摘要：該論文介紹了WINCC 冗余系統(tǒng)在連續(xù)鍍鋅生產(chǎn)線的實(shí)際應(yīng)用，詳細(xì)說(shuō)明了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、參數(shù)設(shè)置和調(diào)試步驟，并且以實(shí)際應(yīng)用證明了WINCC冗余系統(tǒng)在自動(dòng)化控制系統(tǒng)里的優(yōu)勢(shì)。
關(guān)鍵詞：連續(xù)鍍鋅生產(chǎn)線 WINCC 客戶機(jī)服務(wù)器 冗余
Abstract
This paper introduces that application of WINCC redundancy system in continual galvanization line (CGL), illuminate the detail of network configuration, parameters and commissioning, and this project improves the advantage of WINCC redundancy in automation control system
Key Words: CGL WINCC Server-Client Redundancy
一、項(xiàng)目簡(jiǎn)介
近年來(lái)，連續(xù)鍍鋅生產(chǎn)線（CGL）等薄帶鋼處理線項(xiàng)目成為了鋼鐵行業(yè)投入的熱點(diǎn)之一，我公司陸續(xù)承接了多個(gè)類似的項(xiàng)目，都是以西門(mén)子S7-400 PLC，WINCC作為基礎(chǔ)自動(dòng)化控制核心器件。其中湖南省漣源鋼鐵有限公司的冷軋廠連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線就非常有代表性。
漣源鋼鐵有限公司位于湖南省中部，1958年建成投產(chǎn)，現(xiàn)已發(fā)展為擁有總資產(chǎn)151億元以上、年產(chǎn)鋼450萬(wàn)噸以上規(guī)模的特大型工業(yè)企業(yè)，是國(guó)家“863”高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃CIMS應(yīng)用工程示范單位，國(guó)家重點(diǎn)支持發(fā)展的300家工業(yè)企業(yè)之一。
冷軋廠連續(xù)熱鍍鋅項(xiàng)目于2003年立項(xiàng)，目標(biāo)是建成年產(chǎn)鍍鋅帶鋼31萬(wàn)噸，工藝設(shè)備水平一流、產(chǎn)品質(zhì)量一流的生產(chǎn)線。該線的原料可以適應(yīng)厚0.25～3.2mm，寬850～1570mm的冷軋帶鋼；全線可以分為入口段、入口活套、中央段（即工藝段）、出口活套和出口段五大部分及原料、成品供應(yīng)運(yùn)輸輔助系統(tǒng)組成。
入口段由兩臺(tái)開(kāi)卷機(jī)、一臺(tái)三片模式焊機(jī)和其他輔助設(shè)備構(gòu)成，完成原料的連續(xù)供應(yīng)。最高速度220米/分鐘。
中央段由清洗段、連續(xù)退火爐、熱鍍鋅加熱器（即鋅鍋）、鍍層控制系統(tǒng)（氣刀、鍍層測(cè)厚儀、模型控制器）、小鋅花、光整機(jī)、拉伸矯直機(jī)、無(wú)水鈍化單元、耐指紋涂機(jī)和干燥系統(tǒng)構(gòu)成，完成冷軋帶鋼的連續(xù)退火、鍍鋅、表面質(zhì)量處理工作。最高速度160米/分鐘。該部分是全線的核心，可以說(shuō)出入口的所有的所有設(shè)備都是為了保證中央段平穩(wěn)、順利的運(yùn)行。
出口段由成品飛剪、兩臺(tái)卷取機(jī)和其他輔助設(shè)備構(gòu)成，以保證成品帶鋼順利、高效的分卷、卸載、包裝。最高速度280米/分鐘。
入、出口活套是為了在入口、出口在上料、卸料時(shí)中央段仍然有繼續(xù)運(yùn)行的原料及成品存放區(qū)而設(shè)置的。
二、控制系統(tǒng)的構(gòu)成
整個(gè)控制系統(tǒng)可以分為L(zhǎng)2、L1兩級(jí)。
L2主要完成產(chǎn)品原料數(shù)據(jù)、生產(chǎn)計(jì)劃的分發(fā)、下放和成品數(shù)據(jù)的采集、整理，以及全線生產(chǎn)報(bào)表的生成查詢工作。
L1是全線基礎(chǔ)自動(dòng)化控制的統(tǒng)稱，全部選用了西門(mén)子產(chǎn)品。中央控制單元由9套S7-416-2DP 和1套S7-315F構(gòu)成；現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集及動(dòng)作執(zhí)行采用PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，全線共用了近300個(gè)DP子站；交流變頻電機(jī)傳動(dòng)全部使用MASTERDRIVER 6ES70系列變頻器，用CBP2通過(guò)DP網(wǎng)絡(luò)連接到PLC控制系統(tǒng)。
人機(jī)界面（HMI-Human Machine Interface）是在WINCC V6.0平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的，采用了Server-Client模式，為了提高系統(tǒng)的可靠性降低停機(jī)時(shí)間使用了冗余功能。
PLC框架、WINCC Servers/Clients、L2 Servers/Clients及具有以太網(wǎng)功能的單體設(shè)備之間采用10M/100M/1000M以太網(wǎng)連接，根據(jù)設(shè)備間的距離遠(yuǎn)近分別采用光纜、雙絞線連接。
整個(gè)控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)配置如下圖所示：
該項(xiàng)目的最大特點(diǎn)就是設(shè)備點(diǎn)多面廣，工藝復(fù)雜，需要大量的參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)監(jiān)控。如果采用傳統(tǒng)的硬件操作臺(tái)點(diǎn)進(jìn)行控制則很不直觀，而且也需要非常大的硬件投入。所以我們采用HMI操作為主，操作臺(tái)操作為輔的方式，即只有線路起停控制在操作臺(tái)上，幾乎所有其他操作、狀態(tài)顯示、故障診斷、事件記錄、過(guò)程數(shù)據(jù)歸檔等都在HMI上實(shí)現(xiàn)。這樣既節(jié)省了大量的硬件投入，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的直觀易用性，隨著硬件線路的減少相應(yīng)的故障率、維護(hù)量也可以大幅度的降低。
但是由此也帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題，那就是整個(gè)生產(chǎn)線的控制非常依賴于HMI系統(tǒng)，即WINCC服務(wù)器系統(tǒng)，如果它發(fā)生停機(jī)故障那么整個(gè)生產(chǎn)線也要發(fā)生停車(chē)故障，這樣就會(huì)造成原料的極大浪費(fèi)，因此對(duì)人機(jī)界面（HMI）的穩(wěn)定性提出了極高的要求。所以在該項(xiàng)目里我們采用了WINCC 冗余服務(wù)器的模式。
三、WINCC 冗余系統(tǒng)的設(shè)置與實(shí)現(xiàn)
一般情況下WINCC 都采用Server-Clients的模式，如圖1沒(méi)有Server2時(shí)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌篠erver1是HMI服務(wù)器，它一方面和PLC直接通訊采集、設(shè)定數(shù)據(jù)；另一方面和Clients通訊發(fā)布畫(huà)面和數(shù)據(jù)給Clients；而Clients上的所有畫(huà)面和數(shù)據(jù)全部來(lái)自Server1。這樣的優(yōu)勢(shì)是做系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)只需要在Server1開(kāi)發(fā)一套系統(tǒng)，既可以發(fā)布給所有的Clients共享，而且數(shù)據(jù)管理和維護(hù)更合理和方便，可以把管理級(jí)和過(guò)程級(jí)清晰的分開(kāi)。但是缺點(diǎn)也是很明顯的，那就是一旦Server1發(fā)生故障，則整個(gè)控制級(jí)就無(wú)法正常工作。如果能象圖中增加Server2，使其和Server1互為熱備，則可以大大的降低系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。WINCC就提供了這樣的解決方案即WINCC冗余系統(tǒng)。
圖1
WINCC冗余系統(tǒng)采用兩臺(tái)連接到一起的服務(wù)器協(xié)同工作，運(yùn)行期間，兩臺(tái)服務(wù)器相互監(jiān)控，可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)對(duì)方是否進(jìn)入故障狀態(tài)，如果一臺(tái)服務(wù)器發(fā)生故障，則所有的客戶端自動(dòng)切換到仍然正常的服務(wù)器，從而保證所有客戶端總可以進(jìn)行對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的監(jiān)視和操作。
在一臺(tái)發(fā)生故障期間，正常的服務(wù)器繼續(xù)完成系統(tǒng)內(nèi)的信息、過(guò)程數(shù)據(jù)歸檔和記錄；當(dāng)故障服務(wù)器正常投入后，故障期間的歸檔記錄會(huì)自動(dòng)復(fù)制到恢復(fù)后的服務(wù)器，從而保證了服務(wù)器數(shù)據(jù)的完整和連續(xù)。這一過(guò)程也稱作恢復(fù)后同步。
冗余系統(tǒng)的基本需求：
1． 服務(wù)器需要安裝Windows 2000 Server版，WINCC項(xiàng)目配置為多用戶模式(Multi-user)
2． 系統(tǒng)要求工作在時(shí)鐘同步方式下。最好整個(gè)系統(tǒng)包括過(guò)程級(jí)和控制級(jí)都進(jìn)行時(shí)鐘同步，最少要在過(guò)程級(jí)進(jìn)行時(shí)鐘同步。如果控制級(jí)也要進(jìn)行時(shí)鐘同步，則需要安裝WINCC的“Time synchronization”選項(xiàng)。
3． 從PLC來(lái)的報(bào)警信息必須包含時(shí)間幀信息，在PLC程序內(nèi)用報(bào)警塊觸發(fā)信息就包含時(shí)間幀信息。
4． 兩個(gè)Server必須分別連接到PLC，這樣下級(jí)的過(guò)程數(shù)據(jù)和信息可以并行的傳送到Server
5． 兩個(gè)Server都需要安裝WINCC “Redundancy”選項(xiàng)
6． 兩個(gè)Server在功能的配置上需要完全相同
7． 每一個(gè)用戶歸檔都要指定唯一的字段用來(lái)保存最后變化的時(shí)間
時(shí)鐘同步，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)所有的具有時(shí)鐘的站點(diǎn)都工作在相同的時(shí)間系統(tǒng)上。時(shí)鐘同步系統(tǒng)內(nèi)任一時(shí)刻只存在一個(gè)主時(shí)鐘，其他站點(diǎn)都是從時(shí)鐘，從時(shí)鐘接受主時(shí)鐘的時(shí)鐘同步幀信號(hào)進(jìn)行時(shí)鐘同步，這個(gè)主時(shí)鐘可以是WINCC Server，也可以是PLC的CPU。WINCC的時(shí)鐘同步可以用WINCC的“Time synchronization”選項(xiàng)方便的進(jìn)行設(shè)置；PLC的CPU可以在STEP7的硬件組態(tài)里進(jìn)行設(shè)置。
冗余系統(tǒng)的組態(tài)：
冗余系統(tǒng)的前期開(kāi)發(fā)和多用戶系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是完全一樣的，只是在系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)要進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M態(tài)。
具體的設(shè)置過(guò)程如下：
1． 右擊WINCC 的Redundancy點(diǎn)擊OPEN，打開(kāi)冗余組態(tài)界面（圖2），激活冗余配置，進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，而后點(diǎn)擊OK退出。
（圖2）
2 打開(kāi)Redundancy配置環(huán)境時(shí)，在“server:”的輸入框內(nèi)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)輸入當(dāng)前計(jì)算機(jī)名；除“Active Redundancy”外其他都不可以操作。
2 激活“Active Redundancy”選擇框，其他選項(xiàng)都可以操作了。各項(xiàng)含義如表1：
根據(jù)自己項(xiàng)目的實(shí)際使用要求和情況進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置即可。
? 2兩項(xiàng)必須要進(jìn)行設(shè)置。
? 3～8項(xiàng)的設(shè)置都會(huì)影響到服務(wù)器恢復(fù)后的系統(tǒng)同步內(nèi)容，建議采用默認(rèn)設(shè)置，不過(guò)為了減少恢復(fù)后服務(wù)器系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)可以根據(jù)實(shí)際需要適當(dāng)?shù)販p少同步內(nèi)容。
? 9項(xiàng)是指當(dāng)客戶端連接到指定服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障（此時(shí)服務(wù)器未必發(fā)生故障）時(shí)是否自動(dòng)切換到冗余服務(wù)器，建議激活此項(xiàng)。
? 10項(xiàng)實(shí)際上是為服務(wù)器相互監(jiān)控提供了另外一種檢測(cè)手段，如果激活此項(xiàng)，則需要在服務(wù)器的串口間連接一根串口電纜，此時(shí)除了網(wǎng)絡(luò)路徑外，服務(wù)器間多了一條專用的狀態(tài)檢測(cè)鏈路，冗余系統(tǒng)的監(jiān)控更可靠。需要說(shuō)明的是串口連接只用作狀態(tài)監(jiān)控，而不進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。
（表1）
當(dāng)冗余功能設(shè)定完畢后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成內(nèi)部標(biāo)簽組“Redundancy”，該組內(nèi)有四個(gè)標(biāo)簽，用戶可以直接用它們進(jìn)行狀態(tài)診斷及信息顯示。
? @RM_MASTER：如果當(dāng)前服務(wù)器是主機(jī)，則置位為1；否則為0。
? @RM_MASTER_NAME：當(dāng)前主機(jī)服務(wù)器的設(shè)備名。
? @RM_SERVER_NAME：客戶端當(dāng)前訪問(wèn)的服務(wù)器名。
? @RM_OFFLINE_US_NAME：服務(wù)器恢復(fù)在線后，正在同步的用戶歸檔名。
2． 為客戶機(jī)指定首選服務(wù)器。配置好計(jì)算機(jī)和冗余功能，生產(chǎn)了服務(wù)器數(shù)據(jù)（Server Data）后，右擊“Server Data”然后點(diǎn)擊“Client-specific Setting”，打開(kāi)客戶機(jī)服務(wù)器指定界面（如圖3），為每個(gè)客戶機(jī)指定首選服務(wù)器，然后點(diǎn)擊OK退出。
（圖3）
為客戶端指定首選服務(wù)器是為了更好的平衡服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，指定了首選服務(wù)器的客戶端會(huì)自動(dòng)的優(yōu)先連接到指定的服務(wù)器，沒(méi)有指定的則始終連接到主服務(wù)器上。
3． 退出WINCC管理器，點(diǎn)擊“開(kāi)始”、“SIMATIC”、“WINCC”、“TOOLS”下的“Project Duplicator”復(fù)制出冗余項(xiàng)目到冗余服務(wù)器。用“Project Duplicator”復(fù)制冗余項(xiàng)目的好處是可以自動(dòng)的完成另外一臺(tái)服務(wù)器的冗余配置同時(shí)生產(chǎn)完全相同的項(xiàng)目。
至此WINCC冗余項(xiàng)目已經(jīng)設(shè)置生成完畢，可以投入運(yùn)行了。
冗余系統(tǒng)的工作過(guò)程：
當(dāng)服務(wù)器都正常時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行拓?fù)淙鐖D4所示，每臺(tái)客戶端PC都連接到自己的首選服務(wù)器。此時(shí)服務(wù)器A是主機(jī)；B為從機(jī)；客戶端1、2連接當(dāng)服務(wù)器A，客戶端3連接到服務(wù)器B。
當(dāng)其中一臺(tái)（如服務(wù)器A）發(fā)生故障，所有的客戶端PC都自動(dòng)切換到另一臺(tái)（如服務(wù)器B）上工作， HMI系統(tǒng)可以正常的運(yùn)行，而不影響使用。切換完的運(yùn)行拓?fù)淙雸D5所示。
當(dāng)服務(wù)器A在線后，客戶機(jī)1連接回服務(wù)器A，客戶機(jī)2、3仍然連接到服務(wù)器B。從這里我們也能看出為客戶機(jī)指定首選服務(wù)器的作用。
四、項(xiàng)目的運(yùn)行及應(yīng)用體會(huì)
2005年11月，WINCC冗余系統(tǒng)已經(jīng)在漣源鋼鐵公司冷軋廠連續(xù)鍍鋅生產(chǎn)線調(diào)試完成并且順利投入運(yùn)行。WINCC標(biāo)簽總量超過(guò)6萬(wàn)，畫(huà)面170余幅，報(bào)警信息2萬(wàn)多條，變量歸檔130多個(gè)，經(jīng)過(guò)一年多的實(shí)際運(yùn)行，用戶反映良好，沒(méi)有因?yàn)閃INCC服務(wù)器故障而造成生產(chǎn)線停車(chē)。而且WINCC冗余系統(tǒng)除了增加一套服務(wù)器的軟硬件外，不需要增加系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的成本，從而用非常小的投入，能夠極大地提高系統(tǒng)的可靠性，對(duì)于當(dāng)前越來(lái)越龐大和復(fù)雜的自動(dòng)化控制系統(tǒng)是一種非常好的解決方案。
