單機容錯控制系統(tǒng)論文

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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：控制站通訊接口負荷大，易造成數(shù)據(jù)擁堵；總線上一點中斷可能導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)，基本上都采用雙機熱備冗余服務(wù)器，雙機熱備冗余服務(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荷大、易造成數(shù)據(jù)擁堵的問題，要么存在雙機熱備冗余服務(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。而雙機熱備冗余服務(wù)器采用的是軟件冗余技術(shù)，所以單機容錯服務(wù)器出故障的幾率遠遠低于雙機熱備冗余服務(wù)器出故障的幾率。此外，單機容錯服務(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)，從而使得單機容錯服務(wù)器技術(shù)相對于雙機熱備冗余服務(wù)器技術(shù)具有諸多優(yōu)勢：（1）單機容錯服務(wù)器的可用性是99．999％，而雙機熱備冗余服務(wù)器的可用性是99．9％。（2）設(shè)計上單機容錯服務(wù)器的目標是避免停機，而雙機熱備冗余服務(wù)器是減少停機。（3）單機容錯服務(wù)器能有效地保護動態(tài)數(shù)據(jù)不丟失，而雙機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）單機容錯服務(wù)器速度比同配置的雙機熱備要快20％以上。（7）單機容錯服務(wù)器后期維護成本幾乎為零，而雙機熱備需要工程師的支持，對于系統(tǒng)補丁的升級需要額外地研發(fā)雙機熱備代碼來保證系統(tǒng)的切換成功。（8）單機容錯服務(wù)器是沒有切換時間的，而雙機熱備由于硬件宕機會發(fā)生停頓的情況，還有就是雙機熱備切換工作是有可能不成功的。鑒于單機容錯服務(wù)器技術(shù)相對于雙機熱備冗余服務(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)備控制級為標準以太雙環(huán)網(wǎng)，監(jiān)控級為以太單環(huán)網(wǎng)，雙層網(wǎng)絡(luò)通過單機容錯服務(wù)器進行數(shù)據(jù)信息交換?；趩螜C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通訊模塊和交換機與單機容錯服務(wù)器進行數(shù)據(jù)通訊，操作員站數(shù)據(jù)和人機界面全部從單機容錯服務(wù)器上讀取，這樣，減輕了控制站通訊接口負荷，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)備控制級為標準以太雙環(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。

3基于單機容錯服務(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荷大而易造成數(shù)據(jù)擁堵、雙機熱備冗余服務(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?；趩螜C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。

作者：李志宏郎進平杜迎喜陳若珩劉雯麗單位：山西太鋼不銹鋼股份有限公司太原鋼鐵（集團）嵐縣礦業(yè)有限公司