第33卷第4期
2007年 12月
湖 南 交 通 科 技
HUNAN COMMUNICATION SCIENCE AND TECHNOLOGY
V01．33 No．4
Dec．2o07
文章编号：1008—844X(2007)o4一Oll6一O2
工业以太网及其在隧道监控中的应用
孟祥兰 。李德久 。戴亚辉
(1．上海电器科学研究所有限公司，上海 200063； 2．湖南省高速公路管理局。湖南 长沙 410016)
摘 要：阐述了工业以太网技术及其传输存在的问题与解决方法，结合隧道监控实例，进
行了监控系统设计与实施，并对工业以太网的传输以及工业以太网的前景进行了展望。
关键词：隧道监控；工业以太网；传输技术
中图分类号：U 45 文献标识码：B
现场总线的出现，对于实现面向设备的自动化
系统起到了巨大的推动作用，随着现代化信息工业
进程的发展，过程控制或者自动化监控系统中使用
现场总线进行通讯成为了首选方案。现场总线控制
系统 FCS(Fieldbus Control System)中存在许多需要
解决的问题，比如现场总线相互之间的兼容性差，生
产现场的自控设备种类繁多，导致不同总线的产品
之间无法实现必须的互连、互换、互操作和统一组
态，因而现场总线工业网络的进一步发展受到了极
大的限制。
以太网(Ethernet)技术由于具有成本低、通信速
率和带宽高、兼容性好、软硬件资源丰富、广泛的技
术支持基础和强大的持续发展潜力等诸多优点，在
过程控制领域的管理层已被广泛应用。事实证明，
通过一些实时通信增强措施及工业应用高可靠性网
络的设计和实施，以太网可以满足工业数据通信的
实时性及工业现场环境要求，并可直接向下延伸应
用于工业现场设备间的通信。本文正是总结了隧道
监控中工业以太网这一应用实例，详细阐述了工业
以太网应用中的传输技术。
1 工业以太 网的传输存在的问题和
解决方法
工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技
术，在技术上与商用以太网(即IEEE 802．3标准)
兼容。产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适
用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性、本
质安全性等方面能满足工业现场的需要。也就是满
足环境性、可靠性、安全性以及安装方便等要求的以
太网。
以太网由于采用 的 CSMAJCD(Carries Sense
Multiple Access with Collision Detection，载波检测多
路侦听)介质访问控制方式，其本质上是非实时的，
而工业现场总线控制对实时性要求很高。解决方法
之一是将传统的总线式结构改成星形结构，同时给
每个挂在端口上的网络节点提供单独的带宽。这样
就能够降低数据碰撞的发生几率，增加系统的稳定
性。其它还有采取全双工通信，采用数据交换技术，
提高 Ethernet网通讯速率等技术。这方面 目前
100 M～1 000 M的自适应网络已在局域网中普遍
使用，1万 M正在研究之中，可以说这些先进的技术
为工业以太网的传输和应用奠定了坚实的基础。
商用以太网是按办公环境设计的，而工业现场
需要很强的抗干扰能力。可以采用很多技术手段来
达到工业现场的要求，可以采用增强以太网接插件、
交换机、通讯电缆、带屏蔽的双绞线或者光纤通讯方
式，可以保证通讯的安全可靠。
工业数据传输的安全性是设计工业以太网应用
中一直关注的重点。在 以太网数据传输中采用
TCP／IP协议，这样可以保证数据安全可靠的到达接
收方。在以太网传输中采用用户密码、数据加密、防
火墙等多种安全机制可以进一步加强网络的安全管
理。在网络链路层中所有硬件在应用 TCP／IP上是
透明的，TCP／IP对应网络传输控制协议／网际协议，
它们是位于ISO／OSI模型中的网络层，负责将以太
网要传输的数据信息拆分成固定格式的数据包，然
后，按照一定的路径将数据包传输到接收方，接收方
再将数据包分解、重新组合还原成真正的原始数据。
因此，采用 TCP／IP协议可以为工业以太网提供可
靠的、面向链接的通讯传输。
收稿 13期：2007—08-10
作者简介：孟祥兰(1972一)，女，高级工程师，主要从事隧道应用软件开发。
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4期 孟祥兰，等：工业以太网及其在隧道监控中的应用 l17
2 系统设计和实施
在实际的隧道监控系统设计中，了解到随着以
太网技术的高速发展及它的 80％的市场 占有率和
现场总线的明显缺陷，使得工控领域的各大厂商纷
纷研发出适合自己工控产品且兼容性强的工业以太
网。
在工业网络系统中，由于数据传输对工业以太
网网络可靠性能的超高要求，工业以太网的冗余功
能应运而生。从快速生成树冗余(RSTP)、环网冗余
(RapidRingTM)到主干冗余(TrunkingTM)，都有各
自不同的优势和特点，控制工程师们可以根据自己
的要求进行选择。
在隧道监控系统的数据传输中，隧道区域监控
外场设备数据先通过通信电缆接入交通监控本地控
制器系统 PLC的 AI、DI、DO、RS232／422／485等接
口。在每个 PLC处各设置一套工业以太网交换机。
几个隧道组成的隧道群内的所有工业以太网交换机
分别组成一个光纤环网，光纤环网传输介质均为多
模光纤。
以某隧道监控系统的数据传输为例说明工业以
太网的具体应用。
2．1 硬件结构
由于隧道监控系统中需要采集大量的实时信号
和传输大量的控制信号，隧道系统所处的环境十分
恶劣，为了保证以太网系统数据传输的稳定性、可靠
性和实时性，设计了采用冗余的 100 M光纤的工业
以太网环网，在这个以太网中使用一根主干光缆连
接到隧道监控站。在隧道监控站设置 1台工业以太
网交换机，配备电口与监控站千兆三层路由交换机
相连，配备光口与隧道现场交换机组成冗余环网，在
监控站的这台交换机与现场交换机有 2条光纤通道
连接，实现链路冗余。
整个隧道以太网系统的冗余环网结构见图 1。
PLC PLC PLC PLC PLC PLC
监控站
PLC PLC PLC PLC
隧道现场
图 1 工业以太自愈环网
交换机为工业级的基于TCP／IP的以太网交换
机，拓扑结构为交换式 Hiper．Ring冗余环网；支持超
级冗余环技术，网络故障时，业务恢复时间小于或等
于500 ms；支持主备切换冗余方式。
2．2 软件结构
和工业以太网交换机配套，该系统还配备了网
管软件，采用赫斯曼 HiVision管理软件。该关联软
件是工业以太网产品的网络管理解决方案，基于
SNMP协议对网络进行监视和控制；能自动识别网
络上的所有产品及其重要的系统参数(如 MAC地
址)和配置情况等；具有 OPC接口，可将网络管理数
据通过网络传递到SCADA工作站上。
作为隧道监控系统的工业以太网的系统总线可
以看作为现场总线。整个以太网系统的所有数据在
网络层中只表达一次，网络完成真正的服务器的作
工业交换机
区域控制器
用。为了满足隧道系统的需要，采用了 Modbus／TCP
协议来完成以太网的传输。Modbus／TCP协议是由
Schneider公司发布，现在广泛应用在工业网络中，
得到了许多厂家的支持。组成网络的现场设备与隧
道监控站之间数据传输的网关使用 OPC服务器，实
现监控系统的采集数据的集成。
由于十分重视工业以太网的数据传输，所设计
的隧道监控系统以太网运行良好。
3 工业以太网的传输及其前景展望
工业以太网以其特有的低成本，高实效，高扩展
性及高智能的魅力，吸引着越来越多的制造业的厂
商。如此众多的厂商研制和开发工业以太网技术，
对于工业以太网的传输技术带来了极大的挑战，如
(下转第 172页)
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172 湖 南 交 通 科 技 33卷
改造合同，按合同办事是加强工程建设管理，搞好工
程造价控制的重要内容。因此在签订合同时要措词
简练，条款清晰，字句严谨，严格遵守有关法律法规，
力争使合同内容准确明了，不生歧义。合同签订以
后要组织有关人员熟悉合同内容，明确职责范围，随
时准备索赔与反索赔事件的发生。
3 树立索赔意识，做好工程结算工作
索赔是工程造价管理中的一项重要工作。“低
中标，高索赔”已经成为施工企业在市场竞争中追
求的一种流行形式。对于建设单位未能按合同约定
支付的各种费用，顺延工期，赔偿损失，施工企业要
依据合同所规定的时间，及时收集资料，尽快办理有
关签字及盖章手续，合同签订后，要结合合同内容，
充分利用合同中的有利条款，尤其是有关结算的条
款。在平常的工作中，甲乙双方的信息沟通要采用
书面形式并且注意保存和记录，为结算工作打下良
好的基础。施工中要重视施工签证工作，对于合同
之外的工程量增减变化，及时做出签证，认定计算所
发生的费用，及时处理种种变更、签证，核定及与定
额工作内容有差异的工作，抓住索赔机会，增加工程
收入，避免出现因未能及时办理所发生的合同外内
容，结算时拿不出有力证据，出现建设单位、设计单
位的推倭、扯皮现象，影响企业声誉和经济效益。
4 要在企业中推行成本管理
成本的管理，是对企业经营活动过程中所发生
的成本有组织、有系统地进行测试计划、决策、控制、
分析和考核等一系列科学的管理工作，其目的在于
组织和监督项目，在保证质量的前提下，挖掘降低成
本的潜力，达到以最少的生产消耗，取得最大经济成
果。要在企业中转换旧的经营管理体制，控制消耗，
强化核算意识，控制费用支出，减少不必要的开支，
建立 目标责任制，按照责任成本预算来考核工作业
绩，各部门要严格控制人工费、材料消耗、机械维修、
机械租赁、办公差旅等费用支出，超出部分要进行认
真细致的分析，把个人利益同工程建设相结合，提出
切实可行的整改措施。
5 要提高企业员工的素质
各种管理活动包括造价管理工作，归根到底是
要靠人来实现的，人员素质是关系到企业生死存亡
的关键，同样也是造价管理工作的关键。要积极转
变观念，改变建筑业是单纯的劳动密集型产业的看
法。管理人员的素质决定企业管理水平，只有高素
质的人才，才能有高素质的管理。要不断对员工进
行再教育，加强企业管理人员的责任感和荣誉感，才
能有效的提高企业的效益。
综上所述，工程造价管理是在整个工程建设中
体现的，只有把中间各个环节都抓好了，才能提高工
程造价的管理水平。
参考文献：
[1]李 安．认真履行职责，加强造价管理[J]．湖南交通科技，2004，
30(4)：1—3．
(上接第117页)
果不对工业以太网的传输加以统一规范，像现场总
线的情况一样，标准众多，兼容性差，将来就会影响
到工业以太网的发展。国际社会对此十分重视，在
2004年 5月北京召开的国际工业以太网系列标准
起草工作组(IEC／SC65C／WGs)第3次会议上，已经
能够看到了一个初具雏形的工业以太网国际标准，
该系列标准于2005年 8月定稿，经过 2006年 2月
和2006年 l2月2次意见征求后，于2007年正式发
布。这一工业以太网国际标准使得该系列标准从
Is标准成为IEC标准6。以太网和通信技术的突飞
猛进，促进了工业以太网的传输技术的发展，也进一
步促使了工业以太网技术的发展。现在工业以太网
的传输技术深入发展，进入到实时工业以太网和无
线工业以太网的发展方向。特别是奥地利贝加莱
(B&R)已经开发出具有真正意义上的实时以太网
(Ethernet Powedink)，而不久的将来，面向未来工业
网络的新一代工业以太网组件也将出现。
从以太网的传输技术上来看，随着近年来快速
以太网、交换式以太网、环网冗余等技术的发展，以
及以太网产品设计的进步，工业以太网的传输中面
临的确定性和实时性、稳定性和可靠性，以及安全
性、实时域与非实时域的隔离等一系列问题，已经逐
步得以解决，一些领先厂商甚至已经推出了I／O级
的以太网产品，进一步提升了工业以太网的传输技
术，似乎一网到底的梦想即将实现，即它可以一直延
伸到企业现场设备控制层。工业以太网的传输技术
的发展，促进了工业以太网技术的发展，将来工业以
太网一定会取代现在的基于现场总线的工业网络，
成为工业网络中的主流。
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