工業(yè)以太網(wǎng)在綜合管廊弱電系統(tǒng)中的應用

施耐德電氣（中國）有限公司

網(wǎng)絡行業(yè)應用篇/設備監(jiān)控與維護

1 概述

未來3到5年，地下綜合管廊的建設和運營逐步成熟，在這個過程中，具備領先技術和先進管理經(jīng)驗的智慧管廊系統(tǒng)才能符合實際的需求。智慧管廊系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構面臨著開放，穩(wěn)定，易維護，高度自動化等各種實際問題，采用工業(yè)以太網(wǎng)架構能夠利用工業(yè)級成熟的網(wǎng)路架構完美的解決智慧管廊網(wǎng)絡架構的問題，可以實現(xiàn)管廊內部機電設備互聯(lián)互通和統(tǒng)一管理。工業(yè)以太網(wǎng)架構適用于管廊弱電系統(tǒng)工程，在地下環(huán)境中可以高效可靠的運行。

1.1 背景

我國正處在城鎮(zhèn)化快速發(fā)展時期，地下基礎設施建設滯后。推進城市地下綜合管廊建設，統(tǒng)籌各類市政管線規(guī)劃、建設和管理，解決反復開挖路面、架空線網(wǎng)密集、管線事故頻發(fā)等問題，有利于保障城市安全、完善城市功能、美化城市景觀、促進城市集約高效和轉型發(fā)展，有利于提高城市綜合承載能力和城鎮(zhèn)化發(fā)展質量，有利于增加公共產(chǎn)品有效投資、拉動社會資本投入、打造經(jīng)濟發(fā)展新動力。

2015年中央財政支持的綜合管廊十個首批試點城市：包頭、沈陽、哈爾濱、蘇州、廈門、十堰、長沙、?？凇⒘P水、白銀。2016年中央財政支持的綜合管廊新增十五個試點城市石家莊市、四平市、杭州市、合肥市、平潭綜合試驗區(qū)、景德鎮(zhèn)市、威海市、青島市、鄭州市、廣州市、南寧市、成都市、保山市、海東市和銀川市。隨著城市經(jīng)濟的快速發(fā)展，綜合管廊建設規(guī)模不足、管理水平不高等問題凸顯，一些城市相繼發(fā)生管線泄漏爆炸、路面塌陷、“馬路拉鏈”等事件，嚴重影響著生命、財產(chǎn)安全和城市運行秩序。針對這些問題，綜合管廊成為了一種優(yōu)秀的解決方案；它是保障城市運行的重要基礎設施和“生命線”。

1.2 實施目標

如何在管廊建設之初就構建一個科學的現(xiàn)代化的智能平臺，使得未來的管廊運營管理更加高效穩(wěn)定，更加智能智慧，是現(xiàn)在我們要攻克的一個課題。

而智慧管廊，智能平臺的核心三要素：開放的企業(yè)級平臺，工業(yè)以太網(wǎng)架構，以及關鍵的邊緣計算控制設備。因此選擇一個合適的網(wǎng)絡方案，邊緣控制設備，以及開放的平臺，對構建智慧管廊平臺總體設計是本文需要闡明的目標。

1.3 適用范圍

地下綜合管廊是指在城市地下用于集中敷設電力、通信、廣播電視、給水、排水、熱力、燃氣等市政管線的公共隧道。

綜合管廊弱電系統(tǒng)，也稱為綜合管廊監(jiān)控與報警系統(tǒng)，主要由以下幾部分組成：

? 管廊運管平臺

? 環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)；

? 火災報警系統(tǒng)（預警與報警系統(tǒng)）；

? 安全防范系統(tǒng)（視頻監(jiān)控、入侵報警等）；

? 通信系統(tǒng)（有線電話、無線對講等）；

本文介紹重點是管廊運管平臺和環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)的方案。也是基于工業(yè)以太網(wǎng)應用的核心方案。

圖1 綜合監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)《城市綜合管廊工程技術規(guī)范GB 50838-2015》的要求，綜合管廊每200米劃分防火分區(qū)，環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)在每個防火分區(qū)內會設置一臺ACU區(qū)域控制單元，負責綜合管廊現(xiàn)場防火分區(qū)范圍內的信號采集、控制信號輸出和遠程通信等任務，一臺ACU通常由工業(yè)級的可編程邏輯控制器PLC、工業(yè)以太網(wǎng)交換機、UPS和控制機柜等幾部分組成。

此外，智慧管廊運管平臺以保障管廊安全、穩(wěn)定、高效、智慧化監(jiān)控和運營為目的，基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算三大技術，幫助管廊業(yè)主實現(xiàn)集中監(jiān)控和運維管理，保障安全，應急預案聯(lián)動，大數(shù)據(jù)分析，持續(xù)優(yōu)化運營。

1.4 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡體系架構中的位置

本方案在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡體系架構中，覆蓋智能機器與工廠控制系統(tǒng)，工廠控制系統(tǒng)與工廠云平臺（及管理軟件）。詳見工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構圖中的1，5兩部分。

方案通過提供綜合管廊內先進的基礎自動化設備和硬件控制系統(tǒng)，保障管廊內數(shù)據(jù)和設備的監(jiān)控，上傳下達各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)和指令，并實現(xiàn)與其他個子系統(tǒng)的聯(lián)動，為管廊內的設備安全，人員安全，財產(chǎn)安全提供保障。

管廊的運管平臺方案，是基于平臺的集中監(jiān)控和運維管理，確保管廊業(yè)主日常運維的安全和高效，同時通過平臺內的各種應急預案的聯(lián)動，大數(shù)據(jù)分析，幫助管廊業(yè)主決策支持，持續(xù)優(yōu)化運營。

圖2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)示意圖

2 需求分析

綜合管廊的建設在國內已經(jīng)掀起了高潮，除了25個中央財政支持的綜合管廊建設試點城市之外，每個直轄市和省會城市甚至一些中小型城市都開始了綜合管廊的建設或者規(guī)劃。預計未來3到5年國內的城市管廊公里數(shù)將非常龐大，隨之而來的是管廊建設及運營的規(guī)范化，智能化的要求。目前管廊修建都處于示范段小范圍建設或者運營階段，問題尚未凸顯，未來管廊修建的公里數(shù)逐漸累積，運營監(jiān)管的范圍將不再是現(xiàn)在的幾公里規(guī)模。當管廊規(guī)模在幾十公里后，設備分布的網(wǎng)絡拓撲就已經(jīng)很龐大，如果軟硬件達不到一定要求，將系統(tǒng)將面臨無法擴展的瓶頸。在管理上，如果沒有同一的高效軟硬件集成平臺，將無法實現(xiàn)自動化管理運營。設想未來城市管廊的規(guī)劃都在百公里以上，分散的設備和互不兼容的子系統(tǒng)中龐大的監(jiān)控數(shù)據(jù)會給管理造成多么大的困境。因此，我們現(xiàn)在架構的設計就要具備前瞻性，在管廊建設之初就應該構建一個從軟件到硬件都符合未來應用的現(xiàn)代化智能平臺。

3 解決方案

管廊的弱電系統(tǒng)（監(jiān)控與報警系統(tǒng)）是一個深度集成的自動化平臺，它集成了環(huán)境與設備監(jiān)控、安全防范、視頻監(jiān)控、火災報警、語音通訊、電力監(jiān)控等子系統(tǒng)。通過集成和互聯(lián)管廊內的自動化系統(tǒng)，為運營和維檢人員提供一個完整的、統(tǒng)一的運管平臺。

所以，管廊的運管平臺，需要基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算三大技術，平臺內核采用業(yè)界知名的成熟、穩(wěn)定、可靠的工業(yè)SCADA 軟件為基礎，通過大量深度開發(fā)，完美集成 GIS 技術、 BIM 技術于一體，將綜合感知和指揮調度、監(jiān)控運營管理、維修維護管理三大基礎功能模塊整合于一身，為智慧管廊的建設、運營、維護、管理奠定了堅實的基礎。

環(huán)境與設備監(jiān)控子系統(tǒng)的功能是實現(xiàn)對綜合管廊全區(qū)域內環(huán)境和設備的參數(shù)和狀態(tài)實施全程監(jiān)控，并將實時監(jiān)控信息通過ACU準確、及時的傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的統(tǒng)一管理平臺，便于值班人員及時發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場環(huán)境和設備的問題，排除故障以及對警情及時處理，保證管廊的正常運行。方案采用工業(yè)以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)架構，核心關鍵設備采用工業(yè)級的智能交換機，工業(yè)級的邊緣控制器PLC產(chǎn)品。通過這些自動化平臺將工業(yè)以太網(wǎng)技術的諸多優(yōu)勢集于一身，從而確保不同控制層級之間、各系統(tǒng)之間和系統(tǒng)內設備之間協(xié)同工作更順暢、更高效。

本文以法國某知名品牌，工業(yè)級的SCADA軟件，以及Modicon邊緣控制器PLC產(chǎn)品為例，介紹工業(yè)以太網(wǎng)在管廊運管平臺和環(huán)境與設備監(jiān)控子系統(tǒng)中的應用。

3.1 方案優(yōu)點

綜合管廊運管平臺的各種功能，都是基于工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)的。由于以太網(wǎng)是以辦公自動化為目標設計的，并不完全符合工業(yè)環(huán)境和標準的要求，將傳統(tǒng)的以太網(wǎng)用于工業(yè)領域還存在著明顯的缺陷，所以很多廠家推出了工業(yè)以太網(wǎng)，借助于工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)自動化與信息化的融合，從而實現(xiàn)一網(wǎng)到底。工業(yè)以太網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的一種類型，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎上的延伸和擴展的網(wǎng)絡。工業(yè)以太網(wǎng)是基于IEEE 802.3 (Ethernet)的強大的區(qū)域和單元網(wǎng)絡。企業(yè)內部互聯(lián)網(wǎng)(Intranet)，外部互聯(lián)網(wǎng)(Extranet)，以及國際互聯(lián)網(wǎng)(Internet) 提供的廣泛應用不但已經(jīng)進入今天的辦公室領域，而且還可以應用于生產(chǎn)和過程自動化。以太網(wǎng)主要用在商業(yè)環(huán)境，而工業(yè)以太網(wǎng)主要用在自動化設備上。自動化設備在實時性、確定性、可靠性上遠遠高于商業(yè)環(huán)境。商業(yè)環(huán)境對信息的傳輸，延時一秒是可以接受的，而某些工業(yè)設備對實時性要求是時延不超過幾十毫秒，對網(wǎng)絡要求不同。

本方案中平臺架構和軟硬件的技術先進性

（1）可靠性。系統(tǒng)應確保管廊數(shù)據(jù)獲取、融合、傳輸?shù)冗^程的可靠性。其中，感知數(shù)據(jù)是管廊各項應用的基礎和判別依據(jù)，可靠的數(shù)據(jù)獲取、融合和傳輸是保證管廊功能正常運行的基礎。熱插拔的硬件支持設備不停機維護。

（2）可擴展性。系統(tǒng)應能夠動態(tài)調節(jié)，為不同網(wǎng)絡應用提供可擴展性，包括網(wǎng)絡拓撲結構可擴展、服務內容可擴展等。

（3）兼容性、開放性和易維護性。系統(tǒng)的軟、硬件采用模塊化、組態(tài)化設計，可以方便地進行容量的擴充和功能的維護升級。同時，系統(tǒng)建設基于Web、B/S結構，軟件設置開放性網(wǎng)絡接口，可實現(xiàn)將監(jiān)測信息上傳至監(jiān)控中心和各級主管部門、單位。

（4）安全性。監(jiān)控與報警系統(tǒng)的安全標準要特別保護用戶的信息隱私，為各政府部門、單位提供不同安全級別的網(wǎng)絡應用。

3.2 系統(tǒng)架構及網(wǎng)絡拓撲設計

根據(jù)現(xiàn)在綜合管廊用戶的使用習慣以及各專業(yè)設計院的設計要求，每兩個防火分區(qū)（400米）設置一個弱電間，弱電間內設置1套區(qū)域控制單元ACU（PLC系統(tǒng)），實現(xiàn)環(huán)境和設備的監(jiān)控，系統(tǒng)間的聯(lián)動，以及大數(shù)據(jù)采集。

各個ACU搭建成光纖環(huán)網(wǎng)，并通過接入層交換機通過光纖環(huán)網(wǎng)接入監(jiān)控中心中核心層交換機。PLC采用某國際知名品牌Modicon系列高端PLC。結合綜合管廊的應用特點，環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)有以下三種PLC控制系統(tǒng)架構在較為常用。

第一種常用架構，常規(guī)單機PLC方案（圖3），即在各分變電所/人員出入口（通常合建）、各防火分區(qū)均設置一套PLC。有時候為了體現(xiàn)變電所/人員出入口的重要性，這里的PLC會要求采用冗余PLC。代表管廊有：蘇州吳中太湖新城綜合管廊、北京大興機場工作區(qū)綜合管廊、景德鎮(zhèn)昌南拓展區(qū)綜合管廊等，這種PLC架構占到60%。

圖3 常規(guī)單機方案架構

第二種常用架構，異地冗余PLC方案（圖4），即在分變電所設置半套冗余PLC，與相鄰的分變電所的另半套冗余PLC通過光纖連接，構成一套完整的異地冗余PLC，而在防火分區(qū)內則設置遠程I/O站，分變電所的異地冗余PLC通過以太環(huán)網(wǎng)將分變電所供電范圍內的防火分區(qū)遠程I/O站連接在一起，實現(xiàn)統(tǒng)一的遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。代表管廊有：合肥高新區(qū)綜合管廊、上海南匯新城綜合管廊、吉安君華大道綜合管廊等，這種PLC架構約占到20%。

圖4 異地冗余方案架構

第三種常用架構與第二種類似，兩個分變電所同樣采用異地冗余PLC，但在遠程I/O站方面，為現(xiàn)場每臺設備均單獨設置遠程站，如：排水泵遠程站、排風機遠程站、風閥遠程站等。代表管廊有：赤峰中心城區(qū)綜合管廊、南京江北新區(qū)綜合管廊、西寧綜合管廊等，這種PLC架構約占到10%。

3.3 功能設計

每個綜合管廊防火分區(qū)設計一套環(huán)境和設備監(jiān)測系統(tǒng)（以ACU為核心），包括：若干臺臺溫濕度傳感器、2臺氧氣傳感器、2臺硫化氫傳感器、2臺甲烷傳感器和1臺液位傳感器。溫濕度、氧氣、硫化氫和甲烷傳感器分別安裝在防火門兩側附件，靠近人員出入通道位置，監(jiān)測管廊內的環(huán)境參數(shù)。同時，液位傳感器安裝于集水坑內，外接顯示裝置；該系統(tǒng)實現(xiàn)對風機，水泵，照明控制；電力監(jiān)測系統(tǒng)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)，火災報警系統(tǒng)，管線監(jiān)測系統(tǒng)等聯(lián)動。

圖5 系統(tǒng)架構

針對綜合管廊監(jiān)控內部的一些管理特性，綜合管廊運管平臺要以整個軟件為平臺核心進行建設，整個綜合管廊監(jiān)控體系必須要具備高科技運行的軟件，通過對整個監(jiān)控和報警系統(tǒng)的建設，將三維地理信息和環(huán)境信息以及安全防范信息同視頻圖像進行融合，同時要融入多種其他的信息，建立統(tǒng)一的資源數(shù)據(jù)庫，保證能夠在不同的時間段內調出資源數(shù)據(jù)庫，并能夠結合歷史數(shù)據(jù)庫來進行有效的分析和預測，滿足大數(shù)據(jù)的空間積累，全面進行融合。

與此同時，綜合管廊運管平臺應該覆蓋所有的綜合管廊信息領域，通過分布式方式對所有數(shù)據(jù)進行實時管理，能夠有效地實現(xiàn)系統(tǒng)空間的需求，同時也能夠高效集成和擴容，為用戶提供高效的平臺產(chǎn)品，滿足各種不同的需求。

通過分布式實時數(shù)據(jù)，搭載系統(tǒng)架構等各類信息服務，以及消息總線和服務總線，提供全面的信息交換設置，與此同時，能全面實現(xiàn)系統(tǒng)安全高效的平穩(wěn)運行，保證各類信息系統(tǒng)的融合，實現(xiàn)從綜合管廊監(jiān)控體系底層到上層的全面調配，滿足現(xiàn)場控制到生產(chǎn)調度以及信息化的綜合管理。

運管平臺面對的用戶：

? 管理層和決策者： 提供管廊宏觀態(tài)勢感知、 3D 導覽、應急預案調度等功能。

? 系統(tǒng)維護工程師： 提供工程師站，便于實現(xiàn)人員和權限管理，預案、規(guī)則、規(guī)程編制，日歷排程，知識庫維護，報表定制等。

? 管廊監(jiān)控人員： 提供設備設施的狀態(tài)監(jiān)視、遠程和聯(lián)動控制、報警和故障處理與分析功能。

? 管廊運維人員： 提供資產(chǎn)設備管理、巡檢、養(yǎng)護、維修等功能

? 管廊運維現(xiàn)場執(zhí)行人員： 提供手機或平板電腦的 App，便于導航指引、現(xiàn)場預案查詢、維護輔助（視頻、規(guī)范規(guī)程、圖紙、 3D 模型等）、現(xiàn)場記錄等。

監(jiān)控中心的運管平臺的架構和功能如下圖所示：

圖6智慧管廊綜合運管平臺架構

3.4 安全及可靠性

本方案采用工業(yè)級以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)方案，確保網(wǎng)絡架構的高效和冗余。目前在工業(yè)領域主流的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議包括：Modbus TCP/IP、EtherNet/IP、ProfiNet、EtherCAT、POWERLINK等。本方案中的Modicon系列高端PLC系統(tǒng)，全面支持Modbus TCP/IP和EtherNet/IP兩大工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。Modicon系列PLC系統(tǒng)的設計基于開放的以太網(wǎng)技術，從而有效地優(yōu)化了設備互連和通信。配合性能優(yōu)越的X80 通用I/O 平臺和靈活易用的Advantys STB/ETB I/O 平臺，可以完美實現(xiàn)系統(tǒng)的集成；強大的控制器提供更高水平的復雜網(wǎng)絡通信、顯示和應用控制的處理能力。

圖7 方案網(wǎng)絡架構

4 成功案例

1）景德鎮(zhèn)綜合管廊系統(tǒng)

景德鎮(zhèn)管廊全長5公里，共設28個防火分區(qū)，是全國主要管廊試點城市，該管廊采用某國際知名品牌的邊緣控制器Modicon系列PLC及Citet軟件平臺系統(tǒng)，采用工業(yè)以太網(wǎng)架構。該方案的實施給客戶帶來可靠穩(wěn)定的系統(tǒng)，工程和運維的便利，技術的先進性得到客戶的一致認可。

圖8 景德鎮(zhèn)管廊系統(tǒng)架構

2）首鋼園區(qū)綜合管廊方案

首鋼園區(qū)綜合管廊一期工程涵蓋首鋼園區(qū)秀池南街和秀池西路。首鋼園區(qū)綜合管廊收納了電力、電信、給水、熱力等市政管線，管廊總長約750米，兩艙設計（綜合艙、電力艙），設1個監(jiān)控中心（含弱電機房）、14個防火分區(qū)。綜合管廊采用M340 PLC作為環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)地區(qū)域控制器。在管廊沿線弱電設備間內設置一臺ACU（內含一臺千兆以太網(wǎng)交換機，一套數(shù)據(jù)采集控制單元，一套UPS）；每個防火區(qū)間設置一套現(xiàn)場控制箱ACU（內含一臺千兆以太網(wǎng)交換機、一套數(shù)據(jù)采集控制單元、一套UPS）。

首鋼第一條自主投資設計建設的管廊項目，為客戶提供完整的顧問服務幫助其建立其對管廊弱電系統(tǒng)的工程能力。

圖9 首鋼園區(qū)綜合管廊總系統(tǒng)架構