張曉龍，余 海，邊小勇

（武漢科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430065）

0 引 言

現(xiàn)在許多工業(yè)生產(chǎn)線都采用高速測(cè)量裝置、分散控制系統(tǒng) （DCS）和可編程邏輯控制器 （PLC）等設(shè)備，這些設(shè)備產(chǎn)生了大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。這種生產(chǎn)數(shù)據(jù)是連續(xù)到達(dá)、實(shí)時(shí)變化的海量數(shù)據(jù)序列，被稱為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流。它是實(shí)時(shí)、連續(xù)、有序的數(shù)據(jù)序列，每個(gè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)的順序和時(shí)刻都不可控制［1－4］。現(xiàn)有的這些控制設(shè)備由于受到存儲(chǔ)空間的限制，難以長(zhǎng)期保存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通常采用的方法是提取數(shù)據(jù)中的少量特征信息之后，數(shù)據(jù)流不予保存。進(jìn)而導(dǎo)致無法追蹤以前的生產(chǎn)實(shí)際狀況，也就無法利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析工藝生產(chǎn)過程。同時(shí)，大多數(shù)工業(yè)企業(yè)的ERP系統(tǒng)已經(jīng)構(gòu)建，現(xiàn)有的ERP系統(tǒng)沒有與生產(chǎn)過程建立實(shí)時(shí)聯(lián)系，使企業(yè)管理者不能及時(shí)、準(zhǔn)確的掌握生產(chǎn)過程，給生產(chǎn)過程管理帶來障礙。

李志強(qiáng)等［5］討論了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在石化企業(yè)的應(yīng)用，基本實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和展示；石鋼等［6］研究了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在電廠的應(yīng)用，介紹 （plant information，PI）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的基本技術(shù)和生產(chǎn)機(jī)組的性能計(jì)算；王正風(fēng)等人［7］探討了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢，以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與關(guān)系型數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)同步技術(shù)，為我們進(jìn)一步挖掘?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)流的應(yīng)用潛力提供了參考。以上的研究表明實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫在電力企業(yè)以及石化冶煉企業(yè)得到了比較好的應(yīng)用，但是在鋼鐵行業(yè)應(yīng)用成果還比較少。此外，現(xiàn)在的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用主要方向還集中于實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)報(bào)警和簡(jiǎn)單報(bào)表等相對(duì)較簡(jiǎn)單的功能，對(duì)生產(chǎn)過程能力管理等高級(jí)應(yīng)用涉及較少。

基于以上原因，本文設(shè)計(jì)和開發(fā)了鋼鐵生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)。通過采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)過程管理的基本方法對(duì)鋼鐵生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控，改變了廠級(jí)控制系統(tǒng)和企業(yè)級(jí)ERP系統(tǒng)之間的信息孤立狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程精細(xì)和精確管理，提高了生產(chǎn)管理控制水平。

1 鋼鐵生產(chǎn)線對(duì)實(shí)時(shí)生產(chǎn)管理的需求

鋼鐵企業(yè)的實(shí)時(shí)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)一般由客戶端模塊和服務(wù)器模塊組成，在增加了關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理模塊后，整個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)器端包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器和關(guān)系數(shù)據(jù)管理服務(wù)器，前者負(fù)責(zé)采集和保存現(xiàn)場(chǎng)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流，后者負(fù)責(zé)管理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流中抽取的特征值信息以及各種生產(chǎn)工藝的標(biāo)準(zhǔn)信息。客戶端運(yùn)行后同時(shí)與兩個(gè)服務(wù)器交互，從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流服務(wù)器取得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示趨勢(shì)，從關(guān)系型客戶端取得特征值數(shù)據(jù)展示產(chǎn)品生產(chǎn)整體狀態(tài)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流服務(wù)器是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，它要保證采集數(shù)據(jù)的完整性、及時(shí)性，此外存取數(shù)據(jù)的高效與否關(guān)系著能否實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)過程。

1.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理功能需求

鋼鐵實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理模塊是為了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確采集，從而使得管理人員及時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)不進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)也能掌握實(shí)時(shí)生產(chǎn)情況。其功能需求如下：

（1）生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的及時(shí)、準(zhǔn)確采集。對(duì)于系統(tǒng)中直接連接生產(chǎn)車間儀表的工藝數(shù)據(jù)，其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)上傳到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理服務(wù)器，再傳輸?shù)娇蛻舳苏故?，中間的延時(shí)不超過10秒。從現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)發(fā)的工藝數(shù)據(jù)，再傳輸?shù)娇蛻舳苏故荆虚g的延時(shí)不超過5分鐘。通過實(shí)時(shí)采集和展示生產(chǎn)數(shù)據(jù)，才能使生產(chǎn)管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，從而及時(shí)解決問題，避免發(fā)生大的生產(chǎn)問題和生產(chǎn)事故。

（2）生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的完整、長(zhǎng)期存儲(chǔ)。生產(chǎn)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是企業(yè)的寶貴財(cái)富，是分析生產(chǎn)過程的基礎(chǔ)。系統(tǒng)需要采集到生產(chǎn)線的所有工藝，甚至包括多個(gè)廠區(qū)、數(shù)十條生產(chǎn)線的成千上萬個(gè)工藝點(diǎn)。這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)／歷史數(shù)據(jù)需要在線保存三年，在此之后需要下線進(jìn)行永久保存。

（3）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理模塊的開放性。關(guān)系數(shù)據(jù)管理模塊需要從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模塊提取特征值，企業(yè)的ERP系統(tǒng)也需要從中獲取生產(chǎn)狀態(tài)信息，未來的決策支持系統(tǒng)和數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)也需要能夠從中獲取數(shù)據(jù)。

1.2 關(guān)系數(shù)據(jù)管理功能需求

鋼鐵企業(yè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理模塊中保存的是一系列的按時(shí)間序列排列的生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)，并不能直接的展示生產(chǎn)情況，工藝數(shù)據(jù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)脫離了連接。通過關(guān)系數(shù)據(jù)管理模塊整合產(chǎn)品和工藝數(shù)據(jù)，使生產(chǎn)狀態(tài)清晰地展示給用戶。其功能需求如下：

（1）校準(zhǔn)工藝起止時(shí)間。在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境中，所有工藝的測(cè)量位置都不在同一個(gè)位置，鋼鐵產(chǎn)品經(jīng)過各個(gè)工藝點(diǎn)位置的時(shí)間就不相同，所以關(guān)系數(shù)據(jù)管理模塊需要校準(zhǔn)每個(gè)工藝的起止時(shí)間，這關(guān)系著工藝特征值的計(jì)算是否準(zhǔn)確。

（2）計(jì)算產(chǎn)品 （鋼卷）的工藝特征值。鋼卷的工藝特征值包括工藝的最大值、最小值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，工藝特征值能從宏觀上反映生產(chǎn)狀況。在關(guān)系數(shù)據(jù)管理模塊中通過校準(zhǔn)工藝起止時(shí)間后計(jì)算產(chǎn)品的工藝特征值。

（3）與企業(yè)中其他系統(tǒng)的通信。關(guān)系數(shù)據(jù)管理模塊需要能夠從企業(yè)原有的ERP系統(tǒng)中獲取工藝生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，也要求能夠?qū)⑻卣髦瞪蟼鹘o企業(yè)的ERP系統(tǒng)。

1.3 實(shí)時(shí)監(jiān)控客戶端功能需求

系統(tǒng)的客戶端運(yùn)行在企業(yè)管理部門、技術(shù)管理部門和生產(chǎn)操作車間。企業(yè)管理主要查看各類統(tǒng)計(jì)報(bào)表，包括工藝參數(shù)周報(bào)表、月報(bào)表、季報(bào)表和年報(bào)表，對(duì)工藝生產(chǎn)的整體情況進(jìn)行掌握，為生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)決策提供數(shù)據(jù)支持。技術(shù)管理部門查看工藝的歷史數(shù)據(jù)，調(diào)查工藝某段時(shí)間生產(chǎn)的穩(wěn)定性，為改進(jìn)工藝過程提供數(shù)據(jù)參考。生產(chǎn)操作車間查看工藝的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，工藝報(bào)警或生產(chǎn)異常時(shí)及時(shí)調(diào)整設(shè)備，避免出現(xiàn)重大生產(chǎn)和質(zhì)量問題。

2 實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

圖1所示為某鋼鐵企業(yè)的整體的實(shí)時(shí)生產(chǎn)過程管理系統(tǒng)的整體架構(gòu)。本系統(tǒng)主要由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)應(yīng)用三部分組成。生產(chǎn)廠區(qū)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫首先由各廠區(qū)的過程控制系統(tǒng)采集，然后通過過濾壓縮后上傳到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理模塊中，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理模塊中的工藝數(shù)據(jù)校準(zhǔn)工藝時(shí)間、提取特征值 （最大值、最小值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差等）后存儲(chǔ)到關(guān)系數(shù)據(jù)管理模塊中，供客戶端應(yīng)用程序使用。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊是本系統(tǒng)的基礎(chǔ)，只有及時(shí)準(zhǔn)確的采集數(shù)據(jù)才能真正發(fā)揮實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的作用，為過程管理水平的提高提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

在現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)各分廠的生產(chǎn)車間中，已經(jīng)建立比較完善的工業(yè)控制系統(tǒng)，為了有效的利用現(xiàn)有的資源，同時(shí)也避免直接采集控制儀器數(shù)據(jù)對(duì)生產(chǎn)帶來影響，本系統(tǒng)是從現(xiàn)有生產(chǎn)車間的工業(yè)控制系統(tǒng)中的控制服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)。車間控制服務(wù)器的數(shù)據(jù)通過接口程序?qū)懭雽?shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。同時(shí)為了隔離車間的局域網(wǎng)和企業(yè)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，對(duì)每個(gè)車間配置一臺(tái)雙網(wǎng)卡的接口機(jī)，既實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集也實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的安全訪問控制。

圖1 鋼鐵生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了各主要生產(chǎn)車間和廠區(qū)的主要參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，采集到的實(shí)時(shí)／歷史數(shù)據(jù)包括了各個(gè)廠區(qū)、生產(chǎn)線和主要工藝點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以全面監(jiān)控各個(gè)廠區(qū)的實(shí)時(shí)生產(chǎn)情況。

2.2 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊是本系統(tǒng)的核心部分，存儲(chǔ)了所有采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，特征值數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。本模塊又分為兩大部分：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器和關(guān)系數(shù)據(jù)管理服務(wù)器。

在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理領(lǐng)域，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)／歷史數(shù)據(jù)的高效存取關(guān)系著系統(tǒng)的應(yīng)用效果，在工業(yè)生產(chǎn)中一般把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。目前實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品有美國(guó)Wonderware公司的Industrial SQL，美國(guó) OSI soft公司的 PI（plant information），美國(guó) AspenTech公司的 IP21 （Info－Plus.21）。在本系統(tǒng)中，我們選用PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流。PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是基于客戶／服務(wù)器 （C／S）、瀏覽器／服務(wù)器 （B／S）結(jié)構(gòu)的商品化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，在壓縮效率、容量和響應(yīng)速度上與其他實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)［8－9］。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)歷史／實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本系統(tǒng)采用雙服務(wù)器備份模式，一臺(tái)服務(wù)器主要用于采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，一臺(tái)服務(wù)器主要用于前端監(jiān)控使用，可通過配置任意切換其使用方式。

目前，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器中已經(jīng)加入了4個(gè)廠區(qū)的15條生產(chǎn)線的5000余個(gè)工位點(diǎn) （可根據(jù)用戶需求繼續(xù)添加，目前最大支持點(diǎn)數(shù)是10萬），每個(gè)工位點(diǎn)對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)控制系統(tǒng)中的一個(gè)工藝，現(xiàn)場(chǎng)每增加一個(gè)工藝測(cè)量點(diǎn)，可在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器中建立一個(gè)工位點(diǎn)與之對(duì)應(yīng)。在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器中存儲(chǔ)的是工藝點(diǎn)的實(shí)時(shí)測(cè)量值，是一個(gè)值和相應(yīng)時(shí)刻的數(shù)據(jù)。

在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器中是通過創(chuàng)建歸檔文件來保存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在本系統(tǒng)中，目前創(chuàng)建了500個(gè)大小為1G的歸檔文件，按照目前的實(shí)際使用情況預(yù)計(jì)可以保存5年左右的歷史數(shù)據(jù)。歸檔文件采用的是循環(huán)使用的方式，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)文件使用完成之后，接著使用第二個(gè)文件。當(dāng)所有文件都全部使用完之后，清空最早使用的歸檔文件，從該文件開始繼續(xù)循環(huán)使用。為了避免歷史數(shù)據(jù)被覆蓋，在歸檔文件使用完之前，采用文件拷貝的方式把歸檔文件備份到其他磁盤中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的永久保存，當(dāng)需要使用這部分?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)，重新把歸檔文件接入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器即可。

關(guān)系數(shù)據(jù)管理服務(wù)器中存儲(chǔ)的是以鋼卷分類的工藝特征值數(shù)據(jù)、從ERP系統(tǒng)下發(fā)的工藝標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和產(chǎn)品檢驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器的主要優(yōu)勢(shì)在于能存儲(chǔ)大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、響應(yīng)速度快，但是在保存生產(chǎn)線的層次結(jié)構(gòu)、對(duì)象之間關(guān)系等方面略顯不足。本系統(tǒng)采用Microsoft公司提供的大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫SQL Server 2008作為關(guān)系數(shù)據(jù)管理服務(wù)器。關(guān)系數(shù)據(jù)管理服務(wù)器也采用雙機(jī)備份的方式，服務(wù)器1主要從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器中收集工藝特征值、獲取從ERP下發(fā)的工藝標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，服務(wù)器2從服務(wù)器1中使用訂閱－發(fā)布的方式同步數(shù)據(jù)，用于客戶端查詢。

2.3 系統(tǒng)應(yīng)用模塊

系統(tǒng)應(yīng)用模塊通過查詢實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)關(guān)系數(shù)據(jù)管理模塊中工藝標(biāo)準(zhǔn)對(duì)工藝的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警，提醒生產(chǎn)人員對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行干預(yù)，使得生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題能夠得到及時(shí)處理。同時(shí)用戶能夠?qū)︿摼砩a(chǎn)的歷史信息進(jìn)行查詢，包括工藝參數(shù)的長(zhǎng)期趨勢(shì)、歷史鋼卷數(shù)據(jù)、鋼卷的工藝缺陷信息、各類統(tǒng)計(jì)報(bào)表和工藝生產(chǎn)的過程性能。

3 實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)以Windows Server 2008作為服務(wù)器，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器使用兩臺(tái)服務(wù)器主機(jī)采用雙機(jī)備份的方式，采用PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流中心，提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢服務(wù)，關(guān)系數(shù)據(jù)管理服務(wù)器也使用兩臺(tái)服務(wù)器及雙機(jī)備份的方式，采用SQL Server 2008作為關(guān)系數(shù)據(jù)中心，利用 VB.NET＋Process Book （OSI Soft ware公司提供的客戶端開發(fā)工具）進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流的采集、與企業(yè)ERP系統(tǒng)通信和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流在客戶端展示等功能。

3.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫與關(guān)系數(shù)據(jù)庫通信

由于系統(tǒng)中分別采用PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器和關(guān)系數(shù)據(jù)管理服務(wù)器，而關(guān)系數(shù)據(jù)管理服務(wù)器需要從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器中提取產(chǎn)品信息和工藝的特征值，所以需要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫之間的通信。PI服務(wù)器提供了兩大數(shù)據(jù)訪問接口：PI ODBC和PI SDK。PI ODBC是PI的開放數(shù)據(jù)庫互連接口，使用戶可以完全按照訪問關(guān)系數(shù)據(jù)的方式訪問PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。PI SDK是PI數(shù)據(jù)庫軟件開發(fā)包，包含了訪問PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫所需要的 API函數(shù)［10－12］。

在本系統(tǒng)中，使用的是PI ODBC。通過在SQL Server 2008中建立到PI服務(wù)器的鏈接服務(wù)器，在此鏈接服務(wù)器的基礎(chǔ)上就如同操作關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。通過把PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的工藝特征值、工藝起止時(shí)間等導(dǎo)入SQL Server關(guān)系數(shù)據(jù)庫，便于客戶端查詢產(chǎn)品生產(chǎn)狀況和工藝特征值并且同時(shí)上傳給企業(yè)的ERP系統(tǒng)。

3.2 鋼卷工藝時(shí)間校準(zhǔn)

在鋼鐵生產(chǎn)線中，通常在生產(chǎn)線的結(jié)束部分測(cè)量鋼卷的開始和結(jié)束時(shí)間，而大部分工藝的測(cè)量位置并不在生產(chǎn)線的結(jié)束部分，所以鋼卷的起止時(shí)間并不是測(cè)量工藝真正的起止時(shí)間，為了更好地反映生產(chǎn)實(shí)際情況，在本系統(tǒng)中對(duì)工藝的起止時(shí)間進(jìn)行了校準(zhǔn)。

對(duì)于少量極其重要的工藝，在生產(chǎn)線中的工藝測(cè)量位置同時(shí)設(shè)置了焊縫檢測(cè)儀。當(dāng)鋼卷通過焊縫檢測(cè)儀時(shí)，焊縫檢測(cè)儀的測(cè)量值發(fā)生跳變，在系統(tǒng)之中把焊縫檢測(cè)儀也同時(shí)設(shè)置一個(gè)工位號(hào)，焊縫檢測(cè)儀的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)也可以保存至實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器中，根據(jù)這些跳變值就可以獲得鋼卷通過該工藝的準(zhǔn)確時(shí)間。

然而對(duì)絕大部分工藝并沒有類似焊縫檢測(cè)儀之類的工藝時(shí)間測(cè)量?jī)x器，通過在鋼卷起止測(cè)量位置設(shè)置一個(gè)測(cè)速點(diǎn)，并以該點(diǎn)作為判斷鋼卷行進(jìn)速度的依據(jù)，可以通過以下方式對(duì)工藝起止時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn)vi）／2］＊（ti＋1－ti），Si與δL 進(jìn)行比較，其中，vi是測(cè)速點(diǎn)在第i個(gè)測(cè)量值速度，ti是第i個(gè)測(cè)量值時(shí)間，δL是該工藝點(diǎn)到鋼卷起止位置測(cè)量點(diǎn)的距離。計(jì)算工藝開始時(shí)間，t1是鋼卷測(cè)量點(diǎn)的開始時(shí)間，當(dāng)Si＞＝δL時(shí)，ti為該工藝的開始時(shí)間；計(jì)算工藝結(jié)束時(shí)間，t1鋼卷測(cè)量點(diǎn)的結(jié)束時(shí)間，當(dāng)Si＞＝δL時(shí)，ti為該工藝的結(jié)束時(shí)間。

通過校準(zhǔn)工藝的起止時(shí)間能夠準(zhǔn)確的計(jì)算工藝的特征值，為查詢和報(bào)表的生成提供了實(shí)際可靠的數(shù)據(jù)，使得使用者更精確追蹤鋼卷工藝的歷史情況。

3.3 工藝標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文解析

在鋼鐵生產(chǎn)中，所有工藝都需要有過程控制的標(biāo)準(zhǔn)范圍，只有按照標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的產(chǎn)品才能是合格產(chǎn)品。為了反映工藝的達(dá)標(biāo)狀況和設(shè)置報(bào)警狀態(tài)，需要各個(gè)工藝的過程控制標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

工藝的標(biāo)準(zhǔn)首先由標(biāo)準(zhǔn)部門按照訂單生成一條長(zhǎng)字符串記錄，該標(biāo)準(zhǔn)記錄是經(jīng)由企業(yè)的ERP系統(tǒng)使用WaLink軟件 （一種使用TCP報(bào)文協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)的工具）傳送到本系統(tǒng)的關(guān)系服務(wù)器。服務(wù)器使用存儲(chǔ)過程通過定義的報(bào)文結(jié)構(gòu)解析工藝標(biāo)準(zhǔn)記錄。報(bào)文結(jié)構(gòu)定義見表1。

表1 工藝標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文結(jié)構(gòu)

在報(bào)文字符中嚴(yán)格按照字段的順序傳遞工藝標(biāo)準(zhǔn)，其中，長(zhǎng)度表示該工藝標(biāo)準(zhǔn)所占字符串長(zhǎng)度，類型中C表示字段是字符型，F(xiàn)表示字段是浮點(diǎn)型，N標(biāo)準(zhǔn)字段是整型。

4 基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流生產(chǎn)過程監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)

鋼鐵生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的建立實(shí)施為企業(yè)構(gòu)建了一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。在這個(gè)平臺(tái)上開發(fā)了一系列生產(chǎn)過程管理的應(yīng)用，包括過程能力管理、工藝生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、工藝歷史趨勢(shì)追蹤和各類統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能，企業(yè)可以根據(jù)不同需求發(fā)揮生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流的作用。

4.1 過程能力指數(shù)

過程能力 （process capability）是指生產(chǎn)線生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量好壞能力，它衡量生產(chǎn)過程內(nèi)在的一致性，也叫工序能力［13］。

過程能力指數(shù) （capability of precision，Cp）被定義為工藝控制范圍的寬度除以過程能力。它是指工序中生產(chǎn)因素均處于規(guī)定的條件下，產(chǎn)品所應(yīng)該具有的質(zhì)量水平。Cp計(jì)算時(shí)要求工藝的均值μ與工藝的控制中心M重合，否則偏移的增加將導(dǎo)致Cp值變小，不合格品增加［14－15］。本系統(tǒng)在實(shí)際計(jì)算過程能力指數(shù)時(shí)，充分考慮了工藝的實(shí)際生產(chǎn)情況，采用修正后的過程能力指數(shù)Cpk來衡量生產(chǎn)過程。一般情況下當(dāng)Cpk≥1.33時(shí)此生產(chǎn)過程能被接受

式中：UCL——工藝的控制上線，LCL——工藝控制下線，M＝ （UCL－LCL）／2，μ——所有樣本的均值，σ使用R／d2或／c4估計(jì)，其中是所有子組極差的均值，S所有子組標(biāo)準(zhǔn)差的均值，d2、c4為修正系數(shù)，可通過查詢國(guó)際 《常規(guī)控制圖》GB／T4091－2001表獲得。

系統(tǒng)采用PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的工藝點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算過程能力指數(shù)，衡量生產(chǎn)的過程能力，計(jì)算時(shí)工藝點(diǎn)的數(shù)據(jù)精確到秒級(jí)，在沒有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的情形下，企業(yè)只能根據(jù)一批鋼卷的工藝平均值計(jì)算過程穩(wěn)定性。此時(shí)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的使用使企業(yè)的過程能力管理能力有了精確的衡量表2是一段時(shí)間鋼卷的某個(gè)工藝的過程能力指數(shù)。

表2 鋼卷工藝過程能力指數(shù)

在表2中為廠區(qū)1在一段時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的鋼卷信息，通過計(jì)算每個(gè)鋼卷的溫度測(cè)點(diǎn)1的所有實(shí)時(shí)值形成的Cpk值。通過比較，這段時(shí)間的溫度測(cè)點(diǎn)1的Cpk值均大于1.33，因而認(rèn)定生產(chǎn)過程較為穩(wěn)定。

4.2 過程性能指數(shù)

過程性能 （process performance）是一個(gè)過程總體生產(chǎn)能力衡量，反映的當(dāng)前過程的狀態(tài)。

過程性能指數(shù) （performance of precision，Pp）被定義為工藝控制范圍的寬度除以過程性能，它反映的一段時(shí)間的系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài)。Cp與Pp的區(qū)別在于Cp的計(jì)算要求生產(chǎn)過程是在穩(wěn)態(tài)下，其σ使用／d2或／c4估計(jì)，分別是子組的極差的均值和子組的標(biāo)準(zhǔn)差的均值；而Pp反映的實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)，不一定要求是穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行計(jì)算，其σ使用S進(jìn)行估計(jì)，S是所有樣本點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差。本系統(tǒng)在實(shí)際計(jì)算過程性能指數(shù)時(shí)，為了避免公差中心與樣本均值之間的偏移，采用修正后的過程性能指數(shù)Ppk來衡量生產(chǎn)過程。一般情況下過程被接受的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為Ppk≥1.67

式中：UCL——工藝的控制上線，LCL——工藝控制下線，M＝ （UCL－LCL）／2，μ——所有樣本的均值，σ使用S估計(jì)，S是所有樣本的標(biāo)準(zhǔn)差。

從計(jì)算過程可以看出，過程能力指數(shù)計(jì)算時(shí)使用子組的標(biāo)準(zhǔn)差的均值估計(jì)σ，充分考慮了子組之間的波動(dòng)，其反映的是短期的過程能力；而過程性能指數(shù)使用整體標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)σ，關(guān)注的是樣本整體的生產(chǎn)狀況，其反映的長(zhǎng)期的過程能力。

由于過程能力指數(shù)反映的生產(chǎn)過程的長(zhǎng)期過程能力，所以在系統(tǒng)中計(jì)算單元不再是單卷鋼卷，而是按照某類生產(chǎn)訂單或工藝大類計(jì)算過程能力指數(shù)。表3是一段時(shí)間的生產(chǎn)過程性能指數(shù)。

表3 工藝生產(chǎn)過程性能指數(shù)

在表3中為廠區(qū)1在一段時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的鋼卷信息，根據(jù)工藝類別計(jì)算該類別的多個(gè)鋼卷的溫度測(cè)點(diǎn)1的所有實(shí)時(shí)值所形成的Ppk值。通過比較，這段時(shí)間C1、C5、C7這三個(gè)類別的鋼卷的溫度測(cè)點(diǎn)1的Ppk值均小于1.67，所以這段時(shí)間的生產(chǎn)狀態(tài)略差，而其他類別的鋼卷的溫度測(cè)點(diǎn)1的生產(chǎn)狀態(tài)良好。

4.3 監(jiān)控工藝實(shí)時(shí)狀態(tài)

為了監(jiān)控工藝的實(shí)時(shí)狀態(tài)，同時(shí)也為了直觀地反映各個(gè)工藝在生產(chǎn)線中的分布情況，在系統(tǒng)中按照現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的分布情況繪制了生產(chǎn)流程圖，在圖中對(duì)應(yīng)位置展示不同的工藝，使用戶能很快熟悉使用系統(tǒng)。在流程圖中一個(gè)數(shù)值能對(duì)應(yīng)一個(gè)工藝點(diǎn)，顯示該工藝的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。為了及時(shí)同步生產(chǎn)數(shù)據(jù)，工藝點(diǎn)的刷新頻率一般可設(shè)置為5秒，對(duì)于少數(shù)變化頻率高的工藝，設(shè)置刷新頻率為1－2秒。圖2為某生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面。

圖2 工藝實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面

在圖2中實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前正在生產(chǎn)的鋼卷信息，包括鋼卷號(hào)、速度、溫度和厚度等重要工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，用戶可遠(yuǎn)程查看當(dāng)前的生產(chǎn)情況。

4.4 追蹤工藝歷史趨勢(shì)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器還具有使用較小的空間存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，用戶可以訪問任意時(shí)間段的任意工藝的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)保存的工藝數(shù)據(jù)都是秒級(jí)的數(shù)據(jù)，這使得工藝分析人員在需要分析工藝歷史數(shù)據(jù)時(shí)不用再為沒有數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)不足而煩惱。系統(tǒng)中提供了工藝的歷史趨勢(shì)跟蹤功能，用戶通過該功能可以比較任意時(shí)間段的趨勢(shì)，也可比較不同工藝在同一時(shí)間段的趨勢(shì)，為用戶改進(jìn)工藝提供了歷史數(shù)據(jù)依據(jù)。圖3是某工藝的一段時(shí)間的趨勢(shì)。

工藝歷史趨勢(shì)圖描述了工藝的長(zhǎng)期趨勢(shì)，通過趨勢(shì)圖能夠掌握不同鋼卷、不同時(shí)期該工藝的走向，工藝人員通過工藝的趨勢(shì)圖分析工藝、改進(jìn)工藝。在圖3中，一個(gè)柱狀圖為一卷鋼的工藝趨勢(shì)，前面較低的柱狀圖和后面較高的柱狀圖為不同鋼種類別的鋼卷，其整體趨勢(shì)具有較大差異。

4.5 生產(chǎn)工藝報(bào)表

圖3 工藝歷史趨勢(shì)

為了衡量一段時(shí)間工藝生產(chǎn)的整體狀況，本系統(tǒng)提供了各類生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能，為管理部門掌握生產(chǎn)狀況提供了依據(jù)。本系統(tǒng)充分利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器的優(yōu)勢(shì)，所有的統(tǒng)計(jì)報(bào)表都精確到秒級(jí)數(shù)據(jù)，改變了以前的報(bào)表粒度比較粗糙的狀況，生產(chǎn)線中的任一點(diǎn)變動(dòng)都能反映到報(bào)表中，例如工藝合格率報(bào)表不再根據(jù)工藝平均值合格即合格，而是計(jì)算該工藝的所有測(cè)量點(diǎn)，以合格點(diǎn)數(shù)與總點(diǎn)數(shù)之比獲得工藝合格率。

系統(tǒng)還結(jié)合了報(bào)表功能和歷史趨勢(shì)追蹤功能，當(dāng)管理部門發(fā)現(xiàn)報(bào)表中出現(xiàn)異常狀況時(shí)，可以查詢工藝的歷史趨勢(shì)，從而找到異常的原因，為管理措施的制定提供了詳細(xì)的數(shù)據(jù)依據(jù)。

5 結(jié)束語

本文提出了一種利用鋼鐵企業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中心的方法，系統(tǒng)整合了各廠區(qū)、生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，使得這些寶貴的企業(yè)數(shù)據(jù)能長(zhǎng)久保存，為企業(yè)搭建了一個(gè)基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流的應(yīng)用平臺(tái)，使得企業(yè)生產(chǎn)過程中的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)與企業(yè)級(jí)ERP系統(tǒng)之間存在信息孤島得以消除，全廠信息均衡，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化的過程管理。管理人員、工藝人員只需在系統(tǒng)客戶端前即可了解歷史／實(shí)時(shí)生產(chǎn)情況。管理水平也上升到一個(gè)新的高度，用戶獲得不再是一個(gè)粗糙的平均值，而是整個(gè)實(shí)時(shí)生產(chǎn)過程。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流的應(yīng)用還有更寬廣的應(yīng)用前景。

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