冗余工业以太网在高速公路隧道机电系统中的应用

     1 引言

　　一般来说, 高速公路的隧道无人值守, 并且与监控分中心的距离比较远。必须建设一个适应隧道环境的高可靠性的网络平台, 保证隧道内各种监控数据实时上传, 保证中心对隧道设备的实时控制, 进而实现隧道的正常运营。具有ms 级自愈能力的冗余工业以太网平台是目前的最佳方案选择。

　　2 冗余工业以太网的构成方式

　　所谓工业以太网, 是指在技术上与商用以太网(IEEE802.3 标准)兼容,但材质的选用、产品的强度和适用性方面应能满足工业现场的需要的以太网。

　　由于工业环境对工业控制网络可靠性能的超高要求,工业以太网的冗余功能应运而生。从快速生成树冗余(RSTP)、环网冗余(RapidRingTM)到主干冗(TrunkingTM),都有各自不同的优势和特点。

　　构建冗余网络的主要方式主要有以下几种, S T P 、RSTP;环网冗余RapidRingTM 以及Trunking。

　　2.1 STP 及RSTP

　　STP(Spanning Tree Protocol,生成树算法,IEEE802.1D),是一个链路层协议,提供路径冗余和阻止网络循环发生。它强令备用数据路径为阻塞(blocked)状态。

　　如果一条路径有故障, 该拓扑结构能借助激活备用路径重新配置及链路重构。网络中断恢复时间为30-60s 之间。RSTP(快速生成树算法,IEEE 802.1w)作为STP 的升级,将网络中断恢复时间,缩短到1-2s。生成树算法网络结构灵活, 但也存在恢复速度慢的缺点。

　　2.2 环网冗余

　　为了能满足工控网络实时性强的特点,RapidRing孕育而生。这是在以太网网络中使用环网提供高速冗余的一种技术。这个技术可以使网络在中断后3 0 0 m s之内自行恢复(如图1)。并可以通过交换机的出错继电连接、状态显示灯和S N M P 设置等方法来提醒用户出现的断网现象。这些都可以帮助诊断环网什么地方出现断开。

图1 环网冗余拓扑图

　　RapidRing 也支持两个连接在一起的环网,使网络拓朴更为灵活多样。两个环通过双通道连接, 这些连接可以是冗余的, 避免单个线缆出错带来的问题。

　　2.3 主干冗余

　　将不同交换机的多个端口设置为Trunking 主干端口,并建立连接,则这些交换机之间可以形成一个高速的骨干链接(如图2)。不但成倍的提高了骨干链接的网络带宽, 增强了网络吞吐量, 而且还还提供了另外一个功能, 即冗余功能。如果网络中的骨干链接产生断线等问题,那么网络中的数据会通过剩下的链接进行传递,保证网络的通讯正常。Trunking 主干网络采用总线型和星型网络结构, 理论通讯距离可以无限延长。该技术由于采用了硬件侦测及数据平衡的方法, 所以使网络中断恢复时间达到了新的高度, 一般恢复时间在10ms 以下。

图2 主干冗余拓扑图

　　3 冗余工业以太网在高速公路隧道机电系统中的应用

　　高速公路隧道机电系统包含车辆检测器、气象检测器、环境监测设备、报警与诱导设施、可变标志、通风设施、照明设施、本地控制器(PLC)、隧道中心设备及软件、隧道监控中心计算机网络等子系统。

　　隧道中的车辆检测器、气象检测器、可变标志等设备的串口接入本地控制器(PLC)对应的串口模块,车道指示器、交通信号灯、风机、照明电源箱回路的开关量接入本地控制器(PLC)对应的数字模块,环境监测设备的模拟量接入本地控制器(PLC)对应的模拟模块。本地控制器(PLC)通过非屏蔽五类双绞线接入工业以太网交换机。

　　通过冗余的工业以太网平台(如图3),隧道内的各种数据可以实时上传监控分中心; 监控分中心可以对隧道内的设备可以远程控制, 如照明灯具的开关、风机的远程启动与停止、在情报上发布信息、对交通信号灯和车道指示标志的状态进行改变等。

　　隧道内环境比较恶劣, 湿度大、灰尘大、电磁干扰强等, 所以采用工业以太网交换机构建冗余工业以太网平台的方案, 以保证隧道的正常运营。

　　4 高速公路隧道机电系统中的冗余工业以太网平台的优点

　　4.1 多重冗余

　　由图3 可以看出, 隧道内的工业以太网交换机和隧道变电所内的工业以太网交换机构成环网一, 工业以太网交换机之间通过光纤互联; 监控分中心的工业以太网交换机构成环网二, 工业以太网交换机之间通过光纤互联。环网一和环网二通过一主一备光纤链路互联, 均采用RapidRing 协议实现高速冗余。

　图3 高速公路隧道机电系统中的冗余工业以太网平台拓扑图

　　4.2 高可靠性

　　当环网一内的任意一条光纤链路中断, 隧道内、隧道变电所内、监控分中心的网络仍然保持畅通; 当环网二内的任意一条光纤链路中断, 隧道内、隧道变电所内、监控分中心的网络仍然保持畅通; 当环网一和环网二之间的任意一条光纤链路中断, 隧道内、隧道变电所内、监控分中心的网络仍然保持畅通。当环网一和环网二内任意一台交换机的单个光口出现故障, 隧道内、隧道变电所内、监控分中心的网络仍然保持畅通。高速公路隧道机电系统中的冗余工业以太网平台具有ms 级自愈能力。

　　与隧道网络采用冗余工业以太网, 隧道变电所和监控分中心网络采用OA 交换机冗余以太网的普通平台架构相比(自愈时间大于1 秒),隧道机电系统中的冗余工业以太网平台架构可靠性更高。

　　工业以太网交换机产品可靠性很高, 具有双电源冗余和牢靠的重负荷设计。其电磁兼容性、工作温度、防震性能等指标远远超过普通OA 网络产品, 更适合隧道环境。

　　工业以太网交换机支持VLAN、组播控制和端口优先级设置, 从而可以最大程度地限制网络上的广播和组播信息, 提高网络的性能和可靠性。

　　4.3 可扩展性

　　环网二可以支持多个隧道环网的接入( 把各个隧道环网划分在不同vlan 中)。

　　4.4 管理方便

　　工业以太网交换机带有S N M P 管理单元, 而且还集成有基于W E B 的管理系统, 这为快速地进行网络组态、诊断、故障定位和管理提供了方便。

　　4.5 严格的安全保证

　　工业以太网交换机的管理采用二级密码访问机制,可以关闭不用的交换机端口,防止外部设备的非法接入。

　　5 结束语

　　隧道机电系统中的冗余工业以太网平台可以更可靠地保证隧道正常运营。