基于單機容錯服務器的控制系統網絡架構設計

李志宏，郎進平，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）嵐縣礦業有限公司，山西 太原 030003）

0 引言

控制系統網絡是自動控制系統的重要組成部分，其作用猶如人體的神經網絡，控制系統的各種數據信息、各種指令都依靠控制系統網絡來傳輸，控制系統網絡架構的設計是自動控制系統設計的重要一環。目前企業的控制系統網絡架構存在控制站通訊接口負荷大、易造成數據擁堵及雙機熱備冗余服務器有出現冗余故障的隱患等問題。為此，設計了基于單機容錯服務器技術的組合式控制系統網絡架構，以解決上述問題。

1 目前各種網絡架構存在的問題

目前在包括冶金礦山等的工業企業里，控制系統網絡架構一般有以下幾種形式：單層總線式對等網絡、單層環網、雙層總線式對等網絡、總線＋單環網式雙層網絡、雙層單環網絡、單環＋雙環式雙層網絡、雙環＋雙環式雙層網絡等。這幾種網絡架構又可分為單層網絡架構和雙層網絡架構兩大類。對于單層網絡架構，其弊端是：控制站通訊接口負荷大，易造成數據擁堵；總線上一點中斷可能導致一部分甚至全部設備通訊中斷，安全性差。對于雙層網絡架構，基本上都采用雙機熱備冗余服務器，雙機熱備冗余服務器采用的是軟件冗余技術，由2臺完全相同的獨立服務器組成，每臺服務器分別安裝相同的操作系統和應用軟件，在2臺服務器之間配置串口通訊實現數據同步。盡管雙機熱備冗余服務器具有使用廣泛、技術成熟的優勢，但它同時存在以下弊端：一旦串口通訊出現問題，或者某一臺服務器的操作系統或應用軟件出現問題，則服務器就會出現冗余故障，這時操作站從服務器讀取的數據和畫面就會出現凌亂，從而威脅安全生產。

總之，目前的網絡架構要么存在控制站通訊接口負荷大、易造成數據擁堵的問題，要么存在雙機熱備冗余服務器有出現冗余故障的隱患等問題。

2 基于單機容錯服務器的控制系統網絡架構的設計

2.1 單機容錯服務器技術的優勢分析

在自動化控制系統中，最容易出現問題的是軟件。由于單機容錯服務器采用的是硬件冗余技術，并非由2臺完全相同的獨立服務器組成，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器采用的是軟件冗余技術，所以單機容錯服務器出故障的幾率遠遠低于雙機熱備冗余服務器出故障的幾率。此外，單機容錯服務器采用了鎖步運行技術、主動服務體系結構等一系列新技術，從而使得單機容錯服務器技術相對于雙機熱備冗余服務器技術具有諸多優勢：

（1）單機容錯服務器的可用性是99.999%，而雙機熱備冗余服務器的可用性是99.9%。

（2）設計上單機容錯服務器的目標是避免停機，而雙機熱備冗余服務器是減少停機。

（3）單機容錯服務器能有效地保護動態數據不丟失，而雙機熱備只能保證寫入硬盤的數據。正常工作狀態下，單機容錯服務器內的數據相互備份，其中一組硬件發生故障，單機容錯服務器仍能繼續正常運行，可保證服務器不會發生中斷或數據丟失。

（4）單機容錯服務器能支持熱插拔任意的硬件，包括主板、CPU等關鍵性硬件。

（5）單機容錯服務器布置非常簡單，只需要裝一套操作系統，應用軟件也只需要一套，免去雙機熱備軟件和研發代碼的麻煩，從而大大減少了工程師的工作量和軟件成本。

（6）單機容錯服務器速度比同配置的雙機熱備要快20%以上。

（7）單機容錯服務器后期維護成本幾乎為零，而雙機熱備需要工程師的支持，對于系統補丁的升級需要額外地研發雙機熱備代碼來保證系統的切換成功。

（8）單機容錯服務器是沒有切換時間的，而雙機熱備由于硬件宕機會發生停頓的情況，還有就是雙機熱備切換工作是有可能不成功的。

鑒于單機容錯服務器技術相對于雙機熱備冗余服務器技術具有上述優勢，設計基于單機容錯服務器技術的組合式控制系統網絡架構，以確保自動化控制系統的安全穩定運行。

2.2 基于單機容錯服務器的控制系統網絡架構設計

基于單機容錯服務器技術的組合式控制系統網絡架構主要技術包括單機容錯技術、服務器技術、組合式網絡技術等。該網絡由設備控制級和監控級雙層網絡構成，設備控制級為標準以太雙環網，監控級為以太單環網，雙層網絡通過單機容錯服務器進行數據信息交換。基于單機容錯服務器技術的組合式控制系統網絡架構如圖1所示。

單機容錯服務器作為工程師站和操作員站服務器，是整個控制系統網絡架構的核心，同時是整個控制系統的數據中心。PLC主控制站通過Ethernet通訊模塊和交換機與單機容錯服務器進行數據通訊，操作員站數據和人機界面全部從單機容錯服務器上讀取，這樣，減輕了控制站通訊接口負荷，避免了數據擁堵。

在組合式控制系統網絡架構中，監控級采用以太單環網，在具備網絡冗余功能的同時，兼顧了網絡結構的簡潔。設備控制級為標準以太雙環網，使控制級設備的通訊實現了雙冗余功能，更加安全可靠。

圖1 基于單機容錯服務器的組合式控制系統網絡架構

3 基于單機容錯服務器的控制系統網絡架構的效果

基于單機容錯服務器技術的組合式控制系統網絡架構，解決了目前控制系統網絡架構存在的控制站通訊接口負荷大而易造成數據擁堵、雙機熱備冗余服務器有出現冗余故障的隱患、總線網絡無冗余功能等一系列問題。

基于單機容錯服務器技術的組合式控制系統網絡架構具備良好的使用效果，功能完整且分擔合理，層次結構清晰，運行穩定安全可靠，為發揮工業企業生產過程自動控制功能奠定了堅實的基礎。

4 結論

基于單機容錯服務器技術的組合式控制系統網絡架構在國內某大型冶金礦山已成功運行2年，表明基于單機容錯服務器技術的組合式控制系統網絡架構完全可以替代基于雙機熱備冗余服務器的控制系統網絡架構，尤其在安全穩定性能要求高的大型控制系統，基于單機容錯服務器技術的組合式控制系統網絡架構具有一定的優越性，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設計及應用［J］.冶金自動化，2008，32（5）：66－68.