基于ACE的中厚板轧机二级控制系统改造

崔海涛，王国栋

（东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，辽宁 沈阳，110819）

近年来，我国引进了多条中厚板生产线，其控制系统大多采用西门子公司的设备或者技术。西门子公司的中厚板生产控制系统的自动化程度高、精度好、运行稳定，代表了中厚板轧制自动化控制领域的世界先进水平。

西门子中厚板轧机二级控制系统采用多进程的架构形式，在实际应用中表现出极好的稳定性和可扩展性，非常值得借鉴。本文通过分析西门子中厚板轧机二级控制系统的系统架构设计思想，结合国内中厚板生产线的自动化控制需求，对东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室原有中厚板轧机二级控制系统进行改造，拟开发一个多进程形式的控制系统，使该系统在功能上满足国内中厚板轧机的控制要求，在稳定性和可扩展性方面以期与西门子中厚板轧机二级控制系统相当。

1 西门子中厚板轧机二级控制系统

西门子中厚板轧机二级控制系统采用的是多进程形式和面向对象的编程方式。每个进程实现不同的功能，各进程间的通信、调度等都是在基于CORBA的二级控制系统平台上完成的。通过该系统平台可以方便地添加或删除进程，实现系统功能的伸缩。

该二级控制系统包括30多个进程，进程之间相对独立。这些进程根据功能大体可以分为3大类型：接口类进程、非控制类进程和控制类进程。这3大类进程的关系如图1所示。

图1 西门子轧机二级控制系统各类进程间的关系Fig.1 Relationship among processes of level two control system for SIEMENS mill

2 改造前实验室轧机二级控制系统

由本实验室开发的轧机二级控制系统已成功应用于国内多条中厚板生产线，该轧机二级控制系统主要由通信和模型两个进程组成，进程间通过消息传递事件，通过共享内存实现数据共享，如图2所示。这两个进程皆采用多线程结构设计，每个线程实现不同的功能。通信进程负责实现轧机二级与基础自动化、人机界面等外部通信；模型进程负责设定计算，其中的跟踪调度模块负责对通信进程传递的事件进行解析处理，并协调其它模块的运行，调度进程中的事件［1－2］。

图2 轧机二级控制系统结构Fig.2 Configuration of level two control system for mill

该控制系统结构简单，易于掌握和维护，但是在稳定性和可扩展性方面与西门子轧机二级控制系统相比还有一定差距。首先，该系统中任何一个进程出现问题都会导致整个控制系统功能的丧失；其次，随着新工艺、新技术的投入使用，轧机二级系统的升级改造也越来越频繁，原有控制系统的架构形式很难适应这种变化，因此有必要对该系统进行改造。

3 改造后的轧机二级控制系统

3.1 系统架构设计

改造后的二级控制系统在系统架构设计上借鉴了西门子控制系统，在模型方面继承了原系统的控制模型。进程划分依据两个原则：①功能惟一，每个进程只实现一个功能；②进程之间相对独立，这样既能增强系统的稳定性，又便于日后升级改造。依据上述原则，轧机二级控制系统可划分为15个进程，进程间的关系如图3所示。

图3 改造后的轧机二级控制系统各进程间的关系Fig.3 Relationship among processes of level two control system for reformed mill

接口类进程有6个，分别为三级接口进程（L3l）、加热炉二级接口进程（FUl）、ACC二级接口进程（ACCl）、人机界面接口进程（HMIl）、一级输入接口进程（iL1）、一级输出接口进程（oL1）。

非控制类进程有5个，分别为调度进程（dispatch）、测量值处理进程 （meas）、跟踪进程（track）、设定值发送进程（spt）、数据库读写进程（dbwriter）。

控制类进程有4个，分别为预计算进程（precalc）、道次修正进程 （recalc）、自学习 进程 （adapt）、轧制节奏控制进程（mipa）。控制类进程用于设定值计算，包含了所有的中厚板轧制工艺模型。

3.2 关键问题的解决方法

3.2.1 网络通信

轧机二级控制系统通过工业以太网与上下游设备服务器进行通信。以往的过程控制系统一般采用传统的Socket（套接字）进行主机间通信，本系统采用 ACE Socket［3－4］，通信流程如图4所示。

图4 ACE Socket通信流程图Fig.4 Flow chart of ACE Socket communication

采用ACE进行网络通信具有高效性、可移植性和稳定性，在实际应用中可以降低通信时延，提高通信效率，增强通信稳定性［5－7］。此外，采用ACE Socket wrapper facade的“面向对象”设计，应用程序的IPC机制可以很容易地改变，并且无需更改API参数，也无需手工修改地址结构和函数。

3.2.2 系统进程间通信

本系统通过共享内存实现进程间通信。由dispatch进程通过 ACE＿Malloc［8］模板类创建共享内存池，并在共享内存池中为每个进程开辟相应的数据型共享内存块和消息型共享内存块。因此系统中的各个进程就可以通过这两种共享内存块进行通信。

数据型共享内存块用于实现进程间的数据共享，由本进程写入，供其它进程读取。以meas进程为例，meas进程将处理后的实测数据写入到该进程的数据型共享内存块中，供precalc等进程使用。

消息型共享内存块用于实现进程触发，由其它进程写入触发消息，本进程读取并根据触发消息执行相应功能。

3.2.3 线程间通信

本系统中有些进程实现的功能比较复杂，需要采用多线程结构设计，如HMIl、meas、track等进程。ACE提供了一个用于创建线程的模板类ACE＿Tack〈〉，通过该模板类可以很容易地创建线程，并利用ACE消息队列机制实现线程间通信。

系统中的进程由主调线程和功能线程组成，采用自定义消息实现线程间通信。主调线程负责从该进程的消息型共享内存块中读取进程触发消息，并根据进程消息触发相应的功能线程，功能线程负责实现具体功能。

3.2.4 系统监控

本轧机二级控制系统包含15个进程，并涉及到数据库中各种类型的表。为便于操作人员对轧机二级系统进行监控，特别开发了轧机二级系统监控软件。通过该软件可进行系统进程监控和数据库操作。

图5所示为系统进程监控界面，通过该界面可以实现进程的启动与关闭以及进程运行状态实时监控。

图5 轧机二级系统进程监控界面Fig.5 Monitoring interface of level two processes for mill

4 系统测试

系统改造完成后，在实验室的过程自动化控制模拟平台上进行测试。测试内容包括系统的稳定性与响应速度、系统通信的准确性、进程间数据共享与调度机制的可靠性以及系统容错能力等。

测试系统结构如图6所示。改进后的轧机二级控制系统安装于轧机二级服务器中，PLC充当现场的基础自动化，其发送的数据是从现场采集的实测数据。人机界面服务器的配置与现场使用的完全相同，通过人机界面对轧机二级控制系统进行操作。此外，人机界面服务器上还装有3个基于TCP／IP协议的通信进程，分别与轧机二级系统中的L3l、FUl、ACC进程通信，用来模拟轧机二级与加热炉、轧机三级以及ACC过程机之间的通信。

图6 测试系统结构Fig.6 Configuration of test system

经过7d的不间断测试，结果表明：①改造后的轧机二级控制系统运行稳定，没有出现死机、无响应等重大问题；②系统通信准确可靠，未出现问题；③系统能够对各种触发事件迅速准确地做出响应，最长响应时间不超过0.1s。

5 结论

（1）改造后的轧机二级控制系统架构设计合理，运行稳定，响应迅速，能够满足在线控制要求。通过添加或删除进程的方式可以非常容易地实现系统功能的伸缩。

（2）采用ACE中间件解决系统开发的关键问题，避免了使用复杂的 Windows API函数，大大降低了开发难度，提高了开发效率。

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