李倩

（山鋼股份濟(jì)南分公司自動化公司，山東濟(jì)南 250101）

信息化建設(shè)

光纖內(nèi)存映像網(wǎng)的隨機(jī)數(shù)處理

李倩

（山鋼股份濟(jì)南分公司自動化公司，山東濟(jì)南 250101）

為解決濟(jì)鋼1700熱連軋產(chǎn)線自動化系統(tǒng)中光纖內(nèi)存映像網(wǎng)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)對設(shè)備的影響，對軋線的3套一級服務(wù)器和內(nèi)存映像網(wǎng)相關(guān)的25臺控制器程序進(jìn)行修改測試，服務(wù)器采用更改畫面命令的編排方式、設(shè)置畫面命令的初始值、增加服務(wù)器正常運(yùn)行的判定等改進(jìn)措施，控制器采用初始化邏輯、記憶和反寫邏輯、消除程序無頭數(shù)據(jù)等改進(jìn)措施。程序在檢修期間一次投用成功，運(yùn)行狀況良好，消除了因?yàn)殡S機(jī)數(shù)的問題導(dǎo)致的設(shè)備誤動作、系統(tǒng)急停、停爐等隱患，提高了設(shè)備保障率和生產(chǎn)效率。

熱軋線；光纖；內(nèi)存映像網(wǎng)；共享；隨機(jī)數(shù)

1 前言

濟(jì)鋼1 700 mm熱連軋線于2006年3月正式投產(chǎn)，其工藝設(shè)備先進(jìn)、自動化程度高。2012年，為了穩(wěn)定生產(chǎn)2.5 mm以下的薄板，對熱軋產(chǎn)線進(jìn)行改造，新增熱卷箱、新增F0精軋機(jī)，對粗軋機(jī)及精軋機(jī)組下階梯、精軋機(jī)組彎輥與竄輥裝置、精軋機(jī)架冷卻水、層流冷卻系統(tǒng)及全線自動化系統(tǒng)等進(jìn)行了改造。改造完成后，可穩(wěn)定生產(chǎn)厚度1.5～1.8 mm的產(chǎn)品，拓寬了產(chǎn)品規(guī)格，且薄規(guī)格產(chǎn)品的比例較原來有所提升，能適應(yīng)將來后續(xù)冷軋線對原料的需求［1］。

自動化系統(tǒng)升級改造中，全線HMI操作畫面所有設(shè)備點(diǎn)的地址全部重新進(jìn)行編制，由原來的以太網(wǎng)方式改為光纖內(nèi)存映像網(wǎng)方式。系統(tǒng)改造初期，自動化系統(tǒng)運(yùn)行不順暢，其中的一個主要問題是一些無源數(shù)據(jù)在設(shè)備上電時由內(nèi)存隨機(jī)產(chǎn)生，這些數(shù)據(jù)直接輸出或參與程序連鎖，導(dǎo)致設(shè)備誤動作，且故障難以查找，制約了生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2014年9月下旬，經(jīng)過對系統(tǒng)隨機(jī)數(shù)的反復(fù)測試和驗(yàn)證，確立了自動化系統(tǒng)的改進(jìn)方案，并在10月的大中修期間，對軋線的25臺控制器和3臺一級服務(wù)器進(jìn)行修改測試，一次上線成功。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

濟(jì)鋼1700熱軋產(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)由兩級網(wǎng)絡(luò)組成，一級為基礎(chǔ)自動化級（L1），二級為過程控制級（L2）。

2.1 基礎(chǔ)自動化

基礎(chǔ)自動化完成各種數(shù)據(jù)的收集、設(shè)備順序控制、閉環(huán)控制及根據(jù)需要的位置控制、定位控制、寬度控制、厚度自動控制和故障報警等。

基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)的配置由3層通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成：第1層為工業(yè)現(xiàn)場總線Profibus DP網(wǎng)，主要負(fù)責(zé)完成各區(qū)域控制器與主、輔傳動設(shè)備以及遠(yuǎn)程站的通信任務(wù)；第2層為光纖內(nèi)存映象網(wǎng)，這是整個自動化系統(tǒng)主干網(wǎng)，負(fù)責(zé)完成各功能控制器之間的高速的通訊任務(wù)；第3層是基于TCP/IP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)，負(fù)責(zé)完成輔助系統(tǒng)控制器之間、HMI客戶端與HMI服務(wù)器之間、部分儀表與控制器間的通信任務(wù)。

基礎(chǔ)自動化根據(jù)連軋線工藝特點(diǎn)及設(shè)備分布分為加熱爐區(qū)、粗軋區(qū)、精軋區(qū)和卷取區(qū)四個區(qū)域，基礎(chǔ)自動化級控制器采用GE Fanuc的PAC System-TM RX7i系列作為主控制器，而其中液壓控制采用基于德國MEN公司的Power PC CPU板及必要的I/O模塊構(gòu)成的專用液壓控制器。公輔冷卻水、液壓站、潤滑站采用GE 90-30系列PLC［2］，這些PLC與主控制器之間采用100 Mb/s以太網(wǎng)通訊。

L1 HMI系統(tǒng)采用服務(wù)器－客戶機(jī)結(jié)構(gòu)，所有應(yīng)用程序及數(shù)據(jù)的維護(hù)與更新均在服務(wù)器上完成。服務(wù)器安裝內(nèi)存映像網(wǎng)卡和以太網(wǎng)卡。內(nèi)存映像網(wǎng)卡負(fù)責(zé)服務(wù)器與機(jī)架控制器之間的通訊，以太網(wǎng)卡負(fù)責(zé)服務(wù)器與客戶機(jī)之間的通訊。

PDA機(jī)器安裝內(nèi)存映像網(wǎng)卡和以太網(wǎng)卡。內(nèi)存映像網(wǎng)卡負(fù)責(zé)PDA服務(wù)器與機(jī)架控制器的通訊，以太網(wǎng)卡負(fù)責(zé)PDA服務(wù)器與PDA客戶端的通訊。

2.2 過程自動化

過程自動化由2臺HP ES45 alpha小型機(jī)組成cluster集群系統(tǒng)，采用磁盤陣列構(gòu)成RAID實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余，1臺小型機(jī)在線控制，1臺小型機(jī)離線備用。離線備用計算機(jī)可實(shí)現(xiàn)進(jìn)行過程控制軟件開發(fā)，小型機(jī)采用OPENVMS操作系統(tǒng)、DEC TCP/IP通訊協(xié)議包、Oracle數(shù)據(jù)庫及C++編輯器。

過程控制的主要功能包括：生產(chǎn)計劃和原始數(shù)據(jù)處理、軋件全線跟蹤、設(shè)定值計算和處理、事件監(jiān)視處理、報表自動生產(chǎn)、歷史數(shù)據(jù)尋蹤、模擬軋鋼等。

2.3 熱連軋線的內(nèi)存映像網(wǎng)

熱連軋系統(tǒng)的內(nèi)存映像網(wǎng)是一種基于環(huán)狀的、高速復(fù)制的共享內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)［3］。所有掛在同一內(nèi)存映像網(wǎng)上的計算機(jī)或機(jī)架控制器均有一塊共享內(nèi)存空間（約64 M），并且統(tǒng)一編址，當(dāng)其中的任何一個節(jié)點(diǎn)向其共享內(nèi)存中寫入數(shù)據(jù)時，其他在線節(jié)點(diǎn)的共享內(nèi)存區(qū)域中的相應(yīng)的地址中都會寫入相同的內(nèi)容。它具有實(shí)時高速的特點(diǎn)，最大通訊速率可達(dá)2 Gb/s，各站數(shù)據(jù)刷新時間＜1 ms。

2.3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

整個反射內(nèi)存映像網(wǎng)由27臺PAC控制器，2臺L2服務(wù)器，2臺PDA，3臺L1級HMI畫面服務(wù)器組成。其中，PAC系統(tǒng)的CPU模板為PAC300或PAC700，控制器機(jī)架上安裝內(nèi)存映像卡；服務(wù)器和PDA主機(jī)箱安裝PCI5565板卡，各個節(jié)點(diǎn)通過光纖接入內(nèi)存映像網(wǎng)交換機(jī)，形成整個內(nèi)存映像網(wǎng)絡(luò)。

2.3.2 通訊分類

整個反射內(nèi)存網(wǎng)的通訊可分為五大類：L1←→L1用于L1內(nèi)部的快速數(shù)據(jù)交互；L2→L1用于將L2設(shè)定數(shù)據(jù)發(fā)送到L1；L1→L2用于將L1實(shí)際數(shù)據(jù)發(fā)送到L2；L1級控制器與PDA通訊；L1級控制器與HMI畫面服務(wù)器通訊。

2.3.3 通訊組態(tài)

PAC CPU模板與反射內(nèi)存的數(shù)據(jù)交互在PAC中進(jìn)行硬件配置，并通過BusRead和BusWrite函數(shù)完成；PAC機(jī)架上的嵌入式控制器PowerPC A12或A15，先用功能塊編程方式經(jīng)VME機(jī)架底板總線與PAC控制器完成數(shù)據(jù)交換，然后由PAC通過內(nèi)存映像網(wǎng)完成與其他控制器和L2計算機(jī)間的數(shù)據(jù)通訊。

L2與L1之間的通訊需要通過類似于電文的方式，其具體通訊規(guī)約為：1）發(fā)送方先寫消息體，寫消息體前將標(biāo)志位置為0，防止接收方讀取。在消息體寫完之后，再將標(biāo)志字段置為1；2）接收方掃描標(biāo)志字段，一旦發(fā)現(xiàn)標(biāo)志字段為1，則開始讀取消息體內(nèi)容，讀完之后將標(biāo)志字段置為0。對于PAC CPU模板來說，編程人員通過BusRead和BusWrite函數(shù)再組合上適當(dāng)?shù)碾娢倪壿媮韺?shí)現(xiàn)。

L1 HMI與內(nèi)存映像網(wǎng)數(shù)據(jù)交互是通過配置地址的變量直接讀取的。在服務(wù)器項目中的RFMModelConfig配置工具，進(jìn)行變量的前綴、所屬數(shù)據(jù)區(qū)起始地址、域長度等的設(shè)置；然后在項目的Points中建立新變量，進(jìn)行變量的屬性設(shè)置，包括內(nèi)存映像網(wǎng)地址、注釋等。

PDA系統(tǒng)根據(jù)PAC控制器或POWER PC側(cè)相關(guān)信號的配置，如起始地址、偏移地址、數(shù)據(jù)類型等，進(jìn)行通道的配置和讀取。

3 問題分析

3.1 隨機(jī)數(shù)現(xiàn)象

通過現(xiàn)場觀察和搭建實(shí)驗(yàn)平臺反復(fù)測試，發(fā)現(xiàn)內(nèi)存映像網(wǎng)卡重新上電后，內(nèi)存區(qū)出現(xiàn)隨機(jī)數(shù)，有些數(shù)據(jù)區(qū)，因數(shù)據(jù)沒有被刷新，故保留上電時的隨機(jī)數(shù)；有些數(shù)據(jù)區(qū)，上電瞬間是隨機(jī)數(shù)，但接著被新數(shù)據(jù)刷新了，觀察不到隨機(jī)數(shù)。

在內(nèi)存映像網(wǎng)上，交互的數(shù)據(jù)流向可分為讀入和寫出兩種，對于網(wǎng)絡(luò)上某個節(jié)點(diǎn)自身而言，從內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)上讀取的數(shù)據(jù)，為有源數(shù)據(jù)；對于該節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)源，寫入內(nèi)存網(wǎng)的數(shù)據(jù)，在自身停電后，該數(shù)據(jù)區(qū)成為內(nèi)存映像網(wǎng)絡(luò)上的無源數(shù)據(jù)，沒有數(shù)據(jù)源，該數(shù)據(jù)區(qū)保留原數(shù)據(jù)不變；在該節(jié)點(diǎn)上電瞬間，寫出數(shù)據(jù)區(qū)為隨機(jī)數(shù)，如果該節(jié)點(diǎn)通過自身運(yùn)算更新該數(shù)據(jù)區(qū)，將隨機(jī)數(shù)更新為“好”數(shù)據(jù)，并寫入網(wǎng)，則內(nèi)存映像網(wǎng)的該內(nèi)存區(qū)數(shù)據(jù)正常。

對于二級服務(wù)器，其讀、寫網(wǎng)的數(shù)據(jù)為有源數(shù)據(jù)，即使上電瞬間內(nèi)存區(qū)出現(xiàn)隨機(jī)數(shù)，接著也被自身運(yùn)算數(shù)據(jù)或其他數(shù)據(jù)源刷新了；對于PDA系統(tǒng)，為接收數(shù)據(jù)方，即使上電瞬間其內(nèi)存區(qū)出現(xiàn)隨機(jī)數(shù)，接著也要被控制器的數(shù)據(jù)所刷新。

3.2 L1服務(wù)器

當(dāng)L1服務(wù)器重啟運(yùn)行后，服務(wù)器作為數(shù)據(jù)源，寫網(wǎng)的數(shù)據(jù)為隨機(jī)數(shù)，由于相關(guān)的軟件機(jī)制，該數(shù)據(jù)區(qū)并沒有寫入內(nèi)存映像網(wǎng)，對于接收數(shù)據(jù)的控制器而言，這部分?jǐn)?shù)據(jù)仍保留原“好”數(shù)據(jù)，服務(wù)器側(cè)的“壞”數(shù)僅停留在畫面上，但不會導(dǎo)致設(shè)備誤動作，操作人員從HMI畫面上將觀察到一些設(shè)定值和命令成為了隨機(jī)數(shù)；對于L1服務(wù)器從網(wǎng)絡(luò)讀取的數(shù)據(jù)依然正常，因?yàn)槠渌麛?shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)執(zhí)行著寫網(wǎng)邏輯，刷新了該區(qū)域，操作人員會觀察到畫面上有些狀態(tài)量依然保持正常。

3.3 控制器

對于PAC控制器，恢復(fù)上電瞬間，其內(nèi)存映像網(wǎng)數(shù)據(jù)區(qū)為隨機(jī)數(shù)，對于其寫網(wǎng)數(shù)據(jù)區(qū)，控制器程序運(yùn)行后將刷新該區(qū)，數(shù)據(jù)將變?yōu)椤昂谩睌?shù)據(jù)；對于控制器的讀網(wǎng)數(shù)據(jù)區(qū)，如果沒有數(shù)據(jù)源進(jìn)行寫網(wǎng)操作，那么該區(qū)仍保留隨機(jī)數(shù)。如L1服務(wù)器下發(fā)的數(shù)據(jù)，操作人員不進(jìn)行操作，無人寫網(wǎng)更新數(shù)據(jù)，則控制器在上電后，服務(wù)器下發(fā)的數(shù)據(jù)仍為隨機(jī)數(shù)。

L1服務(wù)器寫網(wǎng)數(shù)據(jù)分為開關(guān)量命令和模擬量設(shè)定值2種。開關(guān)量命令是通過畫面的按鈕操作實(shí)現(xiàn)的，模擬量設(shè)定是通過畫面上的IO域進(jìn)行設(shè)定的。畫面按鈕下發(fā)命令的數(shù)據(jù)編排方式，將一個雙字的32個位的“0-1”狀態(tài)，代表32個按鈕信號的“按下-抬起”操作狀態(tài)，當(dāng)控制器斷電重啟后，控制器的光纖內(nèi)存映像網(wǎng)卡上的存儲區(qū)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，這些位的狀態(tài)非0即1，導(dǎo)致產(chǎn)生誤動作的概率大。

畫面中下發(fā)給控制器的模擬量設(shè)定數(shù)據(jù)，在控制器斷電重啟后，控制器內(nèi)存映像網(wǎng)區(qū)的該設(shè)定值將變成隨機(jī)數(shù)，這些數(shù)據(jù)如果是閥門開度設(shè)定等變量，在某些邏輯下，可能導(dǎo)致設(shè)備誤動作。

4 優(yōu)化改進(jìn)措施

4.1 服務(wù)器改進(jìn)措施

4.1.1 畫面命令的編排方式

將按鈕命令的編排方式進(jìn)行更改，原來通訊數(shù)據(jù)的每1位代表1個信號的狀態(tài)，1個雙字?jǐn)?shù)據(jù)就代表了32個信號的狀態(tài)，這樣，每位信號因?yàn)殡S機(jī)數(shù)出錯的機(jī)率就有50%（1或者0）；如果將該信號通過一個雙字?jǐn)?shù)據(jù)來傳輸，如當(dāng)這個雙字的數(shù)值為1 024 （210）時，即數(shù)據(jù)的第10位為1，其余31位都為0時，代表按鈕按下，當(dāng)這個雙字的數(shù)值為0時，代表按鈕沒有按下，當(dāng)出現(xiàn)隨機(jī)數(shù)時，只要32位中有任何一位狀態(tài)發(fā)生改變，該信號不等于1 024時，按鈕的信號就不會下發(fā)，減少了設(shè)備誤動作的概率。但畫面按鈕數(shù)量較多，如要全部改為這種模式，工作量較大。目前，新添加的按鈕命令按這個原則進(jìn)行設(shè)計。

4.1.2 畫面命令的初始值設(shè)置

將畫面數(shù)據(jù)，通過刷新初始值的方式避免設(shè)備誤動作。將畫面中模擬量設(shè)定數(shù)據(jù)刷新為初始設(shè)定值，將BOOL型數(shù)據(jù)刷新為0，通過畫面軟件的腳本進(jìn)行設(shè)置，也可以通過在控制器中編寫邏輯，進(jìn)行初始化賦值操作。

4.1.3 畫面服務(wù)器正常運(yùn)行判定

增加對畫面服務(wù)器重啟后運(yùn)行正常的判斷邏輯，畫面服務(wù)器重啟正常后，再進(jìn)行內(nèi)存映像網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊。其中，需要利用服務(wù)器組態(tài)軟件的腳本編程功能進(jìn)行自身運(yùn)行正常的判斷，如果服務(wù)器運(yùn)行信號異常，控制器不接收服務(wù)器數(shù)據(jù)，僅將原存儲數(shù)據(jù)發(fā)布到內(nèi)存映像網(wǎng)，在收到服務(wù)器正常運(yùn)行信號后，再與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

具體實(shí)施：在GE組態(tài)軟件Proficy HMI SCADACIMPLICITY 8.2中，利用軟件的Event Editor和Scripts功能設(shè)計內(nèi)部心跳信號，將該信號發(fā)布到內(nèi)存映像網(wǎng)上，供控制器進(jìn)行邏輯判斷。利用Event Editor，對腳本程序進(jìn)行周期性調(diào)用。這樣，L1服務(wù)器正常運(yùn)行后，一個周期性的脈沖信號寫入內(nèi)存映像網(wǎng)，供其他控制器進(jìn)行接收數(shù)據(jù)的邏輯判定。

4.2 控制器改進(jìn)措施

4.2.1 初始化邏輯

在控制器上電后，第一次掃描時，根據(jù)工藝需要，將相關(guān)的設(shè)定命令和數(shù)據(jù)進(jìn)行清零或初始值設(shè)定，并寫至內(nèi)存映像網(wǎng)，消除隨機(jī)數(shù)并更新內(nèi)存映像網(wǎng)的數(shù)據(jù)區(qū)。

4.2.2 記憶和反寫邏輯

當(dāng)服務(wù)器、控制器運(yùn)行正常，內(nèi)存映像網(wǎng)數(shù)據(jù)正常時，控制器周期性將畫面服務(wù)器下發(fā)的數(shù)據(jù)記錄在可保持程序存儲區(qū)，當(dāng)畫面服務(wù)器或控制器不正?；謴?fù)運(yùn)行時，控制器將記憶的好數(shù)據(jù)反寫至內(nèi)存映像網(wǎng)，更新數(shù)據(jù)區(qū)。

4.2.3 消除程序無頭數(shù)據(jù)

程序中有些數(shù)據(jù)從內(nèi)存映像網(wǎng)讀取，但沒有數(shù)據(jù)源寫入該數(shù)據(jù)區(qū)，屬于無頭數(shù)據(jù)，但參與了程序的聯(lián)鎖控制，在控制器重啟后，該數(shù)據(jù)為隨機(jī)數(shù)，隨機(jī)值可能將導(dǎo)致設(shè)備聯(lián)鎖動作，不能正常運(yùn)行。針對這種情況，對軋線上各控制器程序中與此相關(guān)的邏輯進(jìn)行一一梳理，進(jìn)行邏輯封鎖或賦初始值，消除這些程序隱患。

4.2.4 內(nèi)存映像網(wǎng)在線診斷

增加光纖內(nèi)存映像網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的診斷邏輯，可以通過對控制器的心跳跳動來判定網(wǎng)絡(luò)上各個節(jié)點(diǎn)是否通訊正常，由此來監(jiān)視整個內(nèi)存映像網(wǎng)的數(shù)據(jù)通訊是否正常。

5 結(jié)語

在熱連軋廠大中修期間，對軋線的3套服務(wù)器項目和內(nèi)存映像網(wǎng)相關(guān)的25臺控制器進(jìn)行修改測試，在檢修期間一次投用成功。目前，修改后的程序已運(yùn)行5個多月，消除了由于隨機(jī)數(shù)的問題導(dǎo)致的設(shè)備誤動作、系統(tǒng)急停，甚至加熱爐停爐等重大事故隱患，不僅有效提高了設(shè)備保障率和生產(chǎn)效率，滿足了企業(yè)自動化連續(xù)生產(chǎn)的要求，還為產(chǎn)品新規(guī)格的拓寬提供保障。

［1］周珍妮，胡昌宗.濟(jì)鋼1 700 mm熱軋帶鋼廠技術(shù)改造［J］.軋鋼，2013，30（4）：32-35．

［2］趙文承，王慶山，吳中梁，等.GE FANUC的RX71在濟(jì)鋼1700的應(yīng)用［C］//中國金屬學(xué)會.薄板坯連鑄連軋技術(shù)交流與開發(fā)協(xié)會第四次技術(shù)交流會論文集.馬鞍山：中國工程院產(chǎn)業(yè)工程科技委員會出版社，2006：526-531.

［3］李立君，邢建輝，劉志軍，等.光纖內(nèi)存映像網(wǎng)在熱軋帶鋼控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2012，29（1）：83-85．

Solution of the Random Number in the Reflective Memory Network

LI Qian

（The Automation Department of Jinan Branch Company of Shandong Iron and Steel Co.,Ltd.,Jinan 250101,China）

To solve the impact on equipment generated by random number of the automation system of Jinan Iron and steel 1 700 hot strip production line,3 sets project of L1 servers and 25 sets program of controller related with the reflective memory network were modified and tested.Some improvement measures were taken in server:changing the layout of the picture command,setting up the initial value of the picture command,adding the judge logic of the normal operation of the server,and some measures were taken in controllers:adding the initialization logic,memory and re-writing logic,eliminating headless data of the program.These measures were applied into the automation system during the period of big and middle maintenance.And the automation system is running well.Some hidden dangers caused by the random number were eliminated,that included:the misoperation of equipment,the emergency stop of the control system, the shut down of the heating furnace.And the security of the equipment and the production efficiency was improved effectively.

hot strip mill line;optical fiber;reflective memory network;share;random number

TP274

A

1004-4620（2015）03-0051-03

2015-04-10

李倩，女，1973年生，1996年畢業(yè)于安徽工業(yè)大學(xué)工業(yè)電氣自動化專業(yè)。現(xiàn)為濟(jì)鋼自動化部傳動事業(yè)部高級工程師，從事煉鋼、軋鋼電氣自動化控制工作。