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摘 要：地下综合管廊是在城市地下建造的一个隧道空间, 将电力、通信、给水、排水、热力、燃气等多种市政管线集中 敷设,经过统一规划、统一设计、统一建设和管理,提高地下空间有效使用率。基于现代传感技术、网络通信技术及物联网等 信息化技术,为在管廊内建设一个集成设备和环境监控、安防、火灾报警、语音通讯、电力监控等子系统的自动化平台进行了 分析,目的是借助自动化、信息化技术,有效地提升综合管廊的运行管理自动化水平。
关键词：综合管廊,PLC,环境监控,自动控制
The Automatic Control Design of Utlity Tunnel
ZHANG Jun
(Tianjin Zhonghuan System Engineering Co., Ltd., Tianjin 300221)
【Abstract】： The underground comprehensive pipe gallery is a tunnel space built underground in the city. It centralizes the laying of power, communication, water supply, drainage, heat, gas and other municipal pipelines. Through unified planning, design, construction and management, the effective utilization rate of underground space is improved. Based on modern sensor technology, network communication technology, Internet of Things and other information technologies, this paper analyzes the construction of an automation platform integrating equipment and subsystems such as environmental monitoring, security, fire alarm, voice communication, power monitoring, etc. in the pipe gallery, with the purpose of effectively improving the automation level of the operation and management of the comprehensive pipe gallery with the help of automation and information technology.
【Key words】： utility tunnel; PLC; environment monitoring; automatic control
综合管廊为地下空间,安全稳定的运行是设计首先 考虑的前提。自动监控系统由监控中心、现场控制分 站(PLC)和通讯网络组成管理层、现场控制层和设备 层的三级计算机分布式控制系统,对综合管廊进行集中 管理监控。现场实现无人值守、可适当安排人员进行巡 视,确保安全可靠。综合管廊自动监控系统包括设备监 控系统、视频监控及安防系统、火灾报警及消防联动控 制系统、环境监测系统、变配电系统、入侵报警系统、 网络系统等。
1 自控系统组成及原理
1.1 设备监控系统
设备监控系统由两级构成,即监控中心和现场控制分 站。PLC 具有信息采集、数据处理、控制报警、上传信息及 接收上级自动控制指令等功能。通过交换机接至 100Mbps环网光纤网,与监控中心进行实时数据、信息交换 [1]。
1.2 视频监控及安防系统
在管廊每个防火分区中间设置带红外的网络枪机 2 台实时采集图像信息。采集到的视频信号通过工业以太 网交换机、通讯光纤上传至监控中心视频监控系统服务 器经数据处理,视频监控画面都实现全范围实时显示, 并且可在监视器上切换显示各防火分区的监视画面。
1.3 火灾报警控制器系统
消防系统由分布式光纤温度传感系统(DTS)和火 灾自动报警系统两部分组成。分布式光纤温度传感系统 具有抗干电磁扰、防腐蚀、无击穿等优点。感温光缆沿 管廊顶铺设对现场实时监测,在每个防火分区的出入口 设置手动报警按钮。当管廊内某防火分区发生火灾时, 联动视频监控系统,通过视频画面,确认报警。切除非消防电源,联锁关闭相应分区内排风机、排烟防火阀、 诱导风机及电动风阀,使着火区段缺氧。确认灭火后, 开启通风设备排除烟气。
1.4 变配电系统
变配电系统中箱式变电站, 动力、照明配电柜内的 开关状态信号、故障信号等各种电气参数传至 PLC 分 站,再经网络系统传至监控中心进行实时监控管理。
1.5 有害气体检测及环境监测系统
在每个防火分区中间设置一氧化碳探测器、氧气探 测器、温湿度探测器,信号传至 PLC 及监控中心,通 过预设逻辑关系启动相应设备来改善管廊环境。
1.6 入侵监测系统
在每个防火分区防火门处设置红外入侵探测器,当 有非工作人员进入时,红外入侵探测器报警并将信号传 至现场 PLC 及监控中心、通过预设逻辑关系开启照明 灯具及视频监控摄像机,对入侵人员进行监控。
1.7 网络系统
由于管廊内设备比较多,环境恶劣, 网络系统采用 工业以太网设备组成光纤环网进行信息交换处理的网络 拓扑架构。通过网络系统实施各系统的环网接入及搭 建,以便各子系统的方便管理及优化。在更大程度上改 善并优化了网络的链路冗余,网络出现故障时能够自 愈,其自愈时间很短。几乎难以察觉。更快更有效的改 进了管廊各系统对网络的利用。该环网系统能够实现为 地下管廊 IP 电话、视频、数据和以太网提供 “三网合 一”综合信息传输平台,系统运行可靠,安全,稳定性 强,界面友好,操作简单,维护方便,并且系统能够实 现语音、数据、以太网和视频等业务的灵活接入 [2]。
2 系统解决方案
2.1 设计原则
综合管廊内部设置现代化监控与报警系统,采用以 智能化固定监测与移动监测相结合为主、人工定期现场 巡视为辅的多种高科技手段,确保“管廊”内全方位监 测、运行信息反馈不间断,达到节能、高效、实时管理。
根据综合管廊建设规模、纳入管线的种类、综合管 廊运营维护管理模式等合理确定监控与报警系统的组成及 其系统架构、系统配置。规划落实各级控制管理职能,规 划预留与智慧城市、各市政管理系统及城市管理系统的接 口。系统具有可扩展性、易维护性、开放性和灵活性 [3]。
2.2 总体结构
管廊自控系统主要由上位调度中心监控平台以及下 位 PLC 数据采集控制子系统组成。
调度中心的监控平台主要负责对管廊内的环境情况 进行实时监视,并对管廊内部发生的突发情况进行紧急处理。
管廊内部的现场 PLC 数据采集控制子站, 主要负责 实现环境数据监测、照明集中控制、自动排放污水、廊内 空气自动循环调节、有毒气体排放、管道进出管廊的阀门 及闸阀远程应急关闭、液压逃生井盖的远程控制等功能。
2.3 通讯结构
根据综合管廊控制模式,环境与设备监控系统的网 络部分主要由 3 个层次组成,如图 1 所示。
第一层 ：为 100Mbps 以太网中心控制网,用于中 心设备的联络 ;
第二层 ：为现场光纤以太网交换机组成的 100Mbps 工业冗余环网,将多个现场数据的传输网络与中心控制 室网络互通,达到现场区域控制器与中央计算机系统连 接起来 ;
第三层 ：为现场总线网,用于连接远端模块、信息采集设备、智能仪表、相关机电设备等现场设备。
3 PLC 数据采集子系统
PLC 具有信息采集、数据处理、控制报警、上传信 息及接受上级自动控制指令等功能。通过交换机接至光纤 网,与监控中心进行实时数据、信息交换。主要功能是监 控管廊内排水泵、风机、风阀、照明等工作状态及设备状 况 ;根据防火区内的氧气、温湿度、液位等设备实时检 测的参数,实现对风机风阀的控制,并检测风机的工作 状态 ;根据积水坑的液位实现对水泵的监视和控制 [4]。
3.1 环境数据的检测
现场数据采集子系统的 PLC 采集管廊内各环境仪表 的数据。每防火分区设置仪表采集点位(按三仓处理)。 每仓分区中间安装含氧监测仪表 1 台,温湿度监测仪表 1 台,二氧化碳传感器 1 台,硫化氢监测仪表 1 台。在 污水仓加装甲烷传感器 2 台,氨气传感器 2 台。PLC 根 据设定的参数对现场环境情况进行判断,对综合管廊的电力、温度、湿度、燃气、有毒气体、易燃气体、空气 质量、通讯质量、人为损坏、入侵、火灾烟感、水位等 环境数据进行监控,当出现不适宜人员进入的时候,管 廊内会发出声光报警进行提示。
3.2 照明系统集中控制
管廊内设置正常照明系统和应急照明系统,其中应 急照明由消防系统进行联动控制。
在每个防火分区的独立舱室内,均配备一套正常照 明系统。正常照明系统的控制方式包括进出口手动操作 方式和远程控制两种。进出口手动操作方式是指工作人 员在进出管廊的时候,通过进出口处安装的触摸屏手动 打开和关闭照明系统 ;远程控制方式是指由调度中心的 工作人员通过监控系统软件远程打开和关闭照明系统。 在发生火灾或电力供电故障时,消防系统会自动打开应 急照明系统。
3.3 集水井系统的控制
每个集水井内需要潜水泵进行排水,水泵需提供开 关状态、故障、远程 / 现场等状态信号, 以及远程控制 命令信号。每个集水井应配备 3 台潜水泵,其中 2 台正 常使用, 1 台备用(3 台设备轮流备用,便于现场进行 设备检修)。
水泵的控制方式包括本地手动控制方式、远程手动 控制方式以及自动控制方式 3 种。其中本地手动控制方 式是指工作人员直接在水泵控制柜(箱)上进行操作 ; 远程手动控制方式是指调度中心的工作人员通过上位监 控系统软件远程对水泵进行打开及关闭的操作 ;自动控 制方式是指水泵由 PLC 系统进行控制,系统根据水位 报警等信号自动对水泵进行操作的控制方式。
在每个集水井内安装 4 个液位开关, 分别用来检测 井内的水位低低报警、低报警、高报警和高高报警。其 中低低报警的作用是为了防止水位过低而引起水泵故 障 ;低报警和高报警的作用是监测积水井内的水位是否 达到开泵预警限位 ;高高报警的作用是监测积水井内的 水位是否达到危险程度,此时应增加工作水泵的数量。
在水泵采用自动控制方式时,当 PLC 检测到积水 井水位高报警的时候,说明当前积水情况已达到开泵预 警,系统应自动打开一台水泵进行抽水的工作 ;在一台 水泵进行抽水工作的时候,如果 PLC 检测到水位高高 报警信号,证明一台水泵的工作能力已无法满足积水的 增加,此时系统应再打开一台水泵进行抽水工作 ;在水 泵进行抽水工作的时候, 如果 PLC 检测到水位低报警 的信号,那么应立即关闭正在工作的水泵,防止因水位 过低引起的设备损坏。
在采用自动控制方式的时候,当 PLC 检测到管廊
内液位报警的时候,系统应马上打开两台水泵进行紧急 处理。
3.4 通风系统的控制
管廊内按照每一个舱位、每一个防火分区设置一进 一出两个通风口,并安装相应的通风设备。
在管廊的各舱室内安装含氧量检测仪、二氧化碳检 测仪、硫化氢检测仪。在污水舱加装甲烷检测仪及氨气 检测仪 ;在燃气舱加装可燃气体检测仪等仪表。实时监 测管廊内各舱室的空气质量情况。
通风系统的控制包括进出口手动通风方式、远程手 动通风方式及自动通风方式 3 种。在自动通风运行时,按 照不同舱位的通风要求, 系统将通风方式分为正常通风模 式、巡检通风模式以及事故通风模式 3 种。PLC 系统根据 采集到的环境仪表情况,对管廊进行相应的排风操作。
综合管廊风机,正常运行情况下由监控计算机根据 舱内情况自主控制,在火灾模式下由消防联动型集中报 警控制器进行控制。
3.5 防火门磁、红外对射以及电动防火阀门系统
PLC 模块还可以实时采集管廊内的红外对射信号、 防火门磁信号以及电动防火阀门信号,并将信号整理之 后传送至调度中心进行远程监控。电动防火阀门系统同 时接入消防联动系统,以方便突发情况下进行应急处理。
3.6 电子液压井盖的控制
在管廊内应安装电子液压井盖系统,作为逃生通道。 液压井盖系统的控制方式包括现场内部控制、现场外部 遥控控制、远程控制 3 种。现场内部控制是指人员可以 在管廊内部,通过液压井盖旁的控制按钮打开井盖,进 行逃生 ;现场外部控制是指人员可以在井盖外部,通过 专用遥控设备打开井盖。
3.7 触摸屏系统
在设备间的现场 PLC 控制柜上配备触摸屏系统。 工作人员可以在触摸屏上查询当前管廊内的空气质量情 况以及相应设备的运行情况,以方便工作人员进入管廊 内部进行巡检及维修工作。
4 上位调度中心监控平台
监控系统应该是开放的、灵活的,可以对控制系统 进行监测、控制,具有动态画面显示功能、报警功能、 报表输出功能、实时历史数据存储功能。软件应采用全 中文操作模式,能够组态中文显示画面等功能。具有使 用方便、简单易学、软件组态灵活的特性,应该确保用 户可快速开发出实用、可靠、有效的自动控制系统。监 控系统操作系统平台采用 Windows 操作系统,监控系 统软件采用 Qtouch 监控软件。主要功能包括管理分级 功能、控制功能、工艺控制显示功能、历史数据查询功能、报警显示及报警查询功能、报警限值设定、声光报 警功能、数据存储功能等。
4.1 管理分级功能
系统可以对软件的使用权限进行分级管理,为管理 员及操作员划分不同的操作权限。
4.2 控制功能
在基于图形界面和中文提示方式下,生产值班人员 通过计算机的键盘或鼠标可以开启或停止设备、设定控 制调节参数、对重要设备的控制加设密码保护等。
4.3 历史数据查询功能
历史查询是便于管理人员调查非显示时间段的信息。 因为界面是实时数据显示,不断更新,要查看之前的数 据信息,必须通过历史查询。可以通过查询窗口,调用 数据库中储存的历史记录。用户可以自主选择查询的起始 时间以及数据的时间间隔。另外,用户还可以将数据导 出成 Excel 表格形式,方便进行进一步的保存及管理。
4.4 报警显示及报警查询功能
报警信号是为了保证整个系统的安全运行,一旦监 测到报警信号,应及时启动相应的措施,工作人员看到 后并立即实施保护,避免事故的发生。报警显示及时通 过计算机显示器,显示全部的实时故障信息,即“故障 信息登记栏”功能。在监控计算机的人机界面图形中, 无论是总图、子系统图、到设备详图中,其下表栏均为 故障信息登记栏,其内容包括登录故障发生的时间、登 录故障具体内容、故障名称、登录和显示目前时刻、所 有存在的故障信息等。
用户还可以自行设定各仪表运行数据的报警限值, 通过简单的人机界面,操作者可以自主设定参数的高报 警、高高报警、低报警、低低报警等。当有报警情况发 生的时候,监控系统会发出声光报警。系统可以按照报 警不同的级别,划分相应的报警提示等级。系统具备本 地数据库,可将仪表运行数据、设备状态数据以及报警 记录都存储在数据库中,方便日后进行相应的查询。
5 总结与展望
地下管廊系统主要是结合综合管廊内部的管道类别, 对影响管廊内部安全的主要环境因素进行实时监测,避 免管廊内部发生爆炸等不安全事故的发生。根据参数的 类型选择合适的传感器,将测得的数据传给区域控制 器,并且能够实现本地和远程的信息显示与查询。对综 合管廊监测与预警系统的研究还需要继续深入研究,很 多地方还有不足,今后在这方面还可以继续完善,如预 测算法的改进以及开发软件的选择等方面。
参考文献
[1] 赵文成.WINDOWS中央空调节能及自控系统设计[M].北 京:中国建筑工业出版社,2018:8-20.
[2] 王超,潘阳,张维维.城市综合管廊工程 城市工程系统规划 [M].北京:中国建材工业出版社,2020:6-18.
[3] 杜嘉俊,张义理,苗雨,等.城市地下综合管廊建造和运维技术 [M].北京:中国铁道出版社,2020:5-14.
[4] 罗军舟,黎波涛,杨明.城市地下综合管廊工程消耗量定额 [M].北京:清华大学出版社,2022:10-30.
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