邱碧濤 鄭漢誠 陳子宏 萬險峰

(武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院,湖北 武漢 430080)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在中間試驗工廠的開發(fā)與應(yīng)用

邱碧濤 鄭漢誠 陳子宏 萬險峰

(武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院,湖北 武漢 430080)

基于中間試驗工廠設(shè)備多而雜的特點,為了提升中間試驗工廠的管理能力和設(shè)備利用率,對中間試驗工廠的設(shè)備功能進(jìn)行了研究,提出了基于Framework的分布式系統(tǒng)方案。在方案實施中,對與Framework系統(tǒng)不兼容的設(shè)備進(jìn)行了改造升級,成功實現(xiàn)了各種不同接口設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集。并在此基礎(chǔ)上開發(fā)出了專用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),為中間試驗工廠的設(shè)備運(yùn)行、科研調(diào)度提供了有力的技術(shù)支撐,同時也為其他鋼廠設(shè)備的引進(jìn)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的建立提供了可以借鑒的經(jīng)驗。

數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)庫 工業(yè)數(shù)據(jù) 中間試驗 科研調(diào)度 設(shè)備管理

0 引言

隨著中國鋼鐵產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,數(shù)字化技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于冶金領(lǐng)域。冶金企業(yè)流程多,工藝復(fù)雜,運(yùn)行過程中必然會產(chǎn)生大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù),作為數(shù)字化技術(shù)的一個重要組成部分,數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用變得越來越重要[1]。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵是如何收集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、整合數(shù)據(jù)和決策。武鋼中間試驗工廠作為鋼鐵企業(yè)的技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu),其設(shè)備與其他生產(chǎn)單位有著不同的特點,分散性、種類多、接口多。為了充分發(fā)揮設(shè)備的功能,提升科研管理的技術(shù)水平,促進(jìn)各類新產(chǎn)品研發(fā)在中間試驗工廠的落實,迫切需要開發(fā)一套生產(chǎn)流程相關(guān)設(shè)備信息采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),使不同作業(yè)計劃的車間能連續(xù)地、同步地、均衡地生產(chǎn)。在此基礎(chǔ)上,實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的共享,方便數(shù)據(jù)的查詢、比較、統(tǒng)計等后續(xù)處理。

武鋼中間試驗工廠始建于2004年,主要參數(shù)指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平,設(shè)備來自世界各地,產(chǎn)品規(guī)格從0.25 mm到25 mm,既有冷軋板又包括熱軋板。生產(chǎn)流程為中頻爐(電爐)→真空爐(LF爐)→板坯加熱爐→熱軋→熱剪→冷床→收集臺架→冷軋→熱處理→沖壓→激光焊接→機(jī)加工。

1 數(shù)據(jù)采集方案

中間試驗工廠生產(chǎn)的產(chǎn)品分類細(xì)、規(guī)格多、對產(chǎn)品的質(zhì)量要求高。因此在開發(fā)新產(chǎn)品以及對新產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化時,需要對現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)的分析、模擬,從而為產(chǎn)品成分、工藝模型的制定提供可靠的科學(xué)依據(jù),縮短開發(fā)和研制周期?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)的提取需要關(guān)聯(lián)生產(chǎn)設(shè)備,由于中間試驗工廠設(shè)備來自世界各地,控制系統(tǒng)不盡相同,接口也各種各樣。為了實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)自動采集,需要區(qū)別對待,分別處理。對于現(xiàn)場具備數(shù)據(jù)采集接口的設(shè)備,通過網(wǎng)絡(luò)直接接入到數(shù)據(jù)庫中;對于因控制系統(tǒng)和方式不具備條件的設(shè)備,則在現(xiàn)場設(shè)置采集工作站,通過人工輸入方式,將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)庫中。

熱軋試驗區(qū)包括加熱爐、熱軋機(jī)、層流冷卻,它們的控制系統(tǒng)為西門子公司的S7-400 PLC,且均帶以太網(wǎng)接口,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集相對容易。設(shè)計方案是在電氣室中設(shè)置一套數(shù)據(jù)采集計算機(jī)。該計算機(jī)具有雙網(wǎng)卡,一塊用來與現(xiàn)有的控制系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信,另一塊通過光纖網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與采集數(shù)據(jù)庫服務(wù)器系統(tǒng)相連。這樣,即保證了原有控制系統(tǒng)的完整與安全,又實現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動采集。對于500 kg真空感應(yīng)爐,它的控制系統(tǒng)是AB公司的PLC,型號為SLC 5/05。CPU本身也有以太網(wǎng)接口,采集實現(xiàn)方案與上類似。

激光區(qū)域包括激光毛化設(shè)備、激光拼焊設(shè)備和激光三維切割設(shè)備,控制系統(tǒng)是西門子公司的S7-300 PLC,不帶CP-343-1網(wǎng)絡(luò)接口,因此無法實現(xiàn)自動數(shù)據(jù)采集。為此,在激光毛化/拼焊操作室和激光三維切割操作室各設(shè)置一臺采集計算機(jī),操作人員通過應(yīng)用程序手工輸入設(shè)備與工序數(shù)據(jù),通過網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器聯(lián)網(wǎng),將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。

熱處理區(qū)域設(shè)備來自日本,控制系統(tǒng)是三菱公司的PLC,型號為FX2N-64MR和FX2N-128MR。這類PLC不帶網(wǎng)絡(luò)接口,外部設(shè)備與之通信一般是通過編程口實現(xiàn)。因此,需要在現(xiàn)場設(shè)置一臺通信計算機(jī),通過串口和編程電纜實現(xiàn)通信,所采集的數(shù)據(jù)通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳送到采集數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 熱處理區(qū)域數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the data acquisition system in heat processing area

根據(jù)中試工廠的需要,熱處理區(qū)域需要增加質(zhì)子流量計、氫氣分析儀、露點儀,通過改造,使其具備溫度、氫分、露點、爐壓、氣體流量參數(shù)的采集、記錄功能。上述參數(shù)必須自動采集,并能傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫系統(tǒng)中,這樣就需要對這熱處理區(qū)域的設(shè)備進(jìn)行改造,改造的原則是在不影響爐子現(xiàn)有控制系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上,通過增加智能儀表和相應(yīng)的檢測點達(dá)到數(shù)據(jù)采集的目的。具體方案為:在控制柜內(nèi)增加一套PLC,型號為西門子S7-300,作為現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)采集PLC。該P(yáng)LC帶網(wǎng)絡(luò)接口CP-343-1,通過模擬量輸入模塊,將智能儀表的信號采集到PLC中,再通過所設(shè)計的現(xiàn)場采集計算機(jī)和OPC技術(shù),實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集。

2 網(wǎng)絡(luò)硬件配置

對于中間試驗工廠數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)硬件構(gòu)成,結(jié)合現(xiàn)有條件,設(shè)計方案為:設(shè)置3套中心交換機(jī),分別放置在辦公樓的中心機(jī)房、熱軋試驗區(qū)機(jī)房和冷軋試驗區(qū)機(jī)房內(nèi),它們通過光纜連接,組成一個整體局域網(wǎng)。服務(wù)器、工程師站、編程站直接連接到中心交換機(jī)上,各采集站則通過帶光口的工業(yè)交換機(jī)與中心交換機(jī)相連接。

根據(jù)科研調(diào)度系統(tǒng)的實際需求,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配置了一套數(shù)據(jù)采集服務(wù)器和一套Web應(yīng)用服務(wù)器,分別用于保存所采集的科研生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及實現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度和設(shè)備信息管理。服務(wù)器采用IBM公司的產(chǎn)品IBM System 3850,配置CPU為Intel至強(qiáng)系列,主頻2.8 GHz,內(nèi)存16 GB;硬盤為6個小尺寸串行連接小型計算機(jī)系統(tǒng)接口(serial attached small computer system interface, SAS)硬盤,每個硬盤的容量為300 GB,支持熱插拔;采用RAID-5方式,5個為工作盤,1個為備用盤。這樣的結(jié)構(gòu)能夠極大地提高運(yùn)行的安全性,降低故障率,也便于今后的系統(tǒng)維護(hù)。系統(tǒng)帶2個千兆以太網(wǎng)接口,配置雙電源。服務(wù)器操作系統(tǒng)采用MS Windows Server 2008 (64位),數(shù)據(jù)庫則采用Oracle 10g。

為了應(yīng)用軟件的開發(fā)和今后維護(hù)的需要,系統(tǒng)設(shè)置工程師站2套和編程站3臺。工程師站采用HP公司的HP Z200工作站,編程站為Dell公司的移動編程站。另外,系統(tǒng)配置了2臺網(wǎng)絡(luò)打印機(jī),型號為HP LaserJet 5200dTN,用于打印生產(chǎn)作業(yè)報表和生產(chǎn)文件。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the data acquisition system

3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是支撐在服務(wù)器、主機(jī)中運(yùn)行的應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)存儲平臺。作為企業(yè)級的數(shù)據(jù)庫,應(yīng)包括支撐管理信息存儲的關(guān)系數(shù)據(jù)庫、支撐過程控制和數(shù)據(jù)采集信息存儲的實時數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品的選型是讓生產(chǎn)單位的重要數(shù)據(jù)能夠在快速及安全的條件下,使所有的生產(chǎn)及營運(yùn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過信息系統(tǒng)應(yīng)用程序的操作存放于該數(shù)據(jù)庫中。

目前,中間試驗工廠信息中心主要應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)操作類型主要分為兩大類,即事務(wù)交易類和決策支持類。大部分的決策支持類應(yīng)用主要集中在數(shù)據(jù)中心類似架構(gòu)的應(yīng)用系統(tǒng),用于完成報表分析、統(tǒng)計匯總等操作。事務(wù)交易類操作主要集中在應(yīng)用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)管理功能,映射到數(shù)據(jù)庫的操作主要是數(shù)據(jù)的增加、刪除、修改和查詢。

4 應(yīng)用開發(fā)架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)平臺采用自有知識產(chǎn)權(quán)的Framework框架,基于當(dāng)今國際上軟件開發(fā)的前沿技術(shù),實現(xiàn)以J2EE、SOA為框架基礎(chǔ),以Web service為界面接口,以輕量級目錄存取協(xié)定(lightweight directory access protocol,LDAP)為標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一身份認(rèn)證服務(wù)體系。本設(shè)計規(guī)劃采用在大型鋼鐵企業(yè)應(yīng)用成熟的、規(guī)范的軟件開發(fā)標(biāo)準(zhǔn),兼顧滿足對軟件開發(fā)進(jìn)度、質(zhì)量、實施過程的監(jiān)控和輔助管理,充分體現(xiàn)出該軟件平臺的先進(jìn)性、可靠性、可擴(kuò)充性與高效率運(yùn)行的要求。

自主開發(fā)的Framework框架技術(shù)特點如下。

①能快速地提高開發(fā)效率,使開發(fā)人員可以借助平臺與工具,快速開發(fā)出高質(zhì)量的Web應(yīng)用,并能自主地對平臺進(jìn)行創(chuàng)造性擴(kuò)展。

②基于標(biāo)準(zhǔn)的主流技術(shù),采用開放式松耦合架構(gòu),日后能夠方便地吸收其與第三方的優(yōu)秀成果。

③運(yùn)行性能佳,包括前臺用戶的操作性能、后臺抗瞬間大并發(fā)峰值性能和抗持續(xù)大并發(fā)的穩(wěn)定性性能。

④重視全方位的技術(shù)服務(wù),包括現(xiàn)場服務(wù)與遠(yuǎn)程服務(wù)。

5 數(shù)據(jù)報表

生成的數(shù)據(jù)報表包括原料規(guī)格、狀態(tài)、成品厚度、軋制道次、加熱溫度、變形量、循環(huán)次數(shù)、退火類別、保護(hù)氣體等,各類表格達(dá)到上百種。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動生成的冷軋工藝表截圖如圖3所示。

圖3 冷軋工藝表截圖Fig.3 Screenshot of cold rolling technological process table

6 結(jié)束語

中間試驗工廠在線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是中間試驗工廠數(shù)據(jù)集成的一次新的革新,它使各類不同的設(shè)備首次集成在一個系統(tǒng)中。通過該系統(tǒng),一方面產(chǎn)品研發(fā)人員可以分析信息數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù),有效地減少和避免產(chǎn)品質(zhì)量問題;同時科研人員可以借鑒和參考數(shù)據(jù)庫信息,分析工程數(shù)據(jù),提出產(chǎn)品成分、工藝改進(jìn)的具體方案,有效地減少了科研人員的重復(fù)勞動量,大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。另一方面也有利于中間試驗工廠對科研人員、設(shè)備、研發(fā)質(zhì)量進(jìn)行有效管理,把武鋼中間試驗工廠建設(shè)提升到更高的層次,提高武鋼新品種在國內(nèi)、外市場的影響力。

[1] 徐龍.工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在南鋼的應(yīng)用與實現(xiàn)[J].信息技術(shù), 2012,24(2):102.

Development and Application of the Data Acquisition System in Intermediate Pilot plant

The equipment in intermediate pilot plant is numerous and miscellaneous,in order to upgrade management capability and equipment utilization of the intermediate pilot plant,the equipment functions of the plant are researched,and the distributed system scheme based on Framework is proposed.In implementation of the scheme,the equipment which is incompatible with Framework is revamped or upgraded,thus data acquisition for various equipment with different interface is realized successfully,and on this basis,dedicated data acquisition system is developed;to provide technical support for equipment operation and science and research scheduling in intermediate pilot plant.In addition,it also provides experience for importing other equipment of iron and steel works and constructing data acquisition system.

Data acquisition Database Industrial data Intermediate experiment Scientific and research scheduling Equipment management

TM56

A

修改稿收到日期:20140-4-28。

邱碧濤(1976-),男,2005年畢業(yè)于武漢科技大學(xué)自動控制專業(yè),獲碩士學(xué)位,高級工程師;主要從事冶金設(shè)備的研究。