制絲線管控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建設(shè)計(jì)

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(tǒng)設(shè)計(jì)需求與原則

制絲線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是整個(gè)制絲線管控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，整個(gè)制絲線網(wǎng)絡(luò)的安全性、可靠性和實(shí)時(shí)性關(guān)系到管控系統(tǒng)運(yùn)行性能的優(yōu)劣，所以對(duì)制絲線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)：①采用以太網(wǎng)組成的星形和環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，提高網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)速度；②設(shè)備控制層與生產(chǎn)管理層設(shè)置在不同的網(wǎng)段，通過物理隔絕，保證各層之間的功能獨(dú)立，同時(shí)減少整個(gè)設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷；③網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采用雙路供電，保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可用性。

2 系統(tǒng)主要軟硬件配置

2.1 硬件配置與選型：①車間主干工業(yè)以太網(wǎng)選用西門子SCALANCE X414-3E、x212 交換機(jī)，構(gòu)成光纖環(huán)網(wǎng)；②光纖選用西門子工業(yè)以太網(wǎng)光纖6XV1873-2A，盡量降低干擾影響；③PROFINET 網(wǎng)絡(luò)插頭和電纜：選用西門子公司IE FC RJ45 插頭和IE FC TP 標(biāo)準(zhǔn)電纜6XV1840-2AH10，盡量降低干擾影響；④1 臺(tái)CISCO（WS-3750G-24TS-S1U）24 口以太網(wǎng)交換機(jī)，用于連接集控室所有服務(wù)器、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、管理計(jì)算機(jī)以及其它應(yīng)用終端組成集中監(jiān)控管理系統(tǒng)星型網(wǎng)絡(luò)；⑤2 臺(tái)I/O 服務(wù)器，服務(wù)器選用IBM xSeries 3650 服務(wù)器；⑥1 臺(tái)Web 服務(wù)器,為系統(tǒng)提供WEB 發(fā)布接口；⑦1 臺(tái)關(guān)系數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，服務(wù)器選用IBM xSeries 3655 服務(wù)器，為管理系統(tǒng)和數(shù)采系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)庫服務(wù)；⑧3 臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)、1 臺(tái)管理計(jì)算機(jī)、1 臺(tái)工程師站，選用dell 260 計(jì)算機(jī)；⑨1 套42U Standard Rack 服務(wù)器機(jī)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(wù)器操作系統(tǒng)選用Windows 2008 Server 中文標(biāo)準(zhǔn)版，其他計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)選用Windows XP Professional 中文版；②關(guān)系數(shù)據(jù)庫軟件選用SQL SERVER 2005 標(biāo)準(zhǔn)版；③監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)選用WinCC7.0 64K Tags 亞洲完全版及運(yùn)行版；④在IO 服務(wù)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(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

制絲線控制系統(tǒng)主要由設(shè)備控制層、集中監(jiān)控層、生產(chǎn)管理層三層體系結(jié)構(gòu)構(gòu)成。設(shè)備控制層通訊鏈路主要由工業(yè)網(wǎng)絡(luò)ProfiBus-DP/PA、ProfiNet 構(gòu)成，PLC 間通訊由工業(yè)以太網(wǎng)（環(huán)網(wǎng)）實(shí)現(xiàn)，TCP/IP 以太網(wǎng)構(gòu)成上位通訊鏈路實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控層數(shù)據(jù)通訊，ERP 或MES 系統(tǒng)向車間數(shù)據(jù)管理層提供數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h2>

制絲線管控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由完整的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，采用1000Mbit/s 高速光纖環(huán)網(wǎng)和雙環(huán)StandBy 環(huán)網(wǎng)耦合技術(shù)，設(shè)備控制層采用MRP 環(huán)網(wǎng)技術(shù)，采用X414-3E交換機(jī)，保證底層數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡且維護(hù)簡便。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1 所示。

5 網(wǎng)絡(luò)主要參數(shù)

5.1 環(huán)網(wǎng)（包括MRP 環(huán)網(wǎng)）恢復(fù)時(shí)間 制絲線的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)框架以及底層設(shè)備控制采用環(huán)網(wǎng)為主，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)間計(jì)算公式如式（1）所示。

其中，Tdetect為檢測(cè)時(shí)間；Tflush為數(shù)據(jù)流刷新時(shí)間；

而Tdetect、Tflush可由式（2）得到，

對(duì)于1000Mbit/s 的高速光纖環(huán)網(wǎng)而言，Tswitch、Tbit、Tqueue、Thold和TFDB滿足式（4）。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)N=16 時(shí)，環(huán)網(wǎng)恢復(fù)時(shí)間Trec為9.39ms。

綜上所述，對(duì)于圖1 采用1000Mbit/s 的高速光纖環(huán)網(wǎng)，若以節(jié)點(diǎn)為16 個(gè)為例，環(huán)網(wǎng)恢復(fù)時(shí)間為9.39ms。若當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)發(fā)生意外故障，系統(tǒng)能在不到10ms 的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)通訊。

5.2 網(wǎng)絡(luò)吞吐量 根據(jù)制絲線設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)規(guī)劃，采用1000M/s 的高速光纖環(huán)網(wǎng)，端到端理論延時(shí)時(shí)間為10ms。根據(jù)式（5）滑動(dòng)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(shù)，W=1；a 為端到端實(shí)際延時(shí)時(shí)間，單位ms；另外，根據(jù)式（6）可以得到端到端實(shí)際延時(shí)時(shí)間

其中，BW 為高速環(huán)網(wǎng)通訊速率，單位為Gb/s；tlilun為端到端理論延時(shí)時(shí)間，單位為ms；結(jié)合上述式（5）和（6）可得，以太網(wǎng)上的網(wǎng)絡(luò)吞吐量為25.5Mb/s。

因此，該主干網(wǎng)采用1000Mbit/s 的高速光纖環(huán)網(wǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足當(dāng)前制絲車間所有設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。

5.3 以太網(wǎng)上的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載 為了估算以太網(wǎng)上的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，需要計(jì)算連入網(wǎng)絡(luò)的所有設(shè)備的所有通信服務(wù)量。為了確保網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低并且避免大量的理論計(jì)算，一般應(yīng)用交換網(wǎng)技術(shù)（樹型或星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌┓指魶_突域，限制網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。使用交換網(wǎng)絡(luò)，不需要對(duì)沖突域內(nèi)的情況進(jìn)行系統(tǒng)估算。

為了對(duì)全局?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載進(jìn)行估算，需要考慮屬于同一多播組的所有變量的以下幾個(gè)主要特征參數(shù)：①發(fā)布周期Tpost，按掃描數(shù)計(jì)算；②主任務(wù)周期Ttask，按毫秒計(jì)算；③變量大小DBlen，按字?jǐn)?shù)計(jì)算。對(duì)ProfiNet 網(wǎng)絡(luò)而言，其報(bào)文長度Mlen=38Byte，以太網(wǎng)報(bào)文頭長度PNlen=6Byte，傳輸過程中最大數(shù)據(jù)量DBmax=1400Byte。

則全局?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的估算公式如式（7）所示，單位為字節(jié)/秒：

在對(duì)全局?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載進(jìn)行估算時(shí)，需要為所有多播組的所有變量進(jìn)行計(jì)算。

6 結(jié)論

本文闡述了制絲線管控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)需求與原則，確定了完成管控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)所需的軟硬件配置；然后再此軟硬件配置基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了管控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)整體拓?fù)洳⒎治隽嗽摼W(wǎng)絡(luò)所具有的有點(diǎn)；最后基于上述管控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從理論上分析和計(jì)算了該網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)主要網(wǎng)絡(luò)參數(shù)：環(huán)網(wǎng)恢復(fù)時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)吞吐量和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，說明了該網(wǎng)絡(luò)能遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足制絲車間管控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)需求。

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