工業以太網在綜合管廊弱電系統中的應用
施耐德電氣（中國）有限公司
網絡行業應用篇/設備監控與維護
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驗的智慧管廊系統才能符合實際的需求。智慧管廊系統的網絡架構面臨著開放，穩定，易維護，高度自動化等各種實際問題，采用工業以太網架構能夠利用工業級成熟的網路架構完美的解決智慧管廊網絡架構的問題，可以實現管廊內部機電設備互聯互通和統一管理。工業以太網架構適用于管廊弱電系統工程，在地下環境中可以高效可靠的運行。
1.1 背景
我國正處在城鎮化快速發展時期，地下基礎設施建設滯后。推進城市地下綜合管廊建設，統籌各類市政管線規劃、建設和管理，解決反復開挖路面、架空線網密集、管線事故頻發等問題，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展，有利于提高城市綜合承載能力和城鎮化發展質量，有利于增加公共產品有效投資、拉動社會資本投入、打造經濟發展新動力。
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、海口、六盤水、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、景德鎮市、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。隨著城市經濟的快速發展，綜合管廊建設規模不足、管理水平不高等問題凸顯，一些城市相繼發生管線泄漏爆炸、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代化的智能平臺，使得未來的管廊運營管理更加高效穩定，更加智能智慧，是現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：開放的企業級平臺，工業以太網架構，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，也稱為綜合管廊監控與報警系統，主要由以下幾部分組成：
? 管廊運管平臺
? 環境與設備監控系統；
? 火災報警系統（預警與報警系統）；
? 安全防范系統（視頻監控、入侵報警等）；
? 通信系統（有線電話、無線對講等）；
本文介紹重點是管廊運管平臺和環境與設備監控系統的方案。也是基于工業以太網應用的核心方案。
圖1 綜合監控系統
根據《城市綜合管廊工程技術規范GB 50838-2015》的要求，綜合管廊每200米劃分防火分區，環境與設備監控系統在每個防火分區內會設置一臺ACU區域控制單元，負責綜合管廊現場防火分區范圍內的信號采集、控制信號輸出和遠程通信等任務，一臺ACU通常由工業級的可編程邏輯控制器PLC、工業以太網交換機、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、穩定、高效、智慧化監控和運營為目的，基于物聯網、大數據、云計算三大技術，幫助管廊業主實現集中監控和運維管理，保障安全，應急預案聯動，大數據分析，持續優化運營。
1.4 在工業互聯網網絡體系架構中的位置
本方案在工業互聯網網絡體系架構中，覆蓋智能機器與工廠控制系統，工廠控制系統與工廠云平臺（及管理軟件）。詳見工業互聯網體系架構圖中的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，保障管廊內數據和設備的監控，上傳下達各種現場數據和指令，并實現與其他個子系統的聯動，為管廊內的設備安全，人員安全，財產安全提供保障。
管廊的運管平臺方案，是基于平臺的集中監控和運維管理，確保管廊業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動，大數據分析，幫助管廊業主決策支持，持續優化運營。
圖2 工業互聯網互聯示意圖
2 需求分析
綜合管廊的建設在國內已經掀起了高潮，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劃。預計未來3到5年國內的城市管廊公里數將非常龐大，隨之而來的是管廊建設及運營的規范化，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逐漸累積，運營監管的范圍將不再是現在的幾公里規模。當管廊規模在幾十公里后，設備分布的網絡拓撲就已經很龐大，如果軟硬件達不到一定要求，將系統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，將無法實現自動化管理運營。設想未來城市管廊的規劃都在百公里以上，分散的設備和互不兼容的子系統中龐大的監控數據會給管理造成多么大的困境。因此，我們現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代化智能平臺。
3 解決方案
管廊的弱電系統（監控與報警系統）是一個深度集成的自動化平臺，它集成了環境與設備監控、安全防范、視頻監控、火災報警、語音通訊、電力監控等子系統。通過集成和互聯管廊內的自動化系統，為運營和維檢人員提供一個完整的、統一的運管平臺。
所以，管廊的運管平臺，需要基于物聯網、大數據、云計算三大技術，平臺內核采用業界知名的成熟、穩定、可靠的工業SCADA 軟件為基礎，通過大量深度開發，完美集成 GIS 技術、 BIM 技術于一體，將綜合感知和指揮調度、監控運營管理、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。
環境與設備監控子系統的功能是實現對綜合管廊全區域內環境和設備的參數和狀態實施全程監控，并將實時監控信息通過ACU準確、及時的傳輸到監控中心的統一管理平臺，便于值班人員及時發現現場環境和設備的問題，排除故障以及對警情及時處理，保證管廊的正常運行。方案采用工業以太網光纖環網架構，核心關鍵設備采用工業級的智能交換機，工業級的邊緣控制器PLC產品。通過這些自動化平臺將工業以太網技術的諸多優勢集于一身，從而確保不同控制層級之間、各系統之間和系統內設備之間協同工作更順暢、更高效。
本文以法國某知名品牌，工業級的SCADA軟件，以及Modicon邊緣控制器PLC產品為例，介紹工業以太網在管廊運管平臺和環境與設備監控子系統中的應用。
3.1 方案優點
綜合管廊運管平臺的各種功能，都是基于工業以太網實現的。由于以太網是以辦公自動化為目標設計的，并不完全符合工業環境和標準的要求，將傳統的以太網用于工業領域還存在著明顯的缺陷，所以很多廠家推出了工業以太網，借助于工業以太網實現自動化與信息化的融合，從而實現一網到底。工業以太網是互聯網的一種類型，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡。工業以太網是基于IEEE 802.3 (Ethernet)的強大的區域和單元網絡。企業內部互聯網(Intranet)，外部互聯網(Extranet)，以及國際互聯網(Internet) 提供的廣泛應用不但已經進入今天的辦公室領域，而且還可以應用于生產和過程自動化。以太網主要用在商業環境，而工業以太網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環境。商業環境對信息的傳輸，延時一秒是可以接受的，而某些工業設備對實時性要求是時延不超過幾十毫秒，對網絡要求不同。
本方案中平臺架構和軟硬件的技術先進性
（1）可靠性。系統應確保管廊數據獲取、融合、傳輸等過程的可靠性。其中，感知數據是管廊各項應用的基礎和判別依據，可靠的數據獲取、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。系統應能夠動態調節，為不同網絡應用提供可擴展性，包括網絡拓撲結構可擴展、服務內容可擴展等。
（3）兼容性、開放性和易維護性。系統的軟、硬件采用模塊化、組態化設計，可以方便地進行容量的擴充和功能的維護升級。同時，系統建設基于Web、B/S結構，軟件設置開放性網絡接口，可實現將監測信息上傳至監控中心和各級主管部門、單位。
（4）安全性。監控與報警系統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絡應用。
3.2 系統架構及網絡拓撲設計
根據現在綜合管廊用戶的使用習慣以及各專業設計院的設計要求，每兩個防火分區（400米）設置一個弱電間，弱電間內設置1套區域控制單元ACU（PLC系統），實現環境和設備的監控，系統間的聯動，以及大數據采集。
各個ACU搭建成光纖環網，并通過接入層交換機通過光纖環網接入監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，環境與設備監控系統有以下三種PLC控制系統架構在較為常用。
第一種常用架構，常規單機PLC方案（圖3），即在各分變電所/人員出入口（通常合建）、各防火分區均設置一套PLC。有時候為了體現變電所/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綜合管廊、景德鎮昌南拓展區綜合管廊等，這種PLC架構占到60%。
圖3 常規單機方案架構
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，而在防火分區內則設置遠程I/O站，分變電所的異地冗余PLC通過以太環網將分變電所供電范圍內的防火分區遠程I/O站連接在一起，實現統一的遠程監控和數據采集。代表管廊有：合肥高新區綜合管廊、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：赤峰中心城區綜合管廊、南京江北新區綜合管廊、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設計一套環境和設備監測系統（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，監測管廊內的環境參數。同時，液位傳感器安裝于集水坑內，外接顯示裝置；該系統實現對風機，水泵，照明控制；電力監測系統，視頻監控系統，火災報警系統，管線監測系統等聯動。
圖5 系統架構
針對綜合管廊監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，整個綜合管廊監控體系必須要具備高科技運行的軟件，通過對整個監控和報警系統的建設，將三維地理信息和環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，建立統一的資源數據庫，保證能夠在不同的時間段內調出資源數據庫，并能夠結合歷史數據庫來進行有效的分析和預測，滿足大數據的空間積累，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據進行實時管理，能夠有效地實現系統空間的需求，同時也能夠高效集成和擴容，為用戶提供高效的平臺產品，滿足各種不同的需求。
通過分布式實時數據，搭載系統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，能全面實現系統安全高效的平穩運行，保證各類信息系統的融合，實現從綜合管廊監控體系底層到上層的全面調配，滿足現場控制到生產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： 提供管廊宏觀態勢感知、 3D 導覽、應急預案調度等功能。
? 系統維護工程師： 提供工程師站，便于實現人員和權限管理，預案、規則、規程編制，日歷排程，知識庫維護，報表定制等。
? 管廊監控人員： 提供設備設施的狀態監視、遠程和聯動控制、報警和故障處理與分析功能。
? 管廊運維人員： 提供資產設備管理、巡檢、養護、維修等功能
? 管廊運維現場執行人員： 提供手機或平板電腦的 App，便于導航指引、現場預案查詢、維護輔助（視頻、規范規程、圖紙、 3D 模型等）、現場記錄等。
監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
本方案采用工業級以太網光纖環網方案，確保網絡架構的高效和冗余。目前在工業領域主流的工業以太網協議包括：Modbus TCP/IP、EtherNet/IP、ProfiNet、EtherCAT、POWERLINK等。本方案中的Modicon系列高端PLC系統，全面支持Modbus TCP/IP和EtherNet/IP兩大工業以太網協議。Modicon系列PLC系統的設計基于開放的以太網技術，從而有效地優化了設備互連和通信。配合性能優越的X80 通用I/O 平臺和靈活易用的Advantys STB/ETB I/O 平臺，可以完美實現系統的集成；強大的控制器提供更高水平的復雜網絡通信、顯示和應用控制的處理能力。
圖7 方案網絡架構
4 成功案例
1）景德鎮綜合管廊系統
景德鎮管廊全長5公里，共設28個防火分區，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，采用工業以太網架構。該方案的實施給客戶帶來可靠穩定的系統，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 景德鎮管廊系統架構
2）首鋼園區綜合管廊方案
首鋼園區綜合管廊一期工程涵蓋首鋼園區秀池南街和秀池西路。首鋼園區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個監控中心（含弱電機房）、14個防火分區。綜合管廊采用M340 PLC作為環境與設備監控系統的現地區域控制器。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交換機，一套數據采集控制單元，一套UPS）；每個防火區間設置一套現場控制箱ACU（內含一臺千兆以太網交換機、一套數據采集控制單元、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的工程能力。
圖9 首鋼園區綜合管廊總系統架構