基于分布式集群架構的玻璃冷端監控系統

張國金，唐 茜

(中國建材國際工程有限公司,蚌埠 233010)

隨著“工業4.0” 和“中國制造2035”的提出和供給側結構性改革的推進，國家對傳統工業的智能化、信息化越來越重視，借助互聯網+、大數據以及人工智能等技術促進平板玻璃這一傳統工業的利潤增長越來越有必要。現代工業對數據采集與控制系統的控制越來越高度集中，也對系統的安全性、容錯性和不間斷性提出了更高的要求[1]。

傳統的集中式服務器架構的過程控制系統，由一臺或多臺主計算機組成系統服務器，數據集中存儲在一個中心節點中，并且整個系統的所有監控單元都集中部署在這個中心節點上，系統所有功能均要求其集中處理。導致服務器的負荷量大、使用效率低，各服務器之間耦合度要求高，系統擴展性差，容易導致服務器死機、客戶機卡頓現象，造成生產成本的增加、資源的浪費。分布式集群架構控制系統將整個工程項目的任務分配在多個服務器中，其中各服務器具有相同的權限，且可以相互獨立地進行工作。同時在冗余熱備模式下，互為熱備的冗余服務器同時運行，各冗余服務器在同時運行時又互相監控，實現故障狀態下容錯運行，顯著提高了系統的安全性、穩定性和不間斷性。

1 典型過程控制系統架構

1.1 集中式系統架構

集中式系統架構過程控制系統，如圖1所示，包含有一個或多個客戶機、一臺服務器和一個或多個下位機組成，他們之間采用標準TCP/IP協議，通過以太網進行通信。下位機包括PLC以及如電機、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。集中式系統架構過程控制系統是基于客戶機/服務器原理，不需要組態客戶機。服務器負責實現所有公共功能：連接自動化系統，協調客戶機，為客戶提供過程值、歸檔數據、消息、畫面和協議[2]。

1.2 分布式集群系統架構

分布式系統架構過程控制系統，如圖2所示，包含有一個或多個客戶機、一個或多個服務器、與所述服務器一一對應的冗余服務器及一個或多個下位機，他們之間采用標準TCP/IP協議，通過以太網進行通信。下位機包括PLC以及如電機、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。客戶機用于監控控制所述下位機對應的PLC數據。服務器或冗余伙伴服務器用于獲取下位機對應的PLC數據和/或提供本地服務。下位機用于采集關聯設備的運行參數信息并形成PLC數據。

2 系統架構可靠性分析

2.1 建立系統數學模型

如圖3所示，系統是由m個子系統并聯而成，每個子系統是由ni個單元串聯而成。

(1)

當n1=n2=n3=…=nm=n且Rij=R(t)時，全系統的可靠度為

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

(2)

若每個單元壽命分布均為常數λi的指數分布，當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)

系統的平均壽命為

(4)

假設單并聯冗余系統由兩個單系統組成即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 確定系統可靠性因子

如表1所示，單并聯系統的可靠度是0.8，當集群因子為2時，兩個并聯系統的可靠性是0.96，當集群因子為3時，三個并聯系統的可靠性是0.992,。集中式系統架構采用單并聯系統，可靠度是0.8，而分布式集群架構系統，即采用串-并聯冗余系統，可靠度>0.992，大大提高了系統的可靠性。

表1 不同集群度的可靠性增益

3 分布式集群系統架構組網方法

3.1 服務器的組態方法

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

服務器或冗余服務器中的以太網是通過設置PG/PC接口為TCP/IP，并綁定相應目標IP地址實現配置的。在服務器工控機中插入以太網卡，在工控機的控制面板中選擇“Set PG/PC Interface”，在“Access Point of the Application”中添加“CP-TCPIP”應用程序訪問點，然后在"Interface Parameter Assignment Used"中選擇所使用的以太網卡。將服務器工控機的IP地址設置成和PLC以太網通信模塊的IP地址在一個網段。在服務器工控機的WinCC在添加“SIMATIC S7 Protocol Suite”通信驅動程序，選擇“TCP/IP”通道單元，在“logical device name”中選擇“CP-TCP/IP”，然后在“Connection Parameter-TCP/IP”中輸入以太網通信模塊的IP地址，輸入下位機CPU的機架號和槽位號。

冗余服務器與對應的服務器通過冗余配置建立對應的冗余關系，冗余配置還包括軟件和硬件的冗余配置。將項目從缺省主服務器復制到冗余服務器：從“開始”菜單中，打開“SIMATIC/WINCC/TOOLS”中的“Project Duplicator”，在“選擇要復制的源項目”域中，選擇源項目；在“為冗余計算機保存復制項目在”域中，可指定帶有目標計算機以及目標項目的文件夾，然后啟動復制過程，將在目標計算機上創建已完全組態的冗余項目[4]。

3.2 客戶機的組態方法

服務器或冗余服務器的SIMATIC WinCC中組態有服務器項目數據，并依據客戶機的信息向其提供獲取的服務器項目數據或本地服務的端口。服務器可以通過預先獲取一或多個目標客戶機的信息，并提前在服務器的計算列表中注冊客戶機名稱，這樣就可以對客戶機分配操作權限提供一個端口，并且各客戶機可以通過該端口獲取任意一服務器對應的服務器數據包或本地服務。

客戶機為安裝有SIMATIC WinCC的計算機。客戶機配置有以太網，用于通信連接與服務器或冗余服務器及其他客戶機之間通信連接。客戶機的以太網是通過設置PG/PC接口為TCP/IP，并綁定相應目標IP地址實現配置的。客戶機以太網的配置與服務器以太網的配置方式類似，客戶機的SIMATIC WinCC中組態有客戶機項目數據，并依據服務器或冗余服務器對應的端口獲取所述服務器項目數據，以供組態首選的所述服務器。

3.3 下位機的組態方法

下位機包括PLC模塊，PLC模塊包括：電源模塊、A/D轉換器、CPU模塊、通訊模塊、輸入輸出模塊； CPU模塊包括以太網通訊模塊。下位機與直接控制設備(關聯設備)連接，以獲取設備狀況或運行參數信息，并由此形成PLC數據。下位機是直接控制設備獲取設備狀況的計算機，一般是PLC/單片機之類的，兩機如何通訊，一般取決于下位機，一般是支持TCP/IP協議。

下位機配置有以太網，用于分別與服務器或冗余服務器及其他下位機之間通信連接。下位機中的以太網是通過設置PG/PC接口為TCP/IP，并綁定相應目標IP地址實現配置的。下位機還配置有以太子網，用于通信連接于傳感器、電機、氣動元件及電感元件中任意一種或多種組合。

下位機配置通信子網，即可以通過PLC模塊的CPU生成PROFINET或者PROFIBUS-DP子網，用于設備級控制系統與分散式I/O的通信。通過硬件配置系統設置IP地址或者DP地址，此網絡可以是由多個PROFINET或者PROFIBUS-DP子網組成，一方面用于CPU與硬件系統內部進行通訊，另一方面用于多個CPU之間進行通訊。

4 結 論

分布式集群架構控制系統將任務分配在多個服務器中，減少了加載到每臺服務器上的負荷，其中每臺服務器均有自己的過程驅動程序連接，并有自己的數據歸檔。在冗余熱備模式下，互為熱備的冗余服務器同時運行，所有過程數據和消息發送到冗余服務器，每臺服務器對它們進行相應地處理。各冗余服務器在同時運行時又互相監控，當一臺服務器出現故障時，處于激活狀態的服務器將繼續對項目的所有消息和過程數據進行歸檔，客戶機將自動從出現故障的服務器切換到仍然處于激活狀態的服務器，從而確保所有客戶機都能對系統進行實時的監控和操作。客戶機能夠訪問多個服務器，同時服務器也可作為客戶機訪問其他服務器。降低了各服務器的負荷量，提高了各服務器的使用效率和各服務器之間耦合度，增加了系統的靈活性和開放性，提高了整個控制系統的可擴展性，顯著提高了系統的安全性、穩定性。