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1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計
綜合管廊控制系統(tǒng)的可靠性要求高，且現(xiàn)場環(huán)境濕度大，存在腐蝕性、可燃性氣體，對硬件產(chǎn)品品質(zhì)有很高的要求。同時控制系統(tǒng)還需要有靈活的結(jié)構(gòu)，以便于后期系統(tǒng)的擴展，冗余光纖工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)及信息技術(shù)的高度集成也是項目的一個特點。綜合管廊是未來智慧城市重要組成部分，所以對綜合管廊自控系統(tǒng)的信息化程度要求很高。綜合管廊信息化程度很大程度上決定于綜合管廊的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。
1.1網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)
一般，綜合管廊系統(tǒng)架構(gòu)可分為如下三類。
(1)傳統(tǒng)離散型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。每個ACu均配置PLc，再由交換機組成環(huán)網(wǎng)。傳統(tǒng)離散型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。
圖1 傳統(tǒng)離散型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)點是可以分散Acu故障風(fēng)險，每個區(qū)域Acu相對獨立，可以單獨完成簡單邏輯控制；缺點是網(wǎng)絡(luò)可擴展性差，設(shè)備成本和運維成本高。如果區(qū)域Acu損壞，因涉及到編程，需要專業(yè)人員重新下載程序。
（2）中央控制結(jié)合遠程IO網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。
圖2 中央控制結(jié)合遠程IO網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可*大程度節(jié)省硬件成本、調(diào)試成本、維護成本，通常硬件損壞不涉及到編程，可以直接更換IO模塊，降低運維成本；缺點是中心PLc運行負荷大，風(fēng)險高，網(wǎng)絡(luò)擴展性能也相對較差。
（3）分級式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。每1～2 km設(shè)置控制PLc，其間5～10個ACU采用遠程IO。這些PLc再組成環(huán)網(wǎng)，*終上傳到監(jiān)控中心。分級式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。
圖3 分級式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
監(jiān)控中心冗余PLC+分變電所異地冗余PLC+防火分區(qū)Acu遠程IO的分級式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)兼具以上網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)點。
（1）硬件成本降低。將原來10個分區(qū)PLc縮減成為2個冗余PLc，ACu部分替換為遠程IO，降低硬件成本。
（2）故障風(fēng)險降低。一般，與PLc同系列同檔次的遠程IO接口模塊成本要比PLC低。但在穩(wěn)定性上，由于遠程10模塊只處理信號轉(zhuǎn)換(不做邏輯運算)，在硬件本身的設(shè)計上相對簡單、牢固、發(fā)熱量小、抗電磁干擾能力強，發(fā)生故障的概率小于PLc。而在分變電所采用異地冗余PLC本身的檔次定位、產(chǎn)品性能等各方面高于離散式方案的防火分區(qū)PLc，其發(fā)生故障概率小。又因為采用冗余系統(tǒng)，故障概率進一步降低。綜上所述，采用分變電所異地冗余PLC+防火分區(qū)Acu遠程IO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其故障風(fēng)險會比傳統(tǒng)離散式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的穩(wěn)定性高。
（3）施工成本降低。程序調(diào)試時可以利用對象編程(每個防火分區(qū)功能基本相同)來減少編程調(diào)試人員工作量。工作人員只需要在分變電所冗余PLC上對各個防火分區(qū)完成編程，不需要到每個防火分區(qū)設(shè)備間單獨調(diào)試，節(jié)省編程調(diào)試時間，加快項目進度。
（4）降低后期運維成本。在后期運維方面
如果采用離散式結(jié)構(gòu)，若防火分區(qū)PLc故障、損壞，則要廠家專業(yè)人員到現(xiàn)場安裝、下載程序、調(diào)試設(shè)備，運維成本增加，響應(yīng)時間延長。如果采用遠程IO，若設(shè)備損壞，現(xiàn)場的管廊運維人員就可以完成更換操作(只需要拆裝接線)，廠家可以通過遠程調(diào)試完成設(shè)置。現(xiàn)場維護人員不需要具有PLC編程經(jīng)驗，降低后期運維成本，加快故障處理響應(yīng)速度。
（5）網(wǎng)絡(luò)擴展性好。根據(jù)該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可以
將網(wǎng)絡(luò)劃分與道路客觀地理情況結(jié)合，按照道路的排布劃分為子網(wǎng)絡(luò)。在將來單條管廊形成路網(wǎng)，綜合管廊擴建時仍可按照該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將增加的道路以路段為環(huán)網(wǎng)單位加人整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。因此，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可擴展性好，結(jié)構(gòu)層次清晰。
（6）網(wǎng)絡(luò)容錯性好。環(huán)網(wǎng)上的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)越多，網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障的風(fēng)險越高。當環(huán)網(wǎng)兩個節(jié)點以上故障時，整個故障節(jié)點區(qū)間的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備全部掉線、失聯(lián)。故環(huán)網(wǎng)上節(jié)點數(shù)越少，環(huán)網(wǎng)故障率越低。對于分變電所異地冗余PLC+防火分區(qū)Acu遠程IO網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，主干網(wǎng)絡(luò)上只有分變電所PLC為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(即可以理解為l～2 km設(shè)一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點)，可以把主干網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)量控制在非常少的范圍內(nèi)。每個分變電所冗余PLC下的子環(huán)網(wǎng)只有遠程IO作為子環(huán)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，即每個子環(huán)網(wǎng)約10個遠程IO節(jié)點。故采用此種架構(gòu)，可以減少環(huán)形網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)和網(wǎng)絡(luò)負荷降低網(wǎng)絡(luò)故障風(fēng)險。
1.2開放式實時以太網(wǎng)協(xié)議
由于存在遠程IO，同時網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量多，拓撲復(fù)雜，故對現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)實時性有很高的要求。傳統(tǒng)TCP／IP網(wǎng)絡(luò)已成為辦公網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一標準，但由于其協(xié)議本身的缺點，不能作為工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)協(xié)議�；诖朔N需求，近年來工業(yè)實時以太網(wǎng)協(xié)議在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境得到廣泛應(yīng)用。目前，主流工業(yè)實時以太網(wǎng)協(xié)議主要有PROFINET和Ethernet／IP兩種。其中Ethernet／IP具有數(shù)據(jù)量小、速度快等特點，主要適用于運動控制領(lǐng)域；PROFINET具有數(shù)據(jù)量大、實時性好等特點，特別適用于大型網(wǎng)絡(luò)。采用PROFINET協(xié)議組成網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，硬件上可以做到“一網(wǎng)到底”，現(xiàn)場光纖環(huán)網(wǎng)可同時接入視頻信號、電話信號等網(wǎng)絡(luò)通信。PROFINET是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動化總線標準，可以確保在網(wǎng)絡(luò)傳輸中重要數(shù)據(jù)的傳輸可靠性。每個區(qū)域內(nèi)需要將攝像機影像傳送至監(jiān)控中心。攝像機影像數(shù)據(jù)與信號采集控制數(shù)據(jù)特點如表1所示。
表1 攝像機影像數(shù)據(jù)與信號采集控制數(shù)據(jù)特點
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比較項目
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實時性要求
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數(shù)據(jù)量太小
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信號采集控制數(shù)據(jù)
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高，控制信號需要實時響應(yīng)，控制現(xiàn)場設(shè)備動作
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小，往往kb級別
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攝像機影像數(shù)據(jù)
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低
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大，高清攝像頭往往6-8Mb
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將PROFINET應(yīng)用于管廊監(jiān)控，可以將數(shù)據(jù)采集、控制信號、視頻影像信號在同一個物理網(wǎng)絡(luò)傳輸。PROFINET協(xié)議相較于普通以太網(wǎng)協(xié)議具有更高的數(shù)據(jù)可靠性，確保整個監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)正常運行。
1.3控制層系統(tǒng)配置
PLC是控制層邏輯控制的核心，根據(jù)綜合管廊使用環(huán)境、功能要求等，可分為如下幾種類型。
(1)監(jiān)控中心PLc。負責(zé)與下層PLc通信，將所有收集數(shù)據(jù)進行匯總，并提供開放數(shù)據(jù)接口，與上位信息系統(tǒng)進行通信。一般采用大型冗余PLc，以保證穩(wěn)定性、可靠性。
(2)防火分區(qū)PLC。如采用離散式系統(tǒng)架構(gòu)，則該PLC負責(zé)該防火分區(qū)內(nèi)部數(shù)據(jù)采集與邏輯運算，并與監(jiān)控中心PLc進行數(shù)據(jù)交換。由于管廊現(xiàn)場環(huán)境惡劣(高溫、高濕、多塵)，一般也建議采用中型PLc(小型PLC普遍環(huán)境耐受性差，市場定位一般為0EM工廠客戶，雖然邏輯功能和處理速度等方面勉強能滿足系統(tǒng)要求，但在構(gòu)成大型網(wǎng)絡(luò)拓撲的組網(wǎng)性能、對上位信息系統(tǒng)的開放性支持及鏈接數(shù)量、整個產(chǎn)品定位及產(chǎn)品所采用的元器件方面均導(dǎo)致該產(chǎn)品在整體性能上不能滿足綜合管廊苛刻的環(huán)境及功能要求)。管廊系統(tǒng)龐大，子站多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整個項目對防火分區(qū)PLc組網(wǎng)性能、可擴展性能上要求很高。另管廊所處地帶氣候潮濕，土地鹽堿，因此在管廊中的凝結(jié)水一般都具有很高的鹽堿性，對設(shè)備腐蝕及損害大。故對在該環(huán)境下運行的設(shè)備具有很高的要求。
管廊內(nèi)部需要共同人廊各種線纜，包括110 kV、10 kV高壓電以及各種通信電纜，內(nèi)部電磁環(huán)境復(fù)雜，要求設(shè)備本身具有良好的抗電磁干擾能力，不向外發(fā)射電磁干擾，即設(shè)備具有良好的電磁兼容性。
參考文獻
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