人防工程的内部设备自动化监控系统研究

1、概述
人防工程是战时保障人民群众生命安全的重要建筑设施，工程内部的设备监控系统是保障工程功能正常效用的基础。

现代战争对工程内部的供配电系统、通风空调系统、照明系统、消防系统、安保系统等提出了更高的要求，如更高的供电可靠性和供电质量、更高的温湿度控制精度、良好的内部空气质量、更快的保障反应能力等等。

构建人防工程内部的设备自动化系统是必要和必须的。

目前多数工程内部设备监控系统多数功能不完善。

不少工程需要维护人员到设备现场抄写运行数据、监视运行状态及启停控制设备。

多个设备间存在控制连锁问题时，一般采用一对一硬接线方式，不仅布线复杂，出现问题时不容易确定故障原因，且不易排除故障。

部分人防工程采用可编程逻辑控制器（PLC）对工程内部设备和环境进行监控，由于PLC不具备防水防潮能力，因此应用到地下防护工程可靠性差。

另外PLC采用局部集中式结构，防电磁干扰能力差，系统配置不灵活，各种PLC之间不容易实现互操作，用户对单一厂商的依赖比较严重。

使用PLC系统实现分布式结构价格昂贵，当增加某个分散测点时最少需要一个CPU单元、通讯单元和IO单元。

这些问题都限制了PLC在人防工程中的应用。

人防工程有其不同于一般建筑的特殊特点。

人防工程多数位于地下，内部环境恶劣，如空气湿度较大；战时有特别的防电磁脉冲干扰要求等，因此构建监控系统必须特殊考虑。

2、现场总线技术
现场总线是目前工业自动化控制领域技术发展的热点，也是一个趋势，能够真正体现技术的先进性。

它的一系列特点很适合地下人防工程的自动化监控系统改造。

现场总线技术一般都支持灵活的网络拓扑结构，例如星型、环型、总线型等。

而人防工程的监控系统包括一系列的子系统，如发供电监控系统、内部环境监测系统、水库监控系统、空调机组监控系统和火灾报警系统等等。

这些系统的一个突出特点即测点的分散性，例如空调设备监控系统需要延伸至整个工程，这种系统特别适合于总线结构。

各个子系统互不干扰，独立工作；局部故障不会扩散。

总线结构下所布置的电缆可比常规的点点连线系统节省60%以上，这不仅节省电缆费用开支，而且节约了布线空间，同时也利于电磁防护的实现。

现场总线控制系统的重要特征即数字通讯，数字量的抗干扰能力比模拟信号强得多；还有它的互操作性，也节省后期维护费用。

相同功能的不同设备便于实现系统的高可靠冗余。

现场总线种类繁多，不同种类适合于不同的应用场合，如FF适合于过程自动化领域，而CAN、Profibus适合于汽车等制造业场合。

目前智能楼宇使用最多的一种现场总线LonWorks现场总线也比较适合于人防工程设备监控系统。

LonWorks通讯协议实现ISO/OSI网络模型的的全部七层协议，从而具有完善的网络支持功能；网络拓扑结构可以是总线型、星型、环型和混合型，可实现真正的自由拓扑；通信速率最高可达1.25Mbps，直接通信距离可达2700m（78Kbps,双绞线），使用中继器可实现更远的通讯距离；通信介质支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线及电力线等。

人防工程作为一种特殊的地下建筑，监控区域非常分散，尤其是坑道式工程，测点分布于整个长轴线，这种特点使得其内部设备及环境自动化监控系统特别适合采用Lon Works总线技术。

893LM自动化系统即采用该技术，并针对人防工程的特点和实际情况做了特别考虑。

3、893LM自动化监控系统
893LM自动化系统是893微机测控技术研究所继893-IDCN分布式智能测控网络之后研发的新一代的基于LonWorks现场总线技术的分布式监控系统，已成功应用于智能楼宇、机场仓库、地下建筑等领域。

该系统基于LonWorks现场总线技术，其中的数字量模块及DDC控制器具有逻辑组态能力，可丰富模块自身的控制功能。

数字量模块一般用于数字量数据采集场合，可通过功能强大的指令集对模块进行远程组态，实现较简单的逻辑控制。

DDC控制器不仅具有完善的逻辑控制能力，同时提供强大的逻辑调节功能，可以实现对空气压缩机、空调机组等较复杂应用的逻辑控制。

893LM自动化系统硬件资源齐全，包括各种数字量模块、模拟量模块、DDC控制器、协议转换模块、网络适配器、区域控制器等，满足各种应用领域要求。

软件功能丰富且完善，包括网络调试软件、DDE和OPC服务器、各种驱动以及逻辑组态软件等。

该系统对防水、防潮、防核电磁脉冲干扰等进行了特殊设计，并通过了国家权威检测机构的测试认证，特别适用于地铁站、人防工程等环境恶劣应用场合。

模块支持即插即用，方便系统的运行维护。

模块功能强大，同一通道可设定多种工作模式，方便用户不同的应用需求，如模拟量模块输入通道可以测量直流电压、电阻、热电阻、热电耦、开关量状态等多种类型信号。

各种DDC控制器和数字量模块提供逻辑编程能力，拓展了节点的控制功能。

4、设备监控自动化系统配置
893LM自动化监控系统结构简明，易于扩展，可根据工程实际配置不同的设备监控方案。

工程测点数目较少时，可参考图1的系统配置；而大系统可参考图2配置。

用户可以分阶段实施设备监控系统，后续的工作不会对前期投资形成影响，只需要将新组成的系统或网络挂接于老的网络上即可，软件上对老系统也无需做任何修改，只是追加新的功能和画面。

监控系统的底层采用893-LonWorks现场总线分布式智能测控网络，现场总线通讯线缆沿工程轴线布线，系统的监控任务由现场就地安装的智能监控模块完成，所有的监控模块通过通讯网络与监控中心的主计算机通讯，从而实现系统的集中监视和远程遥控。

如果工程规模较大，各出入口或电站测点多、功能要求复杂，可设置口部和电站的区域监控站，即设置一台计算机，完成本区域的监控任务。

由于数据量较大，各区域计算机和监控中心计算机之间用以太网联接。

整个系统根据测点分布特点和监控要求，可划分为若干个监控区域，如空调室、电站等。

893LM自动化系统的系列软件采用先进的计算机软件体系结构，吸取了高可靠的工业控制软件的优点，是针对人防工程监控的特点和要求专门开发的，可满足工程的各种战术、技术指标及可靠性要求。

消防监控系统和安保监控系统可通过以太网或智能口与监控中心的计算机联网，实现系统的集成。

893LM内部设备自动化系统可以方便地与管理信息系统联网，具有授权权限的专业部门可以登录网络进行远程监视，对所管辖的各个工程情况进行实时在线检查。

专业工程师也可以对系统进行远程维护，检查设备运行状况。

5、工程实例
某人防地下工程具有2个出入口，2个空调机房，1个电站和1个水库。

工程建筑大致为不规则长方形。

各出入口均设置进排风机房，设置进排风机各两台。

各空调机房有两台空调机组，用1备1，空调机组采用OMRON的CQM1H可编程控制器，并提供CQM1H-CL K21通信模块。

电站发电机3台，用2备1，发电机控制屏采用DUCATI的电气参数测量模块。

大厅及各重要房间进行温湿度测量，采用芬兰VAISALA的HMW40温湿度传感器。

液位（水位和油位）传感器采用北京昆仑海岸传感技术中心的JYB系列传感器。

图3为实际工程的系统结构图。

空调机组使用的可编程控制器附带通信模块，采用OMRON的CONTROLLER LINK 协议。

该协议是OMRON自己开发的一套从应用层到物理层的规则，由于协议不公开，不能使用智能协议转换模块进行连网，因此考虑空调系统（4个空调机组）独立组网，在上位机的组态软件中完成与其它系统的集成。

电站发电机组的电气参数模块采用Modbus RTU通信协议，该协议底层使用的是RS48 5规范，而RS485规范是公开的物理层标准，因此可以使用智能协议转换模块将其连入Lo nWorks网络。

具体实现过程如下：首先采用屏蔽双绞线将3台机组的电气参数模块连接起来，然后连接到LM1002模块的RS485口，LM1002挂接于LonWorks网络。

LM1002中固化了Modbus协议通讯软件，实时采集发电机组的电气参数，并存储于内部RAM缓冲区中，当监控计算机通过LonWorks网络从LM1002模块采集发电机组的电气参数时，模块将缓冲区中保存的发电机数据返回给计算机。

智能协议转换模块LM1002是Modbus与LonWorks 之间的通讯网关。

利用智能模块进行自动化系统集成，具有很高的应用价值。

如果采用传统的集成方式，从电站到主控室敷设一条专门的RS485通讯电缆，主控室的监控主机中插一块RS485通讯接口卡，监控软件还需要专门的通讯驱动程序。

而目前采用智能协议转换模块的系统集成方案不再需要敷设专门的通讯电缆到控制室，计算机中也不需要RS485接口卡和专门的通讯接口程序，大大简化了工程施工和软件调试。

通过LonWorks网络，我们可向LM1002协议转换模块下载任意的协议转换软件，因此该模块不仅仅可应用于Modbus协议与LonWorks 协议的转换，任何带智能口的设备都可以采用此方案进行系统集成。

目前许多设备本身已经带有智能口，如发电机组、空调机组（带有通用智能口）、毒剂报警装置、变压器温度控制器等，通过LM1002将这些智能设备就地连入LonWorks网络，无需另外铺设电缆、购买通讯接口卡和专用通讯接口软件，可极大地降低工程的系统集成难度，节省工程建设费用。

893LM智能模块分布于整个工程。

2个口部设置控制箱，分别包括2个数字量模块和1个模拟量模块，用于口部的温度湿度测量，口部风机及阀门的监控。

水库的自动箱包括一个模拟量模块LM1101，该模块有4个模拟量输入通道和4个开关量输出通道，可以通过简单设置进行水库水位控制。

电站自动控制箱包括1个模拟量模块和2个开关量模块LM1204，用于测量油箱油位，监测各个配电屏开关的通断状态和变压器工作状态，并控制油箱的补给
泵。

中控室控制箱包括2个LM1102模块，即8通道模拟量测量模块，用于测量大厅、中控室等7个房间的温湿度参数。

各口部风机和阀门按照预定的控制逻辑和当前的环境状态运行。

各空调机组可以在上位机进行运行参数设定和设备操作，如湿度、回差设定，机组的手动自动切换，手动开关除湿，手动启停融霜，手动开关电加热器等
水库水位如果低于1.0米，启动生活水泵；如果20秒后，生活水泵还没有真正启动起来，则启动备用泵。

水库水位如果高于2.5米，则停止生活水泵和备用泵。

日用油箱油位在小于0.5米时开泵，大于1.1关泵。

6、总结
该工程在投入运行后，一直可靠稳定。

工程维护人员只需要一名即可对工程内所有设备运行进行监控，工程应用效果很好。

893LM自动化系统已成功应用于多个人防地下工程，工程实例证明了系统的可靠性，特别适合于人防等地下工程。

893LM系统技术先进，工程的维护管理高效；当需要扩展系统时可轻松实现升级，无需考虑硬件软件的兼容问题。

参考文献：
1、钱七虎，《民防法》，国防工业出版社，1996、2
2、解放军理工大学工程兵学院微机测控技术研究所，《893现场总线智能测控系统网
络手册》，V1.0
3、解放军理工大学工程兵学院微机测控技术研究所，《893LM数字量前端用户手册》，
V1.0
4、解放军理工大学工程兵学院微机测控技术研究所，《893LM模拟量前端用户手册》，
V1.0
5、解放军理工大学工程兵学院微机测控技术研究所，《893LM DDC控制器用户手册》，
V1.0。