隧道电力监控的数据传输

赵海涛，刘晶晶

(中交公路规划设计院有限公司)

1 传输通道问题

隧道电力监控系统通信通道的安全、稳定和可靠是保证整个系统稳定运行的必要条件。通信传输通道主要有以下几种。

(1)利用隧道PLC设备提供的串行通信通道(RS232、RS485)。

由于近几年来隧道内数据网络传输形式主要为“工业以太环网+PLC”的形式，PLC主要负责现场控制并为控制区域内设备提供不同的数据接口，工业以太环网主要负责经PLC汇集后数据的稳定、可靠传输。当通信网络出现故障无法实现通信时，PLC可以对区域内的设备进行预编程的控制。PLC为区域内设备可提供串行通信通道(RS232、RS485)，电力监控终端设备可以接至就近PLC的串行接口上，从而利用已建成的隧道内数据传输网络将电力监控数据直接上传。

这样隧道电力监控系统最有效的节约了投资，利用了已建成的通信资源。同时，电力监控数据还可以与隧道内配电、照明控制数据结合，提供完整的多层次的隧道电力监控。但这种数据传输方式也有着其局限性：首先，目前中短隧道内一般不设置PLC，这就造成拥有长短不同的隧道的高速公路电力监控系统可能拥有两种不同的数据传输方式;其次，隧道电力监控数据与其他监控数据汇集后传输，再在监控中心分别解出。那么故障点的增多以及隧道电力监控成为隧道监控系统的子系统，无法独立完成电力监控任务，这些因素均可能导致电力监控数据在传输过程中丢失或损坏。而且电力监控设备需要与PLC设备及隧道监控设备统一协议，这种通信方式对技术的开放性及监控系统的选择都有很大的限制。采用这种方式，电力监控数据传输通道带宽十分有限，适合于电力设备较少的变电所，这样的变电所监控数据很少，9.6kbps的通信速率即可满足电力监控要求。对于大型隧道变电所，供电回路、电力设备无论从数量还是种类都比较多，采用这样的方式很难满足要求。

(2)利用隧道监控系统设置的工业以太环网通道。

这种方式是不利用PLC的区域控制功能，仅利用工业以太环网提供的传输功能，直接将电力监控终端设备接入附近工业以太网交换机上，这样就避开了PLC，但也无法利用PLC进行现场控制。在监控中心直接从以太网交换机中提取出电力监控数据。在尽量节约投资利用已有通信资源的情况下，这种方法尽量避免了电力监控数据与其他数据的相互干扰，减少了部分节点设备，也相应提高了数据传输的安全性。同时，也减小了病毒感染风险。但这种方法同样无法解决终端隧道电力监控数据的传输。

(3)利用通信系统提供的网络通信通道(TCP/IP/UDP)。

近几年来交通工程中实施的电力监控系统多数采用的通信方式为第一种，即利用三大系统中的通信系统提供的网络通信通道(TCP/IP/UDP)。这种方式下，只需要将隧道内所有的设备信息集中到一个带以太网接口的通信设备上即可完成与电力监控系统中心的通信。

这样，电力监控共享了通信系统网络通道资源，能节约部分投资，不必为电力监控数据传输通道建设额外投资。一般采用这种通信方式需要注意以下两点事项。

①通信网络的网段划分，通信网络应为电力监控系统划分统一的独立网段，做到在网络逻辑上电力监控使用的是单独的网段，以避免其他系统的干扰和侵入。提高通信系统和电力监控通信的可靠性、安全性。一般情况网段划分工作由通信系统负责，并保证沿线各处处于电力监控通信网段的网络接口相互通信正常。

②最后1 km的问题。在高速公路机电工程中，隧道变电所、箱变等电力设备安装处与通信机房、通信预留点往往不在一个地方。通信系统预留给电力监控的通信网络接口，电力监控不能直接连接网络电缆使用，需要另外敷设光缆、设置光纤收发器解决这个问题，这将造成通信资源的浪费;且如果路段内隧道较多，隧道变电所、箱变分布较为分散，与通信站的距离又较远的情况下，其经济型与可靠性将大大降低。因此，在施工图设计、联合设计、工程量统计、管线管道设计时候应该充分考虑这个问题，避免在施工最后阶段发现电力监控不能直接连接到预留网络接口处，造成耽误工期、漏报工程量的麻烦。

上述两点在电力监控与通信系统不属于一家承包人负责时候应当尤为注意，做到提前沟通、及时沟通，为施工调试做好充分准备。

(4)单独组网的方式。

在部分交通工程项目中，根据实际情况，采用电力监控系统本身单独组网的方式。这种方式的最大好处是电力监控通信系统本身是一个完全独立的网络，发生病毒原因或网络风暴造成系统瘫痪的可能性几乎为0。这样电力监控的运行可靠性、安全性较好。

电力监控单独组网，需要电力监控系统的承包人单独敷设光缆，或利用通信系统光缆内的纤芯，电力监控系统单独光纤以太网交换机等网络设备，造价较高，电力监控系统投资较多。这种配置方式，电力监控与其他机电系统相关的交叉界面较少，无论是设计还是施工调试阶段都只有光纤情况的沟通问题，也不会相互干扰。电力监控设计、联合设计、施工、调试等工期、进度都在自身的控制之中。采用这样的方式，电力监控设计施工时要考虑最后1 km的问题，通信工程预留光纤开断位置往往距离电力监控需求点有一段距离，电力监控设计、施工时要考虑这一段分支光缆的光缆及光缆工程问题。

2 电力监控系统与隧道变电站站内的通信

2.1 采用PLC方式

PLC即可编程控制器，是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。目前隧道监控系统一般均在隧道变电站设置了PLC设备，隧道电力监控系统可就近利用该设备。

现在常见的PLC产品在电力监控系统中作为中间层的情况还并不多见。主要有如下两个主要原因限制了它的应用。

首先，由于PLC产品的目的是处理数字量、模拟量及控制功能，而在交通工程中，最重要的功能是与各种采用各种协议的智能设备通信。诚然，现在有些PLC产品已经具备了与带有Modbus协议的设备通信的能力，但是现在的交通工程中有大量非标协议的产品，在碰到这类产品时，PLC产品就捉襟见肘。同时PLC所提供的串口数据带宽较小，也不能满足拥有较多电力设备及较多供电回路的大型隧道变电站的需求。

其次，PLC与计算机监控系统的通信协议需要采用部分PLC厂家自定义的协议，这种通信方式对技术的开放性及监控系统的选择都有很大的限制。

2.2 串口服务器

串口服务器，是异步串行口(RS-232、RS-422/485)和以太网RJ45接口间的一个转换器，是一个带有CPU和嵌入式OS及完整TCP/IP协议栈的独立智能设备，能够完成RS-232/422/485格式和以太网传输的IP包之间的数据转换，从而给传统的串行设备增加联网功能。

串口服务器完成的是一个面向连接的RS-232、RS-485链路和以太网之间的通信数据的存储控制，系统对各种数据进行处理，处理来自串口设备的串口数据流，并进行格式转换，使之成为可以在以太网中传播的数据帧;对来自以太网的数据帧进行判断，并转换成串行数据送达响应的串口设备。

它和通信管理机之间最大的软件差别在于终端服务器本身不对数据作任何处理，所有的数据处理均需要后台系统完成。

在硬件的接口方面，通常使用的串口服务器只有单类型的接口，如16个RS-232、16个 RS-422/485，但是在实际应用中，往往是多个RS-232及多个RS-422/485接口，甚至于CAN接口的智能终端。另外，光纤接口的缺乏要求现场配备光纤以太网交换机或光纤以太网转换器，既增加了费用又多了通信上的环节，对整个系统的稳定运行增加了不确定因素。

随着设备的不断更新，目前电力监控设备已经拥有了多种数据接口，设备直接利用以太网接口传输数据也减少了串口服务器的利用情况。

2.3 通信管理机

通信管理机是目前交通工程中作为中间层使用最多最频繁的通信设备。它需要能够随时建立网络通信通道、进行数据传送，能够在子站的终端设备和装置之间提供同步和异步连接，并且在任何时候都可以将消息进行传送或存储转发，这种基于数据库传递的系统可节省大量资源，适用于与各种智能终端设备连接。

作为电力监控系统的网络通信服务器，通信管理机不仅需要能够提供多个串行接口RS-232/485/422/CAN与网络接口之间的相互转换，还需要至少提供IEC60870-5-101/103、DNP3.0、CDT、MODBUS 等多种 485/232 通讯协议，同时支持TCP/IP、MODBUS/TCP等以太网协议之间的转换。并满足电力监控系统网络安全规范的路由器(Router)和防火墙(Firewall)功能，可通过网络传输和对系统进行远程维护，并提供两路光纤以太网接口，直接支持光纤以太网自愈环网。

采用通信管理机的优点是将站内不同接口、不同协议的各种设备做预处理，转换为后台计算机系统可快速处理的同类型数据，提高后台系统的处理效率。带有操作系统支持编程的通信管理机可内置一些预置策略，在整个网络通信出现故障时，可以按照预置的策略作相应的控制。

2.4 站内设置计算机的方式

这种方式是在站内设置一台工控机作为中间层来负责与站内设备、监控计算机的上下通信。作为一个需要一天24 h不间断运行的监控系统，对工控机的要求就比较苛刻。

由于隧道变电站部分现场环境一般较为恶劣，例如一些箱式变电站在夏天的温度可超过70℃。还有工控机长时间运行，受到操作系统、硬件损坏(硬盘和风扇最为明显)的影响出现死机等情况，导致该站的所有数据无法传送到监控计算机，影响监控系统的稳定运行。

从多年的现场实际情况来看，这种运行方式下，站内的工控机通常都是整个系统中最薄弱的环节之一。

3 电力监控系统与其他系统互联通信问题

随着技术的发展，设备的更新，用户需求的不断提高，电力监控系统与其他系统之间的互联日益重要。隧道内各系统数据共享，相互联动的要求更加突出，这也给电力监控系统的通信提出了相关要求，要求电力监控系统具有良好的开放性，可以方便地与其他自动化系统进行通信，如隧道监控系统、路段监控系统等，实现自动化系统间相互通讯和信息共享。通常系统互联有以下几种常见的方式。

3.1 网络方式数据转发

这种互联通信的方式是目前最常见也是最便捷的，电力监控系统可以采用各种通信协议，最常用的是Modbus/TCP协议。

Modbus是一种全开放，免费提供，非常容易理解和实施的协议，从20世纪70年代诞生以来，一直在不同的工作领域中得到广泛应用，是一种事实上工业标准。其主机/从机通信机理能很好地满足确定性的要求，这恰好与互联网的客户机/服务器的通信机理相对应。它与以太网TCP/IP结合，在TCP中嵌入Modbus信息帧，成为Modbus TCP/IP，具有很高的性能价格比，是一种真正开放的理想解决方案，试验表明了它的有效性，众多的应用案例已证明了它在实际应用中的价值。

通过Modbus/TCP协议，电力监控系统作为服务器端，其他系统作为客户端访问的方式可以获得电力监控系统中的任意数据。隧道监控系统需要对电力监控系统中的开关发遥控命令的时候，电力监控可以作为一个执行机构转发其下达的遥控命令，大量的实践证明这种方式是有效、可靠、易实现的。

3.2 串口方式数据转发，可采用各种通信协议

这种互联通信的方式是采用串行接口作为通信的介质，它与网络方式的唯一区别就是物理上的接口。随着技术的发展，由于通信速率以及接口通用性等因素，这种通信方式必然会被网络通信所取代。

3.3 数据库共享方式

数据库共享方式也是一种系统之间互联通信的方式，但是在目前的实际应用中还并不多见，究其原因，只要有以下几个方面的问题。

(1)共享服务器模式限制了某些数据库的特性，例如：不能单独启动和关闭实例，不能进行介质恢复，等等。

(2)存在独占事务的可能，因为如果一个会话的事务运行时间过长，它独占共享资源，其他用户只能等待。而且存在人为死锁的可能，因为它是串行的，只要一个连接阻塞，则该服务器进程上的所有用户都被阻塞，并且极可能死锁。

(3)一般来说，客户端只需连接一次终身使用(会话生命周期内)，使用共享服务器模式的意义不大。因为大部分时间，一个会话就连接到一个服务器进程，无法共享服务器进程。

3.4 OPC 接口方式

OPC是Object Linking and Embedding(OLE)for Process Control的缩写，它是微软公司的对象链接和嵌入技术在过程控制方面的应用。OPC以OLE/COM/DCOM技术为基础，采用客户/服务器模式，为工业自动化软件面向对象的开发提供了统一的标准，这个标准定义了应用微软操作系统在基于PC的客户机之间交换自动化实时数据的方法。

采用这项标准后，硬件开发商将取代软件开发商为自己的硬件产品开发统一的OPC接口程序，而在实际的项目中，系统之间的互联更多时候是普通计算机的硬件基础上的软件系统的数据交互。所有OPC接口这种方式还只是一些尝试。

3.5 WEB 浏览方式

随着信息技术发展，基于Web的远程监控技术逐渐流行，在系统的结构上可以采用基于浏览器服务的模式，其优点是：客户端只在浏览器中就可以浏览电力监控系统的所有数据和各类信息，信息获取更为简单;所有的开发、维护都在服务器，方便维护;采用超文本协议，可以进行静态、动态、交互等形式的文字和图像传递。

当然这种方式也有一定得局限性，它无法执行其它系统对电力监控系统中的开关发遥控命令，所以这种方式应用范围只能是提供信息服务，而无法实现真正的相互联动。

4 结束语

对隧道电力监控数据通信进行了浅显的分析，实际工程中，电力监控系统数据通信往往是多种方式相结合，位于不同位置的多种设备相互配合共同完成数据的通信。同时由于工程实际中存在着管理机构设置情况、环境因素、习惯做法、投资情况、技术更新、相关其他系统技术方案等多方面因素，因此隧道电力监控工程实际通信时可根据具体情况和要求，选择相应的通信方式和联网方案，以期达到管理运营需求。