综合管廊环境与设备智能监控方法的研究与设计

0引言

随着计算机技术和通信技术的发展,智慧城市的建设成为一种新趋势,而综合管廊作为城市生命线,是智慧城市建设中必不可少的一部分。综合管廊对电力、燃气、水务、通信等管线进行统一的铺设和管理,可有效减少路面开挖,节省建设经费,提高管理水平^[1]。

综合管廊综合监控系统是对综合管廊和管廊内纳入的管线进行统一监控和管理的综合性系统,是保证管廊安全可靠运行的有效手段。而综合管廊环境与设备监控系统是综合管廊综合监控系统中重要的一环,其对管廊内的环境进行实时检测,并对异常情况进行报警,保障管廊的正常运行和入廊人员的安全^[2]。

综合管廊中的环境参数,包含温湿度、氧气浓度、可燃气体/有毒气体含量、集水坑液位、结构位移等。恶劣的管廊环境会影响管廊内设备和管线的正常运行,对入廊人员的人身安全造成威胁。因此,对管廊内的环境进行准确监测和实时调控是非常必要的。本文提出了一种管廊环境与设备智能化监控方法,根据不同工况自动切换不同的联动控制模式,确保管廊内环境保持在最佳状态。

1综合管廊环境和设备

综合管廊环境包含温湿度、氧气浓度、甲烷/硫化氢气体含量、集水坑液位、结构位移等参数,其中温湿度、氧气浓度、集水坑液位是所有舱室都需要监测的变量。温湿度、氧气浓度是管廊舱室内基本环境参数,通过温湿度、氧气浓度可初步判断管廊内是否有火灾、给水泄漏等突发事件,且确保温湿度和氧气浓度正常是巡检和维修人员进入管廊的基本前提。监测集水坑液位可实时了解廊内集水状况,判断是否有淹水,淹水对廊内设备和管线有致命伤害,因此实时监视集水状态,并在水位过高时自动排水对保证管廊安全正常运行十分必要。

天然气舱和污水舱中需要对CH₄气体浓度进行检测,燃气舱中管材缺陷、接头损坏、腐蚀环境中长期腐蚀导致管道或管道阀门破损,很容易造成天然气泄漏,并扩散到其他舱室,引发爆炸危险^[3]。

对污水舱还需要进行H2S有毒气体监测,污水管道中可能存在种类繁多、成分复杂的有毒、腐蚀和易燃易爆气体,H₂S是其中最主要的有毒气体,一旦管道出现破损或发生爆管事故,管道内的有毒气体会迅速扩散到管廊内,污染廊内空气环境,严重威胁廊内巡检人员的人身安全^[4]。因此,在污水舱中设置H₂S气体监测设备,实时监测舱内有毒气体浓度,一旦检测到有毒气体,立即报警开启风机通风,并通知廊内人员撤离。

依据GBZ/T 205—2007《密闭空间作业职业危害防护规范》的规定,综合管廊不同舱室内需要监测的环境参数如表1所示。

环境监控除了对环境参数进行实时监视外,还通过控制风机、水泵等自动化设备对廊内环境进行调节控制。当温湿度过高、氧含量过低或有毒气体泄漏时,通过排风机通风换气调节环境状态。当集水坑液位过高时,通过水泵排水降低液位。

因此,管廊内风机、水泵等附属设备的正常运行,对保证管廊内的环境良好非常重要,良好的管廊环境才能保证入廊管道的正常运作,另外适宜的环境才能保证入廊人员的安全以及舒适的工作环境,因此需要对管廊内的环境和附属设施进行监控,以保证管廊处于良好的状态。

2 系统设计与实现

2.1 总体实现方法

环境与设备监控系统的主要作用是针对管廊内和变电所内的各种用电设备,采集管理所需的各类数据,实现设备的运行状态实时监控、远程控制、报警管理、设备运行维护管理等功能,对电力系统进行远程测量与控制,对全管廊实现电力调度自动化,从而达到整个系统自动化、节能,环境控制科学管理、合理应用等目的。

在每个防火分区和变电所各设置一套区域控制单元ACU,ACU采集各种传感器、智能仪表、电气设备的数据与报警信息,通过监控主干网上传到监控中心进行监视,同时ACU完成该管辖区域的设备控制、联动,并接收监控中心的控制指令操作对应的设备。

区域控制器ACU采集和控制的参量主要包含:

1)各区段温湿度信号、氧气检测信号、有毒气体检测仪(通过总线方式);

2)各区段集水坑水位超声波液位计(总线)、浮球液位计信号;

3)各区段照明、风机、排水泵等机电设备的控制及状态信号;

4)各区段配电系统的运行情况。

环境与设备监控系统实现的控制功能包括设备 (照明灯、排水泵、排风机等)的运行状态实时监测,运行模式监测,手动/自动状态监测,故障检测,运行维护记录以及设备与温度、湿度、氧含量、甲烷、硫化氢气体等管廊环境参数值之间的智能联动,实现管廊智能化运行;对电力系统进行电力监控、能耗管理、用电统计分析,实现节能绿色环保生态管廊。

2.2 通信

2.2.1采集通信

环境监控系统中温湿度、氧气等传感器数据的采集有两种方法:一是通过ACU的IO模块进行数据采集,另一种是通过总线通信模块采集数据。

ACU柜放置在管廊上方的设备夹层,管廊内传感器在各舱室分散布置,与ACU柜距离较远,采用IO 模块进行数据采集,需要给每个传感器单独敷设控制线缆,并且需要多路IO口,虽然数据传输的实时性得到了保证,但是设备和布线成本有所增加,也增加了故障点。

因此这里采用总线方式,将一个舱室或多个舱室传感器手拉手方式连接,如图1所示。给每个传感器分配一个总线地址,ACU控制器通过总线协议循环与每个传感器进行通信,获取传感器数据。总线方式减少了布线,降低了故障率,实时性和可靠性都有保障。

2.2.2 网络通信

环境与设备监控系统不单独组建网络,而是通过管廊内监控环网接入监控中心,在监控中心由综合监控系统深度集成。

如图2所示,系统网络采用分层分布式结构,总共分为三层:区域控制层、主干环网层和控制中心层。区域控制层由管廊内每个分区设备间的区域控制器的总线网络以及该分区的交换机组成,主干环网层由廊内的汇聚交换机与控制中心的核心交换机组成环网,监控中心层由监控中心核心交换机、扩展交换机和监控设备组成。

现场检测仪表由屏蔽电缆通过总线通信模块接入本系统,各监控设备的状态、控制信号等由IO模块接入本系统。ACU实现环控数据的采集、数据转换以及环境设备的智能控制等功能。

环境与设备监控系统的监视数据和控制信号,通过监控主干网接入控制中心,控制中心综合监控系统集成环境与设备监控系统,实现环境监控和设备控制以及设备联动和预警报警。

2.3 系统设计

2.3.1设备控制

管廊中环境与设备监控系统的被控对象是风机、水泵等各种设备。根据ACU实时采集的环境监测数据,对风机和排水泵实现启停、状态监测、联动等操作,实现管廊环境智能调节。

管廊内的机电设备(风机、水泵等)具有三种控制模式:就地手动模式、远程手动控制模式、远程自动联动模式。上述模式中就地和远程的切换是由设备现场控制箱上的切换开关来控制的。

“就地”操作模式:具有最高优先级,在设备现场通过设备控制箱直接控制设备。

“远程”操作模式:在人机界面(HMI)上手动操作实现设备启/停;远程模式下由ACU根据现场设备的状态,自动控制机电设备的启/停。

双速风机和水泵的控制流程图如图3、图4所示。

2.3.2报警联动

自动报警及智能联动系统是管廊中环境与设备监控系统最主要的功能之一。

系统实时监测管廊中的环境参数和设备运行状态,一旦环境参数超出正常范围,马上生成报警信号,并联动相关设备自动调节,使管廊环境保持在正常范围内,确保人员、管线和设备的安全。

系统中各环境参数的报警条件和报警事件以及联动控制如表2所示。

2.3.3系统模式

为环境与设备监控系统预设不同的工作模式,使系统更加智能、高效、可靠。 不同的工况下设置为不同的模式,使设备运行在最佳状态。

系统分为正常模式和异常模式两种主要运营模式,正常模式又包含大小通风模式、巡检模式、维护模式等,异常模式包含停车模式、事后时间表通风模式、火灾模式等。异常模式是在管廊运行异常时自动触发,并在异常情况恢复后进行事后处理,从而能达到正常运行状态。

各模式定义如下:

1)正常自动控制:根据环控参数自动控制。

2)大小通风模式:打开一个或两个风机进行通风。

3)时间表通风模式:设定风机的启停时间,自动循环运行。

4)巡检模式:确保管廊内的含氧量及其他环控参数在正常范围内,确保人员安全。

5)维护模式:设备进入到手动模式。

6)停车模式:在遇到紧急情况时手动紧急停止运行。

7)事后时间表通风模式:火灾事故后自动通风模式。

8)火灾模式:不能手动触发,由火灾报警器信号触发,必须等火灾信号消除后,才可退出。

3 实际应用

将本文中的环境与设备智能监控方法应用到某管廊的监控系统中,如图5所示,可实时准确获取管廊环境数据以及各环境调节设备的运行状态,能可靠控制环境调节设备;当环境参数超标时,自动产生报警,并联动相应的设备动作;在不同的模式设置下,能根据模式的设定自动运行。实际应用结果显示,本文方法能实时监控并智能控制管廊环境,取得了良好的效果。

4结束语

管廊环境与设备监控在管廊运维中是非常重要的一个子系统,直接关系到管廊中人员、设备及入廊管线的安全。本文提出的管廊环境与设备智能监控方法,可在管廊实际运维过程中应用,能实时、准确、可靠地获取环境参数,并根据环境参数智能联动和切换模式,确保管廊环境健康和设备正常运行,实现管廊环境与设备监控智能化。

[参考文献]

[1]CANTO-PERELLO J,CURIEL-ESPARZA J.An analysis of utility tunnel viability in urban areas[J].Civil Engineering and Environmental Systems,2006,23(1):11-19.

[2]董开泰,魏立明.地下综合管廊智能信息化监控设计[J].吉林建筑大学学报,2018,35(6):81-85.

[3]孙平,朱伟,宋瑞.城市地下管线典型事故分析及防治对策[J].城市公用事业,2012,26(2):43-45.

[4]YE K,ZHOU X D,YANGLZ,etal.A multi-scale analysis of the fire problems in an urban utility tunnel[J].Energies,2019,12(10): 1-20.

2025年第2期第15篇