基于Profinet总线协议在云南高速公路隧道监控系统中的应用.docx

基于总线协议在云南高速公路Profinet隧道监控系统中的应用鲍学俊( 云南省交通规划设计研究院，云南 昆明650011)摘 要: 随着国家高速公路的快速发展，以及智能交通和智能控制概念的深入，对于高速公路隧道内设备的控制有了更高的要求。基于 POFINET 新型工业以太网传输协议的 PLC 控制器，以其可靠的传输速率、灵活的组网方式以及与 其他设备极强的兼容性，很好地满足并推动了高速公路隧道监控智能化的发展。关键词: Profinet; 总线协议; PLC 控制; 隧道监控; 高速公路中图分类号: U45文献标识码: B制，及时发现各种异常情况并采取应急措施，以确保高速公路高速、安全、舒适、经济地运营。隧道监控系统构成隧道监控具有交通流量大、行车速度快等特点， 高速公路隧道是高速公路路网的咽喉地段需要采用先 进的监控管理措施。在交通量大、气候恶劣的情况 下，极易发生交通事故和交通阻塞。因此，在高速公 路监控系统中就需要对高速公路收费口、隧道进出口 及隧道中间段、高速公路事故易发点等位置进行监 控。隧道监控系统可分为: 视频监控、收费系统、通 信系统以及隧道机电监控系统，自动化应用则主要侧 重于隧道机电监控。而隧道机电监控系统又可分为以下 4 个子系统: 交通监控系统、照明系统、通风系统、环境监测系 统、供配电系统，通过以上这些子系统监控隧道内环 境、照明、 车 流、 供 电 情 况、 诱导以及设备的控 制等。交通监控系统主要负责监控隧道内的车道红指 示、红绿灯、诱导以及隧道内视频监控等，所涉及设 备则是诸如车道指示器、红绿灯、可变情报板、横道 门、交通诱导灯等; 照明系统主要负责洞外引道照 明、洞内主线照明、应急照明、应急停车带照明、横 洞照明等; 环境监测系统通过车检器、一氧化碳 / 能 见度检测器、风速风向检测器、气象监测站等监测隧 道内的车流、CO 含量、亮度、风向等参数; 通风系 统主要负责: 满足隧道内阻塞、火灾等情况时通风要 求; 供配电系统主要为通风、照明，以及少量消防、 监控、通信设施用电。此外还有火灾报警、紧急电话 等系统。通过以上各系统实现对关键路段实施交通适时控1解决方案2监控系统通讯网络和 PLC 控制是隧道监控系统的核心组成部分，他们的性能对隧道监控系统会起到 决定性的作用。根据隧道本身的特点和监控需求选择 合适的 PLC 及通讯网络是保证隧道监控系统险能的 重要因素。隧道监控系统从结构上来说主要分为 3 层: 监控 层、控制层、设备层 (见图 1)。图 1 自动化监控系统隧道监控层: 一般设置多台 SCADA 工作站由多 台 PC 组成，负责提供中心级的监控界面、采集现场 数据并存入数据库并为上一级提供数据接口。在 PC 上运行的 SCADA 系统通过 OPC、MODBUS TCP 或 者 PLC 驱动等方式来实现对现场层设备的控制与监 视，如现场数据采集、设备控制、测量、参数调节、 信号报警等功能。隧道监控层，即监控分中心一般将 设置多台 SCADA 工作站。分别用于交通监控、消防2014 年 9 期(总第 117 期) 193桥隧工程报警、图形控制、通风照明控制、视频监控等，完成隧道内各种设备的状态显示、自动控制、半自动控 制、打印报警、分析报表等工作。同时，监控分中心 还将设置了多台服务器，为其它计算机提供支援和与 监控总中心进行通信隧道控制层: 早期以现场总线为桥梁实现隧道区 域控制器控制网络，常见的比如 Controller Link、Lon- Works、Modbus 等 协 议。 它们共同特点是高 速、 可 靠。但随着自动化的不断发展以及工业以太网出现， 诸如 Profinet、Ethernet / IP 等工业以太网的出现直接 实现变电所主控制器与隧道内现场控制器或者现场 IO 之间进行通讯，一网到底或者说 IP POWE Au- tomation 的概念被人们不断提及。在这种架构下，可 以直接通过工业以太网方便的组建网络架构、保证系 统实时性、兼容性并可以利用原有投资的网络进行方 便的改造。因此，工业以太网是今后自动化的一个大 趋势及发展方向。隧道现场层: 则通过现场总线实现 PLC 与现场 输入输出等模块、通讯模块之间数据交换。它们有 Interbus、Profibus、 DeviceNet、 Modbus 等 等 常 见 总 线。而 Profibus 已经成为工业界的标准总线，两者在 不同行业都占据着领先位置并得到广泛应用。2 1 可编程控制器 作为隧道监控的核心控制器，其必须具备以下几大功能特点: 首先本身必须稳定可靠，并具有预先处 理数据和集中传输数据的能力，具有较高的故障保护 能力。其次，区域控制器可以独立承担控制分区的基 本控制任务，即使监控站或者监控中心因故障停止运 行，相邻区域的控制器也能交换交通量信息。再次， 当某区域的交通量出现变化时，可按预定方案和程序 采取相应的算法，对相关区域的流量做出相应的调 整。因此，它必须至少有如下功能模块，数据采集存 储处理功能，实现集中和独立工作方式，尤其是在独 立控制时能与相邻控制器实现数据交换; 通信功能、 容错功能、自动诊断功能和本地操作功能即能带触 摸屏。2 2 工业以太网自动化技术总是处于一种不断的动态变化进程 中，更多来自市场和用户对信息技术的需求推动着 IT 技术在自动化领域的普及。在这种背景下，各大 自动化厂商除了 PLC 方面产品不断更新外还有基于 以太网的工业以太网。最被人们熟知的有 Profinet、 Ethernet / IP、Modbus TCP / IP 等。在隧道监控行业中 使用广泛的首推 Profinet 技术，它可以和传统的以太网无缝结合，最大程度保留原有投资并确保监控范围内各部门间的通信交流。Phoenixcontact 和 Profinet 总线:Phoenixcontact 和 Siemens 是 Profinet 的主要倡导(POFIBUS Interna-者。Profinet 由 Profibus 国际组织tional，PI)推出，是新一代基于工业以太网技术的自动 化 总 线 标 准。 作 为 一 项战略性的技术创 新，POFINET 为自动化通信领域提供了一个完整的网络 解决方案，囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布 式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域 的热点话题，并且作为跨供应商的技术，可以完全兼 容工业以太网和现有的现场总线 (如 POFIBUS) 技 术，保护现有投资。POFINET 是适用于不同需求的完整解决方案， 其功能包括 8 个主要的模块，依次为实时通信、分布 式现场设备、运动控制、分布式自动化、网络安装、 IT 标准和信息安全、故障安全和过程自动化。POFINET 实时通信 (见图 2)2 2 1根据响应时间的不同，POFINET 支持下列 3 种通讯方式 (见图 3):图 2 POFINET 通讯系统TCP / IP 标准通讯(1)POFINET 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。(2)实时(T)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，POFINET 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194 2014 年 9 期(总第 117 期)通讯栈中的处理时 间，POFINET 实 时 通 讯的典型响应时间是 5 10ms( T )段高速公路全长 63 86013km。项目概算投资 46 亿余元，双向 4 车道，设计时速 80km / h，线路将穿越 高黎贡山、龙江大峡谷。保腾高速的重要性: 保腾高 速为停滞期结束后第一条国家高速项目，并拉开新一 波高速建设高峰。云南地理位置险恶海拔高，高速公 路修建难度高，隧道群分布集中，环境早晚温差大、 湿度大，对设备要求高。对于产品可靠性和稳定性是 极大了考验。云南高速的重要象征意义，是西南的重 要市场。在保腾高速中共有腾越、勐连、鹿山、龙玉4 个隧道。隧道监控系统中，包括 3 套本地控制器实现本地 冗余，其余的隧道内本地控制器分散布置在 4 个隧 道上下行的各个位置，所有本地控制器通过 100M / s 速率的以太网形成光纤冗余环网。光纤环网使得环路 上任意两个区域控制器间通信有两条物理链路，这样 即使某处光纤出现断裂故障，系统仍可以自动寻找到 反方向的通信链路继续维持通信，既增加了通信可靠 性，同时菲尼克斯交换机支持的 FD 冗余环网治愈 速度更高、环网设备数量更多。隧道变电所内的主控 本地控制器也通过 100M / s 速率的光纤以太网与监控 通信中心相连，保证了监控数据和指令的实时数据 传输。各 PLC 对照明、通风、本地控制系统信息进行 采集，同时按所设定的程序以及上位机的指令进行相 应的动作。采集的信息经光纤以太环网传至控制室中 央计算机上，实现联网。另外，在主控制器上还配有 液晶触摸屏，用来对给设备操作和显示其反馈信息及 检查所辖各设备的状态，在隧道监控中心的服务器上 汇集了隧道各个设备实时信息。所以本地控制器不仅 要能快速交换实时数据，进行数据采集，并能接受和 执行上位机的指令，通过服务器可对现场任一设备 (照明、通风、本地控制器) 发布操作命令。在传统 的控制方案中都是变电所以及隧道内的现场控制器都 采用主控制器。在项目中菲尼克斯凭借灵活配置，直 接采用 ILC330 PN 控制器作为主控制器，现场采用隧 道内远程 IO 的方式 (见图 4)。一方面满足客户在冗 余方面的要求同时也将降低客户成本。(3)同步实时(IT)通讯在现场级通讯中，对通讯实时性要求最高的是运(Motion Control)，POFINET 的同步实时(I-动控制sochronous eal Time，IT) 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。图 3 Profinet 响应时间POFINET 分布式现场设备:2 2 2通过集成 POFINET 接口，分布式现场设备可以直接连接到 POFINET 上。对于现有的现场总线通讯系统，可以通过代理服 务器实现与 POFINET 的透明连接。例如，通过 IE /( POFINET 和 POFIBUS 之间的代理服务PB Link器) 可 以 将 一 个POFIBUS网络透明的集成到 POFINET 当中，POFIBUS 各种丰富的设备诊断功能同样也适用于 POFINET。对于其他类型的现场总 线，可以通过同样的方式，使用一个代理服务器将现 场总线网络接入到 POFINET 当中。总的来说，隧道配置方案首先根据项目对于整个 系统的需求出发，比如 PLC 的性能要求、功能要求， 是否需要冗余，是需要本地冗余还是异地冗余; 网络 搭建则需要参考距离、可靠性需求以及是否需要形成环网等;方面。现场控制站点采用 PLC 还是远程 IO 等等应用案例3结语云南高速公路建设由于多山的自然环境，有着众 多的隧道，甚至是隧道群，所以隧道安全保障也比其 他省份更为重要。隧道监控设备是保障隧道安全的最 可靠保证，而 PLC 控制器及其环网的稳定性、可靠 性又是个隧道监控的保证。基于 Profinet 实时以太网4以下以云南保腾高速公路为例，介绍该项目的隧道机电监控系统。项目背景: 保山至腾冲段高速公路 是云南省干线公路 “9210” 骨架网、 “7719” 一般干 线网和高速公路网的公路发展总体规划中的一部分， 是昆明至缅甸、印度国际大通道及亚洲公路网的重要 组成部分，线路接保龙高速公路小田坝立交建设，该2014 年 9 期(总第 117 期) 195桥