數據采集系統在中間試驗工廠的開發與應用

邱碧濤 鄭漢誠 陳子宏 萬險峰

(武漢鋼鐵(集團)公司研究院,湖北 武漢 430080)

數據采集系統在中間試驗工廠的開發與應用

邱碧濤 鄭漢誠 陳子宏 萬險峰

(武漢鋼鐵(集團)公司研究院,湖北 武漢 430080)

基于中間試驗工廠設備多而雜的特點,為了提升中間試驗工廠的管理能力和設備利用率,對中間試驗工廠的設備功能進行了研究,提出了基于Framework的分布式系統方案。在方案實施中,對與Framework系統不兼容的設備進行了改造升級,成功實現了各種不同接口設備生產數據的采集。并在此基礎上開發出了專用的數據采集系統,為中間試驗工廠的設備運行、科研調度提供了有力的技術支撐,同時也為其他鋼廠設備的引進和數據采集系統的建立提供了可以借鑒的經驗。

數據采集 數據庫 工業數據 中間試驗 科研調度 設備管理

0 引言

隨著中國鋼鐵產業的快速發展,數字化技術越來越廣泛地應用于冶金領域。冶金企業流程多,工藝復雜,運行過程中必然會產生大量的生產數據,作為數字化技術的一個重要組成部分,數據采集與應用變得越來越重要[1]。

數據采集系統的關鍵是如何收集數據、分析數據、整合數據和決策。武鋼中間試驗工廠作為鋼鐵企業的技術研發機構,其設備與其他生產單位有著不同的特點,分散性、種類多、接口多。為了充分發揮設備的功能,提升科研管理的技術水平,促進各類新產品研發在中間試驗工廠的落實,迫切需要開發一套生產流程相關設備信息采集與數據處理系統,使不同作業計劃的車間能連續地、同步地、均衡地生產。在此基礎上,實現生產數據的共享,方便數據的查詢、比較、統計等后續處理。

武鋼中間試驗工廠始建于2004年,主要參數指標達到國際領先水平,設備來自世界各地,產品規格從0.25 mm到25 mm,既有冷軋板又包括熱軋板。生產流程為中頻爐(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→機加工。

1 數據采集方案

中間試驗工廠生產的產品分類細、規格多、對產品的質量要求高。因此在開發新產品以及對新產品進行優化時,需要對現場的數據進行反復的分析、模擬,從而為產品成分、工藝模型的制定提供可靠的科學依據,縮短開發和研制周期?，F場數據的提取需要關聯生產設備,由于中間試驗工廠設備來自世界各地,控制系統不盡相同,接口也各種各樣。為了實現設備數據自動采集,需要區別對待,分別處理。對于現場具備數據采集接口的設備,通過網絡直接接入到數據庫中;對于因控制系統和方式不具備條件的設備,則在現場設置采集工作站,通過人工輸入方式,將數據傳送到數據庫中。

熱軋試驗區包括加熱爐、熱軋機、層流冷卻,它們的控制系統為西門子公司的S7-400 PLC,且均帶以太網接口,實現數據采集相對容易。設計方案是在電氣室中設置一套數據采集計算機。該計算機具有雙網卡,一塊用來與現有的控制系統進行網絡通信,另一塊通過光纖網絡設備與采集數據庫服務器系統相連。這樣,即保證了原有控制系統的完整與安全,又實現了數據自動采集。對于500 kg真空感應爐,它的控制系統是AB公司的PLC,型號為SLC 5/05。CPU本身也有以太網接口,采集實現方案與上類似。

激光區域包括激光毛化設備、激光拼焊設備和激光三維切割設備,控制系統是西門子公司的S7-300 PLC,不帶CP-343-1網絡接口,因此無法實現自動數據采集。為此,在激光毛化/拼焊操作室和激光三維切割操作室各設置一臺采集計算機,操作人員通過應用程序手工輸入設備與工序數據,通過網絡與服務器聯網,將采集的數據傳輸到系統的數據庫中。

熱處理區域設備來自日本,控制系統是三菱公司的PLC,型號為FX2N-64MR和FX2N-128MR。這類PLC不帶網絡接口,外部設備與之通信一般是通過編程口實現。因此,需要在現場設置一臺通信計算機,通過串口和編程電纜實現通信,所采集的數據通過光纖網絡傳送到采集數據庫服務器中。數據采集系統結構圖如圖1所示。

圖1 熱處理區域數據采集系統結構圖Fig.1 Structure of the data acquisition system in heat processing area

根據中試工廠的需要,熱處理區域需要增加質子流量計、氫氣分析儀、露點儀,通過改造,使其具備溫度、氫分、露點、爐壓、氣體流量參數的采集、記錄功能。上述參數必須自動采集,并能傳輸到數據庫系統中,這樣就需要對這熱處理區域的設備進行改造,改造的原則是在不影響爐子現有控制系統功能的基礎上,通過增加智能儀表和相應的檢測點達到數據采集的目的。具體方案為:在控制柜內增加一套PLC,型號為西門子S7-300,作為現場儀表數據采集PLC。該PLC帶網絡接口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,再通過所設計的現場采集計算機和OPC技術,實現數據自動采集。

2 網絡硬件配置

對于中間試驗工廠數據采集系統的網絡硬件構成,結合現有條件,設計方案為:設置3套中心交換機,分別放置在辦公樓的中心機房、熱軋試驗區機房和冷軋試驗區機房內,它們通過光纜連接,組成一個整體局域網。服務器、工程師站、編程站直接連接到中心交換機上,各采集站則通過帶光口的工業交換機與中心交換機相連接。

根據科研調度系統的實際需求,數據采集系統配置了一套數據采集服務器和一套Web應用服務器,分別用于保存所采集的科研生產數據以及實現生產調度和設備信息管理。服務器采用IBM公司的產品IBM System 3850,配置CPU為Intel至強系列,主頻2.8 GHz,內存16 GB;硬盤為6個小尺寸串行連接小型計算機系統接口(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。這樣的結構能夠極大地提高運行的安全性,降低故障率,也便于今后的系統維護。系統帶2個千兆以太網接口,配置雙電源。服務器操作系統采用MS Windows Server 2008 (64位),數據庫則采用Oracle 10g。

為了應用軟件的開發和今后維護的需要,系統設置工程師站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,系統配置了2臺網絡打印機,型號為HP LaserJet 5200dTN,用于打印生產作業報表和生產文件。

數據采集系統網絡結構如圖2所示。

圖2 數據采集系統結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the data acquisition system

3 數據庫系統

數據庫系統是支撐在服務器、主機中運行的應用軟件的數據存儲平臺。作為企業級的數據庫,應包括支撐管理信息存儲的關系數據庫、支撐過程控制和數據采集信息存儲的實時數據庫。數據庫產品的選型是讓生產單位的重要數據能夠在快速及安全的條件下,使所有的生產及營運產生的數據通過信息系統應用程序的操作存放于該數據庫中。

目前,中間試驗工廠信息中心主要應用系統的數據操作類型主要分為兩大類,即事務交易類和決策支持類。大部分的決策支持類應用主要集中在數據中心類似架構的應用系統,用于完成報表分析、統計匯總等操作。事務交易類操作主要集中在應用系統的業務管理功能,映射到數據庫的操作主要是數據的增加、刪除、修改和查詢。

4 應用開發架構

數據采集系統開發平臺采用自有知識產權的Framework框架,基于當今國際上軟件開發的前沿技術,實現以J2EE、SOA為框架基礎,以Web service為界面接口,以輕量級目錄存取協定(lightweight directory access protocol,LDAP)為標準的統一身份認證服務體系。本設計規劃采用在大型鋼鐵企業應用成熟的、規范的軟件開發標準,兼顧滿足對軟件開發進度、質量、實施過程的監控和輔助管理,充分體現出該軟件平臺的先進性、可靠性、可擴充性與高效率運行的要求。

自主開發的Framework框架技術特點如下。

①能快速地提高開發效率,使開發人員可以借助平臺與工具,快速開發出高質量的Web應用,并能自主地對平臺進行創造性擴展。

②基于標準的主流技術,采用開放式松耦合架構,日后能夠方便地吸收其與第三方的優秀成果。

③運行性能佳,包括前臺用戶的操作性能、后臺抗瞬間大并發峰值性能和抗持續大并發的穩定性性能。

④重視全方位的技術服務,包括現場服務與遠程服務。

5 數據報表

生成的數據報表包括原料規格、狀態、成品厚度、軋制道次、加熱溫度、變形量、循環次數、退火類別、保護氣體等,各類表格達到上百種。數據采集系統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 結束語

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

[1] 徐龍.工業數據采集系統在南鋼的應用與實現[J].信息技術, 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年畢業于武漢科技大學自動控制專業,獲碩士學位,高級工程師;主要從事冶金設備的研究。