浅谈滇中新区智慧管廊环境和设备监控系统架构和功能设计
作者：安科瑞电气股份有限公司时间：2020-08-11 我要发布
任华
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：介绍了云南滇中新区智慧管廊环境和设备监控系统的设计与实现，包括区域控制器硬件选型设计，Siemens 模块的设计应用，工业以太网、Modbus 现场总线的应用等。该系统采用了全集成自动化可视化平台，具有可靠稳定、安全高效、易操作和扩展性优良等特点。
关键词：管廊；环境和设备监控；ACU ；PLC 设备设计
1 引言
滇中新区是2015 年9 月批准成立的第15 个国家级新区。地下综合管廊是保障新区城市建设和人民生活安全、经济、高效、便捷的城市基础设施建设工程。根据国家有关政策和新区经济战略定位，建设安全、高效的智慧管廊势在必行。
2 项目概况
本设计包括哨关路、嵩昆路综合管廊环境和设备监控系统。哨关路智慧管廊工程包括控制中心和管廊现场两部分， 全长10.19km ；控制中心位于哨关路与嵩昆路交叉口东北角。嵩昆路综合管廊长度为7.444km。两条管廊均为双舱结构（电力舱、管道舱）。根据当地气象水文资料和设计需求，工程所涉及的管廊内潮湿且伴有凝露和腐蚀性气体，监控设备应能适应管廊内环境要求，且应能承受爆管事故影响。
3 问题提出
管廊属于地下设施，需要人员定期巡检和管线入廊施工，为了解决环境安全问题，管廊环境检测系统主要对管廊各舱室内的氧气浓度、温湿度、水位等参数进行监测，监控系统根据管廊内环境检测系统的参数，对管廊环境进行实时控制，确保管廊内的环境舒适、安全。通过对现有管廊监控系统配置和控制方式的梳理，目前智慧管廊环境与设备监控系统所要解决的问题主要是：
1）寻求稳定可靠的方法实现管廊的环境和设备监控，保障人员财产安全。
2）所选设备能应对管廊的特殊环境。
3）所选设备的扩展性需满足后续管廊建设集中监控需求。
4 系统功能设计
滇中新区综合管廊的环境和设备监控系统设计着力于贴合项目作为综合管廊信息化示范项目需求，提高综合管廊工程项目的智能化水平。根据前面问题寻求最优的环境和设备监控系统方案如下：考虑长期运营的安全可靠，本设计采用基于工业PLC 的控制柜技术方案。PLC 利用诊断系统对PLC 本身和外部连接设备的运行状态进行分析判断。当现场环境异常时，系统快速采集、处理故障数据，同时完成在线计算、存储、统计、报警、分析报表和数据远传等功能。管廊环境检测系统主要对管廊各舱室内的氧气浓度、温/ 湿度、水位等参数进行监测，监控系统根据管廊内环境检测系统的参数，对管廊环境进行实时控制，确保管廊内的环境舒适、安全。管廊内设备监控主要包括排水控制、通风控制、照明控制和电力监控。
1）排水控制
综合管廊潜水泵设就地手动操作及液位自动控制方式，并将集水坑的液位信号以及潜水泵状态信号反馈至监控系统。液位传感器发生水位超限报警时，系统自动报警，联动视频监控系统，打开相关区间的照明，自动将该位置的视频图像画面切换至大屏上，供人工确认。
2）通风控制
风机设就地手动操作、防火分区出入口处手动操作及监控系统远程操作方式，并将风机状态信号反馈至监控系统。正常情况下，管廊内温度超过40 ℃ 时， 电动开启风机低速排风，低于30℃时，联动风机关闭，以保证管廊内的适宜温度；巡检时，应开启所需巡检区段的通风系统30min 后，待氧含量高于21% 时，工作人员方可进入；火灾发生时，电动关闭火灾及其相邻通风区段的风机及风机入口阀门；火灾发生后，电动开启风机及风机入口阀门，高速运转进行事故通风，以排除管廊内烟气、废气。
3）照明控制
综合管廊照明按防火分区进行分段控制，设防火分区出入口处手动操作及监控系统远程操作方式，并将各舱室的照明状态信号反馈至监控系统。操作人员可借助多种照明控制模式，实现对不同时间、不同工况、不同区域的照度进行精确设置和合理管理，从而达到节能目的。
4）电力监控
系统对变电站供电、配电的电压、电流和功率进行采集和监视，保证电能的安全和质量。电力监测设计采用电力多功能仪表通过仪表自带RS485接口把电能质量信息通过Modbus 协议接入ACU 控制柜控制单元。
5）网络和控制系统的诊断
利用工业PLC 的自诊断功能和工业管理型交换机的网络管理诊断功能，来监控PLC 系统CPU 运行状态、网络状态等。当系统出现故障，到诊断画面上可以非常清晰地看到故障的控制设备和通讯设备。
系统上位机采用SCADA 监控平台，设备具有系统资源的共享性和兼容性，操作监视集中化归于监控中心。在监控中心实现多个HMI 的互为备用，每个HMI 操作站具有完善的报警系统、趋势记录、报表记录、操作记录，实现标准化、可视化的管廊内部环境、设备运行状态的实时监控。
5 系统网络结构设计
根据工程防火分区和通风分区重合，以及需要监控的设备安装位置的实际情况，在管廊每个排风井夹层的机柜室内设置ACU 控制柜。哨关路综合管廊工程共分为59 个防火分区，共设置了29 台ACU 控制柜。嵩昆路综合管廊工程共分为40 个防火分区，共设置了20 台ACU 控制柜。每条路有各自的独立控制系统光纤环网。同一条道路地下管廊的各个ACU 控制柜与控制中心控制柜的道路汇聚交换机以环形结构100Mbps 单模室外光纤以太网TCP/IP 协议实现通讯；光纤采用阻燃单模八芯铠装光缆。
本项目监控中心定位管廊监控运维分监控中心，为主监控中心和智慧城市监控中心预留数据接口，通过防火墙进行外部数据隔离和内部数据加密。每条道路管廊控制环网接入对应汇聚交换机， 再连接到核心交换机，数据信息就能通过工业防火墙后集中到监控中心进行管理。工作站和服务器通过双绞电缆与交换机连接。交换机间数据的隔离利用可以有效保障底层控制系统的安全。
6 系统主要硬件选型
1）现场ACU控制柜
ACU 控制柜内工业PLC 模块和交换机，包括CPU 运算处理RAM 存储模块，通讯接口模块，IO 接口扩展模块，具有防水、防尘、防静电设计，并加防腐涂层，单台控制柜具有CPU 运算功能，具有自诊断功能。
控制模块选用进口一线品牌工业级产品, 带防腐蚀涂层, 防盐雾和气体腐蚀, 在冷凝/ 结霜工况下正常工作, 以应对高湿环境。ACU 中控制单元要求具有高速网络传输技术，确保系统具有高效数据交换和I/O 处理能力。综上考虑， 采用西门子SIPLUS系列产品对设计进行实现。CPU 采用1500 系列，扩展模块采用ET200SP 系列。PLC 模块均符合宽温-40 ～ 60℃ ,满足EN 60721:3C4、EN 60721:3B2标准。PLC 模块插槽备用10%，I/O 点备用20%。
① PLC 模块配置：以哨关路管廊控制柜为例，每台ACU 控制柜内主要PLC
模块配置如表1。
② 交换机：2 光6 电, 百兆单模,双电源输入, 宽温-40 ～ 70℃ ；③ 柜体: 控制柜柜体具有防水、防尘、防静电及无风扇设计，能够满足综合管廊的应用环境。柜内除了常规元器件外， 还带有温湿度检测模块，能够实时监测柜内温湿度，并通过通讯接口控制所在机柜室的空调启停，保证柜体散热排湿需求。柜内以0.75mm2 铜导线为柜内线，柜体内部设有端子排，可以合理布置对外接线端子，方便调试和检修维护。ACU 控制柜的进出线方式可以根据管廊设备夹层中的线槽位置调整，柜体进出线位置设有隔兰头，保证电缆接线安全可靠。柜体防护等级IP66，不锈钢材质。
为了系统的供电安全稳定，现场仪表和PLC 控制柜电源由不间断电源装置（即UPS）提供。
2）环境和设备监控系统监控中心设备
在机柜室设主PLC 和通讯机柜,内装主PLC, 实现各个ACU 之间的联动；内装核心交换机，实现和ACU、安防系统、通信系统、火灾报警等系统的数据通讯，以及和管线公司、智慧城市平台的数据共享；内装防火墙，使智慧平台免受网络攻击，保障系统安全；内装隔离网闸，保障工控安全。在控制室设工程师站1套,装编程软件、画面组态软件、智慧平台编程组合软件。另设操作员站3套,装监控软件客户端。
7 以安科瑞智慧城市地下综合管廊产品选型方案为例。
7.1 管廊电力监控系统（10/0.4kV地面变电所）
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应用场合 |
型号 |
功 能 |
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10kV |
进/馈线 |
AM4-I |
三段式过流保护、两段式零序过流保护、反时限过流保护、负序过流、过负荷保护（告警、跳闸）、控故障告警、PT断线告警、三相一次重合闸、后加速过流、FC闭锁、非电量保护（告警、跳闸）、过电压保护、低电压保护；断路器遥控分/合闸操作；故障录波。 |
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PT监测 |
AM4-U1 |
过电压告警、零序过压告警、PT断线告警、低电压告警；4路交流电压通道；故障录波 |
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AM4-U2 |
I段/II段过电压告警、I段/II段零序过压告警、I段/II段PT断线告警、I段/II段低电压告警；8路交流电压通道；故障录波。 |
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智能操控、节点测温 |
ASD320-Pn |
一次回路动态模拟图、弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、自动温湿度控制及显示（标配一路强制加热）、远方/就地旋钮、分合闸旋钮、储能旋钮、人体感应、柜内照明控制、RS485接口、高压柜内电气接点无线测温。 |
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电参量测量 |
APM810 |
三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序电流In，四象限电能，实时及最大需量，本月和上月极值，电流、电压不平衡度，负载电流柱状图显示，66种报警类型及外部事件（SOE）各16条事件记录，支持SD卡扩展记录，2-63次谐波，2DI+2DO，RS485/Modbus，LCD显示。 |
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0.4kV |
进线 |
APM810 |
三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序电流In，四象限电能，实时及最大需量，本月和上月极值，电流、电压不平衡度，负载电流柱状图显示，66种报警类型及外部事件（SOE）各16条事件记录，支持SD卡扩展记录，2-63次谐波，2DI+2DO，RS485/Modbus，LCD显示。 |
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ASJ10-LD1A |
1路A型剩余电流测量；30%，50%，70%，TRIP棒状LED指示；十种额定剩余动作电流可设定；十种极限不驱动时间可设定；互感器断线报警指示；两组继电器输出(一组常开，一组转换，均可设定)；具有就地，远程“测试”、“复位”功能。 |
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无功补偿 |
ARC |
测量I、U、Hz、cosΦ，具备过电压保护、欠流锁定、电网谐波过大保护功能,可控制电容器的投切，RS485/Modbus协议。 |
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APM810 |
三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序电流In，四象限电能，实时及最大需量，本月和上月极值，电流、电压不平衡度，负载电流柱状图显示，66种报警类型及外部事件（SOE）各16条事件记录，支持SD卡扩展记录，2-63次谐波，2DI+2DO，RS485/Modbus，LCD显示。 |
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有源滤波 |
ANAPF |
ANAPF系列有源电力滤波器并联在含谐波负载的低压配电系统中，能够对动态变化的谐波电流进行快速实时的跟踪和补偿。 |
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出线 |
APM810 |
三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序电流In，四象限电能，实时及最大需量，本月和上月极值，电流、电压不平衡度，负载电流柱状图显示，66种报警类型及外部事件（SOE）各16条事件记录，支持SD卡扩展记录，2-63次谐波，2DI+2DO，RS485/Modbus，LCD显示。 |
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ANHPD300 |
对用电设备产生的随机高次谐波、脉冲尖峰、电涌等具有抑制和吸收作用，能有效滤除电压尖峰杂波、矫正畸变的电压波形，对谐波噪声进行消化和吸收，防止保护装置误跳闸，保证用电设备正常运行。 |
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ASJ10-LD1A |
1路A型剩余电流测量；30%，50%，70%，TRIP棒状LED指示；十种额定剩余动作电流可设定；十种极限不驱动时间可设定；互感器断线报警指示；两组继电器输出(一组常开，一组转换，均可设定)；具有就地，远程“测试”、“复位”功能。 |
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温度检测 |
变压器温度检测 |
ARTM-8 |
8路温度巡检，热电阻信号输入，RS485接口，2路继电器输出。 |
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无线测温 |
ARTM100 |
可以嵌入式安装在高压柜、低压抽屉柜内，每台装置可以接收240个传感器的数据，可与ATE100、ATE200、ATE300三种传感器选配使用。装置带有一路485接口、可选配一路以太网口，可将采集到的温度数据上传到监控中心。 |
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ATC200 |
一款带有一路485接口的温度收发器，可同时接收12个ATE200传感器发射的数据并将采集到的数据上传到监控中心。 |
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ATE200 |
表带式固定，测温范围0-125℃，测量精度±2℃，传输距离空旷10米。 |
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配套附件 |
AKH-0.66 |
测量型互感器，采集交流电流信号。 |
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AKH-0.66L |
剩余电流互感器，采集剩余电流信号。 |
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网关 |
Anet-2E5S |
5个RS485串口 2kV隔离， 2个以太网接口，支持Modbus RTU、IEC-60870-5-101/103/ 104、CJ/T188、DL/T645等通讯协议设备的接入，支持Modbus RTU、Modbus TCP、IEC-60870-5 -104、建筑能耗数据、电力需求侧等上传、支持多中心不同数据服务要求，支持网关透传协议；装置电源:220V AC/DC。 |
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Anet-4E10 |
10个RS485串口 2kV隔离，4个以太网接口，支持Modbus RTU、IEC-60870-5-101/103/ 104、DNP、CDT、CJ/T188、DL/T645等通讯协议设备的接入、支持Modbus RTU、Modbus TCP、IEC-60870-5 -104、CDT、建筑能耗数据、电力需求侧等上传、支持多中心不同数据服务要求，装置电源:220V AC/DC。 |
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电力监控系统 |
Acrel-2000 |
数据的实时采集、数字通信、远程操作与程序控制、保护定值管理、事件记录与告警、故障分析、各类报表及设备维护信息管理。 |
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7.2 管廊设备监控系统（0.4kV动力箱/动力柜）
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应用场合 |
型号 |
功能 |
安装方式 |
防护等级 |
使用说明 |
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动力箱/柜 |
DTSD1352 |
三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，分相正向有功电能统计，总正反向有功电能统计，总正反向无功电能统计；红外通讯；电流规格：经互感器接入3×1(6)A,直接接入3×10(80)A，有功电能精度0.5S级,无功电能精度2级。 |
导轨式 |
IP30 |
同动力箱/柜配合使用，防护等级可达IP65。 |
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ARD2F－XX/XX－90L/UT |
ARD2F智能电动机保护器适用于额定电压至AC690V、额定电流至AC800A、额定频率为50/60Hz的电动机，可与接触器、电动机起动器等电器元件构成电动机控制保护单元，有远程自动控制、现场直接控制、面板指示、信号报警、现场总线通信等功能。 |
主体：导轨式
显示：嵌入式 |
主体：IP30
显示：IP65 |
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PZ72L-E4/UT |
三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），四象限电能，LCD显示，可选2DI/2DO，RS485/Modbus通信。 |
嵌入式 |
IP65 |
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WHD72-11/UT |
测量并显示控制1路温度、1路湿度。 |
嵌入式 |
IP65 |
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配套附件 |
AKH-0.66 |
测量型互感器，采集交流电流信号。 |
螺丝固定 |
IP30 |
同动力箱/柜配合使用，防护等级可达IP65。 |
8 结语
滇中新区智慧管廊环境与设备监控系统的设计中ACU 控制单元和控制柜柜体均采用高防护等级产品，产品实用、成熟、可靠、有使用实绩，备件能够保证供应；工业PLC 模块在结构上采用灵活性、可扩展性优良，确保系统具有高效数据交换能力和安全稳定性。设备选型满足了管廊的特殊环境和后续管廊建设集中监控的扩展性需求，实现管廊的环境和设备监控的稳定可靠，项目实际应用效果良好。
参考文献：
[1] 凌琪 滇中新区智慧管廊环境和设备监控系统设计
[2] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11版
作者简介：
任华，女，本科 现任于安科瑞电气股份有限公司
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