工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)在特大橋監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

段 昕

(重慶市華馳交通科技有限公司 機(jī)電技術(shù)部，重慶 400060)

工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)在特大橋監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

段 昕

(重慶市華馳交通科技有限公司 機(jī)電技術(shù)部，重慶 400060)

廈漳跨海大橋監(jiān)控及照明設(shè)備眾多，各類設(shè)備的數(shù)據(jù)必須穩(wěn)定可靠的上傳至大橋監(jiān)控中心，監(jiān)控中心也要實現(xiàn)對橋上各類設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和下達(dá)指令。而廈漳跨海大橋長度較長，所處自然環(huán)境較惡劣，較傳統(tǒng)交換機(jī)可應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)來實現(xiàn)上述功能。工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)可靠性高，適用于惡劣環(huán)境，同時環(huán)網(wǎng)技術(shù)可提供穩(wěn)定的傳輸解決方案，在廈漳跨海大橋上有著很好的應(yīng)用。

廈漳跨海大橋；工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)；環(huán)網(wǎng)

0 引言

福建省廈漳跨海大橋全長9.335 km，其中橋梁段長度8.546 km，橫跨廈門、漳州兩地；橋形為連續(xù)半漂浮體系雙塔雙索面斜拉橋，滿足3萬噸級船舶安全通航，在同類型橋梁中居全國第六、世界第十，現(xiàn)已成為廈門灣標(biāo)志性建筑。

廈漳跨海大橋機(jī)電工程包括供配電照明、監(jiān)控等分部工程。照明包括全橋路燈和景觀燈，要求能在監(jiān)控中心對各類照明燈具進(jìn)行自動和手動遠(yuǎn)程控制(自動要求在固定的時間段內(nèi)實現(xiàn)所有燈具的啟停)；監(jiān)控系統(tǒng)包括整個大橋的視頻監(jiān)控及氣象檢測器、微波車檢等設(shè)備的實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，同時要求能根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)觀察到的大橋?qū)崟r狀態(tài)通過各類情報板發(fā)布信息引導(dǎo)司機(jī)，從而保障大橋的流暢和行車安全。如何將橋上眾多監(jiān)控設(shè)備數(shù)據(jù)可靠、有效地進(jìn)行上傳以及如何對各類照明燈具進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，是廈漳跨海大橋機(jī)電工程需要解決的一個問題。

1 工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)及選用

目前工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)在基礎(chǔ)設(shè)施中應(yīng)用廣泛并有繼續(xù)增長的趨勢，而發(fā)電、輸配電以及交通運輸又是工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的領(lǐng)先應(yīng)用行業(yè)[1]。

1.1工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)

工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)是基于以太網(wǎng)技術(shù)的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)交換設(shè)備，是以太網(wǎng)交換機(jī)的一種，其他民用級和企業(yè)級以太網(wǎng)交換機(jī)統(tǒng)稱為通用以太網(wǎng)交換機(jī)[2]。與通用以太網(wǎng)交換機(jī)相比，工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)具有以下優(yōu)勢：工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)應(yīng)用于復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中的實時以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。以太網(wǎng)在設(shè)計時，由于其采用載波偵聽多路復(fù)用沖突檢測(CSMA/CD機(jī)制)，在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用，其可靠性大大降低，從而導(dǎo)致以太網(wǎng)不能可靠穩(wěn)定的使用。工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)采用存儲轉(zhuǎn)換交換方式，同時提高以太網(wǎng)通信速度，并且內(nèi)置智能報警設(shè)計監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)運行狀況，使得在惡劣危險的工業(yè)環(huán)境中保證以太網(wǎng)可靠穩(wěn)定的運行[3]。

1.2工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的選用

本項目為跨海大橋，現(xiàn)場為海洋性氣候，悶熱潮濕、天氣變化較大、整體環(huán)境較為惡劣，一般交換機(jī)在此環(huán)境中工作穩(wěn)定性及可靠性大為降低。通過應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)能較好的解決傳輸可靠性問題，因此廈漳大橋選用加拿大羅杰康品牌的i802型工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，如圖1所示。

圖1 廈漳大橋使用的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)

i802型工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)參數(shù)要求如下：2×100 Base-FX單模光口，不少于8×100Base-TX端口，并可擴(kuò)展。無中繼傳輸距離≥40 km。10/100 Base-TX，全雙工，雙絞線，RJ45口，自動交叉，自動協(xié)商，自動極性識別，雙絞線最大連接長度為100 m。網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)符合，IEEE802.3u以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，ANSI/IEEE Std 802.3 10/100M自適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)管特性，具備流量控制和數(shù)據(jù)管理功能，VLAN劃分功能，交換機(jī)內(nèi)置SNMP，完全配置控制和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能，每個網(wǎng)口具有遠(yuǎn)程監(jiān)視工作組以及監(jiān)聽能力，完成RMON功能。可靠性，按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計生產(chǎn)，可靠性高，常溫下平均無故障間隔時間MTBF在25年以上。交換機(jī)采用無風(fēng)扇設(shè)計，應(yīng)能在惡劣環(huán)境條件下工作，如高溫、濕熱、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境。工作濕度，10%～95%，無凝結(jié)。

2 工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)在廈漳跨海大橋監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

監(jiān)控系統(tǒng)一般劃分為外場監(jiān)控、高速公路路段監(jiān)控分中心和省監(jiān)控中心[4]。廈漳跨海大橋也包括外場監(jiān)控設(shè)備和一個大橋監(jiān)控室，大橋監(jiān)控室將圖像和數(shù)據(jù)上傳至漳州監(jiān)控分中心?？赏ㄟ^工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)來實現(xiàn)外場監(jiān)控設(shè)備與大橋監(jiān)控室之間的數(shù)據(jù)傳輸問題。

在大橋外場通過應(yīng)用11個PLC(本地控制器)對廈漳跨海大橋的全橋路燈照明、情報板、車道指示標(biāo)志等機(jī)電設(shè)備完成本地控制，并完成氣象檢測器、微波車檢器等監(jiān)控設(shè)備的單機(jī)調(diào)試，如圖2所示。

圖2 廈漳大橋南汊小型情報板及車道指示標(biāo)志

完成單機(jī)調(diào)試后通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)環(huán)網(wǎng)來完成各設(shè)備與大橋監(jiān)控室的互聯(lián)，從而實現(xiàn)以下重要功能：大橋上安裝調(diào)試完畢的氣象檢測器等設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)(包括大橋溫濕度、風(fēng)速等)可通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)實時上傳至大橋監(jiān)控室。同時在廈漳大橋監(jiān)控室實現(xiàn)對PLC的遠(yuǎn)程控制，在大橋監(jiān)控室可設(shè)置大橋路燈亮熄時間通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)下發(fā)指令實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時控制大橋路燈照明，可遠(yuǎn)程對可變情報板(大橋共有2塊門架式情報板、2塊懸臂式情報板、12塊小可變情報板)發(fā)布實時路況信息及重要提示。

3 環(huán)網(wǎng)原理及實施應(yīng)用

工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)成環(huán)網(wǎng)技術(shù)能廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場環(huán)境惡劣的特大橋及公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)，環(huán)網(wǎng)能穩(wěn)定的完成與遠(yuǎn)距離監(jiān)控設(shè)備的通信從而保證監(jiān)控系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。

3.1環(huán)網(wǎng)原理

環(huán)網(wǎng)方便數(shù)據(jù)傳輸與指令下達(dá)，更為重要的是當(dāng)環(huán)網(wǎng)中一臺交換機(jī)或一處光纜出現(xiàn)故障時，并不影響其它交換機(jī)的數(shù)據(jù)上傳與工作。環(huán)網(wǎng)的原理為使用兩芯光纖組成兩個環(huán)路：一個為工作路徑，另一個為保護(hù)路徑，兩個環(huán)路的業(yè)務(wù)流向一定要相反[5]，不同方向的箭頭構(gòu)成的路徑分別表示兩個環(huán)路，如圖3所示。

圖3 環(huán)網(wǎng)構(gòu)成原理圖

假設(shè)上圖中A、C為終點節(jié)點，當(dāng)圖中BC之間的光纜全中斷或設(shè)備出現(xiàn)故障時，在C節(jié)點工作路徑BC間的信號丟失則倒換開關(guān)將由工作路徑轉(zhuǎn)向保護(hù)路徑，接收由A節(jié)點保護(hù)路徑的傳輸?shù)腁C信號，從而不影響AC之間的數(shù)據(jù)傳輸。工業(yè)以太網(wǎng)采用光纖冗余環(huán)網(wǎng)方案，環(huán)上最多應(yīng)能連接60臺交換機(jī)，當(dāng)發(fā)生光纖斷點時，環(huán)網(wǎng)可以在500毫秒內(nèi)自動恢復(fù)正常工作；冗余環(huán)-環(huán)之間耦合，冗余連接。交換機(jī)應(yīng)具有高度的實時性，最大收發(fā)延遲不超過35微秒。支持SNMP V3簡單網(wǎng)絡(luò)管理功能，支持故障自診斷功能。

3.2環(huán)網(wǎng)具體實施

廈漳跨海大橋監(jiān)控環(huán)網(wǎng)的實施過程如下：大橋采用一根8芯光纜連接11個工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，分布在大橋外場K1+665、K3+470、K6+307、K8+031監(jiān)控中心配電房、K8+772處的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)用8芯光纜中的1、2芯連接，大橋外場K2+690、K4+957.4、K7+207.4、K8+031服務(wù)區(qū)配電房、K9+043、K9+402、K9+702處用3、4芯連接。其中K8+031大橋監(jiān)控室配電房處為主工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，為整個環(huán)網(wǎng)的發(fā)送及接收節(jié)點，環(huán)網(wǎng)光纜纖芯分布，如圖4所示。

圖4 工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)環(huán)網(wǎng)光纜纖芯分布圖

工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)安裝在外場PLC機(jī)柜中，每個工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)為2芯進(jìn)2芯出，PLC與其他設(shè)備則可通過網(wǎng)線連接工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，將自身數(shù)據(jù)或狀態(tài)通過交換機(jī)進(jìn)行上傳，現(xiàn)場連接見圖5。

在上述工作完成后，將K1+665與K2+690、K8+772與K9+702兩處工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)互聯(lián)，在此二處將1、2芯與3、4芯兩組工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的連接，如圖5所示。之所以分別用2組2芯光纜連接設(shè)備是由于連接的設(shè)備越少光路越安全、穩(wěn)定。

圖5 工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)現(xiàn)場連接圖

環(huán)網(wǎng)連結(jié)完成后將通過K8+031大橋監(jiān)控室配電房處的主工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)連接大橋監(jiān)控室三層數(shù)據(jù)以太網(wǎng)交換機(jī)，環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)運行聯(lián)調(diào)成功后即可實現(xiàn)監(jiān)控分中心與外場設(shè)備數(shù)據(jù)的通信，如圖6所示。氣象監(jiān)測器，除濕機(jī)等設(shè)備可將采集到的數(shù)據(jù)上傳至大橋監(jiān)控室，最終能在分中心監(jiān)控軟件界面上查看每個外場監(jiān)控設(shè)備的工作狀態(tài)以及最新上傳的數(shù)據(jù)。

圖6 廈漳大橋環(huán)網(wǎng)連接示意圖

環(huán)網(wǎng)聯(lián)通并完成相關(guān)軟件的調(diào)試后，可在大橋監(jiān)控室通過上位機(jī)軟件控制PLC下位機(jī)來實現(xiàn)路燈和景觀燈在固定時段(晚上7點至早上7點亮燈)的自動通斷，也可根據(jù)需求實現(xiàn)實時的手動控制通斷，同時路燈狀態(tài)(亮、熄滅、故障)也會及時反饋回來，大橋監(jiān)控室需要發(fā)布的各類信息也可在監(jiān)控工作站上通過環(huán)網(wǎng)發(fā)布至指定位置的情報板。具體傳輸過程如下：工作站下發(fā)指令后通過三層數(shù)據(jù)以太網(wǎng)交換機(jī)傳輸至環(huán)網(wǎng)，再由對應(yīng)IP的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)將指令傳至PLC，最終實現(xiàn)對設(shè)備的控制。傳輸通信結(jié)構(gòu)如圖7。

圖7 廈漳大橋環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸示意圖

4 結(jié)語

通車后試運行至今廈漳大橋監(jiān)控系統(tǒng)運行良好，達(dá)到了大橋監(jiān)控系統(tǒng)的目標(biāo)：監(jiān)視沿線交通運行狀況，采集交通、氣象參數(shù)，發(fā)布信息和指令；平滑交通流、控制車速，減少交通擁擠和阻塞；及時發(fā)現(xiàn)和處理交通事故，減少二次事故的發(fā)生；及時提供必要的信息，給道路使用者提供幫助；保證服務(wù)水平、提高通行能力、減少車輛延誤。工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)成環(huán)網(wǎng)很好地解決了廈漳大橋監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備連接數(shù)據(jù)傳輸問題，在試運行時還經(jīng)受住了2次大臺風(fēng)的考驗，在臺風(fēng)期間保證了監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸。

工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)成環(huán)網(wǎng)技術(shù)可應(yīng)用于類似條件的橋梁監(jiān)控系統(tǒng)，也可應(yīng)用于高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)：可將隧道的左右洞多個工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)連接組成一個環(huán)網(wǎng)[6]，通過環(huán)網(wǎng)將隧道內(nèi)各種監(jiān)控設(shè)備數(shù)據(jù)上傳至隧道監(jiān)控中心。工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)成環(huán)網(wǎng)在解決交通監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸方面有著很好的實踐性。

[1] Chantal Polsonetti. 工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)全球市場研究簡要報告[J]. 可編程控制器與工廠自動化,2013(6): 24-24.

[2] 曹雙慶. 工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)在石油石化工程建設(shè)中的應(yīng)用[J]. 山西交通科技,2015(5): 5-7.

[3] 姜曉旭，郝炳莉. 工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)在高速公路視頻監(jiān)控中的應(yīng)用[J].中國交通信息化,2013(7): 124-126.

[4] 楊坤, 李輝. 高速公路監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 中國交通信息化,2015(S1): 101-104.

[5] 高會生, 趙建立, 王宇, 等. SDH自愈環(huán)網(wǎng)有效性模型的研究[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報,2009(1): 91-94.

[6] 杜立超, 張鋒, 胡詳文. 基于視頻以太網(wǎng)交換機(jī)的高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 中國交通信息化,2015(S1): 109-111.

ApplicationofIndustrialEthernetSwitchinGrandBridge

DUAN Xin

(Department of electrical and mechanical technology, Chongqing Huachi Traffic Science and Technology Co. Ltd.，Chongqing 400060, China)

Xiazhang sea-crossing bridge have a lot of monitoring and lighting equipment which must be stable and reliable upload to the bridge monitoring center. The monitoring center should also achieve the remote control of all kinds of equipment on the bridge. However, the bridge is so long, and the natural environment is worse. The industrial Ethernet switches can be used to achieve the above functions of traditional switch. Industrial Ethernet switches with high reliability, suitable for harsh environments, and industrial Ethernet switch ring network technology can provide an effective and stable transmission solution.

Xiazhang sea-crossing bridge；Industrial Ethernet switch；ring network

U49

A

1009-7961(2017)05-0019-04

2017-04-14

段昕(1983-),男，湖南婁底人，工程師，碩士，主要從事交通機(jī)電工程研究。

(責(zé)任編輯：孫文彬)