制丝线管控系统网络构建设计

曾海苓ZENG Hai-ling；钟丰ZHONG Feng；刘鹉LIU Wu；吴长爱WU Zhang-ai

（江西中烟井冈山卷烟厂，吉安 343100）

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

1 系统设计需求与原则

制丝线网络结构是整个制丝线管控系统的基础，整个制丝线网络的安全性、可靠性和实时性关系到管控系统运行性能的优劣，所以对制丝线网络设计时主要从以下几个方面进行设计：①采用以太网组成的星形和环形网络，提高网络的响应速度；②设备控制层与生产管理层设置在不同的网段，通过物理隔绝，保证各层之间的功能独立，同时减少整个设备控制网络的负荷；③网络设备采用双路供电，保证整个网络的可用性。

2 系统主要软硬件配置

2.1 硬件配置与选型：①车间主干工业以太网选用西门子SCALANCE X414-3E、x212 交换机，构成光纤环网；②光纤选用西门子工业以太网光纤6XV1873-2A，尽量降低干扰影响；③PROFINET 网络插头和电缆：选用西门子公司IE FC RJ45 插头和IE FC TP 标准电缆6XV1840-2AH10，尽量降低干扰影响；④1 台CISCO（WS-3750G-24TS-S1U）24 口以太网交换机，用于连接集控室所有服务器、监控计算机、管理计算机以及其它应用终端组成集中监控管理系统星型网络；⑤2 台I/O 服务器，服务器选用IBM xSeries 3650 服务器；⑥1 台Web 服务器,为系统提供WEB 发布接口；⑦1 台关系数据库服务器，服务器选用IBM xSeries 3655 服务器，为管理系统和数采系统提供数据库服务；⑧3 台监控计算机、1 台管理计算机、1 台工程师站，选用dell 260 计算机；⑨1 套42U Standard Rack 服务器机柜、1 套KVM 和1 套液晶显示器套件。

2.2 软件配置与选型：①服务器操作系统选用Windows 2008 Server 中文标准版，其他计算机操作系统选用Windows XP Professional 中文版；②关系数据库软件选用SQL SERVER 2005 标准版；③监控系统平台选用WinCC7.0 64K Tags 亚洲完全版及运行版；④在IO 服务器和工程师站各配置1 套西门子公司通讯软件Simatic Net V6.4。

3 系统网络结构

制丝线控制系统主要由设备控制层、集中监控层、生产管理层三层体系结构构成。设备控制层通讯链路主要由工业网络ProfiBus-DP/PA、ProfiNet 构成，PLC 间通讯由工业以太网（环网）实现，TCP/IP 以太网构成上位通讯链路实现集中监控层数据通讯，ERP 或MES 系统向车间数据管理层提供数据。

4 系统总体网络拓扑

制丝线管控系统网络拓扑结构由完整的以太网网络构成，采用1000Mbit/s 高速光纤环网和双环StandBy 环网耦合技术，设备控制层采用MRP 环网技术，采用X414-3E交换机，保证底层数据的实时性，网络负载均衡且维护简便。整个网络架构如图1 所示。

5 网络主要参数

5.1 环网（包括MRP 环网）恢复时间 制丝线的整个网络框架以及底层设备控制采用环网为主，网络恢复时间计算公式如式（1）所示。

其中，Tdetect为检测时间；Tflush为数据流刷新时间；

而Tdetect、Tflush可由式（2）得到，

对于1000Mbit/s 的高速光纤环网而言，Tswitch、Tbit、Tqueue、Thold和TFDB满足式（4）。

当节点数N=16 时，环网恢复时间Trec为9.39ms。

综上所述，对于图1 采用1000Mbit/s 的高速光纤环网，若以节点为16 个为例，环网恢复时间为9.39ms。若当前网络发生意外故障，系统能在不到10ms 的时间内恢复网络通讯。

5.2 网络吞吐量 根据制丝线设备和网络设计规划，采用1000M/s 的高速光纤环网，端到端理论延时时间为10ms。根据式（5）滑动窗口线路利用率公式可得信道利用率U 为

其中，W 为窗口数，W=1；a 为端到端实际延时时间，单位ms；另外，根据式（6）可以得到端到端实际延时时间

其中，BW 为高速环网通讯速率，单位为Gb/s；tlilun为端到端理论延时时间，单位为ms；结合上述式（5）和（6）可得，以太网上的网络吞吐量为25.5Mb/s。

因此，该主干网采用1000Mbit/s 的高速光纤环网，远远满足当前制丝车间所有设备的数据传输。

5.3 以太网上的网络负载 为了估算以太网上的网络负载，需要计算连入网络的所有设备的所有通信服务量。为了确保网络负载较低并且避免大量的理论计算，一般应用交换网技术（树型或星型网络拓扑）分隔冲突域，限制网络负载。使用交换网络，不需要对冲突域内的情况进行系统估算。

为了对全局数据服务的网络负载进行估算，需要考虑属于同一多播组的所有变量的以下几个主要特征参数：①发布周期Tpost，按扫描数计算；②主任务周期Ttask，按毫秒计算；③变量大小DBlen，按字数计算。对ProfiNet 网络而言，其报文长度Mlen=38Byte，以太网报文头长度PNlen=6Byte，传输过程中最大数据量DBmax=1400Byte。

则全局数据服务的网络负载的估算公式如式（7）所示，单位为字节/秒：

在对全局数据服务的网络负载进行估算时，需要为所有多播组的所有变量进行计算。

6 结论

本文阐述了制丝线管控系统的网络设计需求与原则，确定了完成管控系统网络设计所需的软硬件配置；然后再此软硬件配置基础上，设计了管控系统网络整体拓扑并分析了该网络所具有的有点；最后基于上述管控系统网络结构，从理论上分析和计算了该网络的三个主要网络参数：环网恢复时间、网络吞吐量和网络负载，说明了该网络能远远满足制丝车间管控系统网络需求。

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