工業(yè)以太網(wǎng)的高速公路隧道配電自動化系統(tǒng)研究

郝喜濤

摘 要：本文針對工業(yè)以太網(wǎng)基本內(nèi)容和應(yīng)用優(yōu)勢展開分析，通過研究數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、信息控制系統(tǒng)、信息預(yù)警系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)等擬建要點(diǎn)，其目的在于提升隧道配電自動化系統(tǒng)應(yīng)用效果，營造安全的隧道運(yùn)行環(huán)境。

關(guān)鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng);高速公路;配電自動化系統(tǒng)

在高速公路工程施工過程中，隧道工程屬于施工難點(diǎn)之一，配電系統(tǒng)作為工程施工期間的附屬項(xiàng)目，其工作穩(wěn)定性也會影響隧道運(yùn)行環(huán)境的安全性。在配電自動化系統(tǒng)基礎(chǔ)上融入工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，不僅可以提升系統(tǒng)運(yùn)行過程的穩(wěn)定性，而且能夠提高信息傳輸時效性，提高公路隧道運(yùn)行環(huán)境的安全性。

1 工業(yè)以太網(wǎng)相關(guān)內(nèi)容概述

1.1 基本內(nèi)容

工業(yè)以太網(wǎng)是基于IEEE 802.3（Ethernet）的強(qiáng)大的區(qū)域和單元網(wǎng)絡(luò)，該技術(shù)的應(yīng)用，提供了無縫集成到新多媒體世界的途徑。從實(shí)際應(yīng)用情況來看，該技術(shù)不僅應(yīng)用在辦公領(lǐng)域中，而且在生產(chǎn)領(lǐng)域、監(jiān)控管理領(lǐng)域、生活領(lǐng)域中都得到了良好應(yīng)用。從實(shí)際應(yīng)用情況來看，工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行冗余網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建時，主要包括STP及RSTP、環(huán)網(wǎng)冗余和主干冗余幾種。以主干冗余為例，此類網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用中，會將不同類型交換機(jī)端口作為Trunking主干端口，以此來建立應(yīng)用連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的高速交互。

1.2 應(yīng)用優(yōu)勢

基于現(xiàn)有應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，工業(yè)以太網(wǎng)在使用過程中具備以下應(yīng)用優(yōu)勢：（1）應(yīng)用廣泛度高，以太網(wǎng)是應(yīng)用最廣泛的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，幾乎所有的編程語言如Visual C+Java Visual Basic等都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)。（2）通信速率高，從目前應(yīng)用情況來看，10 Mb/s、100 Mb/s的快速以太網(wǎng)已開始廣泛應(yīng)用，1 Gb/s以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，而傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線最高速率只有12 Mb/s。顯然，以太網(wǎng)的速率要比傳統(tǒng)現(xiàn)場總線更快，能夠滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不斷增長的帶寬要求。（3）資源共享能力強(qiáng)，隨著Internet/Intranet的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)上的用戶已解除了資源地理位置上的束縛，在聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)的任何一臺計(jì)算機(jī)上就能瀏覽工業(yè)控制現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)“控管一體化”，可以滿足更多情況下的管理需求。（4）發(fā)展?jié)摿Υ?，在機(jī)器人技術(shù)、智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)持續(xù)發(fā)展背景下，對于通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬與性能提出了更高要求，而工業(yè)以太網(wǎng)的可拓展性和兼容性較強(qiáng)，可以滿足這些技術(shù)的應(yīng)用需求，具備很強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2 高速公路隧道配電自動化系統(tǒng)擬建要點(diǎn)

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

基于工業(yè)以太網(wǎng)來建立配電自動化網(wǎng)絡(luò)時，可以對現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提升信息采集速度與精準(zhǔn)度。從系統(tǒng)應(yīng)用情況來看，所需要采集的信號內(nèi)容包括電壓信號、電流信號、功率信號、頻率信號、數(shù)字量信號等。工業(yè)以太網(wǎng)可以提供計(jì)算功能，在采集到數(shù)據(jù)信號后可以對其進(jìn)行初步處理，如校驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度、完整性、簡單分類等，隨后以數(shù)據(jù)包的形式，將其輸送到控制系統(tǒng)中進(jìn)行進(jìn)一步分析。同時系統(tǒng)內(nèi)也會設(shè)置識別模塊，對于開關(guān)變位信號會進(jìn)行優(yōu)先傳輸，借此來提升配電系統(tǒng)調(diào)度過程的時效性。

2.2 網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)

利用工業(yè)以太網(wǎng)也可以對網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，在交換機(jī)的選擇中，需結(jié)合隧道工程配電情況進(jìn)行選擇，一般情況交換機(jī)上聯(lián)需要預(yù)留至少兩個100 Mbit/s的光纖接口，滿足數(shù)據(jù)信息快速傳遞交互的基本需求。同時考慮到信息傳輸?shù)募嫒菪詥栴}，也需要設(shè)置10 Mbit/s和100 Mbit/s普通雙絞線端口，此類端口在設(shè)計(jì)中都具備了較強(qiáng)的自適應(yīng)功能，可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)行要求調(diào)整工作狀態(tài)，確保接收數(shù)據(jù)包可以完整傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)當(dāng)中。另外，在網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，還需要配備相應(yīng)的服務(wù)電源，考慮隧道工作環(huán)境的基本情況，多采用24 V電源來服務(wù)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，從而提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行過程的安全性。

2.3 信息控制系統(tǒng)

2.3.1 現(xiàn)場級控制層

對于現(xiàn)場級控制層而言，其主要作用是對現(xiàn)場突發(fā)情況進(jìn)行及時處理，避免系統(tǒng)故障負(fù)面影響范圍的擴(kuò)大。根據(jù)隧道工作環(huán)境的基本特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，該控制層的搭建需要滿足穩(wěn)定性、便捷性等特點(diǎn)，而且也能夠契合自動化系統(tǒng)運(yùn)行要求和工業(yè)以太網(wǎng)管理要求，以提升系統(tǒng)運(yùn)行過程的安全性。通常情況下，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中會使用到綜合數(shù)字繼電器，搭配MODBUS現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的快速傳輸。同時在系統(tǒng)中也會安裝智能控制設(shè)備，如溫度控制裝置、UPS電源控制裝置、濕度監(jiān)測裝置等，借此來提升現(xiàn)場控制管理過程的穩(wěn)定性，滿足相應(yīng)的管理需求。

2.3.2 子站級控制層

對于子站級控制層而言，其主要作用是對隧道配電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，得到對應(yīng)反饋數(shù)據(jù)后也可以及時作出系統(tǒng)運(yùn)行情況的動態(tài)調(diào)整，以維持配電系統(tǒng)工作狀態(tài)的穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，該控制層的搭建也需要滿足自動化、靈活性等要求，而且也需要具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，可以完成自動化測量、自動化調(diào)控、自動化預(yù)警、信息統(tǒng)計(jì)等工作，從而提升系統(tǒng)工作狀態(tài)的穩(wěn)定性。從組成情況來看，系統(tǒng)的主要硬件以高性能工控機(jī)為主，搭配Windows系列操作系統(tǒng)、集成化控制軟件，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場運(yùn)行管理的動態(tài)監(jiān)測，以提升系統(tǒng)工作狀態(tài)的穩(wěn)定性與可靠性[1]。

2.3.3 主站級控制層

對于主站級控制層而言，其主要作用是對隧道配電系統(tǒng)整體運(yùn)行情況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，在獲取到子站傳輸?shù)膽?yīng)用信息后，會對其進(jìn)行綜合處理，根據(jù)處理結(jié)果來下達(dá)調(diào)控指令，從而維持配電系統(tǒng)工作狀態(tài)的安全性。在實(shí)際應(yīng)用中，該控制層需要具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠在短時間內(nèi)完成信息處理，得到準(zhǔn)確的評估結(jié)果，從而維護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的高效性。從組成情況來看，系統(tǒng)的主要硬件也是以高性能工控機(jī)為主，搭配Windows系列操作系統(tǒng)、INT- SCADA系列軟件，滿足系統(tǒng)運(yùn)行過程的實(shí)時監(jiān)測，提高系統(tǒng)工作過程的穩(wěn)定性[2]。

2.4 信息預(yù)警系統(tǒng)

隧道配電自動化系統(tǒng)在工作過程中，受到設(shè)備運(yùn)行因素、環(huán)境因素、突發(fā)事件（如車輛撞擊、爆炸等）的影響，會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行異常的情況。對此，基于以太網(wǎng)技術(shù)也可以建立智能預(yù)警系統(tǒng)，對于突發(fā)問題進(jìn)行及時預(yù)警，縮減故障檢修時間，維持隧道工作環(huán)境安全性。通常情況下，系統(tǒng)所需要識別的預(yù)警信號包括開關(guān)異常、斷路器運(yùn)行異常、過載電流、過載電壓信號等，這也利用到以太網(wǎng)技術(shù)的兼容性和拓展性，從而提升預(yù)警內(nèi)容的合理性[3]。

2.5 人機(jī)交互系統(tǒng)

除上述應(yīng)用系統(tǒng)外，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在人機(jī)交互系統(tǒng)中也有著良好的應(yīng)用價值。利用SCADA系統(tǒng)的兼容性，可以根據(jù)實(shí)際需求來生成各種類型的交互頁面，如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖、操作過程圖、反饋結(jié)果圖等。同時交互界面上還會設(shè)置應(yīng)用目錄，不同權(quán)限人員所能訪問的目錄存在差異，借此來提高交互系統(tǒng)工作過程的高效性，減少人為因素帶來的干擾性。

3 結(jié)束語

綜上所述，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)擁有較多的應(yīng)用優(yōu)勢，將工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到隧道配電自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一方面，可以對系統(tǒng)功能進(jìn)行拓展，提高其兼容性，另一方面，能夠提高系統(tǒng)反應(yīng)靈敏性，營造良好的隧道運(yùn)行環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

[1]葛穎豐，貝斌斌，陳徐，等.繼電保護(hù)與配電自動化配合的配電網(wǎng)故障處理研究[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2021，11（3）：80-81.

[2]孫暄，何婕，李響.適用于公用網(wǎng)絡(luò)通信的電力自動化終端信息交換數(shù)據(jù)加密設(shè)計(jì)[J].電子世界，2020（4）：126-127.

[3]周曉.配電自動化系統(tǒng)在高速公路10 kV中壓電網(wǎng)中的應(yīng)用探討[J].四川水泥，2020（1）：151.