王楠，楊宏喬

（天津鋼鐵集團有限公司，天津300301）

L2系統(tǒng)在天鋼電爐車間的應用

王楠，楊宏喬

（天津鋼鐵集團有限公司，天津300301）

介紹了CONCAST公司L2系統(tǒng)在天津鋼鐵集團有限公司電爐車間的應用情況。分析了L2系統(tǒng)的構(gòu)架及網(wǎng)絡(luò)布局、系統(tǒng)硬件及軟件組成，以及L2系統(tǒng)的優(yōu)勢。根據(jù)現(xiàn)場實際使用情況，對系統(tǒng)進行了適當優(yōu)化，滿足了電爐煉鋼生產(chǎn)的需求，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

電爐；L2系統(tǒng)；模型；機制

1　引言

大型鋼鐵企業(yè)的信息化系統(tǒng)是分四層實現(xiàn)的，最上層是面向商務和計劃的ERP系統(tǒng)，中間層是面向生產(chǎn)和執(zhí)行過程的MES制造執(zhí)行系統(tǒng)，底層是過程控制系統(tǒng)L2和面向生產(chǎn)過程的基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)L1［1］。

在企業(yè)ERP的實施過程中，最困難的就是數(shù)據(jù)準備，數(shù)據(jù)準備成功與否，是ERP實施能否成功的關(guān)鍵因素?！叭旨夹g(shù)、七分管理、十二分數(shù)據(jù)”，充分表達了數(shù)據(jù)在ERP系統(tǒng)實施中的重要地位。數(shù)據(jù)的來源正是由L2作為紐帶將底層基礎(chǔ)自動化與MES這個L3系統(tǒng)連接起來的。因此L2系統(tǒng)在鋼鐵企業(yè)L1/L2/L3/L4四級結(jié)構(gòu)中起著至關(guān)重要的作用［2］。

天津鋼鐵集團有限公司電爐車間主體是由CONCAST公司進行工藝、機械及自動化系統(tǒng)整體設(shè)計，經(jīng)過電爐、精煉爐、VD爐及連鑄的生產(chǎn)過程，用于生產(chǎn)板坯及大尺寸圓坯。電爐車間主要設(shè)計有2個電爐工位，2個精煉工位，1個VD爐工位，3臺連鑄機。除1#板坯連鑄機由中冶京誠公司設(shè)計并提供設(shè)備及調(diào)試外，其他主體設(shè)備均由CONCAST公司設(shè)計，并提供設(shè)備及調(diào)試。

2　L2系統(tǒng)架構(gòu)

2.1簡介

電爐車間采用了CONCAST公司設(shè)計的L2過程控制系統(tǒng)。其主要作用就是將既獨立，但又是一個整體的車間各生產(chǎn)工位，通過L2系統(tǒng)連接在一起并將車間的整體運行情況整合后呈現(xiàn)給用戶，優(yōu)化生產(chǎn)節(jié)奏，使各工序生產(chǎn)操作人員及時全面地了解生產(chǎn)狀況，從而進行預判及生產(chǎn)調(diào)度。同時L2系統(tǒng)另一個重要作用是，能夠參與到生產(chǎn)過程控制當中，通過系統(tǒng)內(nèi)置的數(shù)學模型，對生產(chǎn)工藝參數(shù)進行實時調(diào)整，進而優(yōu)化提高產(chǎn)品質(zhì)量。

L2系統(tǒng)是負責采集生產(chǎn)車間所有基礎(chǔ)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并進行整合、優(yōu)化控制的重要環(huán)節(jié)。其向下與車間L1系統(tǒng)進行連接，通過L2系統(tǒng)工作站讀取PLC中數(shù)據(jù)，通過強大的Oracle 10g關(guān)系型數(shù)據(jù)庫對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行計算并整合，及時調(diào)整各工序生產(chǎn)動態(tài)參數(shù)及生產(chǎn)過程狀態(tài)，并通過L2系統(tǒng)工作站及客戶端的HMI畫面及時反饋給各工位操作人員及用戶。L2還是一線生產(chǎn)方和管理方之間的紐帶，作為收集信息的重要渠道和某些重要信息的補充渠道，向上負責對上一級L3系統(tǒng)提供相應數(shù)據(jù)以保證信息的完整性和準確性［3］，以期為整個公司生產(chǎn)與調(diào)度及時提供煉鋼車間的生產(chǎn)動態(tài)，為天鋼產(chǎn)銷一體化系統(tǒng)MES提供幫助。

通過與CONCAST公司設(shè)計人員的交流，結(jié)合電爐煉鋼車間的實際情況，并針對軟件應用的實際需求，L2系統(tǒng)采用了客戶端/服務器的主從式架構(gòu)（見圖1），這種結(jié)構(gòu)能夠顯著降低網(wǎng)絡(luò)流量，可以直接回答用戶查詢，提升查詢響應速度，對于24 h都在實時運轉(zhuǎn)的車間環(huán)境來說，及時對工作站及客戶端的數(shù)據(jù)請求做出反饋及響應是尤為重要的。

圖1　電爐L2系統(tǒng)主從結(jié)構(gòu)示意圖

2.2L2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)布局

電爐車間L2系統(tǒng)采用的是環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2　電爐L2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

其優(yōu)點在于當網(wǎng)絡(luò)中有一個連接點出現(xiàn)問題而斷開時，整條L2網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)還是一條通路，工作不受影響，不會因此造成工作站、客戶端與服務器之間通訊中斷，避免對生產(chǎn)造成影響。

3　系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)不同的功能及作用，本套L2系統(tǒng)中使用的計算機可分為3類：服務器、工作站及客戶端。其中服務器作為整個L2網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換中心，對所有生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行收集并整合，工作站位于每一個操作工位，其作用是實時跟蹤現(xiàn)場生產(chǎn)狀態(tài)，通過采集L1的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)上報服務器，并根據(jù)生產(chǎn)的動態(tài)變化對生產(chǎn)參數(shù)適時調(diào)整，以達到優(yōu)化生產(chǎn)的目的，客戶端主要是對生產(chǎn)狀況的反應，并不直接參與到系統(tǒng)控制中。

3.1L2硬件系統(tǒng)

傳統(tǒng)的以一臺服務器主機作為整套L2系統(tǒng)中心的配置存在一定缺陷。盡管一臺服務器主機的幾塊硬盤之間可以進行RAID配置，當出現(xiàn)其中一塊硬盤故障時，服務器仍能保持正常運行。但若出現(xiàn)硬盤故障以外的問題時，整臺服務器將無法工作，即L2系統(tǒng)將整體癱瘓，這對于有24 h連續(xù)生產(chǎn)作業(yè)的煉鋼生產(chǎn)車間是極為不便且危險的，嚴重時可能造成連鑄拉鋼過程中動態(tài)配水、輕壓下等參數(shù)失控，對鑄坯質(zhì)量造成不可逆的影響。

為了能夠使L2系統(tǒng)更加穩(wěn)定的運行，本套L2系統(tǒng)采用一用一備的服務器組策略，配備兩套L2服務器組。每組由2臺戴爾Poweredge 2950服務器主機構(gòu)成，2臺主機通過QLogic fibre channel adapters進行連接配置，2臺主機作為互備同時在線運行。當其中一個主機出現(xiàn)故障時，可以自動切換到另一臺主機工作，切換時間只有2min，由此保證了L2系統(tǒng)的正常運行；配備一個EMC Clarion AX150存儲系統(tǒng)，作為收集現(xiàn)場大量數(shù)據(jù)的存儲介質(zhì)；配備一個EMC UPS設(shè)備，作為臨時斷電期間備用電源使用。

現(xiàn)場生產(chǎn)的主要操作工位都配備有2臺工作站，工作站作為過程控制計算機參與到生產(chǎn)控制當中。結(jié)合天鋼煉鋼車間的現(xiàn)場情況，電爐車間L2系統(tǒng)對廢鋼加料系統(tǒng)進行了改進，針對天車操作室空間狹小，不便于擺放計算機，有線網(wǎng)絡(luò)接入困難等缺點，最終采用了先進的無線發(fā)射、接收數(shù)據(jù)的方式。在車間適當位置安裝無線發(fā)射裝置，天車操作室配備具有無線接收功能的觸摸屏計算機設(shè)備，使天車操作工能夠在操作室內(nèi)通過HMI人機交互界面實時掌握當前的生產(chǎn)狀態(tài)，通過預覽近幾爐有冶煉需求計劃的爐次，及時進行廢鋼配包操作。相比以往只能通過電話、對講告知天車人員生產(chǎn)情況及加料需求等情況，人機交互界面的直觀性及操作的便利性，極大縮短了生產(chǎn)準備的等待時間，優(yōu)化了生產(chǎn)流程。

L2系統(tǒng)客戶端使用者為現(xiàn)場生產(chǎn)調(diào)度，系統(tǒng)維護工程師、冶金工程師、鋼包維護人員等?？蛻舳酥恍柽B接至L2網(wǎng)絡(luò)，與L2數(shù)據(jù)庫之間進行數(shù)據(jù)交換，不需參與到實際生產(chǎn)中。

3.2L2軟件系統(tǒng)

L2又被稱為過程控制系統(tǒng)，其重要性就在于能夠及時采集各個點位參數(shù)的變化，根據(jù)內(nèi)建模型的計算得出最優(yōu)數(shù)據(jù)，最終再反饋回最前端，對生產(chǎn)動態(tài)進行實時響應及動態(tài)調(diào)整。其優(yōu)勢在于通過對生產(chǎn)工藝參數(shù)、調(diào)度系統(tǒng)的實時優(yōu)化，使各工序產(chǎn)品質(zhì)量達到最優(yōu)，生產(chǎn)節(jié)奏更加緊湊。

L2所有計算機均采用了微軟的XP Professional系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫采用了Oracle 10g Standard Edition版本，L2工作站通過Siemens Softnet S7軟件與L1進行通訊來對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集。

3.2.1軟件構(gòu)成

CONCAST公司的L2系統(tǒng)經(jīng)過多年現(xiàn)場實踐，已經(jīng)擁有了一套完整的程序結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同工位的生產(chǎn)特點，都配備有不同的控制參數(shù)與模型。各工序都分別有其獨立的應用模塊與之匹配，來滿足不同工序的過程控制要求，如生產(chǎn)計劃的接收、化驗室試樣分析結(jié)果、本工位過程控制參數(shù)設(shè)定等。電爐、精煉爐、VD爐、連鑄等各工作站分別運行有EAF.EXE、LMF.EXE、VTD.EXE、CCM.EXE模塊；調(diào)度系統(tǒng)、廢鋼加料區(qū)域、冶金工程師分別運行有PROD.EXE，YARD.EXE，METAL.EXE模塊；額外還有報表模塊REPORT.EXE、設(shè)備壽命跟蹤模塊EQUIP.EXE模塊、負責與L1系統(tǒng)通訊的模塊GATE. EXE、數(shù)據(jù)庫定期清理與備份模塊SENTRY1.EXE、BACKUP.EXE等。各種不同的應用模塊結(jié)合在一起組成了一套完整的電爐L2過程控制系統(tǒng)。

3.2.2連鑄動態(tài)凝固模型簡介

L2系統(tǒng)最重要的核心技術(shù)是過程控制中對于工藝技術(shù)的各種模型理論，這些都是經(jīng)過長期的摸索及現(xiàn)場實踐得出的，對提升產(chǎn)品質(zhì)量起到了極其重要的作用。而在各生產(chǎn)工序中，連鑄工序是將液態(tài)鋼水轉(zhuǎn)換為固態(tài)鋼坯的最終環(huán)節(jié)，為了提高煉鋼設(shè)備的生產(chǎn)率，同時提高產(chǎn)品總體質(zhì)量，減少缺陷的再次發(fā)生，優(yōu)化連鑄工序生產(chǎn)過程是重要的環(huán)節(jié)。一些性能的控制如鑄流表面溫度和凝固長度是非常重要的。為防止在工藝過程中形成裂紋和引起其它缺陷，表面和內(nèi)部質(zhì)量問題受結(jié)晶器和二冷區(qū)中的熱能傳導的影響較大。

由于連鑄工藝的復雜性，變量的數(shù)量較多，收集有用的測量值較困難。由于工藝過程控制硬件技術(shù)的進步，越來越廣泛應用數(shù)學方法解決導熱數(shù)學模型、機器的機械性能。數(shù)學模型可用于監(jiān)視、控制和優(yōu)化工藝。

CONCAST L2系統(tǒng)連鑄模型能夠?qū)︿撍疁囟冗M行實時監(jiān)測，對鋼水凝固過程和相變的瞬間傳熱過程用有限元法進行計算。在澆鑄時，連鑄機的機械參數(shù)和鋼種相關(guān)的物化性能被正確輸入到數(shù)據(jù)庫中，經(jīng)過L2系統(tǒng)數(shù)學模型（見圖3）進行計算，實時監(jiān)控動態(tài)二冷的設(shè)定點。L2工作站則從L1自動讀取主要數(shù)據(jù)，所有鑄流會在線形成熱分析并通過L2工作站的人機交互界面展現(xiàn)出來。

模型的結(jié)果是沿著澆鑄長度方向橫斷面的溫度圖形。這個圖形決定了表面溫度、坯殼厚度及冶金長度的模型，即鑄流完全凝固后凝固液芯（見圖4）。在線測試時測量溫度和水流的調(diào)節(jié)模型參數(shù)，并達到與實際工藝性能相一致。

圖4顯示出了鑄坯斷面和在x軸方向連鑄長度的預定點，在這個圖上顯示的變量為：溫度、坯殼厚度、在中心線的凝固系數(shù)、熱通量、二冷噴淋水流量、二冷噴淋水熱傳遞系數(shù)。

4　數(shù)據(jù)的整合及優(yōu)化

4.1外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)的整合

圖3　模型優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖

圖4　冷卻過程HMI畫面

L2系統(tǒng)并非封閉于外部網(wǎng)絡(luò)而獨立運行，因此涉及到與外部系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。結(jié)合電爐車間的實際情況，電爐L2系統(tǒng)包含內(nèi)建的事件廣播機制，允許所有運行的L2模塊之間互相發(fā)送生產(chǎn)過程中發(fā)生的各種類型事件的信號。此內(nèi)建機制同樣可以用來支持將外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合到本地L2系統(tǒng)中，如化學實驗室數(shù)據(jù)，中冶京誠公司設(shè)計的1#板坯連鑄機L2系統(tǒng)，以及致力于工廠生產(chǎn)控制的天鋼中厚板產(chǎn)銷一體化的L3系統(tǒng)。這些外部系統(tǒng)相當于電爐L2系統(tǒng)的伙伴，有事件發(fā)生時，內(nèi)建廣播機制向合作伙伴廣播一組與生產(chǎn)過程和生產(chǎn)事件相關(guān)的事件，以及與事件相關(guān)的一些額外必需的詳細事件數(shù)據(jù)。參與事件廣播的各方，是基于相互訪問各系統(tǒng)公共接口路徑的關(guān)系數(shù)據(jù)庫表而獲取相關(guān)事件發(fā)生的數(shù)據(jù)。

此事件廣播機制是基于一個共同的數(shù)據(jù)庫表，命名為ENV_EVENT，它有以下的邏輯結(jié)構(gòu)（見圖5），各合作伙伴之間通過定期循環(huán)讀取此公共結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫表，便能得知是否有新的事件發(fā)生并及時更新系統(tǒng)狀態(tài)。

圖5　與外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換邏輯圖

如前所述，相對于電爐車間，外部系統(tǒng)是由不同的三方組成，由于1#板坯連鑄系統(tǒng)與L3系統(tǒng)都有比較系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫架構(gòu)，因此適用于上面介紹的方法。而化學實驗室的數(shù)據(jù)交換只對應于實驗室的分析儀器，因此針對文件傳輸、串口傳輸及數(shù)據(jù)庫直接讀取3種不同的數(shù)據(jù)獲取方式，經(jīng)過與CONCAST L2工程師共同分析及討論3種數(shù)據(jù)傳輸方式的可行性及便利性，最終確定數(shù)據(jù)傳輸采取通過文件傳輸?shù)姆绞健Ｔ诨瘜W實驗室配備一臺L2客戶端，化驗室分析儀生成的數(shù)據(jù)文件寫入此客戶端一個事先定義好的路徑，在L2服務器端，通過專有的SENTRY1程序?qū)Υ寺窂较挛募M行定期讀取，以達到接收化驗室成分的目的。

4.2結(jié)合生產(chǎn)實際的優(yōu)化

CONCAST L2系統(tǒng)是一套成型的結(jié)構(gòu)，照搬整套系統(tǒng)會與電爐車間生產(chǎn)實際情況不符，軟件中有些數(shù)據(jù)及邏輯結(jié)構(gòu)無法滿足電爐生產(chǎn)的實際需求，因此需要對軟件的設(shè)計進行更貼合實際的優(yōu)化及改動，這樣才能使生產(chǎn)節(jié)奏最緊湊，產(chǎn)品質(zhì)量最優(yōu)化，人員匹配合理化，最終才能體現(xiàn)L2系統(tǒng)的高效利用率，因此需要對本套L2系統(tǒng)進行設(shè)計上的優(yōu)化及精簡。

為了有一個完整的生產(chǎn)計劃和報表，將非CONCAST公司設(shè)計的1#板坯連鑄機的數(shù)據(jù)整合到CONCAST L2中；為板坯L2系統(tǒng)提供一個公共路徑用來獲取生產(chǎn)及計劃所需的必備數(shù)據(jù)；將中包連續(xù)測溫數(shù)據(jù)整合到CCM爐次報表中；大包壽命跟蹤功能增添2個以分鐘為單位的數(shù)據(jù)，從前一爐澆鑄結(jié)束到本爐出鋼開始的時間及從本爐出鋼開始到本爐澆鑄結(jié)束的時間；對在線報表的保存時間進行了調(diào)整，詳細報表改為保存5周，標準報表保存時間修改為1年。

5　結(jié)束語

對于鋼鐵企業(yè)來說，產(chǎn)品質(zhì)量好壞、生產(chǎn)節(jié)奏快慢、人員使用是否合理這些都是市場競爭的重要因素。CONCAST公司L2系統(tǒng)具備先進的設(shè)計理念及模型優(yōu)化技術(shù)，能夠滿足電爐煉鋼生產(chǎn)的需求，并且提高了產(chǎn)品質(zhì)量。同時，經(jīng)過符合現(xiàn)場實際的系統(tǒng)功能優(yōu)化后，通過運行一段時間，經(jīng)過現(xiàn)場操作人員的反饋看出，系統(tǒng)優(yōu)化提升了人員操作的熟練性，系統(tǒng)使用的便利性，優(yōu)化后的系統(tǒng)很好地提高了生產(chǎn)節(jié)奏和效率，使人員配置得到了更加高效的利用，為提高企業(yè)的競爭力起到了重要作用。

［1］曹江輝，王寧生，解放.制造執(zhí)行系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.高技術(shù)通訊，2003（6）：100-105.

［2］吳凡.鋼鐵行業(yè)實施ERP的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.計算機集成制造系統(tǒng)CIMS，2002，8（6）：500-504.

［3］漆永新.鋼鐵企業(yè)信息化新技術(shù)（上）［J］.冶金自動化，2005，29（3）：124.

Application of L2 System at Tiangang EAFMeltshop

WANG Nan and YANG Hong-qiao
（Tianjin Iron and Steel Group Co.，Ltd.，Tianjin 300301，China）

The paper introduces the application of CONCAST L2 system to EAF meltshop of Tianjin Iron and Steel Group Co.，Ltd.and analyzes the architecture and network layout，system hardware and software constitution and advantages of L2 system.The system was optimized according to the actual situation on site tomeet the requirementby EAFmelting production，improving productivity and productquality.

EAF；L2 system；model；mechanism

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.04.012

2016-03-07

2016-04-07

王楠（1982—），女，遼寧鞍山人，碩士，工程師，主要從事二級系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及軟件維護管理工作。