冗余工業(yè)以太網(wǎng)在高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

     1 引言

　　一般來說, 高速公路的隧道無人值守, 并且與監(jiān)控分中心的距離比較遠(yuǎn)。必須建設(shè)一個適應(yīng)隧道環(huán)境的高可靠性的網(wǎng)絡(luò)平臺, 保證隧道內(nèi)各種監(jiān)控數(shù)據(jù)實(shí)時上傳, 保證中心對隧道設(shè)備的實(shí)時控制, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)隧道的正常運(yùn)營。具有ms 級自愈能力的冗余工業(yè)以太網(wǎng)平臺是目前的最佳方案選擇。

　　2 冗余工業(yè)以太網(wǎng)的構(gòu)成方式

　　所謂工業(yè)以太網(wǎng), 是指在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)(IEEE802.3 標(biāo)準(zhǔn))兼容,但材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度和適用性方面應(yīng)能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要的以太網(wǎng)。

　　由于工業(yè)環(huán)境對工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)可靠性能的超高要求,工業(yè)以太網(wǎng)的冗余功能應(yīng)運(yùn)而生。從快速生成樹冗余(RSTP)、環(huán)網(wǎng)冗余(RapidRingTM)到主干冗(TrunkingTM),都有各自不同的優(yōu)勢和特點(diǎn)。

　　構(gòu)建冗余網(wǎng)絡(luò)的主要方式主要有以下幾種, S T P 、RSTP;環(huán)網(wǎng)冗余RapidRingTM 以及Trunking。

　　2.1 STP 及RSTP

　　STP(Spanning Tree Protocol,生成樹算法,IEEE802.1D),是一個鏈路層協(xié)議,提供路徑冗余和阻止網(wǎng)絡(luò)循環(huán)發(fā)生。它強(qiáng)令備用數(shù)據(jù)路徑為阻塞(blocked)狀態(tài)。

　　如果一條路徑有故障, 該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能借助激活備用路徑重新配置及鏈路重構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)中斷恢復(fù)時間為30-60s 之間。RSTP(快速生成樹算法,IEEE 802.1w)作為STP 的升級,將網(wǎng)絡(luò)中斷恢復(fù)時間,縮短到1-2s。生成樹算法網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活, 但也存在恢復(fù)速度慢的缺點(diǎn)。

　　2.2 環(huán)網(wǎng)冗余

　　為了能滿足工控網(wǎng)絡(luò)實(shí)時性強(qiáng)的特點(diǎn),RapidRing孕育而生。這是在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中使用環(huán)網(wǎng)提供高速冗余的一種技術(shù)。這個技術(shù)可以使網(wǎng)絡(luò)在中斷后3 0 0 m s之內(nèi)自行恢復(fù)(如圖1)。并可以通過交換機(jī)的出錯繼電連接、狀態(tài)顯示燈和S N M P 設(shè)置等方法來提醒用戶出現(xiàn)的斷網(wǎng)現(xiàn)象。這些都可以幫助診斷環(huán)網(wǎng)什么地方出現(xiàn)斷開。

圖1 環(huán)網(wǎng)冗余拓?fù)鋱D

　　RapidRing 也支持兩個連接在一起的環(huán)網(wǎng),使網(wǎng)絡(luò)拓樸更為靈活多樣。兩個環(huán)通過雙通道連接, 這些連接可以是冗余的, 避免單個線纜出錯帶來的問題。

　　2.3 主干冗余

　　將不同交換機(jī)的多個端口設(shè)置為Trunking 主干端口,并建立連接,則這些交換機(jī)之間可以形成一個高速的骨干鏈接(如圖2)。不但成倍的提高了骨干鏈接的網(wǎng)絡(luò)帶寬, 增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)吞吐量, 而且還還提供了另外一個功能, 即冗余功能。如果網(wǎng)絡(luò)中的骨干鏈接產(chǎn)生斷線等問題,那么網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)會通過剩下的鏈接進(jìn)行傳遞,保證網(wǎng)絡(luò)的通訊正常。Trunking 主干網(wǎng)絡(luò)采用總線型和星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 理論通訊距離可以無限延長。該技術(shù)由于采用了硬件偵測及數(shù)據(jù)平衡的方法, 所以使網(wǎng)絡(luò)中斷恢復(fù)時間達(dá)到了新的高度, 一般恢復(fù)時間在10ms 以下。

圖2 主干冗余拓?fù)鋱D

　　3 冗余工業(yè)以太網(wǎng)在高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)包含車輛檢測器、氣象檢測器、環(huán)境監(jiān)測設(shè)備、報警與誘導(dǎo)設(shè)施、可變標(biāo)志、通風(fēng)設(shè)施、照明設(shè)施、本地控制器(PLC)、隧道中心設(shè)備及軟件、隧道監(jiān)控中心計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等子系統(tǒng)。

　　隧道中的車輛檢測器、氣象檢測器、可變標(biāo)志等設(shè)備的串口接入本地控制器(PLC)對應(yīng)的串口模塊,車道指示器、交通信號燈、風(fēng)機(jī)、照明電源箱回路的開關(guān)量接入本地控制器(PLC)對應(yīng)的數(shù)字模塊,環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的模擬量接入本地控制器(PLC)對應(yīng)的模擬模塊。本地控制器(PLC)通過非屏蔽五類雙絞線接入工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)。

　　通過冗余的工業(yè)以太網(wǎng)平臺(如圖3),隧道內(nèi)的各種數(shù)據(jù)可以實(shí)時上傳監(jiān)控分中心; 監(jiān)控分中心可以對隧道內(nèi)的設(shè)備可以遠(yuǎn)程控制, 如照明燈具的開關(guān)、風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程啟動與停止、在情報上發(fā)布信息、對交通信號燈和車道指示標(biāo)志的狀態(tài)進(jìn)行改變等。

　　隧道內(nèi)環(huán)境比較惡劣, 濕度大、灰塵大、電磁干擾強(qiáng)等, 所以采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)建冗余工業(yè)以太網(wǎng)平臺的方案, 以保證隧道的正常運(yùn)營。

　　4 高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)中的冗余工業(yè)以太網(wǎng)平臺的優(yōu)點(diǎn)

　　4.1 多重冗余

　　由圖3 可以看出, 隧道內(nèi)的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)和隧道變電所內(nèi)的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)成環(huán)網(wǎng)一, 工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)之間通過光纖互聯(lián); 監(jiān)控分中心的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)成環(huán)網(wǎng)二, 工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)之間通過光纖互聯(lián)。環(huán)網(wǎng)一和環(huán)網(wǎng)二通過一主一備光纖鏈路互聯(lián), 均采用RapidRing 協(xié)議實(shí)現(xiàn)高速冗余。

　圖3 高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)中的冗余工業(yè)以太網(wǎng)平臺拓?fù)鋱D

　　4.2 高可靠性

　　當(dāng)環(huán)網(wǎng)一內(nèi)的任意一條光纖鏈路中斷, 隧道內(nèi)、隧道變電所內(nèi)、監(jiān)控分中心的網(wǎng)絡(luò)仍然保持暢通; 當(dāng)環(huán)網(wǎng)二內(nèi)的任意一條光纖鏈路中斷, 隧道內(nèi)、隧道變電所內(nèi)、監(jiān)控分中心的網(wǎng)絡(luò)仍然保持暢通; 當(dāng)環(huán)網(wǎng)一和環(huán)網(wǎng)二之間的任意一條光纖鏈路中斷, 隧道內(nèi)、隧道變電所內(nèi)、監(jiān)控分中心的網(wǎng)絡(luò)仍然保持暢通。當(dāng)環(huán)網(wǎng)一和環(huán)網(wǎng)二內(nèi)任意一臺交換機(jī)的單個光口出現(xiàn)故障, 隧道內(nèi)、隧道變電所內(nèi)、監(jiān)控分中心的網(wǎng)絡(luò)仍然保持暢通。高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)中的冗余工業(yè)以太網(wǎng)平臺具有ms 級自愈能力。

　　與隧道網(wǎng)絡(luò)采用冗余工業(yè)以太網(wǎng), 隧道變電所和監(jiān)控分中心網(wǎng)絡(luò)采用OA 交換機(jī)冗余以太網(wǎng)的普通平臺架構(gòu)相比(自愈時間大于1 秒),隧道機(jī)電系統(tǒng)中的冗余工業(yè)以太網(wǎng)平臺架構(gòu)可靠性更高。

　　工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)產(chǎn)品可靠性很高, 具有雙電源冗余和牢靠的重負(fù)荷設(shè)計。其電磁兼容性、工作溫度、防震性能等指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通OA 網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品, 更適合隧道環(huán)境。

　　工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)支持VLAN、組播控制和端口優(yōu)先級設(shè)置, 從而可以最大程度地限制網(wǎng)絡(luò)上的廣播和組播信息, 提高網(wǎng)絡(luò)的性能和可靠性。

　　4.3 可擴(kuò)展性

　　環(huán)網(wǎng)二可以支持多個隧道環(huán)網(wǎng)的接入( 把各個隧道環(huán)網(wǎng)劃分在不同vlan 中)。

　　4.4 管理方便

　　工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)帶有S N M P 管理單元, 而且還集成有基于W E B 的管理系統(tǒng), 這為快速地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、診斷、故障定位和管理提供了方便。

　　4.5 嚴(yán)格的安全保證

　　工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的管理采用二級密碼訪問機(jī)制,可以關(guān)閉不用的交換機(jī)端口,防止外部設(shè)備的非法接入。

　　5 結(jié)束語

　　隧道機(jī)電系統(tǒng)中的冗余工業(yè)以太網(wǎng)平臺可以更可靠地保證隧道正常運(yùn)營。