李　冰

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安　710089)

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的普及，我國(guó)各企業(yè)目前正逐步集成資源規(guī)劃系統(tǒng)ERP、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES以及生產(chǎn)控制系統(tǒng)PCS，企業(yè)在此趨勢(shì)下必須通過有效手段對(duì)生產(chǎn)流程進(jìn)行檢測(cè)控制，從而為決策提供生產(chǎn)流程中的數(shù)據(jù)、狀態(tài)等信息支持。本文針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)中小型冶金企業(yè)生產(chǎn)流程的在線監(jiān)測(cè)展開研究，以電解鋁企業(yè)為例，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種與該企業(yè)的資源規(guī)劃系統(tǒng)ERP能夠結(jié)合的基于在線計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)的冶金流程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而幫助冶金企業(yè)提高生產(chǎn)管理水平。

1　電解鋁企業(yè)生產(chǎn)流程監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

就目前來看，我國(guó)一些剛建成的新電解鋁企業(yè)達(dá)到了世界先進(jìn)的技術(shù)指標(biāo)，但在相同系列槽型的前提下，我國(guó)電解鋁企業(yè)整體上仍與發(fā)達(dá)國(guó)家之間有著一定的差距。舉例來說，目前我國(guó)電解鋁企業(yè)的大型預(yù)焙鋁電解槽的電流效率約為93%，發(fā)達(dá)國(guó)家則超過了95%，差距在2%以上；我國(guó)電解鋁企業(yè)的陽極效應(yīng)系數(shù)為0.4次/槽·日，而發(fā)達(dá)國(guó)家則低于0.2次/槽·日[1]；我國(guó)電解鋁企業(yè)的預(yù)焙槽平均壽命不到4年，而發(fā)達(dá)國(guó)家則為我國(guó)的兩倍。

面對(duì)我國(guó)電解鋁企業(yè)生產(chǎn)水平較為落后的現(xiàn)狀，迫切需要提高生產(chǎn)技術(shù)以及生產(chǎn)流程監(jiān)測(cè)水平。相比較而言，生產(chǎn)技術(shù)的提高是一項(xiàng)長(zhǎng)期的任務(wù)，而生產(chǎn)流程監(jiān)測(cè)水平則能夠在短期內(nèi)收到立竿見影的效果。目前，我國(guó)電解鋁企業(yè)在生產(chǎn)流程監(jiān)測(cè)方面普遍采用集中—分布式系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是將槽控機(jī)作為下位機(jī)的方式來控制電解槽，而數(shù)據(jù)采集則是通過自動(dòng)控制室的上位機(jī)來實(shí)現(xiàn)，其軟件功能基本完善，但硬件方面不夠穩(wěn)定，容易出現(xiàn)各種故障。除此之外，許多中小型電解鋁企業(yè)的生產(chǎn)流程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有本地化的局限性，片面重視生產(chǎn)流程監(jiān)測(cè)的功能開發(fā)，忽視了與整體信息的集成，從而造成企業(yè)整體信息難以實(shí)現(xiàn)共享，嚴(yán)重制約企業(yè)的全面發(fā)展。

2　電解鋁生產(chǎn)過程監(jiān)測(cè)目標(biāo)

針對(duì)目前我國(guó)電解鋁企業(yè)生產(chǎn)流程監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀中存在的諸多問題，必須開發(fā)一套可靠穩(wěn)定、高效實(shí)用的企業(yè)生產(chǎn)流程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這就需要通過對(duì)電解鋁企業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)進(jìn)行分析，以此確定主要監(jiān)測(cè)目標(biāo)，從而奠定開發(fā)與實(shí)現(xiàn)電解鋁生產(chǎn)過程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

2.1　電解鋁生產(chǎn)特點(diǎn)分析

目前，電解鋁生產(chǎn)的主要原料有氧化鋁、冰晶石、氟化鈣以及氟化鎂等，其中冰晶石是主要熔劑，而氟化鈣與氟化鎂作為添加劑來使用。電解鋁生產(chǎn)主要采用冰晶石—氧化鋁熔鹽電解的方法來進(jìn)行，其生產(chǎn)流程如下[2]：首先在電解槽中接入直流電源，通過兩個(gè)電極產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)對(duì)氧化鋁與冰晶石進(jìn)行電解，得到鋁液等產(chǎn)物；然后將液體鋁用真空抬包抽出，并進(jìn)行凈化及澄清處理；最后，將處理后的液體鋁澆鑄成鋁錠，即加工各種鋁材的半成品材料。從上述流程可以看到，電解鋁生產(chǎn)過程是依照著固定工序來進(jìn)行連續(xù)加工的，是典型的流程型生產(chǎn)過程，其特點(diǎn)是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較為單一、難以擴(kuò)大電解槽的生產(chǎn)能力、無法靈活終止生產(chǎn)流程、設(shè)備昂貴以及能耗巨大等。

2.2　電解鋁生產(chǎn)過程監(jiān)控目標(biāo)

電解鋁生產(chǎn)過程的主要技術(shù)參數(shù)有：電解槽工作電壓、電解質(zhì)相關(guān)參數(shù)、陰極壓降和效應(yīng)系數(shù)等。其中，電解槽工作電壓必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，保持最佳熱平衡，若電壓過高或過低都會(huì)降低電流效率。由于在生產(chǎn)過程中電解槽工作電壓隨電流的波動(dòng)而起伏，因此在采集數(shù)據(jù)時(shí)主要針對(duì)電解槽電阻來進(jìn)行，其計(jì)算公式如下[3]：

R=(V-C)/I

(1)

在式(1)中，R為電解槽的電阻值；V為電解槽的電壓值；C代表反電動(dòng)勢(shì)，為固定值；I則代表電解槽的電流值。V與I的值可以通過采樣進(jìn)行測(cè)定。

電解鋁生產(chǎn)過程監(jiān)控的主要工作內(nèi)容包括對(duì)加料、出鋁、抬母線以及陽極交換等進(jìn)行監(jiān)控，相應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由加料次數(shù)、陽極變化次數(shù)、出鋁開始時(shí)間記錄信息、換極時(shí)間記錄信息以及應(yīng)起始時(shí)間記錄信息等構(gòu)成。管理者通過上述這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息來掌握電解槽工作情況。 此外，在電解鋁生產(chǎn)過程中，陽極效應(yīng)的相關(guān)情況及發(fā)生頻率是判斷電解槽工作狀態(tài)的主要指標(biāo)。為了安全穩(wěn)定地進(jìn)行電解鋁生產(chǎn)，必須采取有效措施來減少陽極效應(yīng)的持續(xù)時(shí)間，降低其系數(shù)。當(dāng)發(fā)生陽極效應(yīng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電解槽電壓的突然增高，因此可以利用此特征對(duì)陽極效應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3　電解鋁生產(chǎn)流程在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1　系統(tǒng)功能需求分析

本文所設(shè)計(jì)的電解鋁生產(chǎn)流程在線計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其主要功能需求包含以下幾方面：

1)用戶監(jiān)測(cè)界面。通過該界面，用戶可以對(duì)電解槽的工作狀態(tài)以及主要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且具有標(biāo)示出非正常運(yùn)行電解槽的功能；

2)獨(dú)立設(shè)備的查詢界面。用戶通過該界面，能夠快速準(zhǔn)確地查詢某臺(tái)電解槽等獨(dú)立設(shè)備的工作狀態(tài)以及主要參數(shù)等數(shù)據(jù)；

3)趨勢(shì)分析功能。該功能主要用于將參數(shù)轉(zhuǎn)化為曲線圖，并且提供實(shí)時(shí)及歷史趨勢(shì)分析功能，從而為用戶直觀地反映出參數(shù)變化趨勢(shì)；

4)自動(dòng)報(bào)警功能。當(dāng)主要參數(shù)的變化滿足預(yù)先設(shè)置的報(bào)警條件時(shí)，本系統(tǒng)能夠通過警示燈閃爍、語音播報(bào)等形式進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，從而提醒相關(guān)人員對(duì)問題進(jìn)行妥善處理；

5)生成報(bào)表、報(bào)表查詢及打印等功能，從而向生產(chǎn)管理者輸出所需要的報(bào)表；

6)開放數(shù)據(jù)庫(kù)的功能。各部門通過該功能都能夠快速、方便地調(diào)用所需數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)的數(shù)據(jù)共享。

3.2　系統(tǒng)開發(fā)的軟件環(huán)境

在本系統(tǒng)開發(fā)中，采用了穩(wěn)定性較好、操作簡(jiǎn)便的Windows7操作系統(tǒng)作為上位機(jī)以及各個(gè)客戶終端的操作系統(tǒng)。同時(shí)，采用快速、易維護(hù)的Windows Server作為服務(wù)器的操作系統(tǒng)。

本系統(tǒng)軟件開發(fā)方向?yàn)槟K化、組件化編程，需要將軟件與設(shè)備進(jìn)行獨(dú)立分割，主要針對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作。根據(jù)上述需求，本系統(tǒng)的開發(fā)工具選擇了Delphi6.0與C++、Power Builder等其他同類工具相比，Delphi具有更加強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)功能以及更加豐富的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)功能，并且附帶了較為完善的控件支持，比如，其中的Quick Report插件可以用來開發(fā)報(bào)表。此外，Delphi還支持混合語言進(jìn)行編程以及復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的編程等功能。

在本系統(tǒng)開發(fā)中，服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫(kù)選擇采用SQL Server。SQL Server是一種大型數(shù)據(jù)庫(kù)，提供了較為完備的功能支持，能夠很好地承載企業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)需求[4]。與Oracle等其他常見的大型數(shù)據(jù)庫(kù)相比，SQL Server具有更加優(yōu)秀的易操作性，因此對(duì)于系統(tǒng)維護(hù)而言，采用SQL Server無疑具有極大的便利性。此外，SQL Server與Windows操作系統(tǒng)容易耦合，同時(shí)還能滿足由各種層次的需求。

3.3　系統(tǒng)整體架構(gòu)與功能模塊設(shè)計(jì)

如前所述，現(xiàn)代企業(yè)正在整合ERP、MES以及PCS。因此，電解鋁生產(chǎn)流程在線計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)作為三者間數(shù)據(jù)流傳輸?shù)臉蛄篬5]。對(duì)此，本文將其整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1　電解鋁生產(chǎn)流程在線計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從圖1中可以看到，本文所提出的電解鋁生產(chǎn)流程在線計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其主要功能模塊包括生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集傳輸模塊、生產(chǎn)報(bào)表管理模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析模塊以及用戶管理模塊等五個(gè)部分，其中各模塊的具體功能如下：

1)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集傳輸模塊：主要負(fù)責(zé)分類分時(shí)地對(duì)上位機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后傳輸至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中，以表的是形式進(jìn)行存儲(chǔ)；

2)生產(chǎn)報(bào)表管理模塊：主要負(fù)責(zé)為管理者提供相關(guān)數(shù)據(jù)的查詢功能以及報(bào)表生成及打印功能，從而為管理者進(jìn)行相關(guān)決策提供數(shù)據(jù)支持；

3)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊：主要負(fù)責(zé)對(duì)電解鋁生產(chǎn)流程中的電解槽效應(yīng)次數(shù)、設(shè)備參數(shù)等各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，此外還提供預(yù)警及報(bào)警功能；

4)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析模塊：主要負(fù)責(zé)對(duì)電解鋁生產(chǎn)流程中的電解槽電壓、極距等參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以此保障電解鋁的生產(chǎn)活動(dòng)處于最優(yōu)狀態(tài)。在本設(shè)計(jì)中，主要采用聯(lián)機(jī)分析處理方式，以分析圖表等形式還實(shí)現(xiàn)該模塊的主要功能；

5)用戶管理模塊：主要負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)登錄用戶進(jìn)行身份驗(yàn)證。本系統(tǒng)的用戶分為一般用戶權(quán)限與管理員權(quán)限兩個(gè)權(quán)限等級(jí)，普通用戶僅能進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢操作，管理員除了數(shù)據(jù)查詢外，還能夠進(jìn)行報(bào)表數(shù)據(jù)編輯等操作。

4　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文以單槽技術(shù)參數(shù)查詢功能為例，對(duì)本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行展示。本系統(tǒng)的單槽技術(shù)參數(shù)查詢界面如圖2所示。

圖2　單槽技術(shù)參數(shù)查詢界面

從圖2可以看到，整個(gè)界面簡(jiǎn)潔明了，清晰直觀地為用戶顯示出相關(guān)數(shù)據(jù)信息。該界面下詳細(xì)全面地列出了電解鋁生產(chǎn)流程中的各類相關(guān)信息數(shù)據(jù)，并且還包含了眾多歷史記錄。通過該界面，系統(tǒng)用戶可以查看了解到電解槽的實(shí)時(shí)及歷史運(yùn)行狀況，說明該功能可以滿足電解鋁生產(chǎn)流程監(jiān)測(cè)的要求。

5　結(jié)　語

本文針對(duì)現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合當(dāng)前我國(guó)電解鋁生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)際現(xiàn)狀，提出相應(yīng)的電解鋁生產(chǎn)流程在線計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。在該設(shè)計(jì)中重點(diǎn)關(guān)注整體信息的集成，使本系統(tǒng)成為ERP、MES以及PCS三個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸紐帶，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的信息共享，從而達(dá)到促進(jìn)企業(yè)發(fā)展的目標(biāo)。