基于工业以太网下的隧道监控PLC组网设计分析

2017-11-30叶剑谋

科技与创新 2017年23期

关键词：环网以太网总线

叶剑谋

（三明高速公路管理分公司，福建三明 365000）

基于工业以太网下的隧道监控PLC组网设计分析

叶剑谋

（三明高速公路管理分公司，福建三明 365000）

为了更加有效地保证隧道的使用安全，根据隧道类型划分为短隧道、长隧道、特长隧道，制订了设计标准，在长隧道及以上内部必须设置相应数量的交通检测、交通诱导设施、隧道通风照明等设备，通过对这些设备的合理操作、调度以及进行严格的控制，是保证隧道运行安全的必要前提。从工业以太网相对于现场总线在隧道监控PLC组网中的优势，并对现有基于工业以太网的隧道监控PLC不同组网方式的优、缺点进行了分析。

工业以太网；隧道监控；PLC；组网设计

1 现场总线与工业以太网

我国传统采用的隧道控制系统主要由隧道管理站监控计算机、现场总线以及PLC三部分构成，利用这种基于现场总线的集散控制结构可以完成隧道机电设备、隧道环境以及隧道交通状况的监控，同时，也具有完成隧道信息管理的功能。随着科学技术的发展，以及隧道工程长度的增加，现场总线控制结构已经无法满足当前隧道控制的发展需求。

现场总线是以数字通信为基础的，但是数字通信需要相应的标准，世界上现场总线的标准较多，造成现场总线缺乏统一的标准，大大降低了其互联性与互操作性。现场总线的传输速率较低，这样根本无法有效满足特殊情况对实效性的要求。

我国传统的以太网主要采用的通讯方式是多路存取载波碰撞检测的方式，这样一旦遇到网络使用频率较高时，就会出现部分节点信息传输不及时的现象，严重时甚至会造成网络大量节点不断进行重发，进而引发网络堵塞的问题。同时，虽然以太网技术被广泛应用于实际操作中，但工业状况较为复杂，影响因素较多，这样会对以太网技术造成一定的干扰，大大降低了以太网技术的可靠性和稳定性。我国科研人员根据现阶段以太网技术存在的缺陷与不足进行了详细分析，结合工业领域对工业网络的实际要求，通过多种合理、有效的方式对以太网技术进行了改进，以提高其性能，使其更好地满足工业领域发展的要求。

1.1 交换技术

采用交换式以太网，原有的总线型技术已经无法满足现阶段发展的需求，技术人员可以采用交换技术，这样有效减少了因多个站点共享而造成的竞争信道发生碰撞的现象，避免了造成信道带宽的浪费。采用交换技术可以实现全双工通信，这样大大提高了信道的利用效率，降低了发生冲突的可能性，进而保证整个系统运行的稳定性和安全性。

1.2 高速以太网

一旦网络中负载超过网络所能承受的范围时，易发生冲突，负载越大，冲突发生概率就越大。根据大量实践数据显示，只有当一个网络的负荷低于36%时，才能保证运行的稳定性，且不出现冲突。一旦出现10%以下的负荷时，10 M以太网发生冲突的概率是每5年1次，100 M以太网则为每15年1次。需要注意的是，一旦负荷超过36%后，冲突发生的概率是负荷增加的几何级数增长。因此，技术人员可以通过合理降低网络负荷，从而实现以太网通信速度的提高。

1.3 IEEE1588对时机制

IEEE1588是对一个在测量和控制网络中，与网络交流、本地计算以及分配对象有关的精确的同步时钟协议的定义。该协议特别适用于基于以太网技术，其精度可达到微秒的范围，其利用时间印章实现本地时间的同步机制，即使网络通讯时控制信号出现一定的波动也不会对它的精度造成影响，满足了要求。这一优势使得它更加符合基于以太网系统的需求。通过使用该系统，针对以太网的协议不需要进行大幅的改动就可以在高精度的网络控制系统之中使用。

1.4 以太网协议中加入实时功能

现阶段，我国很多生产商都会在工业以太网协议中增加实时功能技术，在设备中加入具有特殊协议的芯片。通过RETHER软件协议，可以实现以太网现有硬件设备不变动的情况下，提高实效性。它主要是利用一种混合操作的模式，可以有效减小网络中非实时数据传输性能的影响；非竞争容许控制机制和有效的令牌传递方案可以有效防止由于节点故障造成的令牌丢失问题。

技术人员通过对以太网的改进，可以使其满足现阶段工业的控制要求，同时，工业以太网本身具有的优势使其成为各个控制领域关注与应用的先进技术，其中，高速公路隧道监控系统PLC组网设计也在使用该技术。

2 现有隧道监控PLC以太网组网方式

现阶段，我国基于工业以太网下的高速公路隧道监控PLC组网方式主要分为单洞成环和双洞成环两种形式。

2.1 隧道监控PLC单洞成环

隧道监控PLC单洞成环主要是指隧道两个洞内的PLC分别通过工业以太网交换机，利用奇数偶数编号跳接在各洞的单独光纤环上。单洞成环的组网方式优势是每个光纤环上挂接设备的数量较少，降低了通信数据流量，这样可以有效提高隧道监控数据传输速率。如果光纤环网上一个部位出现了中断故障，由于线路冗余，中断故障位置的前后监控数据也可以分别沿着环网的两个方向向隧道管理站进行传输。但实际中，我国很多隧道内部只有一根通信光缆，是由光缆中的两个芯光纤连接在一起形成环网的光纤。由于后期的人为造成对光纤的损坏，多芯光纤同时断掉，这样就会造成在环网的同一点出现两处中断，致使信息无法传输，降低了控制的可靠性，进而对整个隧道的安全运行和管理造成威胁。

2.2 隧道监控PLC双洞成环

隧道监控PLC双洞成环主要是指隧道两个洞内的PLC通过工业以太网交换机挂接在同一个光纤环上。双洞成环的组网方式最大的优势是完善单洞成环的缺点。隧道的两个洞内的通讯光缆中分别由芯光纤形成隧道环网，采用这种方式即使其中一根光纤出现中断故障，中断点前后的监控数据也可以分别沿着环网的两个方向向隧道管理站传输信息。但采用该方式存在一定的不足，PLC数量较多，一旦传输线路出现故障，切换到备用线路的时间较长，这样会直接影响到监控数据传输的稳定性，甚至对整个系统的运行安全造成一定的影响。因此，如果是在PLC数量过多的情况下，就不适合采用此种方式组网。