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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)自己項目的實際使用要求和情況進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置即可。
Ø 2兩項必須要進(jìn)行設(shè)置。
Ø 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)實際需要適當(dāng)?shù)販p少同步內(nèi)容。
Ø 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。
Ø 10項實際上是為服務(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。
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“General”標(biāo)簽各項目的含義 |
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1 |
Default Master |
用來指定兩臺服務(wù)器同時啟動時把那臺作為主機(jī)激活，另外一臺可以認(rèn)為是從機(jī)。兩臺服務(wù)器不可能同時為主機(jī)，必然是一主一從 |
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2 |
Redundancy Partner Server |
輸入伙伴服務(wù)器的計算機(jī)名。如果伙伴服務(wù)器已經(jīng)在線，那么瀏覽按鈕可以幫助查找。 |
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3 |
Synchronize all data of the outage period |
定義同步停機(jī)期間的所有數(shù)據(jù) |
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4 |
Only synchronize the last days of a failure |
定義只同步停機(jī)最后…天內(nèi)的數(shù)據(jù) |
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5 |
Synchronization of Tag Logging after the partner server comes back online |
定義是否同步變量記錄 |
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6 |
Synchronization of Alarm Logging after the partner server comes back online |
定義是否同步報警記錄 |
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7 |
Online synchronization for Alarm Logging |
是否同步報警記錄操作消息和保留的編號范圍內(nèi)的消息。 |
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8 |
Synchronization after process connection error (Tag + Alarm Logging) |
定義當(dāng)服務(wù)器和組態(tài)連接(PLC)之間的網(wǎng)絡(luò)連接出錯后是否同步歸檔內(nèi)容（如果取消激活此項，可以減少服務(wù)器負(fù)載 |
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9 |
WinCC client switch in case of a process connection error |
定義當(dāng)服務(wù)器和組態(tài)連接(PLC)之間的網(wǎng)絡(luò)連接出錯后是否將WinCC客戶機(jī)切換到冗余伙伴服務(wù)器 |
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10 |
Serial connection to redundant partner |
如果選定冗余伙伴的串行連接，則通過該串口進(jìn)行服務(wù)器的控制信息交換。 |
（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。
Ø @RM_MASTER：如果當(dāng)前服務(wù)器是主機(jī)，則置位為1；否則為0。
Ø @RM_MASTER_NAME：當(dāng)前主機(jī)服務(wù)器的設(shè)備名。
Ø @RM_SERVER_NAME：客戶端當(dāng)前訪問的服務(wù)器名。
Ø @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)過一年多的實際運(yùn)行，用戶反映良好，沒有因為WINCC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。
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