光纖內存映像網在熱軋控制系統中的應用

石曉磊　張勇

摘要：光纖內存映像網是工業現場控制中常見的通訊網絡，在現場控制中發揮著重要的作用。文章介紹了光纖內存映像網的工作原理和網絡拓撲結構及其優缺點，并通過分析光纖內存映像網在現場控制中經常出現的故障現象，總結了現場常見的故障原因及相應的處理方法。

關鍵詞：網絡拓撲結構；光纖；熱軋控制系統；工業現場控制；內存映像網 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG335 文章編號：1009-2374（2016）12-0053-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.12.025

1 概述

工業現場常用的通訊傳輸網絡主要分為三種形式，分別為以太網、Profibus DP網和光纖內存映像網。光纖內存映像網又叫反射內存網，它具有嚴格的傳輸確定性和可預測性，主機負載輕、軟硬件兼容性強、易于使用，具有可靠的傳輸糾錯能力、支持中斷信號傳輸，是一種高速的實時網絡。光纖內存映像網允許計算機采用不同的總線機構和不同的操作系統以確定的速率分享實時的數據。在現場中，光纖內存映像網主要負責控制系統中的網絡通訊。

2 系統介紹

2.1 光纖內存映像網工作原理

組成光纖內存映像網，需要在每臺計算機及PLC系統中插入反射內存卡，這樣計算機和PLC就構成了光纖內存映像網的各個節點。各個節點之間是通過光纖等傳輸介質連接而成。每個節點的反射內存卡的存儲器中都有其他節點的反射內存卡的共享數據的拷貝。每個反射內存卡都占有一段內存地址，網上任何計算機或PLC向本地反射內存卡寫數據時，該數據和對應內存地址被廣播到網內所有其他節點的反射內存卡上，并存儲在相同的位置。所以網絡中有節點將數據寫入其本地反射內存卡后的極短時間內，網上所有其他節點都可以訪問這個新數據。反射內存卡可以插在多種總線的主板上，如PCI、Compact PCI/PXI、VME等。而且，反射內存卡使用簡單的讀寫方式，反射內存網上的數據傳輸是純硬件操作，不需要考慮網絡的通信協議，只需要幾行代碼就可完成對反射內存卡的讀、寫操作。因此它與以太網等其他傳統網絡相比具有更低的數據傳輸延遲、更快的傳輸速度、更簡單靈活的使用操作，可以滿足實時系統快速反應周期的要求，而采用其他網絡就很難滿足這種要求。

2.2 光纖內存映像網的網絡拓撲結構

光纖內存映像網拓撲結構主要分為環形及星形兩種。

環形結構組網，下面以三個節點為例，簡單說明環形結構組網過程。三個節點需要三塊VMI5565內存映像網卡及3根單股光纖。首先將三塊卡進行統一編址，分別為節點1、節點2、節點3，并將其插入到對應的計算機中。將節點1的內存映像網卡的RX端與節點2的內存映像網卡的TX端連接，同時將節點2的RX端與T節點3的TX端連接、節點3的RX與節點1的TX連接。

星型實時網絡由一個實時網絡HUB（即5595交換機）和VMI5565內存映像網卡組成。安裝了VMI5565的計算機通過光纖連接在5595交換機上。以三個節點為例：

環形拓撲：（1）必須將所有的節點計算機全部打開才能進行通訊；（2）與星形拓撲結構相比，相同節點數節省一半光纖。

星形拓撲：（1）只要打開需用的節點的計算機并給HUB加電即可，工作穩定、可靠；（2）與環形拓撲結構對比，增加了實時網絡HUB。相同節點數，需要的光纖也增加了一倍，增加了成本。

3 現場應用

軋線光纖內存映像網拓撲結構采用環形，按照布局位置分為加熱、粗軋、精軋、卷取四個區域。按設備分為PLC系統、二級ALPHA機、PDA主機三種。其中以PLC系統數量最多，總計34塊，采用VMIVME565光纖內存映像網卡進行架構。在組成的各類設備中，采用環形拓撲結構，首尾相連，將加熱、粗軋、精軋、卷取四個區域內的PLC系統及二級ALPHA主機、PDA主機連接形成環網，其中PDA采用Window XP系統，PLC系統采用GE公司的ME軟件進行編程，二級ALPHA機采用Open VMS系統，網絡拓撲結構如圖3所示，本文介紹主要以PLC系統為主。可將1580mm熱軋線內存映像網拓撲機構化為簡圖，如圖3所示：

內存映像網是一種基于環狀的、高速復制的共享內存網絡。同一內存映像網內的計算機均有一定的內存空間被所有的機器共享，并且進行統一的編址，當其中的任何一臺計算機向其共享內存中寫入數據時，其他在線計算機的共享內存區域相應的地址中都會寫入相同的內容。1580mm熱軋控制系統中PLC系統使用美國GE公司的編程軟件ME，利用BUS_RD_WORD和BUS_WRT_WORD命令對網卡進行讀寫VMIVME5565網卡自帶64M內存，按照設定的偏移地址對各項功能進行劃分，如表1所示：

按照表1所示的分配地址，各一級中PLC系統及二級中ALPHA主機按照地址將數據寫入對應的內存，再利用光纖內存映像網進行數據傳輸。

4 故障分析及處理

自軋線投產以來，光纖內存映像網各個節點皆出現過問題，由于光纖內存映像網要求實時傳輸數據且直接參與控制，一旦網絡傳輸出現問題，會直接影響現場生產，常見的故障點以二級ALPHA機、PDA主機及光纖接頭為主。以下是比較典型的故障以及對應的故障處理方法。

投產初期，由于軋線設計階段對二級服務器能力設計不足，二級ALPHA主機死機頻繁，軋線服務器內存映像網卡讀寫內容過多負擔太重，特別是精軋和層流數據接收量較大，同時軋線接收事件較多使網卡讀寫頻繁，容易引起一、二級內存映像環網失去響應，并造成服務器死機。在之后的改造過程中，增加一臺通訊服務器，負責二級向一級的粗軋、精軋設定接收和軋線服務器SCC2事件接收，與SCC2通過MQ中間件進行以太網通訊，以減輕SCC2內存映像網卡的讀寫負擔，改造后效果明顯。

在PLC系統及PDA主機出現故障時，由于系統本身無法報警，對于故障判斷存在一定的難度，在此結合本產線設備對故障分析總結出一些方法。PLC系統及PDA主機均通過5595交換機進行連接，在出現故障后，可以通過簡單的目視法對各個PLC系統的網卡指示燈及交換機指示燈進行判斷，流程如圖4所示：

在無明顯故障指示燈出現的情況下，結合本產線特點，可以采用區域隔離法→功能隔離法→交換機隔離法的順序，目的為通過光纖內存映像網拓撲圖中的硬件接入位置以區域、交換機的方式逐漸縮小故障點排查范圍，最終鎖定故障點。此外，由于整個網絡通訊采用光纖作為傳輸介質，因此光纖鋪設及維護存在兩點注意事項：一是確保光纖跳線在鋪設路徑上對折角度不能超過90度，拉力不能超過12.15公斤；二是VME5595交換機內光纖位置不得隨意更換。通過多次故障排查，發現在光纖內存映像網中，PDA主機由于只用于接收數據，而無需發送數據。因此，在整個網絡拓撲結構里，可將PDA主機網卡光纖只插入接收端，不插入發射端，這樣一來，可以有效避免由于PDA主機軟件及硬件故障導致的環網數據堵塞，同時也減少了光纖內存映像網中的故障點。

5 結語

在現代化工業生產中，要求生產線具有連續、快速、實時、精確的軋制能力。對軋鋼控制系統的要求是具有高速控制、快速通訊、長期穩定的能力，這樣才能完成現場高精度的控制任務，光纖內存映像網能夠滿足此要求。控制系統采用了美國GE產品，在穩定性和可靠性上有了保障。本文中提出的故障排查方法及經驗，在現場的事故處理中提供了堅實的技術保障，為熱軋生產線的穩定運行帶來了可觀的經濟效益。

參考文獻

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作者簡介：石曉磊（1983-），女，遼寧遼陽人，營口理工學院實驗師，碩士，研究方向：網絡通信系統的控制與決策；張勇（1985-），男，遼寧鞍山人，鞍鋼股份鲅魚圈鋼鐵分公司工程師，研究方向：復雜工業過程的建模、控制與優化。

（責任編輯：蔣建華）