1 引言

　　一般來說, 高速公路的隧道無人值守, 并且與監控分中心的距離比較遠。必須建設一個適應隧道環境的高可靠性的網絡平臺, 保證隧道內各種監控數據實時上傳, 保證中心對隧道設備的實時控制, 進而實現隧道的正常運營。具有ms 級自愈能力的冗余工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" title="工業以太網平臺">工業以太網平臺" 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title="工業以太網平臺">工業以太網平臺是目前的最佳方案選擇。

　　2 冗余工業以太網的構成方式

　　所謂工業以太網, 是指在技術上與商用以太網(IEEE802.3 標準)兼容,但材質的選用、產品的強度和適用性方面應能滿足工業現場的需要的以太網。

　　由于工業環境對工業控制網絡可靠性能的超高要求,工業以太網的冗余功能應運而生。從快速生成樹冗余(RSTP)、環網冗余(RapidRingTM)到主干冗(TrunkingTM),都有各自不同的優勢和特點。

　　構建冗余網絡的主要方式主要有以下幾種, S T P 、RSTP;環網冗余RapidRingTM 以及Trunking。

　　2.1 STP 及RSTP

　　STP(Spanning Tree Protocol,生成樹算法,IEEE802.1D),是一個鏈路層協議,提供路徑冗余和阻止網絡循環發生。它強令備用數據路徑為阻塞(blocked)狀態。

　　如果一條路徑有故障, 該拓撲結構能借助激活備用路徑重新配置及鏈路重構。網絡中斷恢復時間為30-60s 之間。RSTP(快速生成樹算法,IEEE 802.1w)作為STP 的升級,將網絡中斷恢復時間,縮短到1-2s。生成樹算法網絡結構靈活, 但也存在恢復速度慢的缺點。

　　2.2 環網冗余

　　為了能滿足工控網絡實時性強的特點,RapidRing孕育而生。這是在以太網網絡中使用環網提供高速冗余的一種技術。這個技術可以使網絡在中斷后3 0 0 m s之內自行恢復(如圖1)。并可以通過交換機的出錯繼電連接、狀態顯示燈和S N M P 設置等方法來提醒用戶出現的斷網現象。這些都可以幫助診斷環網什么地方出現斷開。

圖1 環網冗余拓撲圖

　　RapidRing 也支持兩個連接在一起的環網,使網絡拓樸更為靈活多樣。兩個環通過雙通道連接, 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

　　將不同交換機的多個端口設置為Trunking 主干端口,并建立連接,則這些交換機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絡帶寬, 增強了網絡吞吐量, 而且還還提供了另外一個功能, 即冗余功能。如果網絡中的骨干鏈接產生斷線等問題,那么網絡中的數據會通過剩下的鏈接進行傳遞,保證網絡的通訊正常。Trunking 主干網絡采用總線型和星型網絡結構, 理論通訊距離可以無限延長。該技術由于采用了硬件偵測及數據平衡的方法, 所以使網絡中斷恢復時間達到了新的高度, 一般恢復時間在10ms 以下。

圖2 主干冗余拓撲圖

　　3 冗余工業以太網在高速公路隧道機電系統中的應用

　　高速公路隧道機電系統包含車輛檢測器、氣象檢測器、環境監測設備、報警與誘導設施、可變標志、通風設施、照明設施、本地控制器(PLC)、隧道中心設備及軟件、隧道監控中心計算機網絡等子系統。

　　隧道中的車輛檢測器、氣象檢測器、可變標志等設備的串口接入本地控制器(PLC)對應的串口模塊,車道指示器、交通信號燈、風機、照明電源箱回路的開關量接入本地控制器(PLC)對應的數字模塊,環境監測設備的模擬量接入本地控制器(PLC)對應的模擬模塊。本地控制器(PLC)通過非屏蔽五類雙絞線接入工業以太網交換機。

　　通過冗余的工業以太網平臺(如圖3),隧道內的各種數據可以實時上傳監控分中心; 監控分中心可以對隧道內的設備可以遠程控制, 如照明燈具的開關、風機的遠程啟動與停止、在情報上發布信息、對交通信號燈和車道指示標志的狀態進行改變等。

　　隧道內環境比較惡劣, 濕度大、灰塵大、電磁干擾強等, 所以采用工業以太網交換機構建冗余工業以太網平臺的方案, 以保證隧道的正常運營。

　　4 高速公路隧道機電系統中的冗余工業以太網平臺的優點

　　4.1 多重冗余

　　由圖3 可以看出, 隧道內的工業以太網交換機和隧道變電所內的工業以太網交換機構成環網一, 工業以太網交換機之間通過光纖互聯; 監控分中心的工業以太網交換機構成環網二, 工業以太網交換機之間通過光纖互聯。環網一和環網二通過一主一備光纖鏈路互聯, 均采用RapidRing 協議實現高速冗余。

　圖3 高速公路隧道機電系統中的冗余工業以太網平臺拓撲圖

　　4.2 高可靠性

　　當環網一內的任意一條光纖鏈路中斷, 隧道內、隧道變電所內、監控分中心的網絡仍然保持暢通; 當環網二內的任意一條光纖鏈路中斷, 隧道內、隧道變電所內、監控分中心的網絡仍然保持暢通; 當環網一和環網二之間的任意一條光纖鏈路中斷, 隧道內、隧道變電所內、監控分中心的網絡仍然保持暢通。當環網一和環網二內任意一臺交換機的單個光口出現故障, 隧道內、隧道變電所內、監控分中心的網絡仍然保持暢通。高速公路隧道機電系統中的冗余工業以太網平臺具有ms 級自愈能力。

　　與隧道網絡采用冗余工業以太網, 隧道變電所和監控分中心網絡采用OA 交換機冗余以太網的普通平臺架構相比(自愈時間大于1 秒),隧道機電系統中的冗余工業以太網平臺架構可靠性更高。

　　工業以太網交換機產品可靠性很高, 具有雙電源冗余和牢靠的重負荷設計。其電磁兼容性、工作溫度、防震性能等指標遠遠超過普通OA 網絡產品, 更適合隧道環境。

　　工業以太網交換機支持VLAN、組播控制和端口優先級設置, 從而可以最大程度地限制網絡上的廣播和組播信息, 提高網絡的性能和可靠性。

　　4.3 可擴展性

　　環網二可以支持多個隧道環網的接入( 把各個隧道環網劃分在不同vlan 中)。

　　4.4 管理方便

　　工業以太網交換機帶有S N M P 管理單元, 而且還集成有基于W E B 的管理系統, 這為快速地進行網絡組態、診斷、故障定位和管理提供了方便。

　　4.5 嚴格的安全保證

　　工業以太網交換機的管理采用二級密碼訪問機制,可以關閉不用的交換機端口,防止外部設備的非法接入。

　　5 結束語

　　隧道機電系統中的冗余工業以太網平臺可以更可靠地保證隧道正常運營。