葉劍謀

（三明高速公路管理分公司，福建 三明 365000）

基于工業(yè)以太網(wǎng)下的隧道監(jiān)控PLC組網(wǎng)設(shè)計(jì)分析

葉劍謀

（三明高速公路管理分公司，福建 三明 365000）

為了更加有效地保證隧道的使用安全，根據(jù)隧道類型劃分為短隧道、長(zhǎng)隧道、特長(zhǎng)隧道，制訂了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在長(zhǎng)隧道及以上內(nèi)部必須設(shè)置相應(yīng)數(shù)量的交通檢測(cè)、交通誘導(dǎo)設(shè)施、隧道通風(fēng)照明等設(shè)備，通過對(duì)這些設(shè)備的合理操作、調(diào)度以及進(jìn)行嚴(yán)格的控制，是保證隧道運(yùn)行安全的必要前提。從工業(yè)以太網(wǎng)相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線在隧道監(jiān)控PLC組網(wǎng)中的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)現(xiàn)有基于工業(yè)以太網(wǎng)的隧道監(jiān)控PLC不同組網(wǎng)方式的優(yōu)、缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。

工業(yè)以太網(wǎng)；隧道監(jiān)控；PLC；組網(wǎng)設(shè)計(jì)

1 現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)

我國(guó)傳統(tǒng)采用的隧道控制系統(tǒng)主要由隧道管理站監(jiān)控計(jì)算機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)總線以及PLC三部分構(gòu)成，利用這種基于現(xiàn)場(chǎng)總線的集散控制結(jié)構(gòu)可以完成隧道機(jī)電設(shè)備、隧道環(huán)境以及隧道交通狀況的監(jiān)控，同時(shí)，也具有完成隧道信息管理的功能。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及隧道工程長(zhǎng)度的增加，現(xiàn)場(chǎng)總線控制結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法滿足當(dāng)前隧道控制的發(fā)展需求。

現(xiàn)場(chǎng)總線是以數(shù)字通信為基礎(chǔ)的，但是數(shù)字通信需要相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，世界上現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)較多，造成現(xiàn)場(chǎng)總線缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，大大降低了其互聯(lián)性與互操作性。現(xiàn)場(chǎng)總線的傳輸速率較低，這樣根本無法有效滿足特殊情況對(duì)實(shí)效性的要求。

我國(guó)傳統(tǒng)的以太網(wǎng)主要采用的通訊方式是多路存取載波碰撞檢測(cè)的方式，這樣一旦遇到網(wǎng)絡(luò)使用頻率較高時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)部分節(jié)點(diǎn)信息傳輸不及時(shí)的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐删W(wǎng)絡(luò)大量節(jié)點(diǎn)不斷進(jìn)行重發(fā)，進(jìn)而引發(fā)網(wǎng)絡(luò)堵塞的問題。同時(shí)，雖然以太網(wǎng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于實(shí)際操作中，但工業(yè)狀況較為復(fù)雜，影響因素較多，這樣會(huì)對(duì)以太網(wǎng)技術(shù)造成一定的干擾，大大降低了以太網(wǎng)技術(shù)的可靠性和穩(wěn)定性。我國(guó)科研人員根據(jù)現(xiàn)階段以太網(wǎng)技術(shù)存在的缺陷與不足進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)合工業(yè)領(lǐng)域?qū)I(yè)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際要求，通過多種合理、有效的方式對(duì)以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，以提高其性能，使其更好地滿足工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的要求。

1.1 交換技術(shù)

采用交換式以太網(wǎng)，原有的總線型技術(shù)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)階段發(fā)展的需求，技術(shù)人員可以采用交換技術(shù)，這樣有效減少了因多個(gè)站點(diǎn)共享而造成的競(jìng)爭(zhēng)信道發(fā)生碰撞的現(xiàn)象，避免了造成信道帶寬的浪費(fèi)。采用交換技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信，這樣大大提高了信道的利用效率，降低了發(fā)生沖突的可能性，進(jìn)而保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

1.2 高速以太網(wǎng)

一旦網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載超過網(wǎng)絡(luò)所能承受的范圍時(shí)，易發(fā)生沖突，負(fù)載越大，沖突發(fā)生概率就越大。根據(jù)大量實(shí)踐數(shù)據(jù)顯示，只有當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷低于36%時(shí)，才能保證運(yùn)行的穩(wěn)定性，且不出現(xiàn)沖突。一旦出現(xiàn)10%以下的負(fù)荷時(shí)，10 M以太網(wǎng)發(fā)生沖突的概率是每5年1次，100 M以太網(wǎng)則為每15年1次。需要注意的是，一旦負(fù)荷超過36%后，沖突發(fā)生的概率是負(fù)荷增加的幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。因此，技術(shù)人員可以通過合理降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，從而實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信速度的提高。

1.3 IEEE1588對(duì)時(shí)機(jī)制

IEEE1588是對(duì)一個(gè)在測(cè)量和控制網(wǎng)絡(luò)中，與網(wǎng)絡(luò)交流、本地計(jì)算以及分配對(duì)象有關(guān)的精確的同步時(shí)鐘協(xié)議的定義。該協(xié)議特別適用于基于以太網(wǎng)技術(shù)，其精度可達(dá)到微秒的范圍，其利用時(shí)間印章實(shí)現(xiàn)本地時(shí)間的同步機(jī)制，即使網(wǎng)絡(luò)通訊時(shí)控制信號(hào)出現(xiàn)一定的波動(dòng)也不會(huì)對(duì)它的精度造成影響，滿足了要求。這一優(yōu)勢(shì)使得它更加符合基于以太網(wǎng)系統(tǒng)的需求。通過使用該系統(tǒng)，針對(duì)以太網(wǎng)的協(xié)議不需要進(jìn)行大幅的改動(dòng)就可以在高精度的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)之中使用。

1.4 以太網(wǎng)協(xié)議中加入實(shí)時(shí)功能

現(xiàn)階段，我國(guó)很多生產(chǎn)商都會(huì)在工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議中增加實(shí)時(shí)功能技術(shù)，在設(shè)備中加入具有特殊協(xié)議的芯片。通過RETHER軟件協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)現(xiàn)有硬件設(shè)備不變動(dòng)的情況下，提高實(shí)效性。它主要是利用一種混合操作的模式，可以有效減小網(wǎng)絡(luò)中非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸性能的影響；非競(jìng)爭(zhēng)容許控制機(jī)制和有效的令牌傳遞方案可以有效防止由于節(jié)點(diǎn)故障造成的令牌丟失問題。

技術(shù)人員通過對(duì)以太網(wǎng)的改進(jìn)，可以使其滿足現(xiàn)階段工業(yè)的控制要求，同時(shí)，工業(yè)以太網(wǎng)本身具有的優(yōu)勢(shì)使其成為各個(gè)控制領(lǐng)域關(guān)注與應(yīng)用的先進(jìn)技術(shù)，其中，高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)PLC組網(wǎng)設(shè)計(jì)也在使用該技術(shù)。

2 現(xiàn)有隧道監(jiān)控PLC以太網(wǎng)組網(wǎng)方式

現(xiàn)階段，我國(guó)基于工業(yè)以太網(wǎng)下的高速公路隧道監(jiān)控PLC組網(wǎng)方式主要分為單洞成環(huán)和雙洞成環(huán)兩種形式。

2.1 隧道監(jiān)控PLC單洞成環(huán)

隧道監(jiān)控PLC單洞成環(huán)主要是指隧道兩個(gè)洞內(nèi)的PLC分別通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，利用奇數(shù)偶數(shù)編號(hào)跳接在各洞的單獨(dú)光纖環(huán)上。單洞成環(huán)的組網(wǎng)方式優(yōu)勢(shì)是每個(gè)光纖環(huán)上掛接設(shè)備的數(shù)量較少，降低了通信數(shù)據(jù)流量，這樣可以有效提高隧道監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸速率。如果光纖環(huán)網(wǎng)上一個(gè)部位出現(xiàn)了中斷故障，由于線路冗余，中斷故障位置的前后監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)也可以分別沿著環(huán)網(wǎng)的兩個(gè)方向向隧道管理站進(jìn)行傳輸。但實(shí)際中，我國(guó)很多隧道內(nèi)部只有一根通信光纜，是由光纜中的兩個(gè)芯光纖連接在一起形成環(huán)網(wǎng)的光纖。由于后期的人為造成對(duì)光纖的損壞，多芯光纖同時(shí)斷掉，這樣就會(huì)造成在環(huán)網(wǎng)的同一點(diǎn)出現(xiàn)兩處中斷，致使信息無法傳輸，降低了控制的可靠性，進(jìn)而對(duì)整個(gè)隧道的安全運(yùn)行和管理造成威脅。

2.2 隧道監(jiān)控PLC雙洞成環(huán)

隧道監(jiān)控PLC雙洞成環(huán)主要是指隧道兩個(gè)洞內(nèi)的PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)掛接在同一個(gè)光纖環(huán)上。雙洞成環(huán)的組網(wǎng)方式最大的優(yōu)勢(shì)是完善單洞成環(huán)的缺點(diǎn)。隧道的兩個(gè)洞內(nèi)的通訊光纜中分別由芯光纖形成隧道環(huán)網(wǎng)，采用這種方式即使其中一根光纖出現(xiàn)中斷故障，中斷點(diǎn)前后的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)也可以分別沿著環(huán)網(wǎng)的兩個(gè)方向向隧道管理站傳輸信息。但采用該方式存在一定的不足，PLC數(shù)量較多，一旦傳輸線路出現(xiàn)故障，切換到備用線路的時(shí)間較長(zhǎng)，這樣會(huì)直接影響到監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，甚至對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行安全造成一定的影響。因此，如果是在PLC數(shù)量過多的情況下，就不適合采用此種方式組網(wǎng)。

3 PLC組網(wǎng)冗余

監(jiān)控PLC單洞成環(huán)、雙洞成環(huán)等方式都可以通過合理的方式進(jìn)行冗余，主要有光纖冗余、電源冗余等。通過組網(wǎng)冗余可以更好地提高環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性。技術(shù)人員在設(shè)計(jì)時(shí)，一定要根據(jù)隧道現(xiàn)場(chǎng)控制的實(shí)際情況和具體要求選擇合理的冗余方式。

4 結(jié)束語

綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)會(huì)不斷創(chuàng)新和完善，使其技術(shù)更加成熟。技術(shù)人員在采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)時(shí)一定要根據(jù)隧道現(xiàn)場(chǎng)控制的實(shí)際情況和需求進(jìn)行合理使用，以確保整個(gè)隧道管理和運(yùn)行的安全性、可靠性，充分發(fā)揮工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的作用。

［1］陳亞娟，張煒.隧道監(jiān)控系統(tǒng)中PLC網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用［J］.中國(guó)交通信息化，2013（09）.

〔編輯：張思楠〕

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10.15913/j.cnki.kjycx.2017.23.136

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