基于網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)

一、概述

隧道監(jiān)控系統(tǒng)是對隧道交通和隧道內(nèi)環(huán)境、通風(fēng)設(shè)備、照明設(shè)備以及供配電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、檢測和控制的系統(tǒng)。一般來講，隧道監(jiān)控系統(tǒng)包括中央計算機(jī)管理系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、通風(fēng)控制系統(tǒng)、照明控制系統(tǒng)、交通誘導(dǎo)及控制系統(tǒng)、火災(zāi)檢測及報警系統(tǒng)、閉路電視系統(tǒng)、緊急電話與廣播系統(tǒng)、供配電監(jiān)控系統(tǒng)等等，肩負(fù)著監(jiān)視與控制、平滑交通流量、保障安全和節(jié)能環(huán)保的功能。從控制系統(tǒng)的控制對象來分析，隧道監(jiān)控系統(tǒng)是一個包含離散事件系統(tǒng)和連續(xù)時間系統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)的功能不同而又互相關(guān)聯(lián)，因此采取了不同的聯(lián)網(wǎng)控制方式。本文所述的隧道監(jiān)控系統(tǒng)主要是指隧道監(jiān)控系統(tǒng)包括中央計算機(jī)管理系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、通風(fēng)控制系統(tǒng)、照明控制系統(tǒng)和交通誘導(dǎo)及控制系統(tǒng)。在現(xiàn)在實施的大部分項目中這些系統(tǒng)采用的是上位機(jī)（IPC）和本地控制器（PLC）相結(jié)合的控制方式。

二、工業(yè)實時以太網(wǎng)概述

以現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)為代表的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)是現(xiàn)在自動控制技術(shù)和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是目前自動控制系統(tǒng)的標(biāo)志性技術(shù)。其中的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，具備成本低廉、兼容性好、通信速率高、軟硬件資源豐富和支持技術(shù)成熟等等特點，使其從辦公自動化走向工業(yè)自動化。但是以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域成為工業(yè)以太網(wǎng)也存在一些問題，比如實時性問題、對工業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性與可靠性、本質(zhì)安全與網(wǎng)絡(luò)安全、服務(wù)質(zhì)量（QoS）問題。為了解決工業(yè)以太網(wǎng)的問題，上個世紀(jì)末工業(yè)實時以太網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生，比較著名的有ProfiNet、Ethernet/IP、FF-HSE（Fieldbus Foundation High Speed Ethernet）、EtherCat等等，這些工業(yè)實時以太網(wǎng)的具有高度的實時性（實時響應(yīng)時間小于5ms）同時滿足對于交付時間、吞吐量、時間同步、時間同步精度冗余恢復(fù)時間等要求。

（一）ProfiNet實時性的實現(xiàn)

ProfiNet提供了一個標(biāo)準(zhǔn)通信通道和兩類實時通信通道。標(biāo)準(zhǔn)通信信道是使用TCP/IP協(xié)議的非實時通信通道，主要用于設(shè)備參數(shù)化、組態(tài)和讀取診斷數(shù)據(jù)。一個實時通信信道RT是軟實時方案，主要用于過程數(shù)據(jù)的高性能循環(huán)傳輸、事件控制的信號和報警信號等。另一個實時通信信道采用了IRT（Isochronous Real-Time）等同步實時的ASIC芯片的硬件解決方案，以最大限度地縮短通信棧軟件的處理時間，特別適用于高性能傳輸、過程數(shù)據(jù)的等時同步傳輸以及快速的時鐘同步運(yùn)動控制應(yīng)用，比如在100個節(jié)點下其相應(yīng)時間要小于1ms，抖動誤差要小于1μs。[2]在實時通道中，為控制系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)預(yù)留了固定循環(huán)間隔的時間窗，而實時數(shù)據(jù)總是按照固定的次序插入。同時ProfiNet優(yōu)化通信功能，它根據(jù)IEEE802.1P定義了報文的優(yōu)先權(quán)，規(guī)定了7級的優(yōu)先級，最高級用于硬件實時數(shù)據(jù)的傳輸。就如同在高速公路上，預(yù)留左車道用于實時通信傳輸，并且禁止其他公路使用者（普通TCP/IP通信）切換到這個車道上。這樣以來即使右車道發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴或者通信堵塞也不會影響左車道的實時通信傳輸，確保實時數(shù)據(jù)的暢通。

這樣的ProfiNet不僅能夠?qū)崿F(xiàn)CBA（Compo-nent Based Automation）的數(shù)據(jù)通信，還能應(yīng)用于快速的時鐘同步控制。

（二）ProfiNet靈活的結(jié)構(gòu)

ProfiNet包括8大主要模塊，分別是實時通信、分布式現(xiàn)場設(shè)備、運(yùn)動控制、分布式自動化、網(wǎng)絡(luò)安裝、IT標(biāo)準(zhǔn)集成于信息安全、故障安全和過程自動化。它具有開放靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，除了支持星形、總線型、冗余環(huán)形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)外，用戶還可以選擇無線傳輸?shù)姆绞絹斫档筒季€及人工費(fèi)用，減少開支，如圖1所示。另外，ProfiNet提供了大量的工具來幫助用戶方便地實現(xiàn)ProfiNet的安裝及故障診斷，特別設(shè)計的工業(yè)電纜和耐用連接器滿足EMC和溫度要求，并且在ProfiNet框架內(nèi)形成標(biāo)準(zhǔn)化，保證了不同制造商設(shè)備之間的兼容性。在ProfiNet網(wǎng)絡(luò)里，簡單的現(xiàn)場設(shè)備可以使用基于這樣的機(jī)理，ProfiNet可以將工廠自動化和企業(yè)信息管理層IT技術(shù)有機(jī)地融為一體同時也保留了一定的開放性。

（三）ProfiNet系統(tǒng)集成

簡單的現(xiàn)場設(shè)備可以使用ProfiNet IO集成到ProfiNet系統(tǒng)，并用InterBus或者ProfiBus DP中熟悉的IO來描述。InterBus和ProfiBus是ProfiNet的兩家技術(shù)研發(fā)公司德國菲尼克斯公司和西門子公司各自的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。ProfiNet IO模型與InterBus和ProfiBus DP中的模型類似，設(shè)備屬性用基于XML的描述文件（GSD）來描述。ProfiNet網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分為四種類型：I/O設(shè)備、I/O控制器、I/O監(jiān)視器和網(wǎng)絡(luò)組件設(shè)備。I/O設(shè)備是指分配給I/O控制器的分散式現(xiàn)場設(shè)備，如遠(yuǎn)程I/O、終端設(shè)備等；I/O控制器即支持ProfiNet控制功能的PLC控制器，項目的自動化程序在其中運(yùn)行；I/O監(jiān)視器是指擁有代理和診斷功能的編程設(shè)備、PC機(jī)或者觸摸屏；網(wǎng)絡(luò)組建設(shè)備是連接各節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如支持ProfiNet的交換機(jī)、路由器和Proxy等。[2]在這樣一個系統(tǒng)里，支持ProfiNet的各種終端和控制器都可以自由地連接在ProfiNet網(wǎng)絡(luò)中，從而簡單地實現(xiàn)管理層、控制層和現(xiàn)場層的統(tǒng)一，達(dá)到一網(wǎng)到底的控制模式，如圖2所示。目前，全球已經(jīng)有超過2000萬個應(yīng)用節(jié)點，占據(jù)超過75%的市場份額。

三、基于ProfiNet的隧道監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

根據(jù)《高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)模式》的規(guī)定，對于長隧道、特長隧道以及交通流量很大的中短隧道應(yīng)該按照監(jiān)控等級A的要求進(jìn)行隧道監(jiān)控設(shè)施的布設(shè)。隧道監(jiān)控系統(tǒng)常用的監(jiān)控設(shè)施有車道指示器、交通信號燈、CO/VI檢測器、風(fēng)速風(fēng)向檢測器、可變限速標(biāo)志、可變情報板、光強(qiáng)亮度檢測器、車行橫洞門、橫洞指示標(biāo)志、照明和射流風(fēng)機(jī)等。在一些系統(tǒng)設(shè)計中火災(zāi)報警及電力監(jiān)控系統(tǒng)的信息也會接入隧道監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)過多年的理論研究和實施經(jīng)驗，在監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計和實施中，通常采用上位機(jī)和本地控制器相結(jié)合的控制方式。本地控制器對各個監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)讀取和控制，上位機(jī)通過監(jiān)控網(wǎng)對各個控制器進(jìn)行狀態(tài)讀取、協(xié)調(diào)控制、數(shù)據(jù)分析和生成報表等。

監(jiān)控系統(tǒng)中的本地控制器多采用可編程邏輯控制器PLC，它具有適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高（MTBF通常大于10萬小時）、系統(tǒng)構(gòu)成靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)、使用方便編程簡單的特點。另外，隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，PLC對模擬量的處理能力、網(wǎng)絡(luò)控制能力也不斷增強(qiáng)。這些都使PLC非常適用于基于網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的隧道監(jiān)控系統(tǒng)，一個典型的隧道監(jiān)控系統(tǒng)如圖3所示。

目前大多數(shù)隧道監(jiān)控系統(tǒng)，無論采用的是菲尼克斯的PLC還是西門子、歐姆龍、施耐德的PLC，基本上都是采用的圖3所示的結(jié)構(gòu)。

（一）采用ProfiNet的隧道監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ProfiNet自身具有獨(dú)特的開發(fā)靈活的結(jié)構(gòu)，它除了支持具有典型結(jié)構(gòu)的隧道監(jiān)控系統(tǒng)外，還支持分布式IO這種ProfiNet網(wǎng)絡(luò)控制模式，如圖4所示。

在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，監(jiān)控設(shè)施的控制由遠(yuǎn)程I/O完成而不再需要隧道內(nèi)的本地控制器，對遠(yuǎn)程IO的編程是在各個主控PLC中組態(tài)完成的。

（二）兩種監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的對比和優(yōu)化

對比普通的隧道監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基于Profi-Net的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，我們有如下結(jié)論：

1.前者典型隧道監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)能夠完成上位機(jī)監(jiān)視控制和本地控制的功能，對本地控制支持設(shè)置更高的優(yōu)先級，程序復(fù)雜，聯(lián)機(jī)調(diào)試麻煩。

2.后者能夠完成通過上位機(jī)和隧道主控制器的監(jiān)視控制，不具有本地控制的功能，但是編程簡單、工作量少，聯(lián)機(jī)調(diào)試方便，可以縮短實施工期。

3.后者采用的遠(yuǎn)程IO造價低于采用PLC的方式10%～30%。差別主要是由于隧道長度不同導(dǎo)致的遠(yuǎn)程IO和隧道內(nèi)PLC的數(shù)量在整個隧道本地控制器數(shù)量的占比不同。

有些用戶擔(dān)心采用全分布式IO的ProfiNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)雖然從結(jié)構(gòu)上來說完全滿足實際需要，但是不符合隧道監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范中關(guān)于隧道內(nèi)本地控制器具有本地控制功能的要求。對隧道監(jiān)控系統(tǒng)的控制要求和兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析，我們可以得知，所謂的本地控制的功能只在緊急情況時或冗余光纖環(huán)網(wǎng)在某網(wǎng)絡(luò)設(shè)備兩端皆斷開的情況下才得以采用?，F(xiàn)在各個設(shè)備廠家及現(xiàn)場布線的工作使冗余光纖環(huán)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)足夠強(qiáng)健，冗余光纖環(huán)網(wǎng)出現(xiàn)故障問題的情況幾乎為零。而在緊急情況時候，比如出現(xiàn)交通事故、火災(zāi)事件等本地控制的功能基本上無法啟用。這主要是因為：①在發(fā)生緊急情況時候我們還是要以上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制為主，比如不可以在出現(xiàn)火災(zāi)情況下讓人再進(jìn)入隧道內(nèi)啟用本地控制；②隧道較長的時候，隧道內(nèi)控制器可能距離隧道口較遠(yuǎn)。比如距離隧道口最近的PLC也有10～100m，而PLC之間間距在500m左右。在發(fā)生緊急情況時候來不及啟用本地控制功能；③在隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的聯(lián)網(wǎng)預(yù)案中都設(shè)置的緊急情況的處理預(yù)案，這些預(yù)案都是采用網(wǎng)絡(luò)控制實現(xiàn)的，并沒有啟動本地控制功能；④在隧道管理人員中一般沒有設(shè)置具體的人員來對緊急狀態(tài)下的PLC進(jìn)行本地控制操作?，F(xiàn)在工程中隧道內(nèi)的本地控制器的控制箱上也不配備觸摸屏甚至按鈕，在聯(lián)網(wǎng)調(diào)試時候有些用戶也是把現(xiàn)有的本地控制器作為現(xiàn)場IO來用。

基于這樣的現(xiàn)實，我們認(rèn)為采用分布式IO的ProfiNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完全可以使用在隧道監(jiān)控系統(tǒng)中?；蛘呶覀兏M(jìn)一步地優(yōu)化該模式，即根據(jù)隧道各區(qū)的監(jiān)控設(shè)施和控制工藝的不同要求，采用隧道內(nèi)PLC和遠(yuǎn)程IO相結(jié)合的方式，這樣的網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)兼顧了兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。在ProfiNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中還可以采用防護(hù)等級為IP67的遠(yuǎn)程IO模塊，非常適用于在高濕度的隧道環(huán)境中，使用壽命長。

（三）上位監(jiān)視的實現(xiàn)

在ProfiNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，上位機(jī)監(jiān)控中可以使用通用的組態(tài)軟件，比如組態(tài)王、iFix等，也可以由各個用戶自己開發(fā)適合具體項目需要的監(jiān)控軟件。在ProfiNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，廣泛應(yīng)用的是基于OPC技術(shù)的二次開發(fā)。OPC（OLE for Process Control）是專為過程控制而設(shè)計的對象鏈接技術(shù)，它提供了一種方便、高效的通信機(jī)制，給工業(yè)控制軟件提供了一種統(tǒng)一的訪問現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)的方法。在廠家如菲尼克斯或者西門子等提供給客戶的OPC Server軟件的基礎(chǔ)上，用戶可以開發(fā)自己的客戶端軟件。對PLC編程調(diào)試的時候把隧道監(jiān)控系統(tǒng)中上位機(jī)監(jiān)視控制需要用到的控制變量設(shè)置成OPC控制變量，啟動OPC Server軟件后我們就能聯(lián)網(wǎng)在自己的客戶端監(jiān)視到各個PLC控制的監(jiān)控設(shè)施的狀態(tài)并對其進(jìn)行操作處理。即我們的上位機(jī)軟件或者觸摸屏可以連接到ProfiNet的任何一個節(jié)點并對各個隧道本地控制器進(jìn)行操作，這對比與以往的通過隧道主控PLC讀取隧道內(nèi)PLC的狀態(tài)及控制具有更高的可靠性。

四、結(jié)論

本文所述的基于工業(yè)實時以太網(wǎng)ProfiNet的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)具有靈活可靠的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且實時性比工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)有更高保障。全部網(wǎng)絡(luò)或者部分網(wǎng)絡(luò)采用ProfiNet技術(shù)的隧道監(jiān)控系統(tǒng)，已經(jīng)在多個省份的超過10條隧道的監(jiān)控系統(tǒng)中成功實施并取得了穩(wěn)定可靠的控制效果。目前采用分布式IO的ProfiNet隧道監(jiān)控系統(tǒng)也逐步取得業(yè)內(nèi)專家的認(rèn)可，會在今后的項目實施中展現(xiàn)更好的綜合控制效果，并得到更多的實踐機(jī)會。