基于单机容错服务器的控制系统网络架构设计

李志宏，郎进平，杜迎喜，陈若珩，刘雯丽

（1.山西太钢不锈钢股份有限公司 自动化公司，山西 太原 030003；2.太原钢铁 （集团）岚县矿业有限公司，山西 太原 030003）

0 引言

控制系统网络是自动控制系统的重要组成部分，其作用犹如人体的神经网络，控制系统的各种数据信息、各种指令都依靠控制系统网络来传输，控制系统网络架构的设计是自动控制系统设计的重要一环。目前企业的控制系统网络架构存在控制站通讯接口负荷大、易造成数据拥堵及双机热备冗余服务器有出现冗余故障的隐患等问题。为此，设计了基于单机容错服务器技术的组合式控制系统网络架构，以解决上述问题。

1 目前各种网络架构存在的问题

目前在包括冶金矿山等的工业企业里，控制系统网络架构一般有以下几种形式：单层总线式对等网络、单层环网、双层总线式对等网络、总线＋单环网式双层网络、双层单环网络、单环＋双环式双层网络、双环＋双环式双层网络等。这几种网络架构又可分为单层网络架构和双层网络架构两大类。对于单层网络架构，其弊端是：控制站通讯接口负荷大，易造成数据拥堵；总线上一点中断可能导致一部分甚至全部设备通讯中断，安全性差。对于双层网络架构，基本上都采用双机热备冗余服务器，双机热备冗余服务器采用的是软件冗余技术，由2台完全相同的独立服务器组成，每台服务器分别安装相同的操作系统和应用软件，在2台服务器之间配置串口通讯实现数据同步。尽管双机热备冗余服务器具有使用广泛、技术成熟的优势，但它同时存在以下弊端：一旦串口通讯出现问题，或者某一台服务器的操作系统或应用软件出现问题，则服务器就会出现冗余故障，这时操作站从服务器读取的数据和画面就会出现凌乱，从而威胁安全生产。

总之，目前的网络架构要么存在控制站通讯接口负荷大、易造成数据拥堵的问题，要么存在双机热备冗余服务器有出现冗余故障的隐患等问题。

2 基于单机容错服务器的控制系统网络架构的设计

2.1 单机容错服务器技术的优势分析

在自动化控制系统中，最容易出现问题的是软件。由于单机容错服务器采用的是硬件冗余技术，并非由2台完全相同的独立服务器组成，而是1台具有2套硬件组件和功能全面冗余的特殊计算机。而双机热备冗余服务器采用的是软件冗余技术，所以单机容错服务器出故障的几率远远低于双机热备冗余服务器出故障的几率。此外，单机容错服务器采用了锁步运行技术、主动服务体系结构等一系列新技术，从而使得单机容错服务器技术相对于双机热备冗余服务器技术具有诸多优势：

（1）单机容错服务器的可用性是99.999%，而双机热备冗余服务器的可用性是99.9%。

（2）设计上单机容错服务器的目标是避免停机，而双机热备冗余服务器是减少停机。

（3）单机容错服务器能有效地保护动态数据不丢失，而双机热备只能保证写入硬盘的数据。正常工作状态下，单机容错服务器内的数据相互备份，其中一组硬件发生故障，单机容错服务器仍能继续正常运行，可保证服务器不会发生中断或数据丢失。

（4）单机容错服务器能支持热插拔任意的硬件，包括主板、CPU等关键性硬件。

（5）单机容错服务器布置非常简单，只需要装一套操作系统，应用软件也只需要一套，免去双机热备软件和研发代码的麻烦，从而大大减少了工程师的工作量和软件成本。

（6）单机容错服务器速度比同配置的双机热备要快20%以上。

（7）单机容错服务器后期维护成本几乎为零，而双机热备需要工程师的支持，对于系统补丁的升级需要额外地研发双机热备代码来保证系统的切换成功。

（8）单机容错服务器是没有切换时间的，而双机热备由于硬件宕机会发生停顿的情况，还有就是双机热备切换工作是有可能不成功的。

鉴于单机容错服务器技术相对于双机热备冗余服务器技术具有上述优势，设计基于单机容错服务器技术的组合式控制系统网络架构，以确保自动化控制系统的安全稳定运行。

2.2 基于单机容错服务器的控制系统网络架构设计

基于单机容错服务器技术的组合式控制系统网络架构主要技术包括单机容错技术、服务器技术、组合式网络技术等。该网络由设备控制级和监控级双层网络构成，设备控制级为标准以太双环网，监控级为以太单环网，双层网络通过单机容错服务器进行数据信息交换。基于单机容错服务器技术的组合式控制系统网络架构如图1所示。

单机容错服务器作为工程师站和操作员站服务器，是整个控制系统网络架构的核心，同时是整个控制系统的数据中心。PLC主控制站通过Ethernet通讯模块和交换机与单机容错服务器进行数据通讯，操作员站数据和人机界面全部从单机容错服务器上读取，这样，减轻了控制站通讯接口负荷，避免了数据拥堵。

在组合式控制系统网络架构中，监控级采用以太单环网，在具备网络冗余功能的同时，兼顾了网络结构的简洁。设备控制级为标准以太双环网，使控制级设备的通讯实现了双冗余功能，更加安全可靠。

图1 基于单机容错服务器的组合式控制系统网络架构

3 基于单机容错服务器的控制系统网络架构的效果

基于单机容错服务器技术的组合式控制系统网络架构，解决了目前控制系统网络架构存在的控制站通讯接口负荷大而易造成数据拥堵、双机热备冗余服务器有出现冗余故障的隐患、总线网络无冗余功能等一系列问题。

基于单机容错服务器技术的组合式控制系统网络架构具备良好的使用效果，功能完整且分担合理，层次结构清晰，运行稳定安全可靠，为发挥工业企业生产过程自动控制功能奠定了坚实的基础。

4 结论

基于单机容错服务器技术的组合式控制系统网络架构在国内某大型冶金矿山已成功运行2年，表明基于单机容错服务器技术的组合式控制系统网络架构完全可以替代基于双机热备冗余服务器的控制系统网络架构，尤其在安全稳定性能要求高的大型控制系统，基于单机容错服务器技术的组合式控制系统网络架构具有一定的优越性，很值得推广。

［1］李志宏，杜娟.太钢1 800m3高炉煤气干法除尘自动控制系统设计及应用［J］.冶金自动化，2008，32（5）：66－68.