光纖內存映像網的隨機數處理

李倩

（山鋼股份濟南分公司自動化公司，山東濟南 250101）

信息化建設

光纖內存映像網的隨機數處理

李倩

（山鋼股份濟南分公司自動化公司，山東濟南 250101）

為解決濟鋼1700熱連軋產線自動化系統中光纖內存映像網產生的隨機數對設備的影響，對軋線的3套一級服務器和內存映像網相關的25臺控制器程序進行修改測試，服務器采用更改畫面命令的編排方式、設置畫面命令的初始值、增加服務器正常運行的判定等改進措施，控制器采用初始化邏輯、記憶和反寫邏輯、消除程序無頭數據等改進措施。程序在檢修期間一次投用成功，運行狀況良好，消除了因為隨機數的問題導致的設備誤動作、系統急停、停爐等隱患，提高了設備保障率和生產效率。

熱軋線；光纖；內存映像網；共享；隨機數

1 前言

濟鋼1 700 mm熱連軋線于2006年3月正式投產，其工藝設備先進、自動化程度高。2012年，為了穩定生產2.5 mm以下的薄板，對熱軋產線進行改造，新增熱卷箱、新增F0精軋機，對粗軋機及精軋機組下階梯、精軋機組彎輥與竄輥裝置、精軋機架冷卻水、層流冷卻系統及全線自動化系統等進行了改造。改造完成后，可穩定生產厚度1.5～1.8 mm的產品，拓寬了產品規格，且薄規格產品的比例較原來有所提升，能適應將來后續冷軋線對原料的需求［1］。

自動化系統升級改造中，全線HMI操作畫面所有設備點的地址全部重新進行編制，由原來的以太網方式改為光纖內存映像網方式。系統改造初期，自動化系統運行不順暢，其中的一個主要問題是一些無源數據在設備上電時由內存隨機產生，這些數據直接輸出或參與程序連鎖，導致設備誤動作，且故障難以查找，制約了生產的穩定運行。

2014年9月下旬，經過對系統隨機數的反復測試和驗證，確立了自動化系統的改進方案，并在10月的大中修期間，對軋線的25臺控制器和3臺一級服務器進行修改測試，一次上線成功。

2 系統架構

濟鋼1700熱軋產線自動化控制系統由兩級網絡組成，一級為基礎自動化級（L1），二級為過程控制級（L2）。

2.1 基礎自動化

基礎自動化完成各種數據的收集、設備順序控制、閉環控制及根據需要的位置控制、定位控制、寬度控制、厚度自動控制和故障報警等。

基礎自動化系統的配置由3層通訊網絡構成：第1層為工業現場總線Profibus DP網，主要負責完成各區域控制器與主、輔傳動設備以及遠程站的通信任務；第2層為光纖內存映象網，這是整個自動化系統主干網，負責完成各功能控制器之間的高速的通訊任務；第3層是基于TCP/IP協議的工業以太網，負責完成輔助系統控制器之間、HMI客戶端與HMI服務器之間、部分儀表與控制器間的通信任務。

基礎自動化根據連軋線工藝特點及設備分布分為加熱爐區、粗軋區、精軋區和卷取區四個區域，基礎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以太網通訊。

L1 HMI系統采用服務器－客戶機結構，所有應用程序及數據的維護與更新均在服務器上完成。服務器安裝內存映像網卡和以太網卡。內存映像網卡負責服務器與機架控制器之間的通訊，以太網卡負責服務器與客戶機之間的通訊。

PDA機器安裝內存映像網卡和以太網卡。內存映像網卡負責PDA服務器與機架控制器的通訊，以太網卡負責PDA服務器與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小型機組成cluster集群系統，采用磁盤陣列構成RAID實現數據冗余，1臺小型機在線控制，1臺小型機離線備用。離線備用計算機可實現進行過程控制軟件開發，小型機采用OPENVMS操作系統、DEC TCP/IP通訊協議包、Oracle數據庫及C++編輯器。

過程控制的主要功能包括：生產計劃和原始數據處理、軋件全線跟蹤、設定值計算和處理、事件監視處理、報表自動生產、歷史數據尋蹤、模擬軋鋼等。

2.3 熱連軋線的內存映像網

熱連軋系統的內存映像網是一種基于環狀的、高速復制的共享內存網絡［3］。所有掛在同一內存映像網上的計算機或機架控制器均有一塊共享內存空間（約64 M），并且統一編址，當其中的任何一個節點向其共享內存中寫入數據時，其他在線節點的共享內存區域中的相應的地址中都會寫入相同的內容。它具有實時高速的特點，最大通訊速率可達2 Gb/s，各站數據刷新時間＜1 ms。

2.3.1 系統構成

整個反射內存映像網由27臺PAC控制器，2臺L2服務器，2臺PDA，3臺L1級HMI畫面服務器組成。其中，PAC系統的CPU模板為PAC300或PAC700，控制器機架上安裝內存映像卡；服務器和PDA主機箱安裝PCI5565板卡，各個節點通過光纖接入內存映像網交換機，形成整個內存映像網絡。

2.3.2 通訊分類

整個反射內存網的通訊可分為五大類：L1←→L1用于L1內部的快速數據交互；L2→L1用于將L2設定數據發送到L1；L1→L2用于將L1實際數據發送到L2；L1級控制器與PDA通訊；L1級控制器與HMI畫面服務器通訊。

2.3.3 通訊組態

PAC CPU模板與反射內存的數據交互在PAC中進行硬件配置，并通過BusRead和BusWrite函數完成；PAC機架上的嵌入式控制器PowerPC A12或A15，先用功能塊編程方式經VME機架底板總線與PAC控制器完成數據交換，然后由PAC通過內存映像網完成與其他控制器和L2計算機間的數據通訊。

L2與L1之間的通訊需要通過類似于電文的方式，其具體通訊規約為：1）發送方先寫消息體，寫消息體前將標志位置為0，防止接收方讀取。在消息體寫完之后，再將標志字段置為1；2）接收方掃描標志字段，一旦發現標志字段為1，則開始讀取消息體內容，讀完之后將標志字段置為0。對于PAC CPU模板來說，編程人員通過BusRead和BusWrite函數再組合上適當的電文邏輯來實現。

L1 HMI與內存映像網數據交互是通過配置地址的變量直接讀取的。在服務器項目中的RFMModelConfig配置工具，進行變量的前綴、所屬數據區起始地址、域長度等的設置；然后在項目的Points中建立新變量，進行變量的屬性設置，包括內存映像網地址、注釋等。

PDA系統根據PAC控制器或POWER PC側相關信號的配置，如起始地址、偏移地址、數據類型等，進行通道的配置和讀取。

3 問題分析

3.1 隨機數現象

通過現場觀察和搭建實驗平臺反復測試，發現內存映像網卡重新上電后，內存區出現隨機數，有些數據區，因數據沒有被刷新，故保留上電時的隨機數；有些數據區，上電瞬間是隨機數，但接著被新數據刷新了，觀察不到隨機數。

在內存映像網上，交互的數據流向可分為讀入和寫出兩種，對于網絡上某個節點自身而言，從內存網絡上讀取的數據，為有源數據；對于該節點作為數據源，寫入內存網的數據，在自身停電后，該數據區成為內存映像網絡上的無源數據，沒有數據源，該數據區保留原數據不變；在該節點上電瞬間，寫出數據區為隨機數，如果該節點通過自身運算更新該數據區，將隨機數更新為“好”數據，并寫入網，則內存映像網的該內存區數據正常。

對于二級服務器，其讀、寫網的數據為有源數據，即使上電瞬間內存區出現隨機數，接著也被自身運算數據或其他數據源刷新了；對于PDA系統，為接收數據方，即使上電瞬間其內存區出現隨機數，接著也要被控制器的數據所刷新。

3.2 L1服務器

當L1服務器重啟運行后，服務器作為數據源，寫網的數據為隨機數，由于相關的軟件機制，該數據區并沒有寫入內存映像網，對于接收數據的控制器而言，這部分數據仍保留原“好”數據，服務器側的“壞”數僅停留在畫面上，但不會導致設備誤動作，操作人員從HMI畫面上將觀察到一些設定值和命令成為了隨機數；對于L1服務器從網絡讀取的數據依然正常，因為其他數據源節點執行著寫網邏輯，刷新了該區域，操作人員會觀察到畫面上有些狀態量依然保持正常。

3.3 控制器

對于PAC控制器，恢復上電瞬間，其內存映像網數據區為隨機數，對于其寫網數據區，控制器程序運行后將刷新該區，數據將變為“好”數據；對于控制器的讀網數據區，如果沒有數據源進行寫網操作，那么該區仍保留隨機數。如L1服務器下發的數據，操作人員不進行操作，無人寫網更新數據，則控制器在上電后，服務器下發的數據仍為隨機數。

L1服務器寫網數據分為開關量命令和模擬量設定值2種。開關量命令是通過畫面的按鈕操作實現的，模擬量設定是通過畫面上的IO域進行設定的。畫面按鈕下發命令的數據編排方式，將一個雙字的32個位的“0-1”狀態，代表32個按鈕信號的“按下-抬起”操作狀態，當控制器斷電重啟后，控制器的光纖內存映像網卡上的存儲區產生隨機數，這些位的狀態非0即1，導致產生誤動作的概率大。

畫面中下發給控制器的模擬量設定數據，在控制器斷電重啟后，控制器內存映像網區的該設定值將變成隨機數，這些數據如果是閥門開度設定等變量，在某些邏輯下，可能導致設備誤動作。

4 優化改進措施

4.1 服務器改進措施

4.1.1 畫面命令的編排方式

將按鈕命令的編排方式進行更改，原來通訊數據的每1位代表1個信號的狀態，1個雙字數據就代表了32個信號的狀態，這樣，每位信號因為隨機數出錯的機率就有50%（1或者0）；如果將該信號通過一個雙字數據來傳輸，如當這個雙字的數值為1 024 （210）時，即數據的第10位為1，其余31位都為0時，代表按鈕按下，當這個雙字的數值為0時，代表按鈕沒有按下，當出現隨機數時，只要32位中有任何一位狀態發生改變，該信號不等于1 024時，按鈕的信號就不會下發，減少了設備誤動作的概率。但畫面按鈕數量較多，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行設計。

4.1.2 畫面命令的初始值設置

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

4.1.3 畫面服務器正常運行判定

增加對畫面服務器重啟后運行正常的判斷邏輯，畫面服務器重啟正常后，再進行內存映像網數據通訊。其中，需要利用服務器組態軟件的腳本編程功能進行自身運行正常的判斷，如果服務器運行信號異常，控制器不接收服務器數據，僅將原存儲數據發布到內存映像網，在收到服務器正常運行信號后，再與服務器進行數據通訊。

具體實施：在GE組態軟件Proficy HMI SCADACIMPLICITY 8.2中，利用軟件的Event Editor和Scripts功能設計內部心跳信號，將該信號發布到內存映像網上，供控制器進行邏輯判斷。利用Event Editor，對腳本程序進行周期性調用。這樣，L1服務器正常運行后，一個周期性的脈沖信號寫入內存映像網，供其他控制器進行接收數據的邏輯判定。

4.2 控制器改進措施

4.2.1 初始化邏輯

在控制器上電后，第一次掃描時，根據工藝需要，將相關的設定命令和數據進行清零或初始值設定，并寫至內存映像網，消除隨機數并更新內存映像網的數據區。

4.2.2 記憶和反寫邏輯

當服務器、控制器運行正常，內存映像網數據正常時，控制器周期性將畫面服務器下發的數據記錄在可保持程序存儲區，當畫面服務器或控制器不正常恢復運行時，控制器將記憶的好數據反寫至內存映像網，更新數據區。

4.2.3 消除程序無頭數據

程序中有些數據從內存映像網讀取，但沒有數據源寫入該數據區，屬于無頭數據，但參與了程序的聯鎖控制，在控制器重啟后，該數據為隨機數，隨機值可能將導致設備聯鎖動作，不能正常運行。針對這種情況，對軋線上各控制器程序中與此相關的邏輯進行一一梳理，進行邏輯封鎖或賦初始值，消除這些程序隱患。

4.2.4 內存映像網在線診斷

增加光纖內存映像網各節點的診斷邏輯，可以通過對控制器的心跳跳動來判定網絡上各個節點是否通訊正常，由此來監視整個內存映像網的數據通訊是否正常。

5 結語

在熱連軋廠大中修期間，對軋線的3套服務器項目和內存映像網相關的25臺控制器進行修改測試，在檢修期間一次投用成功。目前，修改后的程序已運行5個多月，消除了由于隨機數的問題導致的設備誤動作、系統急停，甚至加熱爐停爐等重大事故隱患，不僅有效提高了設備保障率和生產效率，滿足了企業自動化連續生產的要求，還為產品新規格的拓寬提供保障。

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

［2］趙文承，王慶山，吳中梁，等.GE FANUC的RX71在濟鋼1700的應用［C］//中國金屬學會.薄板坯連鑄連軋技術交流與開發協會第四次技術交流會論文集.馬鞍山：中國工程院產業工程科技委員會出版社，2006：526-531.

［3］李立君，邢建輝，劉志軍，等.光纖內存映像網在熱軋帶鋼控制系統中的應用［J］.邢臺職業技術學院學報，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年畢業于安徽工業大學工業電氣自動化專業。現為濟鋼自動化部傳動事業部高級工程師，從事煉鋼、軋鋼電氣自動化控制工作。