為信息管理層，設置上位計算機，實現系統的遠程監控;中間層為現場監控層，就地設置PLC監控分站，實現系統的就地監控;其最低層為遠程I/O鏈路層，直接面向各子系統的傳感器、智能儀表和控制裝置。在集中監控室就地分站和上位機通過工業以太網進行互聯，集控室的計算機設置有OPC接口，實現自動監控系統信息與人防工程自動化平臺的互聯。

監控系統設有中控室，具有人機界面。上位機軟件采用西門子的SIMATIC WinCC組態軟件和STEP？控制軟件。可以實現過程的監控，與PLC通訊，提供標準接口和編程接口，顯示并控制現場設備的工作狀態，顯示報警信息，建立歷記錄并獲得趨勢信息，打印報表等功能。

控制系統選用西門子S7-300的PLC，實現遠程或就地一鍵控制、自動控制和檢修三種控制模式，遠程控制可以分為聯鎖控制、集中控制和單機控制等多種控制模式，可以供操作者根據現場實際情況靈活選用，確保在系統正常運行時操作靈活、易于維護，在系統出現故障或通訊中斷時本地可以就地控制確保設備的正常運行，提高系統的穩定性。5總結

人防工程監控系統是一個復雜的系統，其運行環境和功能需求比較特殊。針對人防工程監控系統的自動化、智能化和數據通信的研究已遠遠落后于地面設施，這在很大程度上制約它的發展。本文對基于DCS系統的人防工程監控系統進行了研究，經過實際工程測試，該系統適用于人防工程這種內部環境惡劣的場所，并且運行穩定，操作維護簡單，可擴展性好，性價比高，適用于在各種防護等級和各種規模的人防工程中進行推廣。

參考文獻

[1]魏興華，周萍.人防工程電氣設計分析[J].硅谷，2014，（8）：119-120.

[2]趙晨旭.人防工程電氣設計中的常見問題思考[J].城市建筑，2016，（8）：129-130

[3]陳志龍.人民防空工程技術與管理[M].北京：中國建筑工業出版社，2004.

[4]王常力，廖道文.集散控制系統的設計與應用[M].北京：清華大學出版社，1993.

[5]孔凡軍，馬華興，張繼穩，付曉敏.DCS控制系統在原料藥（氯化鈉）生產中的應用[J].現代盆化工，2015，（1）：22-24.