Profinet实时以太网在交通隧道中的运用.doc

PROFINET在交通隧道监控系统中的运用Application of PROFINET Technology in Traffic Tunnel Control System施 华 程 雪 菲尼克斯（中国）投资有限公司摘要：高速公路隧道监控系统最主要是安全、可靠和稳定。本文探讨构建PROFIENT实时以太网的隧道监控系统，并基于PROFIENT特点提出了控制信息分流技术，从而进一步确保系统的安全稳定。同时利用对象化编程理念来开发监控软件，提高项目开发和后期维护的效率。关键字：PROFINET 隧道监控 信息分流 对象化Abstract：It is most important that High-way Tunnel Control system should be safety, steady and reliable. The real-time Ethernet PROFINET used in tunnel control system has been discussed in this paper. Based on the characteristic of PROFNET, a new method to separate the control information has been applied to make tunnel control system more steadily. Meanwhile, using the idea of object modularization to make program can let the whole system become not only more structured but also more convenient to debug and maintain in the project. Keywords：PROFINET,Tunnel Control,Information Separation,Modularization一、引言高速公路是全封闭、全立交的道路，在高速公路上运行的车辆行驶速度快，车流量大。它的理想特征是“安全、快速、高效、舒适、方便”。隧道是高速公路上的特殊路段, 空间环境狭窄，灯光和视线不佳，极易繁盛交通事故或火灾等紧急事件，其后果将比公路段的事故严重的多。因此，高速公路隧道监控设计和建设一直为世界各国高速公路建设部门所重视，随着国内交通需求的不断增加，也越来越成为交通设施建设和管理部门关注的焦点。 本文以某段高速公路隧道项目为背景，基于菲尼克斯（Phoenix Contact）自动化产品，构建实时以太网PROFINET的隧道监控系统，从而实现实时以太网的隧道监控系统，确保系统稳定和隧道安全。二、PROFIENT实时以太网隧道监控技术跟随自动化技术在不断的发展进程之中。上个世纪自动化推出的现场总线的技术，使得自动化集中化控制转向分散化控制。随着自动化纵向集成需求的日益强烈（EMS（企业制造系统），ERP（企业资源计划），自动化技术正日益受到信息技术（IT）的原理和标准的重大影响。以太网在办公领域早已成熟，并成为标准的总线系统，为市场广泛接受。同时对以太网的开发也从来没有停止过，例如如何提高传输效率等。自动化领域中基于信息技术（IT）的实时以太网孕育而生。代表全世界1200多家会员公司的PI国际组织推出了基于实时工业以太网的PROFINET自动化解决方案。该技术为当前的自动化用户提供了一个简单、可靠、完整和高性能的工业以太网平台的解决方案。PROFINET的特点主要如下1： 1、系统开放性、实时性、稳定性好。以太网以前主要用于商业、办公系统，性能稳定可靠，西门子把以太网引人工业现场， 替代以前用PROFIBUS总线连接底层设备的状况，从而保证了大量底层设备的正常通信。 2、网络拓扑结构能够实现灵活多样的组网。由于硬件上的改进，使用网络交换机很容易组成星型、树型等系统架构。 3、基于TCPIP的标准以太网，系统兼容性好，资源共享能力强，很容易实现各种信息技术的集成。PROFINET有3种通信方式2：TCPIP标准通信； 实时通信（RT），应用于传感器和执行器之间的数据交换；等时同步实时（IRT）通信，应用于实时性要求很高的运动控制。PROFINET的通讯标准确保了数据的实时性，能同时又传递标准TCP/IP数据，体现其兼容性。1、TCP/IP标准通讯PROFINET基于工业以太网技术，使用TCP/IP和IT标准。TCP/IP 是IT 领域关于通信协议方面事实上的标准，尽管其响应时间大概在100 ms的量级，不过，对于工厂控制级的应用来说，这个响应时间就足够了。同时PROFINET支持如SMTP（用于电子邮件），FTP（用于文件传输）和HTTP（用于互联网）等标准的应用层协议。2、实时（RT）通讯 对于传感器和执行器设备之间的数据交换，系统对响应时间的要求更为严格，因此，PROFINET提供了一个优化的、基于以太网第二层（Layer 2）的实时通讯通道，通过该实时通道，极大地减少了数据在通讯栈中的处理时间，而且也对网络中数据的传输进行了优化。为了能在这些情况下达到一种最佳结果，在PROFINET中按照IEEE 802.1Q将这些数据包区分优先级。设备之间的数据流则由网络组件依据此优先级进行处理。PROFINET实时通讯（RT）的典型响应时间是510ms。3、同步实时（IRT）通讯在现场级的通讯中，对通讯实时性要求最高的是运动控制（Motion Control），PROFINET的同步实时（Isochronous Real-Time, IRT）技术可以满足运动控制的高速通讯需求，在100个节点下，其响应时间要小于1ms，抖动误差要小于1s，以此来保证及时的、确定的响应。同步数据传输的实现基于硬件。具备此功能的 ASIC包括用于实时数据的循环同步和时间间隔保留功能。基于硬件的实现能够获得所要求的异常重要的顺序精度要求，同时也解放了承担 PROFINET 设备通信任务的处理器。这就免除了烦琐的计算，从而可为自动化任务提供解决方案。10ms100ms1msTCP/IPIRTRT图1 PROFINET实时通讯三、隧道监控系统架构隧道监控系统由信息采集子系统、交通控制及诱导子系统、通风控制子系统、照明控制子系统、闭路电视监视子系统和火灾报警子系统等组成。按照设备的类型可分为检测设备、控制设备和显示设备。检测设备如火灾报警探头、车辆检测器、CO/VI检测仪和风速风向检测仪等；控制设备如交通区域控制器、照明区域控制器和通风区域控制器等；显示设备如计算机工作站、大屏幕监视器和声光报警器等34。在隧道内设置区域控制器，每个区域控制器负责所管辖范围内的现场设备控制和数据采集。隧道内的区域控制器通过通信网络连接在一起, 通过通信网络与管理所计算机系统信息交换。该高速路项目中，共有两段隧道，分别长1.8公里和1.9公里。每一段隧道分为左洞和右洞，用于两个方向的车流控制5。根据行业标准，每一个隧道洞设置4台区域控制，用来控制隧道内的交通信号和信息系统设备。同时由变电所里面的主控制器通过实时以太网PROFIENT收集隧道内的区域控制器的现场信息。主控室里的计算机采集变电所里的控制器，根据现场采集的信息，来进行对隧道内各个设备的控制。由于隧道监控安全性的要求，各个区域内的设备的控制和采集都使用可以独立运行的菲尼克斯ILC 170 2TX 型PLC。该PLC不仅具有较高的控制性能，同时可以支持PROFINET IO功能。主控采用ILC 370 PN 2TX-IB控制器，通过PROFINET对各个ILC 170进行通讯和控制。所有的通讯网络使用菲尼克斯的管理型交换机，形成冗余光纤环网，以确保通讯的高可靠性。其控制系统架构示意图见图2。ILC 170ILC 370HMI隧道一隧道二图2 基于PROFIENT控制系统架构Profinet冗余光纤环网Profinet冗余光纤环网四、信息数据分流整个监控系统网络中，根据控制对象的不同，可以划分为控制命令数据，设备状态信息和信息数据。控制命令数据主要是指对于现场设备的控制命令，如交通信号灯命令，照明系统命令等。设备状态信息反应现场侧设备有无故障，如火灾报警，风机故障报警等。信息数据主要来自于现场设备对隧道内车流量的检测等。因此信息数据的优先权远低于控制命令数据和设备状态信息。现有的典型的隧道控制系统都通过以太网进行通讯，因此对于信息数据比较大的情况，往往一些统计信息会阻塞优先级更高的控制数据和设备状态数据。这样在现有的系统中，时常出现主控室里面发出关闭命令后，现场设备需要等待一段时间才会动作的原因。该系统用Phoenix的PROFINET网络构建，根据PROFINET的实时性特点，设计系统软件时，使用不同的通讯方式以区分不同等级的数据。对于控制命令和设备状态信息，通过PROFINET IO功能进行通讯，而对于大数据量的查询数据，使用标准的以太网进行数据通讯。这样即使在大数据通讯的时候，也能确保主控制室里面对现场设备进行快速的控制。（详见图3）图3 数据分流通讯模式设备状态控制命令典型通讯方式主控制器控制命令设备状态查询信息现场控制器标准以太网PROFINET通讯方案主控制器查询信息现场控制器标准以太网PROFINET IO五、控制软件实现隧道监控系统一般按三级控制模式设计, 分为隧道监控室级、 区域控制段级、 设备手动控制级，每一级都有自己的控制范围与权限, 因此在控制方案与优先级上有所不同。在不同的时候，系统需要处理不同的控制预案，已达到对隧道的自动控制。当出现特殊情况时，又需要针对某一设备进行单独控制。因此合理地设计软件控制架构，不仅能够提高设计和开发效率，而且也能够使现场调试和维护更容易6。PCworX编程软件支持标准的IEC61131的5种编程语言7。因此在实际项目中，我们采用基于对象的编程理念，分别对隧道内不同的控制和采集的设备进行对象化编程，同时根据现有的控制工艺，增加对象的控制属性，即控制优先级。控制对象调试完成后，对实际控制设备进行对象实例化操作，这样可以确保对隧道内设备编程的统一性。隧道控制中最主要的三大控制系统为：交通控制系统、通风控制系统和照明控制系统。根据控制系统的需求，集合所有相关设备并进行整体的控制预案的编写。由于实际中控制对象的生成在隧道各个PLC中，因此对于设备对象的控制和状态，通过PROFINET IO的通讯方式，确保了主控制器对各个对象设备的控制的及时和安全。对象化地编程方式使得三大控制系统即相互独立又相互联系。根据实际情况，上位机和监控室对隧道发出控制预案和控制干预，当各个控制系统接受到对应的控制命令后，做出相应的控制动作。整体的控制框架如图4所示。车辆检测仪光强检测仪环境检测仪火灾探测器可变情报板交通信号灯照明系统信息传输控制指令信息采集分析控制预案自动控制手动控制火灾处理交通事故异常情况照明控制系统通风控制系统交通控制系统上位信息系统下发干预干预干预采集记录图4 控制软件系统框架五、总结高速公路的隧道监控工程是一个系统工程，构成复杂 数据采集量大，控制站点多，设备分布分散，而且隧道环境恶劣，因此监控系统最主要是安全可靠和稳定。基于PROFINET实时以太网的控制架构和信息分流技术是新技术革新下的探索。利用PROFINET实时网络技术和对象化编程理念，不仅提高了系统的稳定性和可靠性，同时也提高了项目开发和后期维护的效率。自动化技术日新月异，必然会引领隧道监控系统走向新的革新时代。参考文献：1 陈海东. PROFINET实时以太网简介. 工业以太网和现场总线J. 2004. 32342 西门