光纤内存映像网的随机数处理

李倩

（山钢股份济南分公司自动化公司，山东济南 250101）

信息化建设

光纤内存映像网的随机数处理

李倩

（山钢股份济南分公司自动化公司，山东济南 250101）

为解决济钢1700热连轧产线自动化系统中光纤内存映像网产生的随机数对设备的影响，对轧线的3套一级服务器和内存映像网相关的25台控制器程序进行修改测试，服务器采用更改画面命令的编排方式、设置画面命令的初始值、增加服务器正常运行的判定等改进措施，控制器采用初始化逻辑、记忆和反写逻辑、消除程序无头数据等改进措施。程序在检修期间一次投用成功，运行状况良好，消除了因为随机数的问题导致的设备误动作、系统急停、停炉等隐患，提高了设备保障率和生产效率。

热轧线；光纤；内存映像网；共享；随机数

1 前言

济钢1 700 mm热连轧线于2006年3月正式投产，其工艺设备先进、自动化程度高。2012年，为了稳定生产2.5 mm以下的薄板，对热轧产线进行改造，新增热卷箱、新增F0精轧机，对粗轧机及精轧机组下阶梯、精轧机组弯辊与窜辊装置、精轧机架冷却水、层流冷却系统及全线自动化系统等进行了改造。改造完成后，可稳定生产厚度1.5～1.8 mm的产品，拓宽了产品规格，且薄规格产品的比例较原来有所提升，能适应将来后续冷轧线对原料的需求［1］。

自动化系统升级改造中，全线HMI操作画面所有设备点的地址全部重新进行编制，由原来的以太网方式改为光纤内存映像网方式。系统改造初期，自动化系统运行不顺畅，其中的一个主要问题是一些无源数据在设备上电时由内存随机产生，这些数据直接输出或参与程序连锁，导致设备误动作，且故障难以查找，制约了生产的稳定运行。

2014年9月下旬，经过对系统随机数的反复测试和验证，确立了自动化系统的改进方案，并在10月的大中修期间，对轧线的25台控制器和3台一级服务器进行修改测试，一次上线成功。

2 系统架构

济钢1700热轧产线自动化控制系统由两级网络组成，一级为基础自动化级（L1），二级为过程控制级（L2）。

2.1 基础自动化

基础自动化完成各种数据的收集、设备顺序控制、闭环控制及根据需要的位置控制、定位控制、宽度控制、厚度自动控制和故障报警等。

基础自动化系统的配置由3层通讯网络构成：第1层为工业现场总线Profibus DP网，主要负责完成各区域控制器与主、辅传动设备以及远程站的通信任务；第2层为光纤内存映象网，这是整个自动化系统主干网，负责完成各功能控制器之间的高速的通讯任务；第3层是基于TCP/IP协议的工业以太网，负责完成辅助系统控制器之间、HMI客户端与HMI服务器之间、部分仪表与控制器间的通信任务。

基础自动化根据连轧线工艺特点及设备分布分为加热炉区、粗轧区、精轧区和卷取区四个区域，基础自动化级控制器采用GE Fanuc的PAC System-TM RX7i系列作为主控制器，而其中液压控制采用基于德国MEN公司的Power PC CPU板及必要的I/O模块构成的专用液压控制器。公辅冷却水、液压站、润滑站采用GE 90-30系列PLC［2］，这些PLC与主控制器之间采用100 Mb/s以太网通讯。

L1 HMI系统采用服务器－客户机结构，所有应用程序及数据的维护与更新均在服务器上完成。服务器安装内存映像网卡和以太网卡。内存映像网卡负责服务器与机架控制器之间的通讯，以太网卡负责服务器与客户机之间的通讯。

PDA机器安装内存映像网卡和以太网卡。内存映像网卡负责PDA服务器与机架控制器的通讯，以太网卡负责PDA服务器与PDA客户端的通讯。

2.2 过程自动化

过程自动化由2台HP ES45 alpha小型机组成cluster集群系统，采用磁盘阵列构成RAID实现数据冗余，1台小型机在线控制，1台小型机离线备用。离线备用计算机可实现进行过程控制软件开发，小型机采用OPENVMS操作系统、DEC TCP/IP通讯协议包、Oracle数据库及C++编辑器。

过程控制的主要功能包括：生产计划和原始数据处理、轧件全线跟踪、设定值计算和处理、事件监视处理、报表自动生产、历史数据寻踪、模拟轧钢等。

2.3 热连轧线的内存映像网

热连轧系统的内存映像网是一种基于环状的、高速复制的共享内存网络［3］。所有挂在同一内存映像网上的计算机或机架控制器均有一块共享内存空间（约64 M），并且统一编址，当其中的任何一个节点向其共享内存中写入数据时，其他在线节点的共享内存区域中的相应的地址中都会写入相同的内容。它具有实时高速的特点，最大通讯速率可达2 Gb/s，各站数据刷新时间＜1 ms。

2.3.1 系统构成

整个反射内存映像网由27台PAC控制器，2台L2服务器，2台PDA，3台L1级HMI画面服务器组成。其中，PAC系统的CPU模板为PAC300或PAC700，控制器机架上安装内存映像卡；服务器和PDA主机箱安装PCI5565板卡，各个节点通过光纤接入内存映像网交换机，形成整个内存映像网络。

2.3.2 通讯分类

整个反射内存网的通讯可分为五大类：L1←→L1用于L1内部的快速数据交互；L2→L1用于将L2设定数据发送到L1；L1→L2用于将L1实际数据发送到L2；L1级控制器与PDA通讯；L1级控制器与HMI画面服务器通讯。

2.3.3 通讯组态

PAC CPU模板与反射内存的数据交互在PAC中进行硬件配置，并通过BusRead和BusWrite函数完成；PAC机架上的嵌入式控制器PowerPC A12或A15，先用功能块编程方式经VME机架底板总线与PAC控制器完成数据交换，然后由PAC通过内存映像网完成与其他控制器和L2计算机间的数据通讯。

L2与L1之间的通讯需要通过类似于电文的方式，其具体通讯规约为：1）发送方先写消息体，写消息体前将标志位置为0，防止接收方读取。在消息体写完之后，再将标志字段置为1；2）接收方扫描标志字段，一旦发现标志字段为1，则开始读取消息体内容，读完之后将标志字段置为0。对于PAC CPU模板来说，编程人员通过BusRead和BusWrite函数再组合上适当的电文逻辑来实现。

L1 HMI与内存映像网数据交互是通过配置地址的变量直接读取的。在服务器项目中的RFMModelConfig配置工具，进行变量的前缀、所属数据区起始地址、域长度等的设置；然后在项目的Points中建立新变量，进行变量的属性设置，包括内存映像网地址、注释等。

PDA系统根据PAC控制器或POWER PC侧相关信号的配置，如起始地址、偏移地址、数据类型等，进行通道的配置和读取。

3 问题分析

3.1 随机数现象

通过现场观察和搭建实验平台反复测试，发现内存映像网卡重新上电后，内存区出现随机数，有些数据区，因数据没有被刷新，故保留上电时的随机数；有些数据区，上电瞬间是随机数，但接着被新数据刷新了，观察不到随机数。

在内存映像网上，交互的数据流向可分为读入和写出两种，对于网络上某个节点自身而言，从内存网络上读取的数据，为有源数据；对于该节点作为数据源，写入内存网的数据，在自身停电后，该数据区成为内存映像网络上的无源数据，没有数据源，该数据区保留原数据不变；在该节点上电瞬间，写出数据区为随机数，如果该节点通过自身运算更新该数据区，将随机数更新为“好”数据，并写入网，则内存映像网的该内存区数据正常。

对于二级服务器，其读、写网的数据为有源数据，即使上电瞬间内存区出现随机数，接着也被自身运算数据或其他数据源刷新了；对于PDA系统，为接收数据方，即使上电瞬间其内存区出现随机数，接着也要被控制器的数据所刷新。

3.2 L1服务器

当L1服务器重启运行后，服务器作为数据源，写网的数据为随机数，由于相关的软件机制，该数据区并没有写入内存映像网，对于接收数据的控制器而言，这部分数据仍保留原“好”数据，服务器侧的“坏”数仅停留在画面上，但不会导致设备误动作，操作人员从HMI画面上将观察到一些设定值和命令成为了随机数；对于L1服务器从网络读取的数据依然正常，因为其他数据源节点执行着写网逻辑，刷新了该区域，操作人员会观察到画面上有些状态量依然保持正常。

3.3 控制器

对于PAC控制器，恢复上电瞬间，其内存映像网数据区为随机数，对于其写网数据区，控制器程序运行后将刷新该区，数据将变为“好”数据；对于控制器的读网数据区，如果没有数据源进行写网操作，那么该区仍保留随机数。如L1服务器下发的数据，操作人员不进行操作，无人写网更新数据，则控制器在上电后，服务器下发的数据仍为随机数。

L1服务器写网数据分为开关量命令和模拟量设定值2种。开关量命令是通过画面的按钮操作实现的，模拟量设定是通过画面上的IO域进行设定的。画面按钮下发命令的数据编排方式，将一个双字的32个位的“0-1”状态，代表32个按钮信号的“按下-抬起”操作状态，当控制器断电重启后，控制器的光纤内存映像网卡上的存储区产生随机数，这些位的状态非0即1，导致产生误动作的概率大。

画面中下发给控制器的模拟量设定数据，在控制器断电重启后，控制器内存映像网区的该设定值将变成随机数，这些数据如果是阀门开度设定等变量，在某些逻辑下，可能导致设备误动作。

4 优化改进措施

4.1 服务器改进措施

4.1.1 画面命令的编排方式

将按钮命令的编排方式进行更改，原来通讯数据的每1位代表1个信号的状态，1个双字数据就代表了32个信号的状态，这样，每位信号因为随机数出错的机率就有50%（1或者0）；如果将该信号通过一个双字数据来传输，如当这个双字的数值为1 024 （210）时，即数据的第10位为1，其余31位都为0时，代表按钮按下，当这个双字的数值为0时，代表按钮没有按下，当出现随机数时，只要32位中有任何一位状态发生改变，该信号不等于1 024时，按钮的信号就不会下发，减少了设备误动作的概率。但画面按钮数量较多，如要全部改为这种模式，工作量较大。目前，新添加的按钮命令按这个原则进行设计。

4.1.2 画面命令的初始值设置

将画面数据，通过刷新初始值的方式避免设备误动作。将画面中模拟量设定数据刷新为初始设定值，将BOOL型数据刷新为0，通过画面软件的脚本进行设置，也可以通过在控制器中编写逻辑，进行初始化赋值操作。

4.1.3 画面服务器正常运行判定

增加对画面服务器重启后运行正常的判断逻辑，画面服务器重启正常后，再进行内存映像网数据通讯。其中，需要利用服务器组态软件的脚本编程功能进行自身运行正常的判断，如果服务器运行信号异常，控制器不接收服务器数据，仅将原存储数据发布到内存映像网，在收到服务器正常运行信号后，再与服务器进行数据通讯。

具体实施：在GE组态软件Proficy HMI SCADACIMPLICITY 8.2中，利用软件的Event Editor和Scripts功能设计内部心跳信号，将该信号发布到内存映像网上，供控制器进行逻辑判断。利用Event Editor，对脚本程序进行周期性调用。这样，L1服务器正常运行后，一个周期性的脉冲信号写入内存映像网，供其他控制器进行接收数据的逻辑判定。

4.2 控制器改进措施

4.2.1 初始化逻辑

在控制器上电后，第一次扫描时，根据工艺需要，将相关的设定命令和数据进行清零或初始值设定，并写至内存映像网，消除随机数并更新内存映像网的数据区。

4.2.2 记忆和反写逻辑

当服务器、控制器运行正常，内存映像网数据正常时，控制器周期性将画面服务器下发的数据记录在可保持程序存储区，当画面服务器或控制器不正常恢复运行时，控制器将记忆的好数据反写至内存映像网，更新数据区。

4.2.3 消除程序无头数据

程序中有些数据从内存映像网读取，但没有数据源写入该数据区，属于无头数据，但参与了程序的联锁控制，在控制器重启后，该数据为随机数，随机值可能将导致设备联锁动作，不能正常运行。针对这种情况，对轧线上各控制器程序中与此相关的逻辑进行一一梳理，进行逻辑封锁或赋初始值，消除这些程序隐患。

4.2.4 内存映像网在线诊断

增加光纤内存映像网各节点的诊断逻辑，可以通过对控制器的心跳跳动来判定网络上各个节点是否通讯正常，由此来监视整个内存映像网的数据通讯是否正常。

5 结语

在热连轧厂大中修期间，对轧线的3套服务器项目和内存映像网相关的25台控制器进行修改测试，在检修期间一次投用成功。目前，修改后的程序已运行5个多月，消除了由于随机数的问题导致的设备误动作、系统急停，甚至加热炉停炉等重大事故隐患，不仅有效提高了设备保障率和生产效率，满足了企业自动化连续生产的要求，还为产品新规格的拓宽提供保障。

［1］周珍妮，胡昌宗.济钢1 700 mm热轧带钢厂技术改造［J］.轧钢，2013，30（4）：32-35．

［2］赵文承，王庆山，吴中梁，等.GE FANUC的RX71在济钢1700的应用［C］//中国金属学会.薄板坯连铸连轧技术交流与开发协会第四次技术交流会论文集.马鞍山：中国工程院产业工程科技委员会出版社，2006：526-531.

［3］李立君，邢建辉，刘志军，等.光纤内存映像网在热轧带钢控制系统中的应用［J］.邢台职业技术学院学报，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年毕业于安徽工业大学工业电气自动化专业。现为济钢自动化部传动事业部高级工程师，从事炼钢、轧钢电气自动化控制工作。