田 震，楊 華，杜 超

(貴陽電氣設(shè)備控制有限公司，貴州 貴陽 550002)

0 引言

自動化監(jiān)控是工程管理尤為重要的領(lǐng)域之一[1-2]。由于高速公路管轄距離遠(yuǎn)，隧道眾多，距離運營中心遠(yuǎn)，因此維護(hù)不便，管理成本高。目前新建的高速公路雖然有設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控、電力監(jiān)控和視頻系統(tǒng)，但各個系統(tǒng)相互獨立，并未整合到一個統(tǒng)一的平臺上，而且功能側(cè)重實時監(jiān)控，運維管理功能普遍缺失[3-4]。

為此，以亞控公司的KINGSCADA軟件為平臺開發(fā)了高速公路隧道機(jī)電管理系統(tǒng)，將設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控、電力監(jiān)控和視頻系統(tǒng)等統(tǒng)一到該平臺上，并增加了運維管理模塊。KINGSCADA是一款面向中、高端市場的SCADA產(chǎn)品，它具有集成化管理、模塊式開發(fā)、可視化操作、智能化診斷及控制，KINGSCADA具有良好的開放性，支持Activex控件、OPC、DDE、API[5-8]。通過標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議規(guī)范，第三方軟件可以輕松的實現(xiàn)和KINGSCADA的數(shù)據(jù)交互。另外，該產(chǎn)品構(gòu)建了一個開放性數(shù)據(jù)平臺，可以將任何控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程終端系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、歷史庫以及企業(yè)其他系統(tǒng)進(jìn)行融合，能夠最大限度地幫助企業(yè)搭建智能監(jiān)控管理平臺。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

高速公路隧道機(jī)電管理系統(tǒng)能實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控高速公路隧道的照明、風(fēng)機(jī)和各種傳感器，以及高速公路隧道配電系統(tǒng)的電力監(jiān)控和視頻監(jiān)控，并具有整個機(jī)電系統(tǒng)的運維管理功能。系統(tǒng)將信息技術(shù)、電控技術(shù)等有效地綜合應(yīng)用于整個隧道的監(jiān)控系統(tǒng)，研發(fā)出安全、高效智能化高速公路監(jiān)控系統(tǒng)，提高管理的信息化程度，保證隧道的安全高效營運，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)硬件構(gòu)架

如圖2所示，高速公路隧道機(jī)電管理系統(tǒng)是一個以光纖通信為骨干網(wǎng)，基于TCP/IP的分布式測控網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)中心測控軟件系統(tǒng)，在每條路的控制中心通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對每個隧道的電力、消防、車道指示器、情報板、照明、風(fēng)機(jī)和各類傳感器等設(shè)備實現(xiàn)遙測和遙控。該中心測控軟件系統(tǒng)將實現(xiàn)地理信息、圖像、實時數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)、多媒體信息等一體化平臺。

圖2 系統(tǒng)TCP/IP以太網(wǎng)通信架構(gòu)和現(xiàn)場總線構(gòu)架圖

隧道控制網(wǎng)絡(luò)主要由服務(wù)器、以太網(wǎng)交換機(jī)、光纜及相應(yīng)軟件組成，圖1中的每臺以太網(wǎng)交換機(jī)分布在每一個隧道，將各個隧道的現(xiàn)場的控制系統(tǒng)和服務(wù)器及監(jiān)控電腦聯(lián)通。

現(xiàn)場控制系統(tǒng)可收集、處理和存儲隧道內(nèi)外場設(shè)備的檢測數(shù)據(jù)，監(jiān)視外場設(shè)備工作狀態(tài)；上傳給路段分中心，并接收路段分中心控制室命令對外場設(shè)備進(jìn)行控制?，F(xiàn)場控制系統(tǒng)還具有現(xiàn)場自動控制的功能，在維修、測試、片區(qū)中心控制室設(shè)備故障、通信故障等情況下可由現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)代替監(jiān)控片區(qū)中心進(jìn)行控制。該控制網(wǎng)絡(luò)采用單模光纜，每個本地控制器通過以太網(wǎng)交換機(jī)的光纖接口連接構(gòu)成以太網(wǎng)單模光纖冗余環(huán)結(jié)構(gòu)，即環(huán)網(wǎng)上任何一點被截斷，通信傳輸依然可以保持，保證了現(xiàn)場總線避免外界干擾，傳輸通暢，并提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)為對等網(wǎng)，任意節(jié)點故障不會影響干網(wǎng)運行。

系統(tǒng)以Modbus現(xiàn)場總線技術(shù)、TCP/IP通訊技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)來構(gòu)建的新型智能配電控制系統(tǒng)，采用了大量以代表先進(jìn)技術(shù)發(fā)展方向的智能型元器件(智能型網(wǎng)絡(luò)儀表、網(wǎng)絡(luò) I/O、智能型斷路器等)的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制設(shè)備。

2 系統(tǒng)功能模塊詳述

2.1 隧道機(jī)電實時監(jiān)控模塊

實時采集PLC的監(jiān)控數(shù)據(jù)，包括環(huán)境參數(shù)、消防參數(shù)等數(shù)據(jù)，能實時監(jiān)測照明、風(fēng)機(jī)、車道指示器、情報板、交調(diào)站、消防等設(shè)備的運行、故障情況并能遠(yuǎn)程控制；能實時監(jiān)測各種傳感器和電力儀表數(shù)據(jù)；能調(diào)用顯示存儲現(xiàn)場監(jiān)控視頻。在變電所內(nèi)設(shè)置主控站 PLC，通過以太網(wǎng)卡與交換機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，隧道內(nèi)分別設(shè)置PLC 從站(本地控制器)，通過以太網(wǎng)模塊組成工業(yè)以太網(wǎng)。變電所(箱式變電站)內(nèi)的本地控制器主要對通風(fēng)、照明、電力監(jiān)控等進(jìn)行控制，隧道內(nèi)的本地控制器負(fù)責(zé)收集、處理和儲存各外場設(shè)備的檢測數(shù)據(jù)，監(jiān)視外場設(shè)備工作狀態(tài)，并接收隧道監(jiān)控分中心控制室或變電所工作站的命令對外場設(shè)備進(jìn)行控制。每一個本地控制器又都是獨立的控制系統(tǒng)，都可獨立操作。為保證隧道運行的可靠性，每個隧道的本地控制器之間采用具有備用通道的環(huán)型結(jié)構(gòu)冗余光纖網(wǎng)絡(luò)的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本地控制器與外場設(shè)備的連接應(yīng)有可靠的電磁隔離和抗干擾能力。隧道本地控制器通過現(xiàn)場的以太網(wǎng)交換機(jī)再通過單模光纖傳到隧道監(jiān)控路段分中心控制室，控制器實物圖及機(jī)電系統(tǒng)控制界面如圖3和圖4所示。

圖3 本地控制器

圖4 隧道機(jī)電實時監(jiān)控界面

2.2 GIS地圖和視頻模塊

調(diào)用百度地圖API，將隧道的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)標(biāo)記在地圖圖4隧道機(jī)電實時監(jiān)控界面上，展示公司所屬隧道的分布情況，在每個隧道標(biāo)記點旁邊實時顯示關(guān)鍵數(shù)據(jù)和報警情況。點擊標(biāo)記點可以跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)監(jiān)控畫面。采用千兆以太網(wǎng)來實現(xiàn)隧道的高清圖像傳輸，其優(yōu)點是IP寬帶技術(shù)構(gòu)造簡單， 管理簡單，便于維護(hù)，擴(kuò)展性、兼容性好，可為各種業(yè)務(wù)提供通道。該方案是路段內(nèi)閉路電視傳輸系統(tǒng)采用三層千兆以太網(wǎng)，在隧道管理救援站配置一臺提供企業(yè)核心層解決的高性能多義務(wù)千兆路由交換機(jī)，依據(jù)隧道內(nèi)設(shè)置的站點交換機(jī)與變電所主交換機(jī)組成千兆以太網(wǎng)上傳至管理分中心進(jìn)行管理上墻監(jiān)視以及上傳上級管理分中心。攝像機(jī)攝取的現(xiàn)場視頻信號，釆用光纖收發(fā)器+單模光纖的方式傳送至隧道內(nèi)附近的視頻工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，在值守點內(nèi)設(shè)置視頻交換機(jī)與隧道內(nèi)交換機(jī)組成環(huán)網(wǎng)，并可與圖像工作站連接實現(xiàn)本地監(jiān)控，在本地進(jìn)行事件檢測及IPSAN錄像，事件檢測數(shù)據(jù)由管理救援站集中管理。將隧道值守點的視頻交換機(jī)匯聚的圖像上傳至管理分中心進(jìn)行切換電視墻及大屏顯示、上傳上級管理分中心等，GIS地圖與視頻界面如圖5所示。

圖5 GIS和視頻界面

2.3 電力監(jiān)控模塊

電力監(jiān)控系統(tǒng)對變電所的10 kV進(jìn)出線、變壓器、低壓進(jìn)線開關(guān)以及380 V配電線路的運行工況及各項參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視、測量；對380 V出線斷路器進(jìn)行狀態(tài)檢測，即實現(xiàn)遙信、遙測、 遙控、遙視功能。其監(jiān)控界面如圖6所示。

圖6 電力監(jiān)控界面

2.4 輔助模塊

輔助模塊主要涵蓋了生成數(shù)據(jù)報表、手機(jī)APP遠(yuǎn)程操控及運維管理等功能。

其中，報表類型包括電力參數(shù)、環(huán)境監(jiān)測參數(shù)、設(shè)備操作記錄和運行記錄及運行時間統(tǒng)計等，可以根據(jù)日期時間及報表類型及其他條件進(jìn)行查詢，支持報表導(dǎo)出為EXCEL和打印。用各種形式圖表來表現(xiàn)和分析顯示參數(shù)變化趨勢和統(tǒng)計結(jié)果，能用餅圖、柱狀圖和exharts等多種形式來進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化。其界面如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)報表功能

如圖8所示，通過手機(jī)APP可完成信息的遠(yuǎn)程查看和信息推送，實現(xiàn)了“遙信、遙測、遙控、遙調(diào)”等“四遙”功能。

圖8 手機(jī)APP界面

運維管理功能主要體現(xiàn)在以下兩方面：具有備品備件功能，采購備品備件的數(shù)據(jù)全部錄入到數(shù)據(jù)庫中，可以進(jìn)行查詢、錄入、修改和刪除相關(guān)信息；具有維修保養(yǎng)計劃和維護(hù)功能，當(dāng)易損件的壽命即將到達(dá)理論值時，定期提醒，運維管理人員可以將維修記錄錄入到數(shù)據(jù)庫中，供其他運維管理人員查看，系統(tǒng)可以生成工單并能導(dǎo)出、打印。管理界面如圖9所示。

圖9 運維管理界面

3 小結(jié)

系統(tǒng)運行一段時間以來，取得了良好的效果。主要體現(xiàn)在如下方面：

1)提高設(shè)備運行維護(hù)主動性：實現(xiàn)信息系統(tǒng)資源的集中監(jiān)控，監(jiān)視各設(shè)備的運行狀態(tài)和工作任務(wù)的完成情況，可實現(xiàn)自動啟動工作任務(wù)，大幅度減小系統(tǒng)管理人員的工作壓力；

2)提高運營單位對設(shè)備監(jiān)測水平和信息化管理水平，實現(xiàn)對信息化系統(tǒng)的運行監(jiān)控，達(dá)到更有效的管理，保障整個系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、不間斷運轉(zhuǎn)；

3)實現(xiàn)了便捷的信息推送，在管理維護(hù)者手機(jī)上執(zhí)行APP“遙信、遙測”信息推送，就地現(xiàn)場管理軟件上“遙控、遙調(diào)”信息推送，實現(xiàn)“遙信、遙測、遙控、遙調(diào)”等“四遙”功能。

綜上所述，基于KINGSCADA的隧道機(jī)電管理系統(tǒng)具備一定工程參考價值，其較強(qiáng)的普適性可以為其他領(lǐng)域的自動化管理系統(tǒng)提供借鑒。