CN110262374B - 一种轧钢过程控制系统的开发平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轧钢过程控制系统的开发平台，属于轧钢自动化控制技术领域。本发明的开发平台提供了一个系统框架，包括：配置程序和配置数据库、系统监控维护工具箱、系统支持库、系统共享数据区、进程与线程模块、系统开机、关机和重启程序等，还提供编程实现的功能模板。系统框架的组成模块已经固化，开发新的过程控制系统时，先在配置数据库中填写基表内容，按需求增减进程和线程，添加功能模块，再进行配置、编译和调试，获得过程控制系统。采用本发明开发平台，对不同轧钢现场情况，可经过配置和少量编程，完成过程控制开发系统，可以减少过程控制系统开发的工作量，缩短工程项目的开发周期，减轻系统维护和二次开发的负担。

Description

一种轧钢过程控制系统的开发平台

技术领域

本发明属于轧钢自动化控制技术领域，涉及创建一种轧钢企业过程控制开发平台。

背景技术

随着计算机技术的发展，基于计算机和自动化控制技术的轧钢过程控制系统被提出和应用，在一定程度上提高钢铁企业运营的效率。轧钢生产对过程控制系统有极高的实时性、稳定性、准确性和响应性要求，为了适用需求，目前技术针对轧钢过程控制设计有一级过程控制系统/软件、二级过程控制系统/软件。例如：轧钢过程控制计算机系统的设计内容包括硬件配置、功能分配、系统软件配置、中间件配置以及应用软件的设计和开发。软件结构设计完成即确定应用软件系统由哪些程序构成以后，要对这些程序之间的关联和启动时序进行设计(参考文献1)。轧钢过程数据管理系统软件设计，根据实际情况，使用原型法，即以少量代价快速地构造一个可执行的软件系统模型。使用户和开发人员可以较快地确定需求，然后采用循环进化的开发方式，对系统模型作连续的精化，将系统需具备的性质逐渐增加上去，值到所有的性质全部满足要求(参考文献2)。以上轧钢过程控制软件的开发，需要手写每一行程序，或者将以前的程序能利用的复制过来，逐行修改，重新编制程序，增添内容形成新的软件，这个开发和调试的过程比较漫长。

为了加快轧钢过程控制(二级)软件的开发，节约开发成本，建立过程控制开发平台十分必要。

参考文献：

1、刘文仲，轧钢过程自动化的应用软件设计[J].冶金自动化，2013，37(1)：1-4。

2、王峰，张利华，郭浩，轧钢过程数据管理系统软件设计[J].冶金自动化，2014，S1：486-488。

发明内容

过程控制系统位于工厂生产管理系统PCC(三级)和基础自动化(一级)之间，是第二级。为了加快轧钢过程控制(二级)软件的开发，降低成本，本发明提供的一种轧钢企业过程控制系统开发平台，也称为UDP(User’s Usable Develop Platform)，是支持过程控制系统PCS(Process Control System)开发的计算机系统开发平台。

本发明提供的轧钢企业过程控制开发平台，包括一个系统框架和一批功能模板。

系统框架包括如下组成模块：

(1)配置程序Config和配置数据库SYSDF；配置程序Config利用配置数据库SYSDF输入要开发的过程控制系统的系统参数；

(2)系统监控维护工具箱Toolbox，包括系统监控程序Monitor，以及系统和人工界面HMI服务器的通信监控程序MonCHH；

(3)系统支持库PDL，是一个动态链接库，存储过程控制系统用到的通用函数；

(4)系统共享数据区SA；

(5)系统启动程序Startup，系统关机程序Shutdown，以及进程重启程序Restart；

(6)进程与线程模块，提供进程和线程的源代码；其中，进程包括数据处理PC进程、数据通信SC进程、数据采集DC进程、粗轧RM进程、精轧FM进程、层冷LC进程。

系统框架还提供模拟测试程序Simulate，放在PC进程中运行，实现模拟轧制。

所述的开发平台还包括一批功能模板，功能模板是编程实现的程序模块。

系统框架的组成模块已经固化，开发新的过程控制系统时，先在SYSDF中填写基表内容，按需求增减进程和线程，添加功能模块，用CONFIG进行配置，进行编译和调试，获得过程控制系统。

所开发的过程控制系统包括模拟测试状态，在模拟测试状态下，过程控制系统断开或者不建立接收一级PLC数据的线程通信连接，过程控制系统模拟一级PLC给rwPLC线程发送电文，rwPLC线程是读写PLC线程，PLC是指可编程逻辑控制器。

本发明的优点和积极效果在于：

(1)本发明所提供的开发平台实现了进程与线程管理、共享区管理、报警与公共服务、系统监控维护和模拟测试等过程控制系统的基础功能，同时为集成系统的其它功能模块提供了简明规范的接口。(2)开发平台内提供的功能模板可以生成与系统框架相适应的功能模块，利用它们能够迅速搭建开发人员所需要的系统。(3)开发平台提供的系统框架的程序模块已经固化，开发新系统时，所有基础功能均使用系统配置的办法实现，仅需编制少量程序。系统框架采用统一规范的接口与其它功能模块进行连接，充分保证了基于本发明的UDP开发的过程控制系统的可靠性。(4)采用本发明的UDP可以促进过程控制系统产品的标准规范化，提高过程控制系统的可靠性，从而有利于过程控制应用软件的维护、积累和重用。(5)采用本发明的UDP可以减少过程控制系统开发的工作量，缩短工程项目的开发周期，减轻系统维护的负担。(6)经过多个工程的应用表明，本发明的开发平台，便于使用人员快速接受，可以大大减少开发人员的工作量，缩短开发周期，节约开发成本，过程控制系统运行时的稳定性也能提供保证，对过程控制系统修改也十分快捷。

附图说明

图1是过程控制系统的运行环境与开发环境示意图；

图2是本发明开发平台所提供的通用的系统框架示意图；

图3为本发明实现的一个过程控制系统的标准结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案作详细说明。

如图1所示，过程控制系统运行在安装有Windows20xx Server操作系统的PC服务器上，数据中心还需要Oracle/SQL-Server数据库管理系统的支持。本发明UDP的开发环境是VC++、Access以及Oracle/SQL-Server Developer。

本发明的轧钢企业过程控制系统的开发平台UPD目的是为了尽量减少开发人员的工作量，通过(1)自动生成代码和(2)增加重复使用代码，来达到这一目的。增加重复使用代码包括重复使用的二进制代码和源代码，如重复使用的执行文件，目标文件如标准的库文件，及通用的源代码文件等。

为了达到上述目的，本发明的轧钢企业过程控制系统的开发平台，提供了一个通用的系统框架Platform，系统框架是过程控制系统的基础框架。系统框架Platform实现了进程与线程管理、共享区管理、报警与公共服务、系统监控维护和模拟测试等过程控制系统的基础功能，同时为集成系统的其它功能模块提供了简明规范的接口。

系统框架实现的轧钢过程控制系统的结构，如图2所示，包括如下组成部分或功能模块：

(1)系统配置程序Config和配置数据库SYSDF；

(2)系统监控维护工具箱Toolbox；

(3)系统支持库PDL；

(4)系统共享数据区SA；

(5)系统启动程序Startup，系统关机程序Shutdown，以及进程重启程序Restart；

(6)进程与线程模块。

配置程序Config工作对象是系统参数，系统参数是利用配置数据库SYSDF输入的，配置定义与调整待生成的过程控制系统的特性。本发明UDP所提供的配置数据库，采用微软office中的Access数据库，命名为SYSDF，它主要提供对系统的配置格式，其中包括如下多个基表：

1)可编程控制器PLC定义plc，通信端口定义plcPort；

2)发送给PLC的数据plcWV；

3)接收来自PLC的数据plcRV；

4)人工界面HMI定义hmi；

5)发送给HMI的数据hmiWV；

6)接收来自HMI的数据hmiRV；

7)通信主机定义h#Names；

8)本机定义h@ThisHost；

9)主机通信端口定义hc#port；

10)主机通信电文内容定义hc#TELDEF；

11)常量定义GBLDEF；

12)平均值计算定义plcAVRG；

13)进程、线程定义PT；

14)结构列表s@struct；

15)共享区定义SA；

16)跟踪数据结构TRACK_DATA，包括的字段有轧件编号、轧件序号、到达时间等，可根据需要添加其他字段。

17)跟踪段结构TRACK_ZONE，包括的字段有跟踪段名、跟踪段号、跟踪段最大轧件数、跟踪段轧件数以及跟踪段轧件数据。跟踪段达到最大轧件数，其余轧件就不能再进入，但最后跟踪段要特殊处理。

18)信号跟踪基表，在表中定义跟踪信号的上升沿、下降沿启动跟踪控制字的位，跟踪位控制的源段、目标段，以及对跟踪段的轧件的处理。

19)其它结构定义。

配置数据库SYSDF是平台的重要组成部分，它定义了二级过程控制软件的许多内容，通过它，配置程序的执行文件Config.exe能生成开发系统用到的头文件、部分源代码和数据文件。

对于轧钢过程控制，跟踪程序一直没有标准化，由于所涉及的问题比较复杂，比如，在一级PLC(可编程逻辑控制器)发送的跟踪信号跳变时，是否将跟踪控制字的位置位，要满足一定的条件；跟踪程序在将轧件移动或清除时，也需要满足一定的条件；在对轧件进行处理前和处理之后，都有相关的数据处理。以上条件或数据处理千变万化，难于统一化。针对这种情况，本发明将能统一处理数据的函数放在一些函数中，这样虽然有些程序需要用户编制，但主要程序不再需要编程，而需要编制的程序也可以按某种既定的模式编制。

系统监控维护工具箱Toolbox中包括系统监控程序Monitor，以及系统和HMI服务器的通信监控程序MonCHH。运行系统监控程序的执行文件Monitor.exe，可以监控过程控制系统运行状态，如进程、线程状态，通信状态，系统共享区数据等。运行与画面通信监控程序的执行文件MonCHH.exe，用于监控二级过程控制系统与画面的通信状态。

本平台还包括过程控制系统与监控画面软件WinCC等通信的程序SCHH.exe，运行在WinCC等监控软件服务器上，它可以生成全零或全空的初值数据文件，也能指定过程控制系统启动时需要使用的初值文件。

系统支持库PDL是一个动态链接库，以API函数的形式支持系统的运行。过程控制系统的进程和线程可以调用PDL函数，实现各种系统功能。本发明开发平台所提供的动态链接库存储过程控制系统用到的通用函数，通用函数放在动态连接库中供系统开发人员调用。其中通用函数按功能分类，包括：进程和线程管理类函数PTM、共享数据区管理函数SAM、通信支持类函数COM、报警函数ALM、公共服务类函数FUN等等。

系统共享区SA是操作系统的共享存储区(Shared Memory)。过程控制系统各个进程的线程都可以任意读写系统共享区，也可以在共享区上使用任意数据结构。在使用系统共享区时，需要线程互斥和同步机制的辅助来确保数据一致性。Startup程序创建应用进程时，应用进程自动打开共享区并建立共享区的指针变量，供本进程的线程存取共享区的数据时使用。

本发明中设立了六个必要的共享区，分别是PDLCOM、IOCOM、HMICOM、COMMSP、TELCOM和MSGCOM，其中，PDLCOM用于进程管理和共享区管理，IOCOM用于与一级PLC通信，HMICOM用于与一级HMI画面通信，COMMSP用于与一级PLC、一级HMI画面通信数据中转，TELCOM用于与主机间通信，MSGCOM用于日志输出。本发明还设立共享区SYSCOM，在其中定义跟踪数据，如：TRACK_ZONE track_zone[ZONE_NUM]。

系统启动程序Startup负责创建应用进程，并监视它们的开工状况，直到系统进入运行状态，执行对应的执行文件Startup.exe，首先创建共享区，然后确定过程控制系统运行方式。系统关机程序Shutdown用于关机前卸载过程控制系统，其对应的执行文件为Shutdown.exe。进程重启程序Restart用于重新启动已经退出的进程，其对应的执行文件为Restart.exe。

一个在线运行的过程控制程序包括若干进程，每个进程又包括若干线程。这些进程的所有线程相互配合，共同完成过程控制的功能。进程模块是与进程同名的主线程。在PCS中，进程不执行任何应用功能，只负责将其属内的线程启动起来，并为它们准备好运行环境；然后进入监控状态，监视着线程的运行情况。如果有自动重启线程因故退出运行，进程会立即启动它。进程和线程按需添加，在图2中包括数据处理PC进程、数据通信SC进程、数据采集DC进程、进程状态SS进程等等，还包括轧钢过程控制所涉及的各种模型进程，如粗轧RM进程、精轧FM进程、层冷LC进程等等。

线程模块分为单任务线程与多任务线程两种。用户可以在共享区中定义任意个数字节的控制字，用标准函数对其置位或测试其中的位，如跟踪线程的跟踪控制字。

开发平台提供的执行文件还包括进程通信网关pSC.exe，数据采集进程pDC.exe,进程间通信程序PCommServer.exe，进程间通信监控PCommMonitor.exe，等等。

系统框架提供模拟测试程序Simulate，放在PC进程中运行，在Monitor改变系统运行模式可以进行模拟测试，也可以通过操作HMI画面通过编程改变运行模式。通过编程改变系统共享区的某个标志位或通过操作HMI画面编程启动模拟轧制。

本发明开发的过程控制系统有两种运行状态，一种是模拟测试状态，一种是正式运行状态。进入模拟测试状态时，如果一级和二级之间使用TCP/IP协议通信，二级断开接收一级PLC数据的线程通信连接，二级模拟一级PLC给rwPLC线程发送电文。一级是指给过程控制系统发送命令的控制器PLC，二级是指过程控制系统，rwPLC线程是读写PLC线程。如果一级和二级之间使用内存发射网通信，二级不建立接收一级PLC数据的线程通信连接，直接使用模拟程序生成的模拟电文给rwPLC线程。在过程控制系统正式运行时，rwPLC线程从一级PLC接收通信电文。

本发明开发平台对所有进程和线程都提供框架源代码，对需要手动编程的进程和线程可以使用这些框架代码，修改进程名称和操作函数。除了修改进程和线程的源程序外，在添加进程和线程的时候，还要在配置数据库的表PT中进行添加，并运行配置文件。

系统框架Platform中的程序模块已经固化，开发新系统时，只要将UDP的Platform文件夹复制到要运行或调试过程控制系统的计算机中，然后将复制来的Platform文件夹重命名为所要建立的过程控制系统的名称，框架生成工作就完成了。所有基础功能均使用系统配置的办法实现，仅需编制少量程序。系统框架采用统一规范的接口与其它功能模块进行连接，因而采用UDP平台开发的过程控制系统的可靠性是有充分保证的。

本发明的开发平台还包括一批功能模板，功能模板是编程实现的程序模块，包含在动态链接库和标准源代码中，在生成系统框架后，添加功能模块，有些功能模块直接就能使用，有些功能模块需要二次开发才能使用，如果要添加的新的功能模块没有相应的功能模板，就需要人工编程，此时利用设计好的标准空模块，在其上编写所需的功能就可以。功能模块与系统的接口都是采用规范统一的方式。

以上所述为一个开发平台，实际系统可以采用多平台结构。这些平台可以在一台服务器上，也可以在多台服务器上。一个热轧过程控制系统的多平台结构如图3所示，包括PComm平台、PC平台、RM平台、FM平台和LC平台，这些平台可以在一台服务器上运行，也可以在多台服务器上分别运行。PComm平台负责进程间通信，其上有一个负责进程之间通信的进程PComm。每个平台的进程都可以由一个线程用于与PComm进行数据交换。PC平台是过程控制平台，其中包含SC,DC,PC三个进程。SC进程是网关进程，负责与一级PLC、三级主机、二级HMI画面、二级数据库管理画面、仪表上位机，以及二级其它系统的主机通信。DC进程用于采集一级数据，存入采集数据文件。PC进程是系统的主要数据处理进程，通信进程的数据都通过它处理。PC平台内部进程之间一般通过共享区交换数据。RM平台、FM平台和LC平台都是模型平台，模型平台中包括模型计算进程、通信进程等。RM平台代表粗轧平台，FM代表精轧平台，LC平台代表层冷平台。

用本发明的开发平台开发过程控制软件，开发人员要做的工作就是：

1)在SYSDF中配置系统，填写基表内容；

2)用CONFIG生成系统中用到的头文件、数据文件和部分源代码；

3)按要求增减相关进程、线程和其它功能模块，编制末端数据处理部分的程序；

4)编译系统；

5)指定共享区初值文件，有些系统不需要指定；

6)启动系统并调试、监控系统运行状态。

因此，有了本发明的开发平台，不需要手写每一行程序，开发软件就像搭积木，平台提供的执行文件和动态链接库及标准源代码可以直接拿来使用，只是需要修改其中的参数；这些参数填写可以按既定的标准在表格中填写，然后生成平台运行需要的数据文件；少量需要手写的代码也提供了标准框架，开发工作量大为减少，调试过程大大缩短。

将本发明开发平台应用到具体工程环境中，已实现了不同过程控制系统，例如：河北遵化某1500mm热轧带钢粗轧过程控制，河北迁安某950mm热轧带钢过程控制，河北迁安某1580mm热轧带钢卷取机过程控制，湖南娄底某1780mm热轧带钢平整机过程控制，等等，通过证明，发现利用本发明开发平台提高了开发人员的效率，所开发的过程控制系统能够达到过程控制要求，从而能使现场提前达产。

Claims (2)

1.一种轧钢过程控制系统的开发平台，其特征在于，包括一个系统框架，系统框架包括如下组成模块：

(1)配置程序Config.exe和配置数据库SYSDF；配置程序Config.exe利用配置数据库SYSDF输入要开发的过程控制系统的系统参数；

(2)系统监控维护工具箱Toolbox，包括系统监控程序Monitor.exe，以及系统和人工界面HMI服务器的通信监控程序MonCHH.exe；

(3)系统支持库PDL，是一个动态链接库，存储过程控制系统用到的通用函数；

(4)系统共享数据区SA；

(5)系统启动程序Startup.exe，系统关机程序Shutdown.exe，以及进程重启程序Restarte.exe；

(6)进程与线程模块，提供进程和线程的源代码；其中，进程包括数据处理PC进程、数据通信SC进程、数据采集DC进程、粗轧RM进程、精轧FM进程、层冷LC进程；

系统框架还提供模拟测试程序Simulate，放在PC进程中运行，实现模拟轧制；

所述的开发平台还包括一批功能模板，功能模板是编程实现的程序模块；包含在动态链接库和标准源代码中；

系统框架的组成模块已经固化，开发新的过程控制系统时，先在SYSDF中填写基表内容，按需求增减进程和线程，添加功能模块，用CONFIG.exe进行配置，进行编译和调试，获得过程控制系统；如果要添加的新的功能模块没有相应的功能模板，利用设计好的标准空模块，在其上编写所需的功能；

所开发的过程控制系统包括模拟测试状态，在模拟测试状态下，过程控制系统断开或者不建立接收一级PLC数据的线程通信连接，过程控制系统模拟一级PLC给rwPLC线程发送电文，rwPLC线程是读写PLC线程，PLC是指可编程逻辑控制器；

所述的开发平台提供的执行文件还包括进程通信网关pSC.exe，数据采集进程pDC.exe，进程间通信程序PCommServer.exe，进程间通信监控PCommMonitor.exe。

2.根据权利要求1所述的开发平台，其特征在于，所述的配置数据库SYSDF采用微软office中的Access数据库生成，包括的基表有：可编程控制器PLC定义；通信端口定义，发送给PLC的数据，接收来自PLC的数据，人工界面HMI定义，发送给HMI的数据，接收来自HMI的数据，通信主机定义，本机定义，主机通信端口定义，主机通信电文内容定义，常量定义，平均值计算定义，进程、线程定义，结构列表定义，共享区定义；跟踪数据结构TRACK_DATA，包括的字段有轧件编号、轧件序号和到达时间；跟踪段结构TRACK_ZONE，包括的字段有跟踪段名、跟踪段号、跟踪段最大轧件数、跟踪段轧件数以及跟踪段轧件数据；信号跟踪基表，在表中定义跟踪信号的上升沿、下降沿启动跟踪控制字的位，跟踪位控制的源段、目标段，以及对跟踪段的轧件的处理。

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