制絲線管控系統網絡構建設計

曾海苓ZENG Hai-ling；鐘豐ZHONG Feng；劉鵡LIU Wu；吳長愛WU Zhang-ai

（江西中煙井岡山卷煙廠，吉安 343100）

（Jinggangshan Cigarette Factory of China Tobacco Jiangxi Industrial LLC，Ji'an 343100，China）

1 系統設計需求與原則

制絲線網絡結構是整個制絲線管控系統的基礎，整個制絲線網絡的安全性、可靠性和實時性關系到管控系統運行性能的優劣，所以對制絲線網絡設計時主要從以下幾個方面進行設計：①采用以太網組成的星形和環形網絡，提高網絡的響應速度；②設備控制層與生產管理層設置在不同的網段，通過物理隔絕，保證各層之間的功能獨立，同時減少整個設備控制網絡的負荷；③網絡設備采用雙路供電，保證整個網絡的可用性。

2 系統主要軟硬件配置

2.1 硬件配置與選型：①車間主干工業以太網選用西門子SCALANCE X414-3E、x212 交換機，構成光纖環網；②光纖選用西門子工業以太網光纖6XV1873-2A，盡量降低干擾影響；③PROFINET 網絡插頭和電纜：選用西門子公司IE FC RJ45 插頭和IE FC TP 標準電纜6XV1840-2AH10，盡量降低干擾影響；④1 臺CISCO（WS-3750G-24TS-S1U）24 口以太網交換機，用于連接集控室所有服務器、監控計算機、管理計算機以及其它應用終端組成集中監控管理系統星型網絡；⑤2 臺I/O 服務器，服務器選用IBM xSeries 3650 服務器；⑥1 臺Web 服務器,為系統提供WEB 發布接口；⑦1 臺關系數據庫服務器，服務器選用IBM xSeries 3655 服務器，為管理系統和數采系統提供數據庫服務；⑧3 臺監控計算機、1 臺管理計算機、1 臺工程師站，選用dell 260 計算機；⑨1 套42U Standard Rack 服務器機柜、1 套KVM 和1 套液晶顯示器套件。

2.2 軟件配置與選型：①服務器操作系統選用Windows 2008 Server 中文標準版，其他計算機操作系統選用Windows XP Professional 中文版；②關系數據庫軟件選用SQL SERVER 2005 標準版；③監控系統平臺選用WinCC7.0 64K Tags 亞洲完全版及運行版；④在IO 服務器和工程師站各配置1 套西門子公司通訊軟件Simatic Net V6.4。

3 系統網絡結構

制絲線控制系統主要由設備控制層、集中監控層、生產管理層三層體系結構構成。設備控制層通訊鏈路主要由工業網絡ProfiBus-DP/PA、ProfiNet 構成，PLC 間通訊由工業以太網（環網）實現，TCP/IP 以太網構成上位通訊鏈路實現集中監控層數據通訊，ERP 或MES 系統向車間數據管理層提供數據。

4 系統總體網絡拓撲

制絲線管控系統網絡拓撲結構由完整的以太網網絡構成，采用1000Mbit/s 高速光纖環網和雙環StandBy 環網耦合技術，設備控制層采用MRP 環網技術，采用X414-3E交換機，保證底層數據的實時性，網絡負載均衡且維護簡便。整個網絡架構如圖1 所示。

5 網絡主要參數

5.1 環網（包括MRP 環網）恢復時間 制絲線的整個網絡框架以及底層設備控制采用環網為主，網絡恢復時間計算公式如式（1）所示。

其中，Tdetect為檢測時間；Tflush為數據流刷新時間；

而Tdetect、Tflush可由式（2）得到，

對于1000Mbit/s 的高速光纖環網而言，Tswitch、Tbit、Tqueue、Thold和TFDB滿足式（4）。

當節點數N=16 時，環網恢復時間Trec為9.39ms。

綜上所述，對于圖1 采用1000Mbit/s 的高速光纖環網，若以節點為16 個為例，環網恢復時間為9.39ms。若當前網絡發生意外故障，系統能在不到10ms 的時間內恢復網絡通訊。

5.2 網絡吞吐量 根據制絲線設備和網絡設計規劃，采用1000M/s 的高速光纖環網，端到端理論延時時間為10ms。根據式（5）滑動窗口線路利用率公式可得信道利用率U 為

其中，W 為窗口數，W=1；a 為端到端實際延時時間，單位ms；另外，根據式（6）可以得到端到端實際延時時間

其中，BW 為高速環網通訊速率，單位為Gb/s；tlilun為端到端理論延時時間，單位為ms；結合上述式（5）和（6）可得，以太網上的網絡吞吐量為25.5Mb/s。

因此，該主干網采用1000Mbit/s 的高速光纖環網，遠遠滿足當前制絲車間所有設備的數據傳輸。

5.3 以太網上的網絡負載 為了估算以太網上的網絡負載，需要計算連入網絡的所有設備的所有通信服務量。為了確保網絡負載較低并且避免大量的理論計算，一般應用交換網技術（樹型或星型網絡拓撲）分隔沖突域，限制網絡負載。使用交換網絡，不需要對沖突域內的情況進行系統估算。

為了對全局數據服務的網絡負載進行估算，需要考慮屬于同一多播組的所有變量的以下幾個主要特征參數：①發布周期Tpost，按掃描數計算；②主任務周期Ttask，按毫秒計算；③變量大小DBlen，按字數計算。對ProfiNet 網絡而言，其報文長度Mlen=38Byte，以太網報文頭長度PNlen=6Byte，傳輸過程中最大數據量DBmax=1400Byte。

則全局數據服務的網絡負載的估算公式如式（7）所示，單位為字節/秒：

在對全局數據服務的網絡負載進行估算時，需要為所有多播組的所有變量進行計算。

6 結論

本文闡述了制絲線管控系統的網絡設計需求與原則，確定了完成管控系統網絡設計所需的軟硬件配置；然后再此軟硬件配置基礎上，設計了管控系統網絡整體拓撲并分析了該網絡所具有的有點；最后基于上述管控系統網絡結構，從理論上分析和計算了該網絡的三個主要網絡參數：環網恢復時間、網絡吞吐量和網絡負載，說明了該網絡能遠遠滿足制絲車間管控系統網絡需求。

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