基于POWERLINK的油田網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)建模與仿真

孟開元， 鄭 宇， 曹慶年

(西安石油大學 計算機學院， 西安 710065)

0 引 言

隨著網(wǎng)絡與計算機通信技術(shù)的快速發(fā)展，油田行業(yè)的數(shù)字化、智能化成為了目前石油行業(yè)最為關(guān)心的問題。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)憑借著實時性強、確定性強、開放性好、通信速率高等特點在工業(yè)控制領(lǐng)域越來越受到關(guān)注。隨著工業(yè)以太網(wǎng)的快速發(fā)展，POWERLINK憑借其實時性好、確定性強、協(xié)議開源、無需任何授權(quán)費用成為工業(yè)以太網(wǎng)的代表[1]。POWERLINK基于標準以太網(wǎng)，有多種組網(wǎng)方式，可以根據(jù)油田現(xiàn)場情況來選擇一套合適的方案進行組網(wǎng)設(shè)計，本文在對現(xiàn)有油田中網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的研究基礎(chǔ)之上，使用OPNET建模仿真工具對POWERLINK協(xié)議所支持的拓撲結(jié)構(gòu)進行建模仿真。根據(jù)對3種拓撲結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果進行分析和對比油田現(xiàn)場情況對網(wǎng)絡拓撲的要求，給出了合適的組網(wǎng)方案。

1 POWERLINK概述

POWERLINK基于軟件方案實現(xiàn)，兼容標準以太網(wǎng)IEEE802.3所定義的所有特性并且其在物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層中重新添加了一些屬于自己的實現(xiàn)方案[2]。其物理層基于標準以太網(wǎng)，這意味著用戶可以在標準以太網(wǎng)上實現(xiàn)自己的方案，無需 ASIC 芯片，為了解決IEEE802.3定義使用的載波偵聽多路訪問/碰撞檢測(CSMA/CD)機制具有數(shù)據(jù)不可預知的堵塞的特點,POWERLINK采用時間槽通信管理機制(SCNM)，并遵循IEEE1588標準，使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)具有實時性、確定性。在應用層，POWERLINK使用的是CANopen 標準。該標準是一個在工業(yè)控制領(lǐng)域中非常易用的應用層協(xié)議。其優(yōu)點在于標準化設(shè)備描述文件，為應用程序提供了統(tǒng)一的接口，使得不同的設(shè)備與應用程序之間有統(tǒng)一的訪問方式。

1.1 POWERLINK節(jié)點

POWERLINK網(wǎng)絡中的節(jié)點按照功能可以分為2類：管理節(jié)點(Management Node,MN)和受控節(jié)點(Conrtolled Node,CN)，MN負責管理總線的使用權(quán)，只有當MN允許時CN才可以在網(wǎng)絡上發(fā)送數(shù)據(jù)幀[3]。POWERLINK網(wǎng)絡會為每一個設(shè)備分配1個唯一的ID號作為標識，最多支持250個節(jié)點，受控節(jié)點的ID號分布為1-249，管理節(jié)點ID號為240。241-250的ID號作為備用節(jié)點支持系統(tǒng)實現(xiàn)冗余功能。

1.2 POWERLINK周期

POWERLINK的通信周期如圖1所示。通信周期分為4個階段：起始階段、同步階段、異步階段和空閑階段。1個POWERLINK的周期從本次的SoC起始到下1次SoC，1個周期的時間是確定的，但是1個周期內(nèi)部所包含的4個階段是可以根據(jù)應用的實際情況自主選擇。在SoC階段MN節(jié)點會發(fā)送1個廣播報文來同步整個網(wǎng)絡中所有節(jié)點的時間。在同步階段MN會以輪詢的方式依次訪問每一個CN節(jié)點，處于同步階段的CN節(jié)點在每個周期都可以被MN節(jié)點所訪問到，所以同步階段一般用來傳遞每個周期都需要的數(shù)據(jù)。異步階段用來傳輸非周期性的數(shù)據(jù)，MN廣播發(fā)送的SoA數(shù)據(jù)幀攜帶的信息包含了指定哪個CN節(jié)點上報自己的信息，圖1中的AsyncData數(shù)據(jù)幀就是CN節(jié)點傳輸給MN節(jié)點的數(shù)據(jù)?？臻e階段是異步階段和下一周期的SoC階段的緩沖，可以動態(tài)的增加或刪減。

2 基于OPNET的拓撲建模

油氣田生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)主要由3部分組成，最上層為生產(chǎn)管理子系統(tǒng)，中間層數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)，最下層數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)主要傳輸實時采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、視頻圖像和一些控制信息，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)主要采集井和站庫的數(shù)據(jù)，對井和站庫進行監(jiān)控。由前文所述可知，POWERLINK的同步周期可以用來傳輸實時采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和視頻圖像信息，而一些控制信息可以通過異步周期傳輸。數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)控子系統(tǒng)主要涉及對各個油氣站點的數(shù)據(jù)采集，這就涉及到如何選用合適的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)進行組網(wǎng)。

OPNET是一款網(wǎng)絡仿真軟件，其能夠在實際的網(wǎng)絡部署之前讓用戶對所要部署的網(wǎng)絡進行建模仿真，并且用戶可以在建立好的網(wǎng)絡模型中監(jiān)測網(wǎng)絡所關(guān)注的數(shù)據(jù)并進行統(tǒng)計，在仿真完畢后這些數(shù)據(jù)可以以圖表的形式展現(xiàn)出來供用戶分析。OPNET能快速方便地建立起網(wǎng)絡的模型，也可以很容易地進行模型的修改與仿真，可以為用戶在具體網(wǎng)絡部署之前提供數(shù)據(jù)的參考[4]。

由于POWERLINK的物理層采用標準的以太網(wǎng)，所以POWERLINK兼容所有的以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，而且可以使用 HUB 和 SWITCH 等標準的網(wǎng)絡設(shè)備對網(wǎng)絡進行擴充，這使得用戶在應用POWERLINK協(xié)議時在組網(wǎng)方面非常靈活?？紤]到組網(wǎng)的性價比和應用范圍，所以本文選擇典型的3種拓撲結(jié)構(gòu)，星型、樹型、總線型在OPNET中建模仿真。拓撲結(jié)構(gòu)如圖2-圖4所示。

圖2 星型拓撲

圖3 樹型拓撲

圖4 總線型拓撲

3 仿真與結(jié)果分析

基于上文給出的拓撲結(jié)構(gòu)圖，選擇數(shù)量相同的節(jié)點來模擬油田現(xiàn)場需要給服務器傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點，設(shè)置FTP應用業(yè)務模擬實時傳輸數(shù)據(jù)，設(shè)置Video Conference應用業(yè)務模擬非實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。圖5～圖8給出了仿真結(jié)果，分別收集了服務器接受通信量、服務器延時、服務器負載、以太網(wǎng)延時[5]。

圖5 以太網(wǎng)延時

圖6 3種結(jié)構(gòu)的通信量

圖7 3種拓撲結(jié)構(gòu)的負載

圖8 3種結(jié)構(gòu)的延時

圖5所示是3種拓撲的以太網(wǎng)延時星型最小，樹型最差。圖6所示是3種拓撲的通信量，樹型最低總線型最高。圖7所示是3種拓撲的負載，樹型最小，總線型最大[6]。圖8所示是3種結(jié)構(gòu)的延時，總線型最小，樹型最高。由于這3種拓撲結(jié)構(gòu)自身存在的優(yōu)缺點，和得出的仿真結(jié)果來看，星型拓撲結(jié)構(gòu)的平均性能是最穩(wěn)定的[7]。

結(jié)合油田現(xiàn)場情況和星型拓撲自身的優(yōu)點，得出星型拓撲適合油田進行組網(wǎng)。原因在于：

(1)各個工作節(jié)點通過交換機或者集線器連接在一起，易于上傳數(shù)據(jù)，而且中心節(jié)點可以很方便地給任何一個節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)；

(2)當需要移除或者增加節(jié)點的時候不會對整個網(wǎng)絡造成任何影響，僅僅只影響需要改變的節(jié)點；

(3)在實現(xiàn)星型網(wǎng)絡的時候，所要求的傳輸介質(zhì)一般為雙絞線，成本非常低，性價比很高[8]。

4 結(jié)束語

本文在對POWERLINK協(xié)議研究的基礎(chǔ)之上，選取應用廣泛的3種拓撲結(jié)構(gòu)在OPNET中進行建模仿真，并分析了仿真結(jié)果，最后結(jié)合油田現(xiàn)場情況，得出星型拓撲適合油田組網(wǎng)。本文對3種拓撲結(jié)構(gòu)進行了對比分析，選出了適合油田的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，未來主要工作是將POWERLINK協(xié)議應用在星型拓撲結(jié)構(gòu)的油田數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡中。