【摘要】文章介绍了包钢薄板厂酸洗冷连轧基础自动控制系统、过程控制系统及生产管理系统的组成及功能，并详细阐述了三级系统的通讯原理。
【关键词】通讯；三级管理；CORBA；Socket
1.问题的提出
包钢酸洗冷连轧机组是包钢集团公司于2005年新上的一条冷轧薄板生产线。该条生产线的自动控制系统由三部分组成，包括基础自动化系统（一级），过程自动化系统（二级），生产管理系统（三级）。这种管理方式俗称三级管理。
系统之间通讯经常出现问题，物料跟踪不对、生产数据的丢失等异常都与通讯有关系。理清通讯关系，可以快速解决问题。
2.自动控制系统构成
该机组的机械设备和生产技术由德国西马克公司提供，基础自动控制系统采用了西门子公司SIMATIC TDC硬件系统、S7-400系列PLC控制器。PLC控制系统采用西门子公司的PCS 7 V6.0集成软件包进行编程，实现生产线设备的自动控制。
过程控制系统同时连接生产管理计算机系统和基础自动化系统，提供了多种通信方式实现系统互连。常用的通信方式有TCP/IP协议的Socket通信、OPC通信、数据库互连通信。过程控制系统是实时系统，由事件或定时器循环触发系统功能的执行。系统结构设计要求能够保证系统的实时性要求，同时保证系统的高度稳定。另外，过程控制系统功能繁杂，要求系统可扩充性好，结构灵活。目前流行的设计方法是采用面向对象的设计方法，面向服务的体系结构，系统结构采用分布式系统，进程间通信协议采用实时CORBA。
过程控制系统位于工厂生产管理系统（三级）和基础自动化系统（一级）之间，因此也称二级控制系统。该系统在生产线自动控制系统中是用来管理生产过程数据的计算机系统，通常完成生产线上各设备的设定值计算；过程控制模型优化；生产过程数据、产品质量数据及设备运行数据的收集；生产计划数据、生产原料数据及生产成品数据的管理；物料数据在生产线上的全线跟踪；协调各控制系统间的动作和数据传递等。过程计算机控制系统需要和工厂生产管理系统进行通信，接收生产计划指令、原料数据、设备数据等数据，上传生产计划完成进度数据、生产结果数据、设备使用数据和各种其他管理需要的数据。
3.生产管理系统与过程控制系统通信
生产管理计算机和过程控制计算机在物理上通过快速以太网相连。过程计算机需要的所有原料数据、生产计划数据、轧辊数据，都来自生产管理计算机系统；生产管理计算机系统需要的产品生产实集数据、生产进度完成数据、轧辊工作数据、生产线故障数据、生产班组统计数据等由过程管理计算机提供。
为了保证二三级平台数据的正确传递和表达，同时该通信对性能要求不敏感，故通信协议尽量采用标准通信协议。这两个系统间的通信采用面向连接的TCP/IP通信协议，数据报文内容用ASCII码表示。为保证数据传输的可靠性，可以定义基于TCP/IP的高层通信协议，这套协议负责建立并保持网络连接、检测网络是否正常、校验数据是否正确。
每个钢卷在由高速小车把原料卷从热轧库运到冷连轧生产线上时，操作工在三级终端查询原料信息、轧制要求等，确认后这些信息从三级下发到二级。过程管理计算机系统会根据该钢卷的主数据，计算该钢卷的生产设定值。在该钢卷称重和测宽、测径后，轧机过程控制系统会计算该钢卷的轧机生产设定值。这些生产设定值被计算出来后，会保存到数据库中。操作工可通过过程控制系统的操作画面，查看、修改这些生产设定值。如果操作工通过过程控制系统的操作画面修改了生产线上还未生产钢卷的主数据，过程控制系统将自动重新计算该钢卷的生产设定值。
在钢卷到达开卷机上时，过程计算机系统会将该钢卷的设定值传送给基础自动化计算机。如果过程计算机没有发送生产设定值，基础自动化计算机会向过程计算机循环申请生产设定值，直到获得生产设定值。
4.过程控制系统与基础自动化通信
过程控制计算机和基础自动化通信的网络连接介质用工业以太网，为达到实时性通信的要求，基础自动化和过程控制系统之间的通信协议采用TCP/IP面向连接的Socket协议。数据报文采用二进制的数据报文，直接传送数据内容，提高了通信效率。
基础自动化计算机上传的报文中，事件或设备状态以字节中的二进制位（bit）表示。判断事件发生或设备状态发生变化需要将各状态解析出来。在判断设备状态发生变化时，需要将当前状态和前一次的状态进行比较。解析出来的事件或设备状态变化被转换成事件报文，传送给过程控制程序。
在过程控制系统中，设有若干个通信代理程序，以分担与基础自动化的通信负载。通信代理程序和过程控制系统间的通信用CORBA协议。通信代理程序和PLC之间的通信协议采用TCP/IP面向连接的Socket协议，通信代理程序负责网络连接的建立、保持、数据传送/接收、错误检测、错误恢复等底层的网络操作。通信代理程序根据报文号和报文定义文件将数据报文发送给目的进程的处理接口。
5.过程控制系统与HMI通信
Wincc是实现HMI功能的一个功能完善、使用方便的系统工具。WinCC本身提供对外的通信方式有OPC（Wincc主要推荐）、COM服务、DDE、ODK等几种方式。
系统提供商的Subsys库提供了两个代理程序实现和WinCC服务器通信。
Msg.exe实现将过程控制系统中的报警信息输出到WinCC报警系统中，使操作人员能够在HMI界面上直接看到过程控制系统的报警信息和错误信息。Msg.exe运行在WinCC服务器上。
HMI.exe实现WinCC服务器和过程控制系统普通数据的双向通信。HMI.exe和过程控制系统之间用CORBA协议通信，和Wincc服务器用ODK通信。HMI.exe有两种工作方式：第一种是过程控制系统直接向其发送命令，读写指定标签的内容；第二种是当该标签的内容发生改变时，HMI调用该过程控制系统进程的回调接口过程，传送标签的新内容。
为方便使用者两个代理程序，Subsys同时开发了两个C++类，封装了对着两个代理程序的调用，方便过程控制系统和Wincc服务器通信。
在过程控制系统内部使用CORBA协议通信，为建立CORBA调用参数结构和WinCC的标签之间的对应关系，单独设置了一个进程HMIComServ，本进程将数据结构内的字段分解到WinCC的标签，也将WinCC的标签内容组合成过程控制系统内部的数据结构。
对于过程控制系统向WinCC服务器发送的报文，报文内每个字段对应唯一一个WinCC内部标签，同时每个报文都有一个生命计数字段。在过程控制系统向WinCC服务器发送数据报文时，首先报文作为Corba的函数调用参数被发送给HMIComServ，由HMIComServ根据配置信息，将报文中的每个字段的内容通过HMI.exe写入WinCC服务器标签中，最后修改该报文的生命计数字段。WinCC可监视该生命计数字段对应的标签内容，移动发现该值发送变化，表示有新的数据报文到达，可读取该报文的内容。在Wincc需要向该过程控制系统发送报文时，WinCC首先向该报文内的每个字段对应的标签内写入数据，然后调用一个外部扩展库（一个按WinCC调用要求开发的数据库，实现向L2系统发出Corba调用功能），将要发送报文号发送给HMIComServ通信服务进程。HMIComServ在启动时，首先通过HMI.exe查看所有WinCC上传报文的生命计数标签。在这些标签的内容发生变化时，HMI.exe程序将通知HMIComServ进程。HMIComServ根据配置信息，可知道WinCC时发送哪个报文，于是读取该报文内每个字段对应的标签内容，组合成过程控制系统的内部报文，将报文发送给配置好的目的进程的目的接口方法。过程控制系统在处理了报文后，生产一个应答报文，通过HMIComServ发送给WinCC，该报文包括处理的结果，如果处理报文出错，应答报文包括对错误的描述。WinCC向过程控制系统发送了报文后，需要等待过程控制系统的应答，以确定操作工在HMI画面上的操作十分正确。WinCC的脚本程序循环检查报文对应的生命计数标签，3s应答报文应该到达，如果应答报文超时，WinCC脚本程序向操作工报错。在WinCC服务器收到应答报文后，提示操作人员报文处理结果。
6.结束语
综上所述，目前酸洗冷连轧机组自动控制系统运行良好。出现数据通信不畅时，维护人员都可以快速处理。该系统的稳定运行，有力的保证了酸洗连轧机组安全生产。
参考文献
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