史 懿 張智杰

(上海寶鋼工業(yè)技術服務有限公司，上海 201900)

0 引言

煉鋼生產(chǎn)線全流程診斷系統(tǒng)(diagnosis system for total quality control，TQC-DS)能夠?qū)滠堖B退生產(chǎn)流程中所有影響正常生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量的環(huán)節(jié)與參數(shù)進行有效地監(jiān)測和診斷分析［1-3］。它以實現(xiàn)整個系統(tǒng)或生產(chǎn)線最優(yōu)化運行為目的，是目前質(zhì)量及產(chǎn)品品質(zhì)控制的發(fā)展方向。流程企業(yè)的設備是互相關聯(lián)的，因此不能單純地把握單體設備的狀態(tài)，而是要形成線和面的概念;也不能只單純地把握設備狀態(tài)，而是要形成全流程功能和狀態(tài)概念。

本項目以質(zhì)量控制為目的，對設備及工藝進行了全流程綜合診斷。在將各類工藝、設備狀態(tài)數(shù)據(jù)集成的基礎上，設計了C/S體系結構下的工藝、設備綜合診斷系統(tǒng)，并將其用于冷軋連續(xù)退火線的診斷。

1 TQC-DS綜合診斷系統(tǒng)

傳統(tǒng)過程診斷一般都配備有質(zhì)量系統(tǒng)、工藝控制系統(tǒng)和大監(jiān)控系統(tǒng)這三類子系統(tǒng)。而TQC-DS是一個基于全流程質(zhì)量控制概念的工藝、設備綜合診斷系統(tǒng)，它建立在質(zhì)量系統(tǒng)、工藝控制系統(tǒng)和大監(jiān)控系統(tǒng)之上。該系統(tǒng)能夠關聯(lián)周邊系統(tǒng)的狀態(tài)信息，具有優(yōu)化工藝參數(shù)、控制產(chǎn)品質(zhì)量等功能。

TQC-DS包含設備狀態(tài)監(jiān)測、工藝狀態(tài)監(jiān)測和質(zhì)量異常追溯三大功能模塊，其核心技術分為數(shù)據(jù)交換和預處理、數(shù)據(jù)集成和綜合分析三部分，以狀態(tài)發(fā)布形式實現(xiàn)對外輸出。以TQC-DS核心為原點，將所有源信息都視作周邊系統(tǒng)，這些系統(tǒng)包括基礎自動化系統(tǒng)(以下簡稱L2系統(tǒng))、過程控制系統(tǒng)(以下簡稱L3系統(tǒng))、連退質(zhì)量過程控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)倉庫、輥系、大監(jiān)控等系統(tǒng)［4-7］。

2 系統(tǒng)體系結構

TQC-DS是專門為狀態(tài)診斷開發(fā)的一套系統(tǒng)，它關聯(lián)了設備、質(zhì)量和工藝相關信息，具有綜合診斷的能力。

系統(tǒng)開發(fā)平臺設計采用C#語言，數(shù)據(jù)庫采用Oracle 10g。系統(tǒng)前端有十余類信息(來料信息、成品信息、工藝判定規(guī)則信息、質(zhì)量判定規(guī)則信息、預警規(guī)則信息、工藝規(guī)則信息、在線數(shù)據(jù)文件信息等)，數(shù)據(jù)平臺使用Socket通信方式。

TQC-DS的構建是一個涉及多方面的復雜過程，包括多種異構系統(tǒng)的集成、組織機構的重組、管理業(yè)務流程的重構以及計算機系統(tǒng)的開放互聯(lián)等。其關鍵在于必須解決好異構系統(tǒng)之間的互聯(lián)性和互操作性，最終形成一個完整的、集成化的系統(tǒng)。

TQC-DS數(shù)據(jù)交互方式如下。

①來料、成品和表面質(zhì)量等信息由周邊L2/L3系統(tǒng)根據(jù)卷號自動勾聯(lián)，TQC-DS在接收到這些信息后，立即對這些信息涉及的設備狀態(tài)進行關聯(lián)。經(jīng)長度和時間的轉換后，這些信息隨同卷信息存入來料和成品庫。

②工藝規(guī)則庫支持對來料信息的分析，分析結果在TQC-DS主界面加以顯示。

③存入成品庫的信息經(jīng)過分析后，異常信息通過L3傳給下一道工序。

④設備狀態(tài)、工藝狀態(tài)信息先完成時間戳同步(主要和離線信息同步，在線同步已經(jīng)完成)，通過篩選和抽取特征值后，由發(fā)布系統(tǒng)發(fā)布。

交換平臺建立步驟具體如下。

①由于TQC-DS需接收所有周邊系統(tǒng)的信息，因此首先考慮的是制定接口規(guī)范。要點為:以TQC-DS接口為標準，規(guī)范所有周邊系統(tǒng)的接口，符合條件的數(shù)據(jù)可以通信;不符合條件的數(shù)據(jù)經(jīng)改造后實現(xiàn)其擴展性，而不是去適應周邊系統(tǒng)的接口。

②不同的應用系統(tǒng)采用了不同的技術標準和軟硬件平臺，如果這些應用系統(tǒng)進行直接互聯(lián)，就需要為每一個系統(tǒng)開發(fā)一個接口。如果有N個應用系統(tǒng)，就需要建立N(N-1)/2個接口程序。如果某個應用系統(tǒng)發(fā)生變化，則相應的接口都需要進行調(diào)整。交換平臺需要解決這些應用系統(tǒng)間的接口問題，使平臺處于各應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換。數(shù)據(jù)交換平臺由一系列中間件、服務、接口和中心數(shù)據(jù)庫等組成，用來完成數(shù)據(jù)的存儲、格式轉換和數(shù)據(jù)交換等功能。數(shù)據(jù)交換對各應用系統(tǒng)是透明的，它通過標準化的數(shù)據(jù)接口為每個應用系統(tǒng)提供服務，各應用系統(tǒng)不需要直接連接就可以交換數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)結構設計

TQC-DS的數(shù)據(jù)交換及預處理平臺是整個TQC系統(tǒng)的核心樞紐，它向上為應用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口，處理應用數(shù)據(jù)交互;向下為周邊主機系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接入總線;在數(shù)據(jù)總線層則為各條通信回路提供消息路由。同時，該數(shù)據(jù)交換平臺應該是一個效率高、穩(wěn)定性好、可維護、可管理、可擴展的平臺。其總線式的系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構圖Fig.1 Diagram of system structure

3.1.1 邏輯結構設計要點

系統(tǒng)包括多種數(shù)據(jù)信息及類型，邏輯過程較為復雜，具體結構設計要點如下。

①實時數(shù)據(jù)

實時數(shù)據(jù)是從數(shù)據(jù)交換平臺、OPC和XM Files采集得到的當前狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，包括設備狀態(tài)、工藝參數(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量等信息。實時數(shù)據(jù)主要用于觸發(fā)模型并為其提供計算參數(shù)，其內(nèi)容已經(jīng)被包含在歷史數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)啟動時根據(jù)機組當前的狀態(tài)生成實時數(shù)據(jù)，不需要訪問數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)需要將實時數(shù)據(jù)的變化發(fā)送給模型計算系統(tǒng)模塊。

②歷史數(shù)據(jù)

歷史數(shù)據(jù)是對全流程狀態(tài)信息的一個匯總及歷史紀錄，包括來料和成品的質(zhì)量信息、生產(chǎn)鋼卷時設備狀態(tài)和工藝參數(shù)的集成信息。

③物料跟蹤信息

物料跟蹤信息用來描述鋼帶在生產(chǎn)線上位置的信息。物料跟蹤信息是關聯(lián)設備、質(zhì)量、工藝狀態(tài)信息的源信息。

④業(yè)務結果信息

模型計算結果的格式，包括狀態(tài)、缺陷、故障、異常等信息。

狀態(tài)信息用于反映機組當前工作狀態(tài)的信息;缺陷信息用于反映產(chǎn)品的質(zhì)量問題;異常信息是指需要操作人員或管理人員注意的非正常情況;故障信息是指設備沒有按照預期的方式工作以致影響任務的完成;業(yè)務表示信息是指業(yè)務結果信息對外發(fā)布的格式，它對應系統(tǒng)內(nèi)部的業(yè)務結果信息。

3.1.2 物理結構設計要點

系統(tǒng)包括6種主要數(shù)據(jù)庫，具體介紹如下。

①缺陷管理數(shù)據(jù)庫

缺陷管理數(shù)據(jù)庫是指包含缺陷定位規(guī)則、缺陷地圖定義、缺陷代碼等信息的數(shù)據(jù)庫。這些缺陷信息用于缺陷定位模塊的自動定位，以及缺陷地圖模塊中缺陷地圖的描述。

②模型數(shù)據(jù)庫

模型數(shù)據(jù)庫是指包含模型配置信息和模型庫的數(shù)據(jù)庫。模型計算模塊用此數(shù)據(jù)庫的信息保存模型，并在啟動時根據(jù)其內(nèi)容生成模型。

③歷史數(shù)據(jù)庫

歷史數(shù)據(jù)庫包含一段時間內(nèi)鋼卷的生產(chǎn)信息。它由緩存數(shù)據(jù)庫和分析數(shù)據(jù)庫兩部分組成。緩存數(shù)據(jù)庫是指最近20卷鋼卷的生產(chǎn)信息。分析數(shù)據(jù)庫是指在比較長的一段時間，比如一年之內(nèi)鋼卷的生產(chǎn)信息，這個數(shù)據(jù)庫主要用于綜合分析。

④計算結果緩存數(shù)據(jù)庫

計算結果緩存數(shù)據(jù)庫是指包含模型計算結果的臨時數(shù)據(jù)庫。因為計算結果包括缺陷，所以這個數(shù)據(jù)庫也可看成是缺陷數(shù)據(jù)庫的緩存。

⑤數(shù)據(jù)集成與關聯(lián)數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)集成與關聯(lián)數(shù)據(jù)庫包括數(shù)據(jù)適配器配置和關聯(lián)數(shù)據(jù)。它們是數(shù)據(jù)集成模塊的配置信息，不對外公開;作為配置文件與數(shù)據(jù)集成模塊一起部署，需要修改時直接修改文件。

⑥管理實時數(shù)據(jù)庫

管理實時數(shù)據(jù)庫是動態(tài)的而不是持久的。它負責為模型計算組件提供全流程狀態(tài)信息。

3.2 系統(tǒng)功能模塊的實現(xiàn)

TQC-DS系統(tǒng)根據(jù)功能的耦合關系進行分類、整合，形成了4個子系統(tǒng)。系統(tǒng)功能結構如圖2所示。

圖2 TQC-DS系統(tǒng)功能結構Fig.2 Functional structure of TQC-DS system

3.2.1 主系統(tǒng)

TQC-DS主系統(tǒng)分為系統(tǒng)管理、實時預警、模型管理、缺陷跟蹤和信息發(fā)布5個子模塊。主系統(tǒng)功能結構如圖3所示。戶注冊以及數(shù)據(jù)備份與轉存的功能;實時預警子系統(tǒng)主要完成針對設備、工藝、質(zhì)量狀態(tài)的顯示和異常預警功能;缺陷跟蹤子系統(tǒng)主要完成對產(chǎn)品缺陷的追溯功能;發(fā)布系統(tǒng)的主要功能是向技術和管理人員反映本流程內(nèi)設備、工藝、質(zhì)量的狀態(tài)和上下工序的相關參數(shù)，使生產(chǎn)工藝、設備運行、質(zhì)量控制各方面的人員可以及時獲得狀態(tài)信息，便于及時調(diào)整;綜合分析子系統(tǒng)主要完成對設備、工藝、質(zhì)量的綜合查詢與統(tǒng)計分析的功能。

圖3 主系統(tǒng)功能結構Fig.3 Functional structure of the main system

這些子模塊系統(tǒng)是一個統(tǒng)一的整體，它們協(xié)調(diào)工作，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。

3.2.2 離線子系統(tǒng)

按照設備狀態(tài)專業(yè)化把握要求，設計了由綜合管理、簡易診斷、離線精密診斷、診斷信息、知識庫、系統(tǒng)接口和系統(tǒng)管理等模塊組成的TQC-DS離線診斷子系統(tǒng)。

TQC-DS離線診斷子系統(tǒng)涵蓋信號處理、狀態(tài)監(jiān)測預警、健康評估、預測診斷和決策支撐等功能。

離線子系統(tǒng)主要對所有離線檢測診斷的設備進行統(tǒng)一管理，可以對設備的相關參數(shù)及屬性進行設置。其主要分為兩大類內(nèi)容:①設備基本屬性信息，包括設備編碼、名稱、責任者、設備位置等數(shù)據(jù)以及現(xiàn)有的分類規(guī)范等;②設備狀態(tài)判斷標準和檢測診斷參數(shù)設定情況。設備狀態(tài)管理基準是建立機電設備狀態(tài)數(shù)據(jù)庫的基礎和根本準則。

3.2.3 綜合分析子系統(tǒng)

綜合分析子系統(tǒng)通過分析定義模塊，完成綜合查詢或統(tǒng)計分析的個性化定制。綜合分析服務器運行時，自動加載分析定義文件，進行結果運算，并保存運算結果。管理員可以通過分析監(jiān)控模塊察看分析的運行情況。當用戶發(fā)出分析請求時，分析輸出模塊按照用戶要求，查詢分析結果，并按照定義好的輸出格式完成輸出。

3.2.4 狀態(tài)發(fā)布子系統(tǒng)

狀態(tài)發(fā)布子系統(tǒng)的主要功能是反映本流程內(nèi)設備、工藝、質(zhì)量的狀態(tài)和上下工序的相關參數(shù)，提供Web瀏覽方式，使生產(chǎn)工藝、設備運行、質(zhì)量控制各方面的人員可以及時獲得狀態(tài)信息。根據(jù)功能不同，信息發(fā)布子系統(tǒng)可以分為發(fā)布信息編輯、信息分類顯示、信息反饋和發(fā)布信息統(tǒng)計這4個模塊。

4 結束語

傳統(tǒng)的預防、預知狀態(tài)、可靠性等維修手段都假定質(zhì)量是可控的。普遍認為設備問題解決了，質(zhì)量自然有保證。其實不然，影響質(zhì)量的因素并非全部來自于設備，隨著設備狀態(tài)的不斷穩(wěn)定，其他因素(比如操作、工藝條件等)造成的質(zhì)量異議比例可能比設備的影響度更大。

本文建立的全流程狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)可有效把握本流程內(nèi)的所有狀態(tài)［8-11］，最大限度地減少企業(yè)生產(chǎn)所占用的資源，降低企業(yè)管理和運營成本。TQC-DS系統(tǒng)是企業(yè)發(fā)展到一定程度時的必然產(chǎn)物。研究全流程質(zhì)量控制的工藝、設備綜合診斷系統(tǒng)，對企業(yè)可持續(xù)發(fā)展有重要意義。

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