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1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)
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(duì)硬件產(chǎn)品品質(zhì)有很高的要求。同時(shí)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(kuò)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(xiàng)目的一個(gè)特點(diǎn)。綜合管廊是未來智慧城市重要組成部分，所以對(duì)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?fù)浣Y(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(gè)ACu均配置PLc，再由交換機(jī)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(diǎn)是可以分散Acu故障風(fēng)險(xiǎn)，每個(gè)區(qū)域Acu相對(duì)獨(dú)立，可以單獨(dú)完成簡單邏輯控制；缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性差，設(shè)備成本和運(yùn)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(yuǎn)程IO網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。
圖2 中央控制結(jié)合遠(yuǎn)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(hù)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(yùn)維成本；缺點(diǎn)是中心PLc運(yùn)行負(fù)荷大，風(fēng)險(xiǎn)高，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性能也相對(duì)較差。
（3）分級(jí)式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。每1～2 km設(shè)置控制PLc，其間5～10個(gè)ACU采用遠(yuǎn)程IO。這些PLc再組成環(huán)網(wǎng)，*終上傳到監(jiān)控中心。分級(jí)式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。
圖3 分級(jí)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(yuǎn)程IO的分級(jí)式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)兼具以上網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。
（1）硬件成本降低。將原來10個(gè)分區(qū)PLc縮減成為2個(gè)冗余PLc，ACu部分替換為遠(yuǎn)程IO，降低硬件成本。
（2）故障風(fēng)險(xiǎn)降低。一般，與PLc同系列同檔次的遠(yuǎn)程IO接口模塊成本要比PLC低。但在穩(wěn)定性上，由于遠(yuǎn)程10模塊只處理信號(hào)轉(zhuǎn)換(不做邏輯運(yùn)算)，在硬件本身的設(shè)計(jì)上相對(duì)簡單、牢固、發(fā)熱量小、抗電磁干擾能力強(qiáng)，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?yàn)椴捎萌哂嘞到y(tǒng)，故障概率進(jìn)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(yuǎn)程IO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其故障風(fēng)險(xiǎn)會(huì)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(shí)可以利用對(duì)象編程(每個(gè)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(duì)各個(gè)防火分區(qū)完成編程，不需要到每個(gè)防火分區(qū)設(shè)備間單獨(dú)調(diào)試，節(jié)省編程調(diào)試時(shí)間，加快項(xiàng)目進(jìn)度。
（4）降低后期運(yùn)維成本。在后期運(yùn)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(yùn)維成本增加，響應(yīng)時(shí)間延長。如果采用遠(yuǎn)程IO，若設(shè)備損壞，現(xiàn)場的管廊運(yùn)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(yuǎn)程調(diào)試完成設(shè)置�，F(xiàn)場維護(hù)人員不需要具有PLC編程經(jīng)驗(yàn)，降低后期運(yùn)維成本，加快故障處理響應(yīng)速度。
（5）網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)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(kuò)建時(shí)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(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。因此，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性好，結(jié)構(gòu)層次清晰。
（6）網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)性好。環(huán)網(wǎng)上的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)越高。當(dāng)環(huán)網(wǎng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)以上故障時(shí)，整個(gè)故障節(jié)點(diǎn)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(diǎn)數(shù)越少，環(huán)網(wǎng)故障率越低。對(duì)于分變電所異地冗余PLC+防火分區(qū)Acu遠(yuǎn)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(diǎn)(即可以理解為l～2 km設(shè)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn))，可以把主干網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量控制在非常少的范圍內(nèi)。每個(gè)分變電所冗余PLC下的子環(huán)網(wǎng)只有遠(yuǎn)程IO作為子環(huán)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，即每個(gè)子環(huán)網(wǎng)約10個(gè)遠(yuǎn)程IO節(jié)點(diǎn)。故采用此種架構(gòu)，可以減少環(huán)形網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)和網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷降低網(wǎng)絡(luò)故障風(fēng)險(xiǎn)。
1.2開放式實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議
由于存在遠(yuǎn)程IO，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，拓?fù)鋸?fù)雜，故對(duì)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)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(biāo)準(zhǔn)，但由于其協(xié)議本身的缺點(diǎn)，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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(diǎn)，主要適用于運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域；PROFINET具有數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，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(shí)接入視頻信號(hào)、電話信號(hào)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(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)，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(gè)區(qū)域內(nèi)需要將攝像機(jī)影像傳送至監(jiān)控中心。攝像機(jī)影像數(shù)據(jù)與信號(hào)采集控制數(shù)據(jù)特點(diǎn)如表1所示。
表1 攝像機(jī)影像數(shù)據(jù)與信號(hào)采集控制數(shù)據(jù)特點(diǎn)
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比較項(xiàng)目
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實(shí)時(shí)性要求
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數(shù)據(jù)量太小
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信號(hào)采集控制數(shù)據(jù)
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高，控制信號(hào)需要實(shí)時(shí)響應(yīng)，控制現(xiàn)場設(shè)備動(dòng)作
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小，往往kb級(jí)別
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攝像機(jī)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(hào)、視頻影像信號(hào)在同一個(gè)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(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)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(fù)責(zé)與下層PLc通信，將所有收集數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，并提供開放數(shù)據(jù)接口，與上位信息系統(tǒng)進(jìn)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P(yáng)LC負(fù)責(zé)該防火分區(qū)內(nèi)部數(shù)據(jù)采集與邏輯運(yùn)算，并與監(jiān)控中心PLc進(jìn)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(qiáng)能滿足系統(tǒng)要求，但在構(gòu)成大型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕M網(wǎng)性能、對(duì)上位信息系統(tǒng)的開放性支持及鏈接數(shù)量、整個(gè)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(gè)項(xiàng)目對(duì)防火分區(qū)PLc組網(wǎng)性能、可擴(kuò)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(duì)設(shè)備腐蝕及損害大。故對(duì)在該環(huán)境下運(yùn)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。
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