基于工業以太網下的隧道監控PLC組網設計分析

葉劍謀

（三明高速公路管理分公司，福建 三明 365000）

基于工業以太網下的隧道監控PLC組網設計分析

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，根據隧道類型劃分為短隧道、長隧道、特長隧道，制訂了設計標準，在長隧道及以上內部必須設置相應數量的交通檢測、交通誘導設施、隧道通風照明等設備，通過對這些設備的合理操作、調度以及進行嚴格的控制，是保證隧道運行安全的必要前提。從工業以太網相對于現場總線在隧道監控PLC組網中的優勢，并對現有基于工業以太網的隧道監控PLC不同組網方式的優、缺點進行了分析。

工業以太網；隧道監控；PLC；組網設計

1 現場總線與工業以太網

我國傳統采用的隧道控制系統主要由隧道管理站監控計算機、現場總線以及PLC三部分構成，利用這種基于現場總線的集散控制結構可以完成隧道機電設備、隧道環境以及隧道交通狀況的監控，同時，也具有完成隧道信息管理的功能。隨著科學技術的發展，以及隧道工程長度的增加，現場總線控制結構已經無法滿足當前隧道控制的發展需求。

現場總線是以數字通信為基礎的，但是數字通信需要相應的標準，世界上現場總線的標準較多，造成現場總線缺乏統一的標準，大大降低了其互聯性與互操作性。現場總線的傳輸速率較低，這樣根本無法有效滿足特殊情況對實效性的要求。

我國傳統的以太網主要采用的通訊方式是多路存取載波碰撞檢測的方式，這樣一旦遇到網絡使用頻率較高時，就會出現部分節點信息傳輸不及時的現象，嚴重時甚至會造成網絡大量節點不斷進行重發，進而引發網絡堵塞的問題。同時，雖然以太網技術被廣泛應用于實際操作中，但工業狀況較為復雜，影響因素較多，這樣會對以太網技術造成一定的干擾，大大降低了以太網技術的可靠性和穩定性。我國科研人員根據現階段以太網技術存在的缺陷與不足進行了詳細分析，結合工業領域對工業網絡的實際要求，通過多種合理、有效的方式對以太網技術進行了改進，以提高其性能，使其更好地滿足工業領域發展的要求。

1.1 交換技術

采用交換式以太網，原有的總線型技術已經無法滿足現階段發展的需求，技術人員可以采用交換技術，這樣有效減少了因多個站點共享而造成的競爭信道發生碰撞的現象，避免了造成信道帶寬的浪費。采用交換技術可以實現全雙工通信，這樣大大提高了信道的利用效率，降低了發生沖突的可能性，進而保證整個系統運行的穩定性和安全性。

1.2 高速以太網

一旦網絡中負載超過網絡所能承受的范圍時，易發生沖突，負載越大，沖突發生概率就越大。根據大量實踐數據顯示，只有當一個網絡的負荷低于36%時，才能保證運行的穩定性，且不出現沖突。一旦出現10%以下的負荷時，10 M以太網發生沖突的概率是每5年1次，100 M以太網則為每15年1次。需要注意的是，一旦負荷超過36%后，沖突發生的概率是負荷增加的幾何級數增長。因此，技術人員可以通過合理降低網絡負荷，從而實現以太網通信速度的提高。

1.3 IEEE1588對時機制

IEEE1588是對一個在測量和控制網絡中，與網絡交流、本地計算以及分配對象有關的精確的同步時鐘協議的定義。該協議特別適用于基于以太網技術，其精度可達到微秒的范圍，其利用時間印章實現本地時間的同步機制，即使網絡通訊時控制信號出現一定的波動也不會對它的精度造成影響，滿足了要求。這一優勢使得它更加符合基于以太網系統的需求。通過使用該系統，針對以太網的協議不需要進行大幅的改動就可以在高精度的網絡控制系統之中使用。

1.4 以太網協議中加入實時功能

現階段，我國很多生產商都會在工業以太網協議中增加實時功能技術，在設備中加入具有特殊協議的芯片。通過RETHER軟件協議，可以實現以太網現有硬件設備不變動的情況下，提高實效性。它主要是利用一種混合操作的模式，可以有效減小網絡中非實時數據傳輸性能的影響；非競爭容許控制機制和有效的令牌傳遞方案可以有效防止由于節點故障造成的令牌丟失問題。

技術人員通過對以太網的改進，可以使其滿足現階段工業的控制要求，同時，工業以太網本身具有的優勢使其成為各個控制領域關注與應用的先進技術，其中，高速公路隧道監控系統PLC組網設計也在使用該技術。

2 現有隧道監控PLC以太網組網方式

現階段，我國基于工業以太網下的高速公路隧道監控PLC組網方式主要分為單洞成環和雙洞成環兩種形式。

2.1 隧道監控PLC單洞成環

隧道監控PLC單洞成環主要是指隧道兩個洞內的PLC分別通過工業以太網交換機，利用奇數偶數編號跳接在各洞的單獨光纖環上。單洞成環的組網方式優勢是每個光纖環上掛接設備的數量較少，降低了通信數據流量，這樣可以有效提高隧道監控數據傳輸速率。如果光纖環網上一個部位出現了中斷故障，由于線路冗余，中斷故障位置的前后監控數據也可以分別沿著環網的兩個方向向隧道管理站進行傳輸。但實際中，我國很多隧道內部只有一根通信光纜，是由光纜中的兩個芯光纖連接在一起形成環網的光纖。由于后期的人為造成對光纖的損壞，多芯光纖同時斷掉，這樣就會造成在環網的同一點出現兩處中斷，致使信息無法傳輸，降低了控制的可靠性，進而對整個隧道的安全運行和管理造成威脅。

2.2 隧道監控PLC雙洞成環

隧道監控PLC雙洞成環主要是指隧道兩個洞內的PLC通過工業以太網交換機掛接在同一個光纖環上。雙洞成環的組網方式最大的優勢是完善單洞成環的缺點。隧道的兩個洞內的通訊光纜中分別由芯光纖形成隧道環網，采用這種方式即使其中一根光纖出現中斷故障，中斷點前后的監控數據也可以分別沿著環網的兩個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數量較多，一旦傳輸線路出現故障，切換到備用線路的時間較長，這樣會直接影響到監控數據傳輸的穩定性，甚至對整個系統的運行安全造成一定的影響。因此，如果是在PLC數量過多的情況下，就不適合采用此種方式組網。

3 PLC組網冗余

監控PLC單洞成環、雙洞成環等方式都可以通過合理的方式進行冗余，主要有光纖冗余、電源冗余等。通過組網冗余可以更好地提高環網系統運行的安全性和可靠性。技術人員在設計時，一定要根據隧道現場控制的實際情況和具體要求選擇合理的冗余方式。

4 結束語

綜上所述，隨著科學技術的發展，工業以太網技術會不斷創新和完善，使其技術更加成熟。技術人員在采用工業以太網技術時一定要根據隧道現場控制的實際情況和需求進行合理使用，以確保整個隧道管理和運行的安全性、可靠性，充分發揮工業以太網技術的作用。

［1］陳亞娟，張煒.隧道監控系統中PLC網絡應用［J］.中國交通信息化，2013（09）.

〔編輯：張思楠〕

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10.15913/j.cnki.kjycx.2017.23.136

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