工业以太网交换机在特大桥监控系统中的应用

段 昕

(重庆市华驰交通科技有限公司 机电技术部，重庆 400060)

工业以太网交换机在特大桥监控系统中的应用

段 昕

(重庆市华驰交通科技有限公司 机电技术部，重庆 400060)

厦漳跨海大桥监控及照明设备众多，各类设备的数据必须稳定可靠的上传至大桥监控中心，监控中心也要实现对桥上各类设备的远程控制和下达指令。而厦漳跨海大桥长度较长，所处自然环境较恶劣，较传统交换机可应用工业以太网交换机来实现上述功能。工业以太网交换机可靠性高，适用于恶劣环境，同时环网技术可提供稳定的传输解决方案，在厦漳跨海大桥上有着很好的应用。

厦漳跨海大桥；工业以太网交换机；环网

0 引言

福建省厦漳跨海大桥全长9.335 km，其中桥梁段长度8.546 km，横跨厦门、漳州两地；桥形为连续半漂浮体系双塔双索面斜拉桥，满足3万吨级船舶安全通航，在同类型桥梁中居全国第六、世界第十，现已成为厦门湾标志性建筑。

厦漳跨海大桥机电工程包括供配电照明、监控等分部工程。照明包括全桥路灯和景观灯，要求能在监控中心对各类照明灯具进行自动和手动远程控制(自动要求在固定的时间段内实现所有灯具的启停)；监控系统包括整个大桥的视频监控及气象检测器、微波车检等设备的实时数据监控，同时要求能根据监控系统观察到的大桥实时状态通过各类情报板发布信息引导司机，从而保障大桥的流畅和行车安全。如何将桥上众多监控设备数据可靠、有效地进行上传以及如何对各类照明灯具进行远程控制，是厦漳跨海大桥机电工程需要解决的一个问题。

1 工业以太网交换机及选用

目前工业以太网交换机在基础设施中应用广泛并有继续增长的趋势，而发电、输配电以及交通运输又是工业以太网交换机的领先应用行业[1]。

1.1工业以太网交换机

工业以太网交换机是基于以太网技术的通信网络基础交换设备，是以太网交换机的一种，其他民用级和企业级以太网交换机统称为通用以太网交换机[2]。与通用以太网交换机相比，工业以太网交换机具有以下优势：工业以太网交换机应用于复杂的工业环境中的实时以太网数据传输。以太网在设计时，由于其采用载波侦听多路复用冲突检测(CSMA/CD机制)，在复杂的工业环境中应用，其可靠性大大降低，从而导致以太网不能可靠稳定的使用。工业以太网交换机采用存储转换交换方式，同时提高以太网通信速度，并且内置智能报警设计监控网络运行状况，使得在恶劣危险的工业环境中保证以太网可靠稳定的运行[3]。

1.2工业以太网交换机的选用

本项目为跨海大桥，现场为海洋性气候，闷热潮湿、天气变化较大、整体环境较为恶劣，一般交换机在此环境中工作稳定性及可靠性大为降低。通过应用工业以太网交换机能较好的解决传输可靠性问题，因此厦漳大桥选用加拿大罗杰康品牌的i802型工业以太网交换机，如图1所示。

图1 厦漳大桥使用的工业以太网交换机

i802型工业以太网交换机参数要求如下：2×100 Base-FX单模光口，不少于8×100Base-TX端口，并可扩展。无中继传输距离≥40 km。10/100 Base-TX，全双工，双绞线，RJ45口，自动交叉，自动协商，自动极性识别，双绞线最大连接长度为100 m。网络标准符合，IEEE802.3u以太网标准，ANSI/IEEE Std 802.3 10/100M自适应标准。网管特性，具备流量控制和数据管理功能，VLAN划分功能，交换机内置SNMP，完全配置控制和网络监控功能，每个网口具有远程监视工作组以及监听能力，完成RMON功能。可靠性，按工业标准设计生产，可靠性高，常温下平均无故障间隔时间MTBF在25年以上。交换机采用无风扇设计，应能在恶劣环境条件下工作，如高温、湿热、强电磁干扰环境。工作湿度，10%～95%，无凝结。

2 工业以太网交换机在厦漳跨海大桥监控系统中的应用

监控系统一般划分为外场监控、高速公路路段监控分中心和省监控中心[4]。厦漳跨海大桥也包括外场监控设备和一个大桥监控室，大桥监控室将图像和数据上传至漳州监控分中心。可通过工业以太网交换机来实现外场监控设备与大桥监控室之间的数据传输问题。

在大桥外场通过应用11个PLC(本地控制器)对厦漳跨海大桥的全桥路灯照明、情报板、车道指示标志等机电设备完成本地控制，并完成气象检测器、微波车检器等监控设备的单机调试，如图2所示。

图2 厦漳大桥南汊小型情报板及车道指示标志

完成单机调试后通过工业以太网交换机环网来完成各设备与大桥监控室的互联，从而实现以下重要功能：大桥上安装调试完毕的气象检测器等设备采集到的数据(包括大桥温湿度、风速等)可通过工业以太网交换机实时上传至大桥监控室。同时在厦漳大桥监控室实现对PLC的远程控制，在大桥监控室可设置大桥路灯亮熄时间通过工业以太网交换机下发指令实现远程实时控制大桥路灯照明，可远程对可变情报板(大桥共有2块门架式情报板、2块悬臂式情报板、12块小可变情报板)发布实时路况信息及重要提示。

3 环网原理及实施应用

工业以太网交换机成环网技术能广泛应用于现场环境恶劣的特大桥及公路隧道监控系统，环网能稳定的完成与远距离监控设备的通信从而保证监控系统功能的实现。

3.1环网原理

环网方便数据传输与指令下达，更为重要的是当环网中一台交换机或一处光缆出现故障时，并不影响其它交换机的数据上传与工作。环网的原理为使用两芯光纤组成两个环路：一个为工作路径，另一个为保护路径，两个环路的业务流向一定要相反[5]，不同方向的箭头构成的路径分别表示两个环路，如图3所示。

图3 环网构成原理图

假设上图中A、C为终点节点，当图中BC之间的光缆全中断或设备出现故障时，在C节点工作路径BC间的信号丢失则倒换开关将由工作路径转向保护路径，接收由A节点保护路径的传输的AC信号，从而不影响AC之间的数据传输。工业以太网采用光纤冗余环网方案，环上最多应能连接60台交换机，当发生光纤断点时，环网可以在500毫秒内自动恢复正常工作；冗余环-环之间耦合，冗余连接。交换机应具有高度的实时性，最大收发延迟不超过35微秒。支持SNMP V3简单网络管理功能，支持故障自诊断功能。

3.2环网具体实施

厦漳跨海大桥监控环网的实施过程如下：大桥采用一根8芯光缆连接11个工业以太网交换机，分布在大桥外场K1+665、K3+470、K6+307、K8+031监控中心配电房、K8+772处的工业以太网交换机用8芯光缆中的1、2芯连接，大桥外场K2+690、K4+957.4、K7+207.4、K8+031服务区配电房、K9+043、K9+402、K9+702处用3、4芯连接。其中K8+031大桥监控室配电房处为主工业以太网交换机，为整个环网的发送及接收节点，环网光缆纤芯分布，如图4所示。

图4 工业以太网交换机环网光缆纤芯分布图

工业以太网交换机安装在外场PLC机柜中，每个工业以太网交换机为2芯进2芯出，PLC与其他设备则可通过网线连接工业以太网交换机，将自身数据或状态通过交换机进行上传，现场连接见图5。

在上述工作完成后，将K1+665与K2+690、K8+772与K9+702两处工业以太网交换机互联，在此二处将1、2芯与3、4芯两组工业以太网交换机的连接，如图5所示。之所以分别用2组2芯光缆连接设备是由于连接的设备越少光路越安全、稳定。

图5 工业以太网交换机现场连接图

环网连结完成后将通过K8+031大桥监控室配电房处的主工业以太网交换机连接大桥监控室三层数据以太网交换机，环网系统运行联调成功后即可实现监控分中心与外场设备数据的通信，如图6所示。气象监测器，除湿机等设备可将采集到的数据上传至大桥监控室，最终能在分中心监控软件界面上查看每个外场监控设备的工作状态以及最新上传的数据。

图6 厦漳大桥环网连接示意图

环网联通并完成相关软件的调试后，可在大桥监控室通过上位机软件控制PLC下位机来实现路灯和景观灯在固定时段(晚上7点至早上7点亮灯)的自动通断，也可根据需求实现实时的手动控制通断，同时路灯状态(亮、熄灭、故障)也会及时反馈回来，大桥监控室需要发布的各类信息也可在监控工作站上通过环网发布至指定位置的情报板。具体传输过程如下：工作站下发指令后通过三层数据以太网交换机传输至环网，再由对应IP的工业以太网交换机将指令传至PLC，最终实现对设备的控制。传输通信结构如图7。

图7 厦漳大桥环网数据传输示意图

4 结语

通车后试运行至今厦漳大桥监控系统运行良好，达到了大桥监控系统的目标：监视沿线交通运行状况，采集交通、气象参数，发布信息和指令；平滑交通流、控制车速，减少交通拥挤和阻塞；及时发现和处理交通事故，减少二次事故的发生；及时提供必要的信息，给道路使用者提供帮助；保证服务水平、提高通行能力、减少车辆延误。工业以太网交换机成环网很好地解决了厦漳大桥监控系统设备连接数据传输问题，在试运行时还经受住了2次大台风的考验，在台风期间保证了监控系统数据的传输。

工业以太网交换机成环网技术可应用于类似条件的桥梁监控系统，也可应用于高速公路隧道监控系统：可将隧道的左右洞多个工业以太网交换机连接组成一个环网[6]，通过环网将隧道内各种监控设备数据上传至隧道监控中心。工业以太网交换机成环网在解决交通监控数据传输方面有着很好的实践性。

[1] Chantal Polsonetti. 工业以太网交换机全球市场研究简要报告[J]. 可编程控制器与工厂自动化,2013(6): 24-24.

[2] 曹双庆. 工业以太网交换机在石油石化工程建设中的应用[J]. 山西交通科技,2015(5): 5-7.

[3] 姜晓旭，郝炳莉. 工业以太网交换机在高速公路视频监控中的应用[J].中国交通信息化,2013(7): 124-126.

[4] 杨坤, 李辉. 高速公路监控系统设计[J]. 中国交通信息化,2015(S1): 101-104.

[5] 高会生, 赵建立, 王宇, 等. SDH自愈环网有效性模型的研究[J]. 华北电力大学学报,2009(1): 91-94.

[6] 杜立超, 张锋, 胡详文. 基于视频以太网交换机的高速公路视频监控系统设计[J]. 中国交通信息化,2015(S1): 109-111.

ApplicationofIndustrialEthernetSwitchinGrandBridge

DUAN Xin

(Department of electrical and mechanical technology, Chongqing Huachi Traffic Science and Technology Co. Ltd.，Chongqing 400060, China)

Xiazhang sea-crossing bridge have a lot of monitoring and lighting equipment which must be stable and reliable upload to the bridge monitoring center. The monitoring center should also achieve the remote control of all kinds of equipment on the bridge. However, the bridge is so long, and the natural environment is worse. The industrial Ethernet switches can be used to achieve the above functions of traditional switch. Industrial Ethernet switches with high reliability, suitable for harsh environments, and industrial Ethernet switch ring network technology can provide an effective and stable transmission solution.

Xiazhang sea-crossing bridge；Industrial Ethernet switch；ring network

U49

A

1009-7961(2017)05-0019-04

2017-04-14

段昕(1983-),男，湖南娄底人，工程师，硕士，主要从事交通机电工程研究。

(责任编辑：孙文彬)