朱 妍,羅天昊,李維剛

(1.遼寧師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院,遼寧大連 116081;2.遼寧石油化工大學(xué) 能源化工系,遼寧撫順 113001; 3.中國(guó)石油集團(tuán)公司撫順石化公司 煉油與化工項(xiàng)目部,遼寧撫順 113008)

0 引 言

目前,工業(yè)企業(yè)特別是化工流程行業(yè),DCS得到廣泛應(yīng)用,并在工業(yè)以太網(wǎng)中大量使用服務(wù)器、交換機(jī)、網(wǎng)卡、光纖等通信設(shè)備,使DCS的構(gòu)建規(guī)模和復(fù)雜性日益增加,從而對(duì)保證系統(tǒng)運(yùn)行的各方面性能帶來(lái)了相當(dāng)難度。服務(wù)器,是網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵設(shè)備,如何恰當(dāng)?shù)嘏渲?是值得注意的。

從廣義上講,服務(wù)器是指網(wǎng)絡(luò)中能為其他機(jī)器提供某些服務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng);從狹義上講,服務(wù)器是專指某些高性能計(jì)算機(jī),它在網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的控制下,可與任何外部設(shè)備相連,并且在穩(wěn)定性、安全性、工作性能等方面要求更高。它是網(wǎng)絡(luò)上一種為客戶端計(jì)算機(jī)提供各種服務(wù)的高性能計(jì)算機(jī)。

權(quán)威統(tǒng)計(jì),控制信息的高端工業(yè)級(jí)服務(wù)器,作為網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn),存儲(chǔ)和處理著網(wǎng)絡(luò)上80%的數(shù)據(jù)和信息,既為網(wǎng)絡(luò)上的客戶機(jī)提供信息共享,又為網(wǎng)絡(luò)用戶提供集中計(jì)算、信息顯示及數(shù)據(jù)管理等服務(wù)功能,因此對(duì)服務(wù)器依賴程度越來(lái)越高。一旦突然停機(jī)或意外的網(wǎng)絡(luò)中斷,就會(huì)帶來(lái)控制系統(tǒng)的嚴(yán)重后果。

服務(wù)器安全涉及多方面,包括硬件、系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、安全運(yùn)行等。必須采用專用網(wǎng)絡(luò)安全芯片、系統(tǒng)內(nèi)核加固、硬件容錯(cuò)等先進(jìn)技術(shù),且必須具備如下的特點(diǎn):

a)高性能。服務(wù)器的高性能主要體現(xiàn)在高速的運(yùn)算處理能力、強(qiáng)大的外部數(shù)據(jù)吞吐能力,使服務(wù)器能夠在單位時(shí)間內(nèi)處理相當(dāng)數(shù)量的請(qǐng)求并保證每個(gè)服務(wù)的響應(yīng)時(shí)間。

b)可靠性。長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定可靠運(yùn)行,服務(wù)器故障率很低,具有安全保障能力,是普通的PC機(jī)所做不到的。

c)可擴(kuò)展性。服務(wù)器能夠隨著用戶數(shù)量的增加不斷提升性能,具有可管理等方面的突出優(yōu)勢(shì)。

可見,服務(wù)器必須可靠高效,具有承擔(dān)保障服務(wù)質(zhì)量能力。

1 系統(tǒng)組成及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

某煉油項(xiàng)目8 Mt/a常減壓裝置,其DCS是采用德國(guó)西門子公司的PCS7系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。它采用先進(jìn)的分布式客戶機(jī)/服務(wù)器架構(gòu),并基于該公司標(biāo)準(zhǔn)的Simatic軟件和硬件,支持總線冗余(包括系統(tǒng)總線和現(xiàn)場(chǎng)總線)和組件冗余(包括控制器、Profibus等接口模塊),支持在線組態(tài)修改和故障診斷,是新一代全集成自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

此生產(chǎn)裝置DCS的上位機(jī)采用了冗余的操作站服務(wù)器和客戶端的結(jié)構(gòu),即配置了1對(duì)互為冗余的547B型工業(yè)級(jí)服務(wù)器,1臺(tái)工程師站,1臺(tái)歸檔服務(wù)器,5臺(tái)客戶端操作站,5對(duì)冗余的AS控制器和若干 I/O卡件,整套系統(tǒng)實(shí)際提供 I/O點(diǎn)數(shù)1 430點(diǎn)。DCS所配置的工程師站,是用于對(duì)DCS進(jìn)行組態(tài)調(diào)試和系統(tǒng)下裝,并以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的形式來(lái)處理信息;DCS正常投運(yùn)后,生產(chǎn)操作人員可以通過(guò)冗余的服務(wù)器從操作員站對(duì)生產(chǎn)工藝過(guò)程進(jìn)行操作和監(jiān)視,并監(jiān)視服務(wù)器和控制器之間的數(shù)據(jù)通道的通信質(zhì)量。

該工業(yè)級(jí)服務(wù)器采用雙機(jī)熱備和負(fù)載均衡技術(shù)。同一時(shí)間內(nèi)當(dāng)其中運(yùn)行著的一臺(tái)服務(wù)器出現(xiàn)故障無(wú)法啟動(dòng)時(shí),另一臺(tái)備份服務(wù)器會(huì)迅速地自動(dòng)啟動(dòng)并運(yùn)行,從而保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。整個(gè)控制系統(tǒng)可分為三個(gè)層次:各操作員站通過(guò)工業(yè)級(jí)交換機(jī)與工程師站和服務(wù)器構(gòu)成上層標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng);工程師站和服務(wù)器又通過(guò)Scalance系列的模塊化工業(yè)級(jí)交換機(jī)與各分散的AS控制器連接成環(huán)形的工業(yè)以太網(wǎng),且上述兩層都是1Gbit/s速率的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò);而底層的各AS控制器與現(xiàn)場(chǎng)的I/O(輸入/輸出)卡站(ET200M)相連接,并采用冗余的 Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)進(jìn)行下行通信,通信速率為12 Mbit/s。

該DCS的客戶機(jī)/服務(wù)器(Client/Server)即C/S結(jié)構(gòu)特點(diǎn):客戶機(jī)不斷向服務(wù)器發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求,服務(wù)器根據(jù)服務(wù)請(qǐng)求類別來(lái)完成相應(yīng)的作業(yè)并將處理結(jié)果按輕重緩急回送客戶端。具體講就是該架構(gòu)是把DCS中應(yīng)用程序中的執(zhí)行內(nèi)容劃分成兩部分:客戶機(jī)應(yīng)用程序和服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)程序。當(dāng)客戶端需要對(duì)AS控制站中的數(shù)據(jù)進(jìn)行任何操作時(shí),客戶程序就自動(dòng)地尋找服務(wù)器程序,并向其發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求,而服務(wù)器程序則根據(jù)預(yù)定的規(guī)則做出應(yīng)答,相應(yīng)地從存儲(chǔ)空間中取得數(shù)據(jù),運(yùn)算并送回結(jié)果。這樣,現(xiàn)場(chǎng)控制站CPU運(yùn)行數(shù)據(jù)的負(fù)荷比較輕,而與數(shù)據(jù)存取有關(guān)的多數(shù)界面操作部分,則由服務(wù)器中數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)承擔(dān)。其優(yōu)點(diǎn):充分發(fā)揮工業(yè)以太網(wǎng)中客戶端、服務(wù)器和現(xiàn)場(chǎng)控制站自身獨(dú)特的處理優(yōu)勢(shì);極大地減少主干網(wǎng)絡(luò)上的信息流量,避免信道擁擠和堵塞;有效地發(fā)揮了工業(yè)服務(wù)器軟硬件性能可靠、執(zhí)行效率高,數(shù)據(jù)庫(kù)管理集中、安全、方便的長(zhǎng)處。

2 服務(wù)器的故障現(xiàn)象

該蒸餾裝置于2009年10月初開始試生產(chǎn)。DCS剛投用,于2009年10月9日凌晨,中央控制室有4個(gè)操作員站的工藝畫面均讀不到生產(chǎn)數(shù)據(jù),無(wú)法進(jìn)行生產(chǎn)工藝指揮和操作。計(jì)算機(jī)維護(hù)人員迅速將1號(hào)服務(wù)器斷電再重新啟動(dòng),逐步恢復(fù)了操作站的操作功能。在處理過(guò)程中,現(xiàn)場(chǎng)操作人員臨時(shí)啟用了現(xiàn)場(chǎng)操作員站進(jìn)行操作,生產(chǎn)未造成影響。10日凌晨,同樣的故障再次出現(xiàn),因處理及時(shí),未對(duì)生產(chǎn)造成影響。11日,工程師全面檢查DCS,拷貝出工業(yè)服務(wù)器上方顯示器中的診斷信息,內(nèi)容如下:

a)窗口上的部分報(bào)警信息顯示了1號(hào)服務(wù)器與所有AS控制站CPU的通信發(fā)生中斷。

b)窗口上報(bào)警信息顯示了1號(hào)服務(wù)器與2號(hào)服務(wù)器的冗余功能處于中斷狀態(tài)。

c)從Windows的事件記錄器中發(fā)現(xiàn),1號(hào)服務(wù)器的網(wǎng)卡CP1613在同一時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了故障報(bào)警信息。

3 故障問(wèn)題分析

綜合系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)置,并參照?qǐng)?bào)警信息分析如下:

a)出現(xiàn)問(wèn)題與現(xiàn)象是與OS操作站連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器故障,原因是服務(wù)器內(nèi)部網(wǎng)卡CP1613的故障,造成操作站與服務(wù)器連接失敗。而網(wǎng)卡CP1613的功能是負(fù)責(zé)建立1號(hào)服務(wù)器與所有AS控制站中CPU的通信聯(lián)系,而生產(chǎn)的過(guò)程就是所有的操作站要時(shí)刻與1號(hào)服務(wù)器保持通信,交換信息。當(dāng)網(wǎng)卡CP1613出現(xiàn)故障時(shí),1號(hào)服務(wù)器與所有AS控制站中CPU的通信發(fā)生了中斷,數(shù)據(jù)無(wú)法上傳,其結(jié)果與1號(hào)服務(wù)器相連接的操作站也就無(wú)法讀取動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù),更無(wú)法指導(dǎo)和進(jìn)行生產(chǎn)操作。

b)工業(yè)服務(wù)器與AS控制站發(fā)生通信故障一般是由硬件問(wèn)題而引起,對(duì)正常運(yùn)行的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而言,出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象是非常特殊的。經(jīng)過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)所有操作站均連接在1號(hào)服務(wù)器上,而不是各為一半分擔(dān)在2臺(tái)互為冗余的1號(hào)和2號(hào)服務(wù)器上,組態(tài)上也未做合理的物理分配,且在冗余服務(wù)器系統(tǒng)的配置表中,冗余切換的選項(xiàng)功能也未使用。冗余服務(wù)器應(yīng)當(dāng)具備:當(dāng)冗余1號(hào)和2號(hào)服務(wù)器與所有控制站之間發(fā)生通信故障時(shí),所有操作站應(yīng)當(dāng)自動(dòng)切換到另一個(gè)同步運(yùn)行的服務(wù)器上,而發(fā)生故障時(shí),計(jì)算機(jī)DCS實(shí)際上并未發(fā)生切換動(dòng)作。

c)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析查證,是因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中,組態(tài)人員需要經(jīng)常下裝和更新AS控制站CPU中的內(nèi)容,這樣經(jīng)常造成服務(wù)器與AS控制站CPU通信的中斷,從而使每次組態(tài)工作都產(chǎn)生OS操作站與1號(hào)和2號(hào)服務(wù)器之間的相互切換。組態(tài)人員為了避免頻繁切換的麻煩,當(dāng)時(shí)取消了對(duì)該項(xiàng)功能的設(shè)置;而投用試生產(chǎn)時(shí)因遺忘與疏忽,使控制室所有4臺(tái)OS操作站即客戶機(jī)沒(méi)有與服務(wù)器建立有效的冗余連接功能,另外服務(wù)器的負(fù)荷分配也存在問(wèn)題,所以當(dāng)1號(hào)服務(wù)器與所有AS控制站CPU的通信發(fā)生中斷時(shí),冗余功能失效,無(wú)法自動(dòng)切換到2號(hào)服務(wù)器上,因而生產(chǎn)操作人員也就無(wú)法讀取數(shù)據(jù)和進(jìn)行操作了。

d)當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員強(qiáng)制停止1號(hào)服務(wù)器的運(yùn)行后,就相當(dāng)于強(qiáng)制將所有的OS操作站切換到2號(hào)服務(wù)器上,而2號(hào)服務(wù)器的工作是正常同步的,所以所有OS操作站可立即恢復(fù)正常操作,但是由于組態(tài)的遺漏,實(shí)際服務(wù)器運(yùn)行只能完成人工干預(yù)操作。

4 故障解決方法

a)更換了1號(hào)服務(wù)器的CP1613網(wǎng)卡,對(duì)服務(wù)器冗余切換功能選項(xiàng)重新進(jìn)行組態(tài),并經(jīng)過(guò)兩天的運(yùn)行觀察,沒(méi)有發(fā)生類似故障。

b)為了提高系統(tǒng)的可靠性,對(duì)1號(hào)和2號(hào)服務(wù)器的冗余設(shè)置進(jìn)行了優(yōu)化,如果再出現(xiàn)類似網(wǎng)卡故障的情況時(shí),這兩臺(tái)服務(wù)器之間會(huì)自動(dòng)進(jìn)行切換。

c)為了分散故障危險(xiǎn)性,維護(hù)人員將這4臺(tái)操作員站的默認(rèn)連接進(jìn)行了對(duì)半分配。即其中2臺(tái)以缺省方式連接至1號(hào)服務(wù)器上,另外2臺(tái)以缺省方式連接至2號(hào)服務(wù)器上。這樣,如果1號(hào)服務(wù)器發(fā)生故障,不論這兩臺(tái)服務(wù)器是否發(fā)生切換,至少能保證有2臺(tái)操作站可以操作。

d)在現(xiàn)場(chǎng),DCS工程師對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)置進(jìn)行了全面的檢查,包括服務(wù)器的冗余選項(xiàng)、時(shí)間同步設(shè)置、多項(xiàng)目結(jié)構(gòu)等,未發(fā)現(xiàn)其他配置上的遺漏。之后,DCS工程師與工藝技術(shù)人員共同做了實(shí)驗(yàn),模擬出故障時(shí)的狀態(tài),驗(yàn)證了上述推斷的正確。

e)在優(yōu)化了系統(tǒng)的設(shè)置后,再次進(jìn)行了生產(chǎn)在線試驗(yàn)。這次,當(dāng)1號(hào)服務(wù)器故障時(shí),操作站能自動(dòng)切換到2號(hào)服務(wù)器上,未發(fā)生影響操作的情況。

5 故障處理的經(jīng)驗(yàn)啟示

a)要養(yǎng)成良好的程序化軟硬件組態(tài)工作習(xí)慣,以免工作忙亂時(shí)出現(xiàn)差錯(cuò),特別是重大失誤。

b)要重視系統(tǒng)的冗余架構(gòu),對(duì)于CPU卡、服務(wù)器、交換機(jī)、網(wǎng)卡、網(wǎng)線等冗余設(shè)備的參數(shù)設(shè)置一定要優(yōu)化,包括在今后系統(tǒng)調(diào)試、運(yùn)行、維護(hù)過(guò)程中,要保證參數(shù)設(shè)置統(tǒng)一,克服隨意性。

c)DCS制造工廠的驗(yàn)收測(cè)試內(nèi)容還要細(xì)致和深入,測(cè)試方案不能粗放,驗(yàn)收測(cè)試的記錄要詳實(shí),報(bào)告中要能查閱到當(dāng)時(shí)的測(cè)試細(xì)節(jié),包括測(cè)試方案、內(nèi)容和步驟,同時(shí)要完善驗(yàn)收測(cè)試表格及記錄。

d)工廠驗(yàn)收的測(cè)試要按技術(shù)規(guī)范對(duì)所有電子部件卡板進(jìn)行考機(jī)試驗(yàn),增加抽查比例,盡量將這些分離的控制單元連接起來(lái),并在大系統(tǒng)運(yùn)行下考證大量交換數(shù)據(jù)負(fù)荷的運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)的影響,特別是通信部件的功能效果情況,這樣便于及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

e)做好系統(tǒng)的安全保障。建議將原來(lái)的Administrator用戶名改為其他,并且設(shè)置復(fù)雜密碼,經(jīng)常檢查計(jì)算機(jī)上是否有新的用戶名,一旦發(fā)現(xiàn)莫名其妙多出來(lái)的用戶,及時(shí)刪除并更改管理員密碼。另外,服務(wù)器上只安裝必須的軟件,盡可能減少其他軟件的安裝。

f)做好DCS服務(wù)器備份策略。由于DCS服務(wù)器擔(dān)負(fù)著系統(tǒng)的重要功能,如果服務(wù)器系統(tǒng)一旦癱瘓,工藝人員就不能對(duì)裝置進(jìn)行監(jiān)控和操作,更重要的是程序與系統(tǒng)組態(tài)文件等重要文件和數(shù)據(jù)將丟失。即使按常規(guī)重裝的方法恢復(fù)系統(tǒng),不但步驟復(fù)雜,而且還會(huì)出錯(cuò)、將前功盡棄;且再次重裝,不但花費(fèi)大量時(shí)間,而且影響整個(gè)裝置的生產(chǎn)。因而對(duì)系統(tǒng)做出有效的備份和快速恢復(fù)措施是非常重要的。

g)重視服務(wù)器存儲(chǔ)系統(tǒng)。硬盤作為服務(wù)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的主要設(shè)備,是一種技術(shù)含量高、制造精密的設(shè)備,服務(wù)器硬盤的發(fā)展目前已達(dá)到10 kr/s或15 kr/s,在運(yùn)行當(dāng)中,一點(diǎn)細(xì)小的故障都有可能造成硬盤物理?yè)p壞,所以工業(yè)使用的服務(wù)器必須都采用Raid磁盤陣列存儲(chǔ),以加強(qiáng)服務(wù)器硬盤的容錯(cuò)功能。

h)定期進(jìn)行備份。對(duì)于一些非常重要的數(shù)據(jù),要做好相對(duì)完善的備份方案,按計(jì)算機(jī)公司推薦的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作,切勿盲目操作。如果發(fā)現(xiàn)服務(wù)器數(shù)據(jù)丟失,千萬(wàn)不要再盲目操作,造成數(shù)據(jù)恢復(fù)機(jī)率的降低。應(yīng)該通過(guò)正規(guī)渠道來(lái)尋找數(shù)據(jù)恢復(fù)的技術(shù)支持,聽取專業(yè)建議或請(qǐng)專業(yè)技術(shù)人員檢查,同時(shí)不要再往丟失數(shù)據(jù)的分區(qū)或硬盤里寫入數(shù)據(jù),以減少二次破壞。

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