doi：10.3963/j.issn.16746066.2021.01.019
(中国建材国际工程有限公司，蚌埠233010)
摘要：该文对控制系统的两种典型架构进行分析，从可靠性方面做进一步论述，证明了分布式集架构系统的优势。该系统中多套服务器共同采集多个PLC数据，每台服务器采用冗余的设计方案，同时容户机能够访问多个服务器，实现项目任务分配在多个服务器中，而且该系统基于WinCC平台。 关键词：浮法玻璃；控制系统；分布式集架构；WinCC
Glass Cold End Monitoring System Based on
Distributed Cluster Architecture
ZHANG Guo-J in,TANG Qian
(China Triumph International Engineering Co,Ltd,Bcngbu233010,China)
Abstract：This article analyzes the two typical architectures of the control system,and further discusses the rcliabiii-ty from the aspect of reliability.It proves the advantages of the distributed cluster architecture system.In this system, multiple servers collect multiple PLC data together,and each server uses redundant data designing scheme.The rest of thedesignscheme，theclientcanaccessmultipleserversatthesametime，realizetheprojecttaskisdistributedamong multiple servers.And this system is based on the WinCC platform.
Key words:float glass;control system；distributed cluster architecture;WinCC
随着“工业4.0”和“中国制造2035”的提出和供给侧结构性改革的推进，国家对传统工业的智能化、信息化越来越重视，借助互联网+、大数据以及人工智能等技术促进平板玻璃这一传统工业的利润增长越来越有必要。现代工业对数据采集与控制系统的控制越来越高度集中，也对系统的安全性、容错性和不间断性提出了更高的要求［1］。
传统的集中式服务器架构的过程控制系统，由一台或多台主计算机组成系统服务器，数据集中存储在一个中心节点中，并且整个系统的所有监控单元都集中部署在这个中心节点上，系统所有功能均要求其集中处理。导致服务器的负荷量大、使用效率低，各服务器之间耦合度要求高，系统扩展性差，容易导致服务器死机、客户机卡顿现象，造成生产成本的增加、资源的浪费。分布式集架构控制系统 将整个工程项目的任务分配在多个服务器中，其中各服务器具有相同的权限，且可以相互独立地进行工作。同时在冗余热备模式下，互为热备的冗余服务器同时运行，各冗余服务器在同时运行时又互相监控，实现故障状态下容错运行，显著提高了系统的安全性、稳定性和不间断性。
1典型过程控制系统架构
1.1集中式系统架构
集中式系统架构过程控制系统，如图1所示，包含有一个或多个客户机、一台服务器和一个或多个下位机组成，他们之间采用标准TCP/IP协议，通过以太网进行通信。下位机包括PLC以及如电机、传感器、气动元件等模拟信号采集元件组件，他们之间通过过程总线接连到自动化系统。集中式系统架构过程控制系
收稿日期：2021-01-15.
作者简介：张国金(1983-.)，高级工程师.E-mail:
统是基于客户机/服务器原理，不需要组态客户机。服务器负责实现所有公共功能：连接自动化系统，协调客户机，为客户提供过程值、归档数据、消息、画面和协议［2］。
S1MAT1C气M AT(
SIMATTC
传感器
1.2分布式集系统架构
分布式系统架构过程控制系统，如图2所示，包含有一个或多个客户机、一个或多个服务器、与所述服务器一一对应的冗余服务器及一个或多个下位机，也们之间采用标准TCP/IP协议，通过以太网进行通信。下位机包括PLC以及如电机、传感器、气动元件等模拟信号采集元件组件，也们之间通过过程总线接连到自动化系统。客户机用于监控控制所述下位机对应的PLC数据。服务器或冗余伙伴服务器用于获取下位机对应的PLC数据和/或提供本地服务。下位机用于采集关联设备的运行参数信息并形成PLC数据。
伙伴服务器
S1MAT1C3MAT(
传感器
S1MAT1C
PLC N 气动元件
2系统架构可靠性分析
2.1建立系统数学模型
如图3所示，系统是由m个子系统并联而成，每个子系统是由n个单元串联而成。则R j(t)=n R j t)o并联系统公式带入得出系统可靠度［3］
R s t)=1-n1—n R i t)]
i=1j=1
当n="2="3="・=n”=n且R i=R t)时，全系统的可靠度为
R s t)=1—[1—R n t)]”
若每个单元寿命分布均为常数入的指数分布，当n个元件都相同
时，即入=&=入3=…=^n=A时，可靠度为
R,(t)=1—(1—e—t)”(3)
系统的平均寿命为图
3系统数学模型(1)
(2)
r=_(R s(t)d(t)=J[1—(1—e-1)”]t=1空1⑷
00i=1
假设单并联冗余系统由两个单系统组成即n=2时，可靠度为
R s t)=e W+e f一e~(A1+A2)(2
—e—)(5)系统平均寿命0=]R s(t)d(t)，即d=-^+ l+l=3
由上式可以明显得出，两个单系统组成的单并联冗余系统，可靠度提高了2—e^倍，平均寿命延长3。
2.2确定系统可靠性因子
假设每个单元的可靠度为R=e—，则总可靠度为R=1-(1-R)n，可靠性增益为R[3]。
R n—1
如表1所示，单并联系统的可靠度是0.8，当集因子为2时，两个并联系统的可靠性是0.96，当集因子为3时，三个并联系统的可靠性是0.992，集中式系统架构采用单并联系统，可靠度是0.8，而分布式集架构系统，即采用串-并联冗余系统，可靠度＞0.992，大大提高了系统的可靠性。
表1不同集度的可靠性增益
R==1—(1—R n)”
集因子R=0.8
R n Rn/R r”/r”—1
10.81
20.96 1.212
30.992 1.24103
3分布式集系统架构组网方法
3.1服务器的组态方法
服务器配置有以太网，用于分别与所述客户机、冗余服务器、下位机及其他服务器之间通信连接。冗余服务器配置有以太网，用于分别与客户机、服务器、下位机及其他冗余服务器之间通信连接。
服务器或冗余服务器中的以太网是通过设置PG/PC接口为TCP/IP，并绑定相应目标IP地址实现配置的。在服务器工控机中插入以太网卡，在工控机的控制面板中选择“Set PG/PC Interface”，在“Access Point,of the Application”中添加"CP-TCPIP”应用程序访问点，然后在"Interface Parameter Assignment. Used"中选择所使用的以太网卡。将服务器工控机的IP地址设置成和PLC以太网通信模块的IP地址在一个网段。在服务器工控机的WinCC在添加“SIMATIC S7Protocol Suite”通信驱动程序，选择“TCP/IP”通道单元，在“logical device name”中选择“CP-TCP/IP”，然后在u Connection Parameter-TCP/IP”中输入以太网通信模块的IP地址，输入下位机CPU的机架号和槽位号。
冗余服务器与对应的服务器通过冗余配置建立对应的冗余关系，冗余配置还包括软件和硬件的冗余配置。将项目从缺省主服务器复制到冗余服务器：从“开始”菜单中，打开“SIMATIC/WINCC/TOOLS”中的“Project Duplicator”，在“选择要复制的源项目”域中，选择源项目；在“为冗余计算机保存复制项目在”域中，可指定带有目标计算机以及目标项目的文件夹，然后启动复制过程，将在目标计算机上创建已完全组态的冗余项目[4]。
3.2客户机的组态方法
服务器或冗余服务器的SIMATIC WinCC中组态有服务器项目数据，并依据客户机的信息向其提供获取的服务器项目数据或本地服务的端口。服务器可以通过预先获取一或多个目标客户机的信息，并提前在
服务器的计算列表中注册客户机名称，这样就可以对客户机分配操作权限提供一个端口，并且各客户机可以通过该端口获取任意一服务器对应的服务器数据包或本地服务。
客户机为安装有SIMATIC WinCC的计算机。客户机配置有以太网，用于通信连接与服务器或冗余服务器及其他客户机之间通信连接。客户机的以太网是通过设置PG/PC接口为TCP/IP，并绑定相应目标IP 地址实现配置的。客户机以太网的配置与服务器以太网的配置方式类似，客户机的SIMATIC WinCC中
组态有客户机项目数据，并依据服务器或冗余服务器对应的端口获取所述服务器项目数据，以供组态首选的所述服务器。
3.3下位机的组态方法
下位机包括PLC模块,PLC模块包括：电源模块、A/D转换器、CPU模块、通讯模块、输入输出模块；CPU模块包括以太网通讯模块。下位机与直接控制设备(关联设备)连接，以获取设备状况或运行参数信息，并由此形成PLC数据。下位机是直接控制设备获取设备状况的计算机，一般是PLC/单片机之类的，两机如何通讯，一般取决于下位机，一般是支持TCP/IP协议。
下位机配置有以太网，用于分别与服务器或冗余服务器及其他下位机之间通信连接。下位机中的以太网是通过设置PG/PC接口为TCP/IP，并绑定相应目标IP地址实现配置的。下位机还配置有以太子网，用于通信连接于传感器、电机、气动元件及电感元件中任意一种或多种组合。
下位机配置通信子网，即可以通过PLC模块的CPU生成PROFINET或者PROFIBUS-DP子网，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。通过硬件配置系统设置IP地址或者DP地址，此网络可以是由多个PROFINET或者PROFIBUS-DP子网组成，一方面用于CPU与硬件系统内部进行通讯，另一方面用于多个CPU之间进行通讯。
4结论
分布式集架构控制系统将任务分配在多个服务器中，减少了加载到每台服务器上的负荷，其中每台服务器均有自己的过程驱动程序连接，并有自己的数据归档。在冗余热备模式下，互为热备的冗余服务器同时运行，所有过程数据和消息发送到冗余服务器，每台服务器对它们进行相应地处理。各冗余服务器在同时运行时又互相监控，当一台服务器出现故障时，处于激活状态的服务器将继续对项目的所有消息和过程数据进行归档，客户机将自动从出现故障的服务器切换到仍然处于激活状态的服务器，从而确保所有客户机都能对系统进行实时的监控和操作。客户机能够访问多个服务器，同时服务器也可作为客户机访问其他服务器。降低了各服务器的负荷量，提高了各服务器的使用效率和各服务器之间耦合度，增加了系统的灵活性和开放性，提高了整个控制系统的可扩展性，显著提高了系统的安全性、稳定性。
参考文献
[1]张国金，刘锐，刘资宇，等.汽车玻璃原片生产线冷端装备的设计[J].建材世界，2019,40(4)3942.
[]唐茜，陈鹏，张国金.WinCC冗余监控系统在汽车玻璃冷端生产线中的应用[J].建材世界，2019,40(2)959&
[3]Dai Y S,Xie M,Poth K L.Rcliadility of gird service systems]」].Computers and Industrial Engineering,2006,50(1/2):103-147.
[4]西门子公司.WinCC V7.4组态系统手册[M].德国：西门子公司，2016.
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