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)在自動化控制系統(tǒng)里的優(yōu)勢。
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、項目簡介
近年來，連續(xù)鍍鋅生產(chǎn)線（CGL）等薄帶鋼處理線項目成為了鋼鐵行業(yè)投入的熱點(diǎn)之一，我公司陸續(xù)承接了多個類似的項目，都是以西門子S7-400 PLC，WINCC作為基礎(chǔ)自動化控制核心器件。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450萬噸以上規(guī)模的特大型工業(yè)企業(yè)，是國家“863”高新技術(shù)研究發(fā)展計劃CIMS應(yīng)用工程示范單位，國家重點(diǎn)支持發(fā)展的300家工業(yè)企業(yè)之一。
冷軋廠連續(xù)熱鍍鋅項目于2003年立項，目標(biāo)是建成年產(chǎn)鍍鋅帶鋼31萬噸，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。
入口段由兩臺開卷機(jī)、一臺三片模式焊機(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、鍍層測厚儀、模型控制器）、小鋅花、光整機(jī)、拉伸矯直機(jī)、無水鈍化單元、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
整個控制系統(tǒng)可以分為L2、L1兩級。
L2主要完成產(chǎn)品原料數(shù)據(jù)、生產(chǎn)計劃的分發(fā)、下放和成品數(shù)據(jù)的采集、整理，以及全線生產(chǎn)報表的生成查詢工作。
L1是全線基礎(chǔ)自動化控制的統(tǒng)稱，全部選用了西門子產(chǎn)品。中央控制單元由9套S7-416-2DP 和1套S7-315F構(gòu)成；現(xiàn)場信號采集及動作執(zhí)行采用PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，全線共用了近300個DP子站；交流變頻電機(jī)傳動全部使用MASTERDRIVER 6ES70系列變頻器，用CBP2通過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平臺上開發(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。
整個控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)配置如下圖所示：
該項目的最大特點(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，操作臺操作為輔的方式，即只有線路起停控制在操作臺上，幾乎所有其他操作、狀態(tài)顯示、故障診斷、事件記錄、過程數(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。
但是由此也帶來了一個問題，那就是整個生產(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)故障那么整個生產(chǎn)線也要發(fā)生停車故障，這樣就會造成原料的極大浪費(fèi)，因此對人機(jī)界面（HMI）的穩(wěn)定性提出了極高的要求。所以在該項目里我們采用了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沒有Server2時的網(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)布畫面和數(shù)據(jù)給Clients；而Clients上的所有畫面和數(shù)據(jù)全部來自Server1。這樣的優(yōu)勢是做系統(tǒng)開發(fā)時只需要在Server1開發(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，可以把管理級和過程級清晰的分開。但是缺點(diǎn)也是很明顯的，那就是一旦Server1發(fā)生故障，則整個控制級就無法正常工作。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。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)采用兩臺連接到一起的服務(wù)器協(xié)同工作，運(yùn)行期間，兩臺服務(wù)器相互監(jiān)控，可以及時的發(fā)現(xiàn)對方是否進(jìn)入故障狀態(tài)，如果一臺服務(wù)器發(fā)生故障，則所有的客戶端自動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)行對自動化系統(tǒng)的監(jiān)視和操作。
在一臺發(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自動復(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項目配置為多用戶模式(Multi-user)
2． 系統(tǒng)要求工作在時鐘同步方式下。最好整個系統(tǒng)包括過程級和控制級都進(jìn)行時鐘同步，最少要在過程級進(jìn)行時鐘同步。如果控制級也要進(jìn)行時鐘同步，則需要安裝WINCC的“Time synchronization”選項。
3． 從PLC來的報警信息必須包含時間幀信息，在PLC程序內(nèi)用報警塊觸發(fā)信息就包含時間幀信息。
4． 兩個Server必須分別連接到PLC，這樣下級的過程數(shù)據(jù)和信息可以并行的傳送到Server
5． 兩個Server都需要安裝WINCC “Redundancy”選項
6． 兩個Server在功能的配置上需要完全相同
7． 每一個用戶歸檔都要指定唯一的字段用來保存最后變化的時間
時鐘同步，簡單的說就是在一個系統(tǒng)內(nèi)所有的具有時鐘的站點(diǎn)都工作在相同的時間系統(tǒng)上。時鐘同步系統(tǒng)內(nèi)任一時刻只存在一個主時鐘，其他站點(diǎn)都是從時鐘，從時鐘接受主時鐘的時鐘同步幀信號進(jìn)行時鐘同步，這個主時鐘可以是WINCC Server，也可以是PLC的CPU。WINCC的時鐘同步可以用WINCC的“Time synchronization”選項方便的進(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)的前期開發(fā)和多用戶系統(tǒng)的開發(fā)是完全一樣的，只是在系統(tǒng)投入運(yùn)行時要進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M態(tài)。
具體的設(shè)置過程如下：
1． 右擊WINCC 的Redundancy點(diǎn)擊OPEN，打開冗余組態(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Redundancy配置環(huán)境時，在“server:”的輸入框內(nèi)系統(tǒng)會自動輸入當(dāng)前計算機(jī)名；除“Active Redundancy”外其他都不可以操作。
2 激活“Active Redundancy”選擇框，其他選項都可以操作了。各項含義如表1：
根據(jù)自己項目的實(shí)際使用要求和情況進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置即可。
? 2兩項必須要進(jìn)行設(shè)置。
? 3～8項的設(shè)置都會影響到服務(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（此時服務(wù)器未必發(fā)生故障）時是否自動切換到冗余服務(wù)器，建議激活此項。
? 10項實(shí)際上是為服務(wù)器相互監(jiān)控提供了另外一種檢測手段，如果激活此項，則需要在服務(wù)器的串口間連接一根串口電纜，此時除了網(wǎng)絡(luò)路徑外，服務(wù)器間多了一條專用的狀態(tài)檢測鏈路，冗余系統(tǒng)的監(jiān)控更可靠。需要說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)會自動生成內(nèi)部標(biāo)簽組“Redundancy”，該組內(nèi)有四個標(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”，打開客戶機(jī)服務(wù)器指定界面（如圖3），為每個客戶機(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)器的客戶端會自動的優(yōu)先連接到指定的服務(wù)器，沒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“開始”、“SIMATIC”、“WINCC”、“TOOLS”下的“Project Duplicator”復(fù)制出冗余項目到冗余服務(wù)器。用“Project Duplicator”復(fù)制冗余項目的好處是可以自動的完成另外一臺服務(wù)器的冗余配置同時生產(chǎn)完全相同的項目。
至此WINCC冗余項目已經(jīng)設(shè)置生成完畢，可以投入運(yùn)行了。
冗余系統(tǒng)的工作過程：
當(dāng)服務(wù)器都正常時整個系統(tǒng)的運(yùn)行拓?fù)淙鐖D4所示，每臺客戶端PC都連接到自己的首選服務(wù)器。此時服務(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（如服務(wù)器A）發(fā)生故障，所有的客戶端PC都自動切換到另一臺（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、項目的運(yùn)行及應(yīng)用體會
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6萬，畫面170余幅，報警信息2萬多條，變量歸檔130多個，經(jīng)過一年多的實(shí)際運(yùn)行，用戶反映良好，沒有因?yàn)閃INCC服務(wù)器故障而造成生產(chǎn)線停車。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，對于當(dāng)前越來越龐大和復(fù)雜的自動化控制系統(tǒng)是一種非常好的解決方案。
