前言

　　武汉长江二桥位于武汉长江大桥下游6.8公里处，1995年6月18日建成通车。全桥总长4678米，正桥1877米，主跨400米，桥面宽度26。5米至33。5米，日通车能力为5万辆机动车。桥下通航净空为24米，系双塔双索面预应力钢筋混凝土斜拉桥。其主跨度和桥面宽度在亚洲及国内已建成的同类型桥梁中位居第一;作为斜拉桥的主跨跨度，在世界已建成的同类型桥梁中也名列前茅，是一座具有20世纪90年代水平和风格的桥梁。武汉长江二桥的建成，使武汉三镇交通内环全线贯通，有力地促进了武汉经济建设的发展。

　　一、设计背景及现状

　　武汉长江二桥已建成监控信息管理系统，在汉口二七路下桥匝道桥管所内设有监控室，包括电视监控、安全报警、桥梁健康监测、内部程控等子系统。该系统连同已经建设完成的管理中心与各桥梁之间的光纤/微波专用计算机网络，在桥梁的现代化管理中正发挥着不可替代的作用。

　　本次长江二桥亮化照明和相关的供配电系统扩容改造，增加相应的亮化及电力供配电监控管理系统内容。在综合考虑各方面技术优势的原则下，智能照明控制系统和供配电监控系统均采用由广州市河东电子有限公司自行研制生产的HDL-BUS智能环境艺术照明控制系统。

　　本次二桥的机电与亮化改造工程将从以下各方面凸显其深远的意义：

　　借助目前二桥网络电子信息系统为本项目提供的良好基础，在投入不多的情况下，实现包括电力、灯光在内的更加全面的桥梁信息化管理。实现0#墩、16#墩供配电机房的无人值守，将人力资源运用到更加需要的地方。系统对景观灯光的控制，特别是对护栏LED灯的控制，可以制造出更加丰富多彩的效果，并为未来的亮化扩容和效果升级留有足够的发展空间。照明回路与电力回路的监控具有共通性，设计要求监控室后台监控软件及服务器集成统一。

　　二、设计原则和要求

　　1、 设计原则

　　对于二桥综合自动化控制系统，我们确立了安全可靠、技术先进、经济合理、自动化程度高、维护管理方便的设计目标，为确保大桥的安全运行提供先进的技术手段。

　　先进性：系统设计采用先进的技术并经过工程证实成熟可靠的技术，且在今后若干年中技术继续处于领先地位，并随着科学技术的发展能不断升级，力争综合自动化系统与现代化的桥梁相适应;

　　可靠性：确保系统在其生命周期内可靠运行;

　　标准化与模块化：全部设计符合有关的国际标准、国家标准或部颁标准，软硬件设计全部采用模块化，方便系统扩展、运行维护和升级;

　　可扩展性：随着现代化管理需求的增长，确保系统有足够的扩展能力;

　　实用性：确保大桥综合自动化系统投入后能解决现代化特大桥管理中存在的主要问题，提高自动化水平，提高经济效益和社会效益;

　　经济合理性：系统具有高的性能价格比和最低的生命周期成本;

　　易用性和可维护性：系统使用方便，人机界面友好，维护简便;

　　灵活性和开放性：系统具有足够的灵活性，以满足各种各样的特殊需求，开放性保证可与各种其他厂商生产的智能设备进行接口;

　　安全性：确保系统安全可靠运行，防止人为误操作和外来干扰影响本系统安全。

　　2、 设计要求

　　除了常规性方案设计原则外，本方案设计根据二桥对智能控制系统的具体要求，特别注意以下各方面细节：

　　严格按照技术要求确定技术方案，选择完全满足要求的硬件体系和控制软件，并按要求对软件功能进行二次开发。

　　根据现有网络信息系统的建设情况，确保尽可能运用现有网络系统的资源，并使新的控制系统融入二桥监控信息管理系统中。

　　保证亮化照明空系统和电力监测系统的有效集成，集中体现在前端智能控制模块的类似性和后台控制软件的统一性。

　　3、设计规范

　　(1) GB/50314-2000 《智能建筑设计标准》

　　(2) GBJ54-96 《低压配电装置及线路设计规范》

　　(3) GB50053-94 《10KV以下变电所设计规范》

　　(4) GB/T13729-92 《地区电网数据与监控系统通用技术条件》

　　(5) DLQ/SD-001-1999 《无人值班变电所运行管理导则》

　　(6) GBJ54-96 《低压配电装置及线路设计规范》

　　(7) MH5001-2000 《民用机场飞行区技术标准》

　　(8) MH/T6012-1999 《航空障碍灯》

　　(9) GB5863-86 《内河助航标志》

　　(10) GB/T17626-1998 《电磁兼容》

　　(11) GB15153.1-1998 《远动设备及系统电源和电磁兼容性》

　　(12) GB50057-94 《建筑物防雷设计规范》

　　(13) YD/T 5098-2001 《通信局(站)雷电过电压保护工程设计规范》

　　(14) GB/T13729-92 《远动终端通用技术条件》

　　(15) DL/T630 1997 《交流采样远动终端技术条件》

　　(16) GBJ232-96 《电气装置安装工程施工及验收规范》

　　(17) GB/50093-2002 《自动化仪表工程施工及验收规范》

　　(18) DL/T621 1997 《交流电气装置的接地》

　　(19) GB2887-2000 《电子计算机场地通用规范》

　　三、系统总体结构

　　武汉长江二桥综合自动化系统由二桥监控中心、光纤主干环网和智能照明监控系统及供配电监控系统等其他子系统组成，系统结构如图1 所示。

　　武汉长江二桥综合自动化系统监控中心内部采用100Mbps高速以太网;主干环网采用100Mbps 高速冗余光纤环网;综合自动化系统根据监控现场设备的类型和位置，在二桥监控中心、0号桥墩变电所、11号桥墩、12号桥墩、16号桥墩变电所、武昌杨园变电所设6台工业以太网光纤交换机。系统分5个子站和22个子网。子网采用78Kbps LonWorks双绞线子网，现场智能监控设备通过路由器和光纤交换机连接到光纤主干网上。

　　系统在0号桥墩变电所装有室外环境照度计，以便系统根据环境照度自动开关大桥照明。特别是在夏天雷暴雨时，天气突然昏暗时，在平常还处在定时关灯的情况下，根据照度开启大桥道路照明，在控制方式中照度控制优先定时控制。

　　武汉长江二桥综合自动化系统为以后武汉大桥集中监控和系统集成预留接口。各大桥监控中心与各系统集成后的武汉桥梁监控管理中心采用以太网无线网桥相连。

　　四、智能照明控制及监控系统技术方案设计

　　1、设计总要求：

　　在二桥监控室新增亮化与电力监控服务器一台，并在监控室、0#墩、11#墩、12#墩、16#墩各设置一台工业级光纤交换机，组建光缆环网，环网和工业交换机可保证网络传输的稳定可靠。

　　灯光监控分开关回路监控和LED灯的DMX效果控制。开关回路监控由485工业控制总线挂接，挂接在总线上的控制开关/检测器(智能开关模块)经由总线交换机(或称协议网关)与后台服务器网络连接，接受服务器的开关控制指令，并向服务器回传各灯光回路上的检测信息。DMX效果控制则由服务器控制网络上的DMX控制器，再由DMX512信号通过每个LED灯上的DMX口实现对灯具效果的控制。

　　事件定时器在服务器关机的时候依然可以控制灯具开关回路的工作状态，紧急情况下还可以用监控室内的手动控制面板，直接对前端的智能开关模块进行控制。并实现对桥上的灯具进行定时开关控制。

　　由于监控服务器是通过计算机网络实现对灯具的监控，在授权的情况下，二桥网络内的其他计算机也可实施分监控，或者通过路桥系统已经建成的专用网络，在路桥中心的信息机房对其进行二级监控。

　　2、系统对灯具开关回路的监控要求

　　本次亮化范围在二桥主桥桥体。以0#、11#、12#、16#墩为区域核心(控制站)，在主桥部分上下游敷设来回方向的8 芯光缆，用五台工业级交换机与监控室组成光纤环网，环网和监控室的连接走目前监控室-0#墩的144芯光缆。光纤环网具有网络自愈功能，在传输过程中的故障将在300ms内被查出，并将数据切换到冗余通道，可靠性极高。各控制站的光纤网络交换机通过总线交换机(协议网关)连接各工业485子网络，每台总线交换机可带4路485子网络，485子网中工业总线连接并控制周边所有的灯具回路监控开关，同时将各灯具的检测电压、电流等电参数回传监控室服务器，判断灯具工作是否正常并及时告警。0#、16#墩子站各分出两个485子网挂接配电房的电力回路监控设备，位于武昌的16#墩还需要用光缆延伸一路485子网到设在杨园的路变机房。为保证停电状态下网络系统正常工作，四个桥墩处还特设UPS电源。

　　按照受控灯具的功能、区域、功耗的不同，在亮化照明监控中不同的灯具采用不同的智能监控模块进行控制，每回路按照招标要求的灯具数连接灯具，每模块上的开关回路数和额定电流大小按要求选定。

　　投光灯：采用三路16A智能开关模块进行开关和监视，把每个投光灯作为一个照明回路进行监控。一共为112个照明回路。

　　上游桥沿荧光灯：非拉索区与LED护栏灯共用智能开关模块(四路6A)，10#13#拉索区用两路6A智能开关模块，每个回路接23或24根荧光灯管，一共为62个照明回路。

　　下游桥沿钠灯：采用10个HDL-MR0210两路10A智能开关模块进行开关和监视，每个回路接8盏钠灯。一共为20个照明回路。

　　上游护栏LED灯：与上游桥沿荧光灯共用10个HDL-MR0406四路6A智能开关模块进行开关和监测，每个回路接不多于15根LED灯。一共为38个照明回路。

　　航空障碍灯：全桥4个主桥塔，每个塔顶的3盏航空障碍灯为一个监控回路，用4个HDL-MR0210两路10A的模块。

　　桥涵灯、桥柱灯：桥涵桥柱灯对通航和桥梁安全至关重要，水务部门十分关注，故实行单灯监控。11#、12#墩上下游各有4盏桥柱灯，13#、14#墩下游各2盏桥柱灯，用6 HDL-MR0410个四路2A的模块进行单灯监控;上游1盏、下游2盏桥涵灯用3个HDL-MR0210两路2A的模块单灯监控。

　　LED护栏灯的DMX控制

　　全部510根LED灯都带有DMX控制口，接入DMX控制系统中。控制器采用HDL-MD240-DMX DMX表演控制器进行控制。

　　LED灯只在上游非拉索区，0#墩、16#墩控制站各安排一台DMX表演控制器，连入光纤环网，受监控室灯光与电力监控服务器操纵，控制汉口、武昌侧的LED景观灯。由于DMX控制信号传输距离200米左右，所以汉口一侧需加5台DMX信号分配器，武昌侧需加3台。

　　图形监控软件

　　为了直观的监测各回路灯光的状态，监控软件采用HDL-MSC01图形监控软件。以所控制灯具的图形和地理位置为链接，对照明回路的状态进行监测与控制，具有运行数据统计、状态报警、定时控制、场景控制、调光控制、超级链接等功能。

　　3、智能照明控制及监控系统设计特点

　　本系统的技术方案设计具有以下几个特点：

　　可通过中央监控服务器对照明灯具实施远程控制，灯具按要求方式进行软启动、软关断，延长寿命。

　　通过预设开关的时间及组合，随意组合开关灯方案模式，改变现场效果，或节约电能。

　　因为每个智能控制模块中都具有监测功能，因此可以通过总服务器监视灯具工作状态是否正常，及时发现故障。

　　采用DMX表演控制器可以实现对具有DMX信号的LED灯具进行色彩、速度等多种变换模式。

　　通过总服务器上的仿真照明灯具的布置情况，显示各灯组的开灯模式和开/关状态;灯具启动时间累计记录，自动灯具使用寿命统计。

　　系统控制线采用485工业总线结构，可随时对控制管理的灯具方便地扩容。

　　控制网络采用环网结构，甚至在单根光缆物理损坏的情况下依然正常工作。

　　系统设有手动面板控制开关，以便必要时对各灯组的开、关进行手动操作。

　　系统具备网络功能，授权情况下可实施网络远端控制，以提高综合管理水平。

　　该系统前端的智能监控模块与电力监控模块类似，后台软件可同时应用于供配电系统的自动监控。

　　五、供配电监控系统方案设计

　　1、设计总要求

　　供配电监控系统与灯光监控系统共用光纤环网和485工业控制总线，共用后台服务器和控制软件，只在前端监测控制模块略有不同。

　　供配电监控系统中最核心的部分是电力监测模块，本次设计采用由广州市河东电子有限公司自行研发生产的HDL-MPM04电力监测模块。电力监测控制模块采用单回路监控模块方式，通过电力回路中的电流互感器测量回路电流，并通过控制电力柜中回路接触器的方式控制回路的开断。

　　两台新增主变压器及六台原有路灯变压器，均安装烟感、温/湿度传感器，遥测变压器温湿度及烟雾状况，传感器采集量通过传感器输入模块挂入485子网。需要时启动风机，并通过智能开关模块监视风机启停状态。倒换柜的输入/输出回路、低压配电柜的输出回路均接有电力监控模块，电容补偿柜接有电力测量模块，测量读取电力回路的电压、电流值，并计算出其他如功率、功率因素等电力参数，回传监控室主服务器。当电力参数超过设定容限时报警，并可在后台遥控切断相应的电力回路。联结电力模块的485总线由0#墩、16#墩控制站的总线交换机提供。

　　电力监控系统监控全部74个配电输出回路和两个倒换柜的输入输出回路，监测两个电容补偿柜的输出回路，同时监控4个控制站内配置的4台UPS电源输入输出回路。

　　为增强对现场的监视，确保无人值守时的安全，在0#墩、16#墩、杨园机房分别安装一台监视摄像。电力监控系统后台控制软件与亮化照明控制系统共用。

　　2、供配电监控系统实现的基本功能

　　供配电监控系统设计的基本内容和功能有：

　　遥测变压器温度、湿度、烟雾，控制变压器风机启停和监视风机工作状态。

　　电力监控模块对供配电机房的全部0.4KV出线回路和开关状态、手动/自动状态进行远程监视和显示，对各低压出线回路中包括三相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等电力参数进行遥测和显示，对电流和电压超限、缺相和断路器热脱扣等自动报警。

　　电力监控模块与电容柜内智能功率因素补偿控制器连接，监测功率因素补偿回路电压、电流、功率、功率因素等电力参数。

　　电力监控模块对倒换柜的进线、出线回路进行监视。

　　对0#、11#、12#、16#墩的UPS电源进出线状态进行监控。

　　多媒体、多级越限报警：根据不同的时间制定安全用电监控计划,对各种用电量实现多媒体、多级越限报警,把潜在事故消灭在萌芽状态之中。

　　具备完善的安全用电档案：实时记录所有安全用电数据，为设备安全用电系统的智能化、网络化、信息化管理管理提供可靠的档案基础。

　　遥视无人值守电力机房的状况。

　　六、结束语

　　通过本次对武汉长江二桥的机电及亮化改造以后，将大大提高武汉长江二桥自动化程度和管理水平、降低能耗、降低运行维护成本、减少运行维护人员;在长江二桥设置大桥综合自动化系统，通过采用先进的控制网络技术、光纤传输技术及自动控制技术，达到对这些设备实施全自动分布式监控和集中管理。