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)來傳輸，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計是自動控制系統(tǒng)設(shè)計的重要一環(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題。為此，設(shè)計了基于單機(jī)容錯服務(wù)器技術(shù)的組合式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以解決上述問題。

1 目前各種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)存在的問題

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：單層總線式對等網(wǎng)絡(luò)、單層環(huán)網(wǎng)、雙層總線式對等網(wǎng)絡(luò)、總線＋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。對于單層網(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；總線上一點中斷可能導(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臺完全相同的獨立服務(wù)器組成，每臺服務(wù)器分別安裝相同的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，在2臺服務(wù)器之間配置串口通訊實現(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，但它同時存在以下弊端：一旦串口通訊出現(xiàn)問題，或者某一臺服務(wù)器的操作系統(tǒng)或應(yīng)用軟件出現(xiàn)問題，則服務(wù)器就會出現(xiàn)冗余故障，這時操作站從服務(wù)器讀取的數(shù)據(jù)和畫面就會出現(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題。

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

2.1 單機(jī)容錯服務(wù)器技術(shù)的優(yōu)勢分析

在自動化控制系統(tǒng)中，最容易出現(xiàn)問題的是軟件。由于單機(jī)容錯服務(wù)器采用的是硬件冗余技術(shù)，并非由2臺完全相同的獨立服務(wù)器組成，而是1臺具有2套硬件組件和功能全面冗余的特殊計算機(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)容錯服務(wù)器采用了鎖步運行技術(shù)、主動服務(wù)體系結(jié)構(gòu)等一系列新技術(shù)，從而使得單機(jī)容錯服務(wù)器技術(shù)相對于雙機(jī)熱備冗余服務(wù)器技術(shù)具有諸多優(yōu)勢：

（1）單機(jī)容錯服務(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)計上單機(jī)容錯服務(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)容錯服務(wù)器能有效地保護(hù)動態(tài)數(shù)據(jù)不丟失，而雙機(jī)熱備只能保證寫入硬盤的數(shù)據(jù)。正常工作狀態(tài)下，單機(jī)容錯服務(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)容錯服務(wù)器仍能繼續(xù)正常運行，可保證服務(wù)器不會發(fā)生中斷或數(shù)據(jù)丟失。

（4）單機(jī)容錯服務(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)容錯服務(wù)器布置非常簡單，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，對于系統(tǒng)補(bǔ)丁的升級需要額外地研發(fā)雙機(jī)熱備代碼來保證系統(tǒng)的切換成功。

（8）單機(jī)容錯服務(wù)器是沒有切換時間的，而雙機(jī)熱備由于硬件宕機(jī)會發(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)容錯服務(wù)器技術(shù)相對于雙機(jī)熱備冗余服務(wù)器技術(shù)具有上述優(yōu)勢，設(shè)計基于單機(jī)容錯服務(wù)器技術(shù)的組合式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以確保自動化控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

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

基于單機(jī)容錯服務(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)備控制級和監(jiān)控級雙層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，設(shè)備控制級為標(biāo)準(zhǔn)以太雙環(huán)網(wǎng)，監(jiān)控級為以太單環(huán)網(wǎng)，雙層網(wǎng)絡(luò)通過單機(jī)容錯服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換。基于單機(jī)容錯服務(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)容錯服務(wù)器作為工程師站和操作員站服務(wù)器，是整個控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的核心，同時是整個控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心。PLC主控制站通過Ethernet通訊模塊和交換機(jī)與單機(jī)容錯服務(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)控級采用以太單環(huán)網(wǎng)，在具備網(wǎng)絡(luò)冗余功能的同時，兼顧了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的簡潔。設(shè)備控制級為標(biāo)準(zhǔn)以太雙環(huán)網(wǎng)，使控制級設(shè)備的通訊實現(xiàn)了雙冗余功能，更加安全可靠。

圖1 基于單機(jī)容錯服務(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、總線網(wǎng)絡(luò)無冗余功能等一系列問題。

基于單機(jī)容錯服務(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，運行穩(wěn)定安全可靠，為發(fā)揮工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)過程自動控制功能奠定了堅實的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

基于單機(jī)容錯服務(wù)器技術(shù)的組合式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在國內(nèi)某大型冶金礦山已成功運行2年，表明基于單機(jī)容錯服務(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控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用［J］.冶金自動化，2008，32（5）：66－68.