李志宏，郎進(jìn)平，杜迎喜，陳若珩，劉雯麗

（1.山西太鋼不銹鋼股份有限公司 自動(dòng)化公司，山西 太原 030003；2.太原鋼鐵 （集團(tuán)）嵐縣礦業(yè)有限公司，山西 太原 030003）

0 引言

控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成部分，其作用猶如人體的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，控制系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)信息、各種指令都依靠控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳輸，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)是自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要一環(huán)。目前企業(yè)的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)存在控制站通訊接口負(fù)荷大、易造成數(shù)據(jù)擁堵及雙機(jī)熱備冗余服務(wù)器有出現(xiàn)冗余故障的隱患等問(wèn)題。為此，設(shè)計(jì)了基于單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器技術(shù)的組合式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以解決上述問(wèn)題。

1 目前各種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)存在的問(wèn)題

目前在包括冶金礦山等的工業(yè)企業(yè)里，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)一般有以下幾種形式：?jiǎn)螌涌偩€(xiàn)式對(duì)等網(wǎng)絡(luò)、單層環(huán)網(wǎng)、雙層總線(xiàn)式對(duì)等網(wǎng)絡(luò)、總線(xiàn)＋單環(huán)網(wǎng)式雙層網(wǎng)絡(luò)、雙層單環(huán)網(wǎng)絡(luò)、單環(huán)＋雙環(huán)式雙層網(wǎng)絡(luò)、雙環(huán)＋雙環(huán)式雙層網(wǎng)絡(luò)等。這幾種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)又可分為單層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和雙層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)兩大類(lèi)。對(duì)于單層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其弊端是：控制站通訊接口負(fù)荷大，易造成數(shù)據(jù)擁堵；總線(xiàn)上一點(diǎn)中斷可能導(dǎo)致一部分甚至全部設(shè)備通訊中斷，安全性差。對(duì)于雙層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，基本上都采用雙機(jī)熱備冗余服務(wù)器，雙機(jī)熱備冗余服務(wù)器采用的是軟件冗余技術(shù)，由2臺(tái)完全相同的獨(dú)立服務(wù)器組成，每臺(tái)服務(wù)器分別安裝相同的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，在2臺(tái)服務(wù)器之間配置串口通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。盡管雙機(jī)熱備冗余服務(wù)器具有使用廣泛、技術(shù)成熟的優(yōu)勢(shì)，但它同時(shí)存在以下弊端：一旦串口通訊出現(xiàn)問(wèn)題，或者某一臺(tái)服務(wù)器的操作系統(tǒng)或應(yīng)用軟件出現(xiàn)問(wèn)題，則服務(wù)器就會(huì)出現(xiàn)冗余故障，這時(shí)操作站從服務(wù)器讀取的數(shù)據(jù)和畫(huà)面就會(huì)出現(xiàn)凌亂，從而威脅安全生產(chǎn)。

總之，目前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)要么存在控制站通訊接口負(fù)荷大、易造成數(shù)據(jù)擁堵的問(wèn)題，要么存在雙機(jī)熱備冗余服務(wù)器有出現(xiàn)冗余故障的隱患等問(wèn)題。

2 基于單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)分析

在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，最容易出現(xiàn)問(wèn)題的是軟件。由于單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器采用的是硬件冗余技術(shù)，并非由2臺(tái)完全相同的獨(dú)立服務(wù)器組成，而是1臺(tái)具有2套硬件組件和功能全面冗余的特殊計(jì)算機(jī)。而雙機(jī)熱備冗余服務(wù)器采用的是軟件冗余技術(shù)，所以單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器出故障的幾率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于雙機(jī)熱備冗余服務(wù)器出故障的幾率。此外，單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器采用了鎖步運(yùn)行技術(shù)、主動(dòng)服務(wù)體系結(jié)構(gòu)等一系列新技術(shù)，從而使得單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器技術(shù)相對(duì)于雙機(jī)熱備冗余服務(wù)器技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)：

（1）單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器的可用性是99.999%，而雙機(jī)熱備冗余服務(wù)器的可用性是99.9%。

（2）設(shè)計(jì)上單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器的目標(biāo)是避免停機(jī)，而雙機(jī)熱備冗余服務(wù)器是減少停機(jī)。

（3）單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器能有效地保護(hù)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)不丟失，而雙機(jī)熱備只能保證寫(xiě)入硬盤(pán)的數(shù)據(jù)。正常工作狀態(tài)下，單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)相互備份，其中一組硬件發(fā)生故障，單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器仍能繼續(xù)正常運(yùn)行，可保證服務(wù)器不會(huì)發(fā)生中斷或數(shù)據(jù)丟失。

（4）單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器能支持熱插拔任意的硬件，包括主板、CPU等關(guān)鍵性硬件。

（5）單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器布置非常簡(jiǎn)單，只需要裝一套操作系統(tǒng)，應(yīng)用軟件也只需要一套，免去雙機(jī)熱備軟件和研發(fā)代碼的麻煩，從而大大減少了工程師的工作量和軟件成本。

（6）單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器速度比同配置的雙機(jī)熱備要快20%以上。

（7）單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器后期維護(hù)成本幾乎為零，而雙機(jī)熱備需要工程師的支持，對(duì)于系統(tǒng)補(bǔ)丁的升級(jí)需要額外地研發(fā)雙機(jī)熱備代碼來(lái)保證系統(tǒng)的切換成功。

（8）單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器是沒(méi)有切換時(shí)間的，而雙機(jī)熱備由于硬件宕機(jī)會(huì)發(fā)生停頓的情況，還有就是雙機(jī)熱備切換工作是有可能不成功的。

鑒于單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器技術(shù)相對(duì)于雙機(jī)熱備冗余服務(wù)器技術(shù)具有上述優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)基于單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器技術(shù)的組合式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以確保自動(dòng)化控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 基于單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器技術(shù)的組合式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要技術(shù)包括單機(jī)容錯(cuò)技術(shù)、服務(wù)器技術(shù)、組合式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。該網(wǎng)絡(luò)由設(shè)備控制級(jí)和監(jiān)控級(jí)雙層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，設(shè)備控制級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)以太雙環(huán)網(wǎng)，監(jiān)控級(jí)為以太單環(huán)網(wǎng)，雙層網(wǎng)絡(luò)通過(guò)單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換?；趩螜C(jī)容錯(cuò)服務(wù)器技術(shù)的組合式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器作為工程師站和操作員站服務(wù)器，是整個(gè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的核心，同時(shí)是整個(gè)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心。PLC主控制站通過(guò)Ethernet通訊模塊和交換機(jī)與單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，操作員站數(shù)據(jù)和人機(jī)界面全部從單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器上讀取，這樣，減輕了控制站通訊接口負(fù)荷，避免了數(shù)據(jù)擁堵。

在組合式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，監(jiān)控級(jí)采用以太單環(huán)網(wǎng)，在具備網(wǎng)絡(luò)冗余功能的同時(shí)，兼顧了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)潔。設(shè)備控制級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)以太雙環(huán)網(wǎng)，使控制級(jí)設(shè)備的通訊實(shí)現(xiàn)了雙冗余功能，更加安全可靠。

圖1 基于單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器的組合式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3 基于單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的效果

基于單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器技術(shù)的組合式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，解決了目前控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)存在的控制站通訊接口負(fù)荷大而易造成數(shù)據(jù)擁堵、雙機(jī)熱備冗余服務(wù)器有出現(xiàn)冗余故障的隱患、總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無(wú)冗余功能等一系列問(wèn)題。

基于單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器技術(shù)的組合式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具備良好的使用效果，功能完整且分擔(dān)合理，層次結(jié)構(gòu)清晰，運(yùn)行穩(wěn)定安全可靠，為發(fā)揮工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制功能奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

基于單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器技術(shù)的組合式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在國(guó)內(nèi)某大型冶金礦山已成功運(yùn)行2年，表明基于單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器技術(shù)的組合式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)完全可以替代基于雙機(jī)熱備冗余服務(wù)器的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，尤其在安全穩(wěn)定性能要求高的大型控制系統(tǒng)，基于單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器技術(shù)的組合式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有一定的優(yōu)越性，很值得推廣。

［1］李志宏，杜娟.太鋼1 800m3高爐煤氣干法除塵自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.冶金自動(dòng)化，2008，32（5）：66－68.