地下综合管廊区域控制器及其工作方法与流程

本发明涉及工业自动化控制技术领域，特别是涉及地下综合管廊区域控制器及其工作方法。

背景技术：

城市综合管廊集电力、通讯、热力、给水等各类工程管线集于一体，为城市的正常运转提供安全稳定的载体，是保障城市稳定运行的“命脉”。地下综合管廊内架设有各种信号线、燃气管、热力管、给水管、通信管、电力管等，是一个集多种传输对象于一体的地下空间，为保障管廊的安全稳定运行，需要对管廊内部的环境进行实时监控，同时能够对异常环境信息做出自动响应处理。

由于地下综合管廊的环境监控是针对温度、湿度、氧气浓度、ch4浓度、h2s浓度、o2浓度、集水池深度等方面，联动控制设备有排风机、水泵、照明、门禁、井盖等。目前针对以上数据的采集和设备的联动是使用plc(programmablelogiccontroller)，plc的rs485总线用于采集各种传感器的实时数据信息，其数字i/o模块用于联动控制设备。plc具有以下不足：1.由于其内部的联动控制逻辑需要专业的plc开发人员编程植入，plc设备使用的技术门槛较高，且控制逻辑不支持远程修改；2.plc与上位机的通信通过tcp/ip协议的有线网，通信距离不能超过100米，对网络的依赖较大；3.设备的造价普遍较高,且体积较大，对管廊空间占用多。

目前市面也存在一类能实现对管廊内传感器数据采集以及设备控制的设备，是基于rs485与tcp通信进行数据采集，并将采集到的原始基于modbus协议的数据包直接发送到上位机，并不对数据进行任何处理；水泵、风机等设备的状态监测、启停控制是通过di、do开关量信号进行远程检测与控制；采用这种方式存在一下不足：1.数据采集与远程设备控制是分开的；2.无法对采集到的数据进行解析，而是直接将数据发送到上位机处理，极大增加了上位机的处理压力；3.无法实现自动化控制，只能由上位机根据采集到的数据进行判断是否启停水泵、风机等设备；4.存在上位机的单点故障风险，如果上位机出现故障，与之相连的采集器与控制器都将无法正常工作。5.数据采集与设备控制并不在同一个控制器上，且无逻辑处理能力，不能实现自动化控制。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明提供了地下综合管廊区域控制器及其工作方法，能够实现对管廊内的环境进行监控。

本发明提出的第一种技术方案：

地下综合管廊区域控制器，包括：中央处理器cpu，所述中央处理器cpu分别与数字输入模块、数字输出模块、存储模块、rs485总线、网络通信模块和web服务器连接。

进一步的，所述web服务器，用于提供web管理服务功能，向用户提供管理界面以及各种配置接口，接收远程配置信息。

进一步的，所述存储模块，用于存储web管理应用程序、中央处理器cpu配置信息、中央处理器cpu运行过程的中间数据。

进一步的，所述网络通信模块，包括：rj45通信模块、4g无线通信模块和/或rs458通信模块。

进一步的，所述rj45通信模块运行tcp/ip协议，所述rj45通信模块通过有线网络与上位机通信。

进一步的，所述4g无线通信模块是使用无线网络与上位机进行通信。

进一步的，所述rs485通信模块实现地下综合管廊区域控制器与其他地下综合管廊区域控制器之间连接。所述rs485总线采用modbus通信协议。

进一步的，所述rs485总线与传感器连接，所述传感器包括：温度传感器、湿度传感器、ch4传感器、o2传感器或h2s传感器。

进一步的，所述地下综合管廊区域控制器，布设在地下综合管廊区域内。

进一步的，所述中央处理器cpu，安装在电路板上，所述电路板安装在壳体内，所述壳体为防潮壳体，所述壳体上设有散热孔。

进一步的，所述中央处理器cpu采用单片机。

本发明提出的第二种技术方案：

地下综合管廊区域控制器的工作方法，包括：

步骤(1)：环境数据采集步骤：利用地下综合管廊区域控制器实现地下综合管廊内部环境数据的采集；

步骤(2)：联动控制步骤：地下综合管廊区域控制器对采集的环境数据进行处理，实现对风机或水泵的开关控制；

步骤(3)：故障检测步骤：利用地下综合管廊区域控制器对实现对每个传感器的故障检测。

进一步的，所述环境数据采集步骤，包括：

步骤(1-1)：地下综合管廊区域控制器按照设定周期主动轮询rs485总线上的传感器，获取传感器检测的实时环境数据，且使用modbus标准协议，将从rs485总线上获取的环境数据缓存到存储模块；

步骤(1-2)：重复步骤(1-1)直到所有传感器的数据均获取完毕，一次轮询完成；

步骤(1-3)：地下综合管廊区域控制器将一次轮询获取的基于modbus协议的数据剥离出数据段，然后将剥离出来的所有数据段在封装成modbus协议格式的数据包，发送到上位机。

进一步的，所述步骤(1-1)的设定周期为200ms；所述设定周期通过web服务器来设定。

所述步骤(1-3)的有益效果是，可以保证数据的实时上传。

进一步的，所述联动控制步骤，包括：

步骤(2-1)：地下综合管廊区域控制器根据采集的环境数据，结合web服务器设置的联动控制逻辑，发出控制风机或水泵启停的信号；

步骤(2-2)：控制风机或水泵启停的信号通过数字输出模块发出，通过数字输入模块采集风机或水泵的运行状态，并将运行状态及时反馈给中央控制器cpu；

步骤(2-3)：中央控制器cpu根据反馈信息判断设备是否正常启动或关闭，并将响应信息通过网络通信模块发送到上位机。

上述步骤的有益效果是：将联动控制步骤放在地下综合管廊区域控制器进行，减轻上位机的工作压力。

所述步骤(2-1)的步骤，包括：

步骤(2-1-1)：地下综合管廊区域控制器判断采集到的环境数据是否超过设定阈值范围，若超过则进入步骤(2-1-2)；否则，进入步骤(2-1-3)；

步骤(2-1-2)：判断传感器是否误报，若是，就结束；若否，就进入步骤(2-1-4)；

步骤(2-1-3)：检查风机或水泵是否启动；若是，就进入步骤(2-1-6)；若否，就结束；

步骤(2-1-4)：检查风机或水泵是否已经启动；若是，就结束；若否，就进入步骤(2-1-5)；

步骤(2-1-5)：检查是否超过设定超标次数，若是，就发出控制风机或水泵启动的信号，若否，就结束；

步骤(2-1-6)：检查是否连续正常超过设定次数，若是，就发出控制风机或水泵停止工作的信号，若否，就结束。

上述步骤的有益效果是：减少误报，提高风机或水泵的工作寿命。

进一步的，所述故障检测方法，包括：

步骤(3-1)：当地下综合管廊区域控制器连续超过n次未从rs485总线接收到某个传感器的应答数据时，认为当前传感器发生故障；

步骤(3-2)：中央控制器cpu通过网络通信模块将传感器发生故障信息发送到上位机；

步骤(3-3)：当传感器在故障状态时，中央控制器cpu收到连续n次以上的正常应答，认为传感器从故障状态恢复到正常状态；

步骤(3-4)：中央控制器cpu通过数据通信模块将故障恢复的信息发送到上位机。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明使用嵌入式控制器及必要的外围器件，实现数据采集及设备实时监控的功能，大大降低成本；

2、本发明提供web管理界面，可以远程修改内部的控制逻辑，使用方便、快捷、直观；

3、本发明内部控制逻辑无需编码实现，直接通过web管理界面进行设置，大大降低了使用难度，且减少空间占用，更适合在管廊内部设；

4、本发明提供多种通信方式，包括tcp/ip有线网(rj45接口)，适合管廊环境中铺设了有线网且距离控制器不超过100米的情况；4g无线网，适合管廊内架设了运营商4g无线基站的情况，可以实现长距离无线传输；

5、rs485级联，适合铺设有rs485总线通信的环境，可以实现至少1000米的通信距离；由于rs485的通信距离可以超过1000米，采用这种通信方式可以解决有线网通信距离不能超过100米的问题，同时节约了网络交换机的使用数量，节约了成本。

6、本发明改进了数据上传的格式，将从rs485总线上采集到的基于modbus协议的数据包进行解包，将其中的数据段取出，然后将所有传感器的数据段压缩封装成新的数据段，发送给上位机，采用这种方式可以大大减少与上位机的通信次数，同时压缩了数据包的长度，不但提高了通信效率，同时减轻了上位机的负载压力。

7、本发明针对地下综合管廊的实际环境，简化了施工部署过程，适应多种复杂环境，降低了施工难度。

8、能够实现对管廊内的环境进行监控，并实时联动控制设备，同时将传感器设备采集到的数据信息以及设备运行的状态信息发送到上位机，且数据在发送到上位机前，已将各个传感器的数据信息进行整合压缩，数据包的长度进一步减小，提高了通信效率；与上位机的通信可以通过tcp/ip有线网、4g无线通信模块、rs485级联等多种方式；采集与控制联动逻辑规则无需编码，通过web管理提供的控制逻辑配置进行简单的配置即可完成，复杂的逻辑控制规则，可以通过web界面提供的脚本植入方式实现，大大降低了使用难度。采用本发明，不仅解决了plc使用难度高、通信距离短、造价高、体积大的问题，同时实现了管廊内环境的自动化控制，并减轻了上位机的压力，解决了上位机单点故障的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明地下综合管廊区域控制器的结构图；

图2是本发明的rs485级联通信方式图；

图3是本发明通过rs485总线采集管廊内传感器实时数据的结构图；

图4是本发明设备联动控制逻辑流程图；

图5是本发明通过数字i/o模块联动控制风机、水泵的结构图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

如图1，地下综合管廊区域控制器，包括：中央处理器cpu以及与其连接的16路数字输入模块、8路数字输出模块、存储模块、1路rs485总线、网络通信模块、web服务器等。rs485总线与管廊内的温度传感器、湿度传感器、ch4传感器、o2传感器、h2s传感器等连接，采用标准的modbus通信协议，采用相同的波特率通过rs485总线与地下综合管廊区域控制器连接。

web服务器是对外提供web管理服务功能，向用户提供管理界面以及各种配置接口等，使用户可以通过web管理远程操作修改控制器的配置信息，无需到达现场，节约了人力成本，同时web管理配置方式操作简单便捷，降低了使用者的技术门槛。

存储模块用于存储控制器的web管理应用程序、控制器配置信息、cpu运行过程的中间数据等。

网络通信模块包含了三个子模块，分别是rj45通信模块、4g无线通信模块、rs458通信模块，rj45通信模块是运行tcp/ip协议的有线网，在管廊内如果已经铺设了网络线路，可以采用有线网与上位机通信；4g无线通信模块是使用电信供应商提供的信道与上位机进行通信，具有通信距离远、无需布线等优点；

如图2，rs485通信模块是控制器作为数据节点与上级节点通过rs485总线进行通信的功能模块,由于rs485的通信距离可以超过1000米，采用这种通信方式可以解决有线网通信距离不能超过100米的问题，同时节约了网络交换机的使用数量，节约了成本。

如图3，温度传感器、湿度传感器、o2传感器、h2s传感器、ch4传感器、液位传感器、红外传感器等通过rs485总线连接到地下综合管廊区域控制器，控制器周期性轮询rs485总线上的传感器，获取传感器检测的实时环境数据，数据传输使用modbus标准协议，控制器将从rs485总线上获取的环境数据缓存到存储器模块，当全部数据获取完毕，一次轮询完成，轮询周期通过web管理进行配置，最小轮询周期可以设置到200ms，保证了数据的实时性，控制器将一次轮询获取的基于modbus协议的数据剥离出其中的数据段，然后将所有数据在封装成modbus协议格式的数据包，发送到上位机应用。

如图4，控制器根据rs485总线采集的环境数据信息，结合web服务器设置的联动控制逻辑，判断是启动或停止风机、水泵的运行，风机、水泵的启动或停止通过数字输出模块发出控制信号。

如图5，风机、水泵将运行状态通过数字输入模块反馈给中央处理器cpu，中央处理器cpu根据反馈信息判断设备是否正常启动或关闭，并将响应信息通过数据通信单元发送到上位机应用。当控制器连续超过n(通过web界面)次未从rs485总线接收到某个传感器应答的采集数据时，中央处理器cpu即认为该传感器发生了故障，cpu通过数据通信单元将相关设备的故障信息发送到到上位机；当设备在故障状态时，连续收到了n次以上的正常应答，即认为设备从故障状态恢复到正常，中央处理器cpu通过数据通信模块将相关设备的故障恢复的信息发送到上位机。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。