張國金，唐 茜

(中國建材國際工程有限公司,蚌埠 233010)

隨著“工業(yè)4.0” 和“中國制造2035”的提出和供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的推進(jìn)，國家對傳統(tǒng)工業(yè)的智能化、信息化越來越重視，借助互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)以及人工智能等技術(shù)促進(jìn)平板玻璃這一傳統(tǒng)工業(yè)的利潤增長越來越有必要。現(xiàn)代工業(yè)對數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的控制越來越高度集中，也對系統(tǒng)的安全性、容錯性和不間斷性提出了更高的要求[1]。

傳統(tǒng)的集中式服務(wù)器架構(gòu)的過程控制系統(tǒng)，由一臺或多臺主計算機(jī)組成系統(tǒng)服務(wù)器，數(shù)據(jù)集中存儲在一個中心節(jié)點(diǎn)中，并且整個系統(tǒng)的所有監(jiān)控單元都集中部署在這個中心節(jié)點(diǎn)上，系統(tǒng)所有功能均要求其集中處理。導(dǎo)致服務(wù)器的負(fù)荷量大、使用效率低，各服務(wù)器之間耦合度要求高，系統(tǒng)擴(kuò)展性差，容易導(dǎo)致服務(wù)器死機(jī)、客戶機(jī)卡頓現(xiàn)象，造成生產(chǎn)成本的增加、資源的浪費(fèi)。分布式集群架構(gòu)控制系統(tǒng)將整個工程項(xiàng)目的任務(wù)分配在多個服務(wù)器中，其中各服務(wù)器具有相同的權(quán)限，且可以相互獨(dú)立地進(jìn)行工作。同時在冗余熱備模式下，互為熱備的冗余服務(wù)器同時運(yùn)行，各冗余服務(wù)器在同時運(yùn)行時又互相監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)故障狀態(tài)下容錯運(yùn)行，顯著提高了系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和不間斷性。

1 典型過程控制系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 集中式系統(tǒng)架構(gòu)

集中式系統(tǒng)架構(gòu)過程控制系統(tǒng)，如圖1所示，包含有一個或多個客戶機(jī)、一臺服務(wù)器和一個或多個下位機(jī)組成，他們之間采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議，通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信。下位機(jī)包括PLC以及如電機(jī)、傳感器、氣動元件等模擬信號采集元件組件，他們之間通過過程總線接連到自動化系統(tǒng)。集中式系統(tǒng)架構(gòu)過程控制系統(tǒng)是基于客戶機(jī)/服務(wù)器原理，不需要組態(tài)客戶機(jī)。服務(wù)器負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)所有公共功能：連接自動化系統(tǒng)，協(xié)調(diào)客戶機(jī)，為客戶提供過程值、歸檔數(shù)據(jù)、消息、畫面和協(xié)議[2]。

1.2 分布式集群系統(tǒng)架構(gòu)

分布式系統(tǒng)架構(gòu)過程控制系統(tǒng)，如圖2所示，包含有一個或多個客戶機(jī)、一個或多個服務(wù)器、與所述服務(wù)器一一對應(yīng)的冗余服務(wù)器及一個或多個下位機(jī)，他們之間采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議，通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信。下位機(jī)包括PLC以及如電機(jī)、傳感器、氣動元件等模擬信號采集元件組件，他們之間通過過程總線接連到自動化系統(tǒng)?？蛻魴C(jī)用于監(jiān)控控制所述下位機(jī)對應(yīng)的PLC數(shù)據(jù)。服務(wù)器或冗余伙伴服務(wù)器用于獲取下位機(jī)對應(yīng)的PLC數(shù)據(jù)和/或提供本地服務(wù)。下位機(jī)用于采集關(guān)聯(lián)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)信息并形成PLC數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)可靠性分析

2.1 建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

如圖3所示，系統(tǒng)是由m個子系統(tǒng)并聯(lián)而成，每個子系統(tǒng)是由ni個單元串聯(lián)而成。

(1)

當(dāng)n1=n2=n3=…=nm=n且Rij=R(t)時，全系統(tǒng)的可靠度為

Rs(t)=1-[1-Rn(t)]m

(2)

若每個單元壽命分布均為常數(shù)λi的指數(shù)分布，當(dāng)n個元件都相同時，即λ1=λ2=λ3=…=λn=λ時，可靠度為

Rs(t)=1-(1-e-λi)n

(3)

系統(tǒng)的平均壽命為

(4)

假設(shè)單并聯(lián)冗余系統(tǒng)由兩個單系統(tǒng)組成即n=2時，可靠度為

Rs(t)=e-λ1t+e-λ2t-e-(λ1+λ2)t=e-λt(2-e-λt)

(5)

2.2 確定系統(tǒng)可靠性因子

如表1所示，單并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度是0.8，當(dāng)集群因子為2時，兩個并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性是0.96，當(dāng)集群因子為3時，三個并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性是0.992,。集中式系統(tǒng)架構(gòu)采用單并聯(lián)系統(tǒng)，可靠度是0.8，而分布式集群架構(gòu)系統(tǒng)，即采用串-并聯(lián)冗余系統(tǒng)，可靠度>0.992，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

表1 不同集群度的可靠性增益

3 分布式集群系統(tǒng)架構(gòu)組網(wǎng)方法

3.1 服務(wù)器的組態(tài)方法

服務(wù)器配置有以太網(wǎng)，用于分別與所述客戶機(jī)、冗余服務(wù)器、下位機(jī)及其他服務(wù)器之間通信連接。冗余服務(wù)器配置有以太網(wǎng)，用于分別與客戶機(jī)、服務(wù)器、下位機(jī)及其他冗余服務(wù)器之間通信連接。

服務(wù)器或冗余服務(wù)器中的以太網(wǎng)是通過設(shè)置PG/PC接口為TCP/IP，并綁定相應(yīng)目標(biāo)IP地址實(shí)現(xiàn)配置的。在服務(wù)器工控機(jī)中插入以太網(wǎng)卡，在工控機(jī)的控制面板中選擇“Set PG/PC Interface”，在“Access Point of the Application”中添加“CP-TCPIP”應(yīng)用程序訪問點(diǎn)，然后在"Interface Parameter Assignment Used"中選擇所使用的以太網(wǎng)卡。將服務(wù)器工控機(jī)的IP地址設(shè)置成和PLC以太網(wǎng)通信模塊的IP地址在一個網(wǎng)段。在服務(wù)器工控機(jī)的WinCC在添加“SIMATIC S7 Protocol Suite”通信驅(qū)動程序，選擇“TCP/IP”通道單元，在“l(fā)ogical device name”中選擇“CP-TCP/IP”，然后在“Connection Parameter-TCP/IP”中輸入以太網(wǎng)通信模塊的IP地址，輸入下位機(jī)CPU的機(jī)架號和槽位號。

冗余服務(wù)器與對應(yīng)的服務(wù)器通過冗余配置建立對應(yīng)的冗余關(guān)系，冗余配置還包括軟件和硬件的冗余配置。將項(xiàng)目從缺省主服務(wù)器復(fù)制到冗余服務(wù)器：從“開始”菜單中，打開“SIMATIC/WINCC/TOOLS”中的“Project Duplicator”，在“選擇要復(fù)制的源項(xiàng)目”域中，選擇源項(xiàng)目；在“為冗余計算機(jī)保存復(fù)制項(xiàng)目在”域中，可指定帶有目標(biāo)計算機(jī)以及目標(biāo)項(xiàng)目的文件夾，然后啟動復(fù)制過程，將在目標(biāo)計算機(jī)上創(chuàng)建已完全組態(tài)的冗余項(xiàng)目[4]。

3.2 客戶機(jī)的組態(tài)方法

服務(wù)器或冗余服務(wù)器的SIMATIC WinCC中組態(tài)有服務(wù)器項(xiàng)目數(shù)據(jù)，并依據(jù)客戶機(jī)的信息向其提供獲取的服務(wù)器項(xiàng)目數(shù)據(jù)或本地服務(wù)的端口。服務(wù)器可以通過預(yù)先獲取一或多個目標(biāo)客戶機(jī)的信息，并提前在服務(wù)器的計算列表中注冊客戶機(jī)名稱，這樣就可以對客戶機(jī)分配操作權(quán)限提供一個端口，并且各客戶機(jī)可以通過該端口獲取任意一服務(wù)器對應(yīng)的服務(wù)器數(shù)據(jù)包或本地服務(wù)。

客戶機(jī)為安裝有SIMATIC WinCC的計算機(jī)。客戶機(jī)配置有以太網(wǎng)，用于通信連接與服務(wù)器或冗余服務(wù)器及其他客戶機(jī)之間通信連接?？蛻魴C(jī)的以太網(wǎng)是通過設(shè)置PG/PC接口為TCP/IP，并綁定相應(yīng)目標(biāo)IP地址實(shí)現(xiàn)配置的?？蛻魴C(jī)以太網(wǎng)的配置與服務(wù)器以太網(wǎng)的配置方式類似，客戶機(jī)的SIMATIC WinCC中組態(tài)有客戶機(jī)項(xiàng)目數(shù)據(jù)，并依據(jù)服務(wù)器或冗余服務(wù)器對應(yīng)的端口獲取所述服務(wù)器項(xiàng)目數(shù)據(jù)，以供組態(tài)首選的所述服務(wù)器。

3.3 下位機(jī)的組態(tài)方法

下位機(jī)包括PLC模塊，PLC模塊包括：電源模塊、A/D轉(zhuǎn)換器、CPU模塊、通訊模塊、輸入輸出模塊； CPU模塊包括以太網(wǎng)通訊模塊。下位機(jī)與直接控制設(shè)備(關(guān)聯(lián)設(shè)備)連接，以獲取設(shè)備狀況或運(yùn)行參數(shù)信息，并由此形成PLC數(shù)據(jù)。下位機(jī)是直接控制設(shè)備獲取設(shè)備狀況的計算機(jī)，一般是PLC/單片機(jī)之類的，兩機(jī)如何通訊，一般取決于下位機(jī)，一般是支持TCP/IP協(xié)議。

下位機(jī)配置有以太網(wǎng)，用于分別與服務(wù)器或冗余服務(wù)器及其他下位機(jī)之間通信連接。下位機(jī)中的以太網(wǎng)是通過設(shè)置PG/PC接口為TCP/IP，并綁定相應(yīng)目標(biāo)IP地址實(shí)現(xiàn)配置的。下位機(jī)還配置有以太子網(wǎng)，用于通信連接于傳感器、電機(jī)、氣動元件及電感元件中任意一種或多種組合。

下位機(jī)配置通信子網(wǎng)，即可以通過PLC模塊的CPU生成PROFINET或者PROFIBUS-DP子網(wǎng)，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。通過硬件配置系統(tǒng)設(shè)置IP地址或者DP地址，此網(wǎng)絡(luò)可以是由多個PROFINET或者PROFIBUS-DP子網(wǎng)組成，一方面用于CPU與硬件系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行通訊，另一方面用于多個CPU之間進(jìn)行通訊。

4 結(jié) 論

分布式集群架構(gòu)控制系統(tǒng)將任務(wù)分配在多個服務(wù)器中，減少了加載到每臺服務(wù)器上的負(fù)荷，其中每臺服務(wù)器均有自己的過程驅(qū)動程序連接，并有自己的數(shù)據(jù)歸檔。在冗余熱備模式下，互為熱備的冗余服務(wù)器同時運(yùn)行，所有過程數(shù)據(jù)和消息發(fā)送到冗余服務(wù)器，每臺服務(wù)器對它們進(jìn)行相應(yīng)地處理。各冗余服務(wù)器在同時運(yùn)行時又互相監(jiān)控，當(dāng)一臺服務(wù)器出現(xiàn)故障時，處于激活狀態(tài)的服務(wù)器將繼續(xù)對項(xiàng)目的所有消息和過程數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔，客戶機(jī)將自動從出現(xiàn)故障的服務(wù)器切換到仍然處于激活狀態(tài)的服務(wù)器，從而確保所有客戶機(jī)都能對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控和操作?？蛻魴C(jī)能夠訪問多個服務(wù)器，同時服務(wù)器也可作為客戶機(jī)訪問其他服務(wù)器。降低了各服務(wù)器的負(fù)荷量，提高了各服務(wù)器的使用效率和各服務(wù)器之間耦合度，增加了系統(tǒng)的靈活性和開放性，提高了整個控制系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，顯著提高了系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性。