崔海濤，王國棟

（東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽，110819）

近年來，我國引進(jìn)了多條中厚板生產(chǎn)線，其控制系統(tǒng)大多采用西門子公司的設(shè)備或者技術(shù)。西門子公司的中厚板生產(chǎn)控制系統(tǒng)的自動化程度高、精度好、運(yùn)行穩(wěn)定，代表了中厚板軋制自動化控制領(lǐng)域的世界先進(jìn)水平。

西門子中厚板軋機(jī)二級控制系統(tǒng)采用多進(jìn)程的架構(gòu)形式，在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出極好的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，非常值得借鑒。本文通過分析西門子中厚板軋機(jī)二級控制系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)思想，結(jié)合國內(nèi)中厚板生產(chǎn)線的自動化控制需求，對東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室原有中厚板軋機(jī)二級控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，擬開發(fā)一個(gè)多進(jìn)程形式的控制系統(tǒng)，使該系統(tǒng)在功能上滿足國內(nèi)中厚板軋機(jī)的控制要求，在穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性方面以期與西門子中厚板軋機(jī)二級控制系統(tǒng)相當(dāng)。

1 西門子中厚板軋機(jī)二級控制系統(tǒng)

西門子中厚板軋機(jī)二級控制系統(tǒng)采用的是多進(jìn)程形式和面向?qū)ο蟮木幊谭绞?。每個(gè)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)不同的功能，各進(jìn)程間的通信、調(diào)度等都是在基于CORBA的二級控制系統(tǒng)平臺上完成的。通過該系統(tǒng)平臺可以方便地添加或刪除進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的伸縮。

該二級控制系統(tǒng)包括30多個(gè)進(jìn)程，進(jìn)程之間相對獨(dú)立。這些進(jìn)程根據(jù)功能大體可以分為3大類型：接口類進(jìn)程、非控制類進(jìn)程和控制類進(jìn)程。這3大類進(jìn)程的關(guān)系如圖1所示。

圖1 西門子軋機(jī)二級控制系統(tǒng)各類進(jìn)程間的關(guān)系Fig.1 Relationship among processes of level two control system for SIEMENS mill

2 改造前實(shí)驗(yàn)室軋機(jī)二級控制系統(tǒng)

由本實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的軋機(jī)二級控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用于國內(nèi)多條中厚板生產(chǎn)線，該軋機(jī)二級控制系統(tǒng)主要由通信和模型兩個(gè)進(jìn)程組成，進(jìn)程間通過消息傳遞事件，通過共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，如圖2所示。這兩個(gè)進(jìn)程皆采用多線程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，每個(gè)線程實(shí)現(xiàn)不同的功能。通信進(jìn)程負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)軋機(jī)二級與基礎(chǔ)自動化、人機(jī)界面等外部通信；模型進(jìn)程負(fù)責(zé)設(shè)定計(jì)算，其中的跟蹤調(diào)度模塊負(fù)責(zé)對通信進(jìn)程傳遞的事件進(jìn)行解析處理，并協(xié)調(diào)其它模塊的運(yùn)行，調(diào)度進(jìn)程中的事件［1－2］。

圖2 軋機(jī)二級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Configuration of level two control system for mill

該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于掌握和維護(hù)，但是在穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性方面與西門子軋機(jī)二級控制系統(tǒng)相比還有一定差距。首先，該系統(tǒng)中任何一個(gè)進(jìn)程出現(xiàn)問題都會導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)功能的喪失；其次，隨著新工藝、新技術(shù)的投入使用，軋機(jī)二級系統(tǒng)的升級改造也越來越頻繁，原有控制系統(tǒng)的架構(gòu)形式很難適應(yīng)這種變化，因此有必要對該系統(tǒng)進(jìn)行改造。

3 改造后的軋機(jī)二級控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

改造后的二級控制系統(tǒng)在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)上借鑒了西門子控制系統(tǒng)，在模型方面繼承了原系統(tǒng)的控制模型。進(jìn)程劃分依據(jù)兩個(gè)原則：①功能惟一，每個(gè)進(jìn)程只實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能；②進(jìn)程之間相對獨(dú)立，這樣既能增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又便于日后升級改造。依據(jù)上述原則，軋機(jī)二級控制系統(tǒng)可劃分為15個(gè)進(jìn)程，進(jìn)程間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 改造后的軋機(jī)二級控制系統(tǒng)各進(jìn)程間的關(guān)系Fig.3 Relationship among processes of level two control system for reformed mill

接口類進(jìn)程有6個(gè)，分別為三級接口進(jìn)程（L3l）、加熱爐二級接口進(jìn)程（FUl）、ACC二級接口進(jìn)程（ACCl）、人機(jī)界面接口進(jìn)程（HMIl）、一級輸入接口進(jìn)程（iL1）、一級輸出接口進(jìn)程（oL1）。

非控制類進(jìn)程有5個(gè)，分別為調(diào)度進(jìn)程（dispatch）、測量值處理進(jìn)程 （meas）、跟蹤進(jìn)程（track）、設(shè)定值發(fā)送進(jìn)程（spt）、數(shù)據(jù)庫讀寫進(jìn)程（dbwriter）。

控制類進(jìn)程有4個(gè)，分別為預(yù)計(jì)算進(jìn)程（precalc）、道次修正進(jìn)程 （recalc）、自學(xué)習(xí) 進(jìn)程 （adapt）、軋制節(jié)奏控制進(jìn)程（mipa）。控制類進(jìn)程用于設(shè)定值計(jì)算，包含了所有的中厚板軋制工藝模型。

3.2 關(guān)鍵問題的解決方法

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)通信

軋機(jī)二級控制系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)與上下游設(shè)備服務(wù)器進(jìn)行通信。以往的過程控制系統(tǒng)一般采用傳統(tǒng)的Socket（套接字）進(jìn)行主機(jī)間通信，本系統(tǒng)采用 ACE Socket［3－4］，通信流程如圖4所示。

圖4 ACE Socket通信流程圖Fig.4 Flow chart of ACE Socket communication

采用ACE進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信具有高效性、可移植性和穩(wěn)定性，在實(shí)際應(yīng)用中可以降低通信時(shí)延，提高通信效率，增強(qiáng)通信穩(wěn)定性［5－7］。此外，采用ACE Socket wrapper facade的“面向?qū)ο蟆痹O(shè)計(jì)，應(yīng)用程序的IPC機(jī)制可以很容易地改變，并且無需更改API參數(shù)，也無需手工修改地址結(jié)構(gòu)和函數(shù)。

3.2.2 系統(tǒng)進(jìn)程間通信

本系統(tǒng)通過共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信。由dispatch進(jìn)程通過 ACE＿M(jìn)alloc［8］模板類創(chuàng)建共享內(nèi)存池，并在共享內(nèi)存池中為每個(gè)進(jìn)程開辟相應(yīng)的數(shù)據(jù)型共享內(nèi)存塊和消息型共享內(nèi)存塊。因此系統(tǒng)中的各個(gè)進(jìn)程就可以通過這兩種共享內(nèi)存塊進(jìn)行通信。

數(shù)據(jù)型共享內(nèi)存塊用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的數(shù)據(jù)共享，由本進(jìn)程寫入，供其它進(jìn)程讀取。以meas進(jìn)程為例，meas進(jìn)程將處理后的實(shí)測數(shù)據(jù)寫入到該進(jìn)程的數(shù)據(jù)型共享內(nèi)存塊中，供precalc等進(jìn)程使用。

消息型共享內(nèi)存塊用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)程觸發(fā)，由其它進(jìn)程寫入觸發(fā)消息，本進(jìn)程讀取并根據(jù)觸發(fā)消息執(zhí)行相應(yīng)功能。

3.2.3 線程間通信

本系統(tǒng)中有些進(jìn)程實(shí)現(xiàn)的功能比較復(fù)雜，需要采用多線程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如HMIl、meas、track等進(jìn)程。ACE提供了一個(gè)用于創(chuàng)建線程的模板類ACE＿Tack〈〉，通過該模板類可以很容易地創(chuàng)建線程，并利用ACE消息隊(duì)列機(jī)制實(shí)現(xiàn)線程間通信。

系統(tǒng)中的進(jìn)程由主調(diào)線程和功能線程組成，采用自定義消息實(shí)現(xiàn)線程間通信。主調(diào)線程負(fù)責(zé)從該進(jìn)程的消息型共享內(nèi)存塊中讀取進(jìn)程觸發(fā)消息，并根據(jù)進(jìn)程消息觸發(fā)相應(yīng)的功能線程，功能線程負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)具體功能。

3.2.4 系統(tǒng)監(jiān)控

本軋機(jī)二級控制系統(tǒng)包含15個(gè)進(jìn)程，并涉及到數(shù)據(jù)庫中各種類型的表。為便于操作人員對軋機(jī)二級系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，特別開發(fā)了軋機(jī)二級系統(tǒng)監(jiān)控軟件。通過該軟件可進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)庫操作。

圖5所示為系統(tǒng)進(jìn)程監(jiān)控界面，通過該界面可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的啟動與關(guān)閉以及進(jìn)程運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖5 軋機(jī)二級系統(tǒng)進(jìn)程監(jiān)控界面Fig.5 Monitoring interface of level two processes for mill

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)改造完成后，在實(shí)驗(yàn)室的過程自動化控制模擬平臺上進(jìn)行測試。測試內(nèi)容包括系統(tǒng)的穩(wěn)定性與響應(yīng)速度、系統(tǒng)通信的準(zhǔn)確性、進(jìn)程間數(shù)據(jù)共享與調(diào)度機(jī)制的可靠性以及系統(tǒng)容錯能力等。

測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。改進(jìn)后的軋機(jī)二級控制系統(tǒng)安裝于軋機(jī)二級服務(wù)器中，PLC充當(dāng)現(xiàn)場的基礎(chǔ)自動化，其發(fā)送的數(shù)據(jù)是從現(xiàn)場采集的實(shí)測數(shù)據(jù)。人機(jī)界面服務(wù)器的配置與現(xiàn)場使用的完全相同，通過人機(jī)界面對軋機(jī)二級控制系統(tǒng)進(jìn)行操作。此外，人機(jī)界面服務(wù)器上還裝有3個(gè)基于TCP／IP協(xié)議的通信進(jìn)程，分別與軋機(jī)二級系統(tǒng)中的L3l、FUl、ACC進(jìn)程通信，用來模擬軋機(jī)二級與加熱爐、軋機(jī)三級以及ACC過程機(jī)之間的通信。

圖6 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 Configuration of test system

經(jīng)過7d的不間斷測試，結(jié)果表明：①改造后的軋機(jī)二級控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)死機(jī)、無響應(yīng)等重大問題；②系統(tǒng)通信準(zhǔn)確可靠，未出現(xiàn)問題；③系統(tǒng)能夠?qū)Ω鞣N觸發(fā)事件迅速準(zhǔn)確地做出響應(yīng)，最長響應(yīng)時(shí)間不超過0.1s。

5 結(jié)論

（1）改造后的軋機(jī)二級控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行穩(wěn)定，響應(yīng)迅速，能夠滿足在線控制要求。通過添加或刪除進(jìn)程的方式可以非常容易地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的伸縮。

（2）采用ACE中間件解決系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵問題，避免了使用復(fù)雜的 Windows API函數(shù)，大大降低了開發(fā)難度，提高了開發(fā)效率。

［1］矯志杰，何純玉，陳波，等.首鋼中厚板軋機(jī)過程控制系統(tǒng)［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，25（5）：412－415.

［2］何純玉，吳迪，王君，等.中厚板軋制過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研制［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，27（2）：173－176.

［3］Huston S D，Johnson J C，Syyid U.ACE程序員指南：網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)編程的實(shí)用設(shè)計(jì)模式［M］.馬維達(dá)，譯.北京：中國電力出版社，2004.

［4］Douglas C S，Stephen D H.C＋＋網(wǎng)絡(luò)編程（第1卷）：運(yùn)用ACE和模式消除復(fù)雜性［M］.於春景，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［5］Schmidt D C.ACE：an object－oriented framework for developing distributed applications［C］／／Proceedings of the 6th USENIX C＋＋ Technical Conference.Cambridge，Massachusetts：USENIX As－sociation，April 1994：1－17.

［6］Chang－Chien L－R，Ong C－M，Kramer R A.Field tests and refinements of an ACE model［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2003，18（2）：898－903.

［7］Ponterli E，Gupta G，Hermenegildo M V.ACE：a high－performance parallel prolog system［C］／／Proceedings of International Parallel and Distributed Processing Symposium／International Parallel Processing Symposium－IPDPS （IPPS），25－28April 1995，Santa Barbara，California，USA.IEEE Computer Society，1995：564－571.

［8］藍(lán)炳雄，張麗.基于ACE的共享內(nèi)存的開發(fā)與研究［J］.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2005（4）：40－43.