煉鋼數據采集系統應用研究

鄭克銘

（寶信軟件（南京）有限公司自動化工程部，江蘇 南京 210039）

0 引 言

數據采集系統在企業信息系統中起到承上啟下的貫通作用，是生產活動與管理活動信息溝通的橋梁。也是實現企業生產管理到具體實施之間構建計算機化的、自動化的、最佳化的橋梁。根據生產執行相關各種資源情況及業務環節信息，進行合理有效地組織生產，采用標準成熟的工業通信接口，自動采集生產線的各類數據，監視生產情況，實現數據自動采集、實時掌握整個企業的生產節拍、設備運轉概況、精細的生產監管和物料跟蹤等一系列需求。解決信息孤島，體現精益生產、業務協同、整合高效的管理理念。

1 系統架構

1.1 系統總體架構

系統總體架構從上至下分為三層，即前端展示層、數據采集和存儲服務層、基礎自動化層，如圖1所示。

基礎自動化層：為各工序PLC、稱重儀表、測溫儀表等設備數據，為數據采集系統的主要數據來源。

數據采集和存儲服務層：通過采集中間件與基礎自動化設備通信將數據統一轉為OPC協議數據，采集后臺處理程序實時獲取并處理數據。

圖1 煉鋼數據采集系統總體架構

前端展示層：圖形化顯示各工序生產作業數據并形成作業實績，操作人員根據權限可以對實績進行增、刪、改、查操作。完整的操作實績和設備運轉信號通過消息中間件發送給煉鋼MES系統。

1.2 系統功能架構

煉鋼數據采集系統包括生產指令管理、過程數據采集、生產過程跟蹤、生產實績管理和設備停機信息，功能架構示意圖如圖2所示。

圖2 系統功能架構示意圖

生產指令管理：接收煉鋼MES系統下發的煉鋼生產指令及制造標準，并根據脫硫/轉爐/精煉/連鑄不同的工藝情況進行查詢顯示。生產過程中依據生產情況，可以根據上層系統下達的指令進行鋼種變更等作業。

過程數據采集：定周期或事件觸發從脫硫/轉爐/精煉/連鑄基礎自動化系統獲取生產實時過程數據，并對數據進行必要的邏輯檢查，為其他應用功能模塊提供基礎數據。

生產過程跟蹤：接收各工序L1控制系統送來的入站、出站、裝入開始、吹煉、出鋼、排渣等一連串設備動作信號及事件信號。根據事件信號，在邏輯判斷后掌握各設備和作業狀態的遷移，跟蹤轉爐/精煉/連鑄當前生產的基本情況，并向上層管理系統發送運轉狀況。

生產實績管理：查詢、修改各工序生產實績，生產實績按MES要求的格式反饋給煉鋼MES系統。

2 業務流程設計

2.1 總體業務流程

總體業務流程如圖3所示。數采系統業務主要是接收MES生產計劃信息，實時采集基礎自動化的設備工藝數據信息，根據計劃生成生產實績，對于不能夠自動采集的數據需要人工進行補錄形成完整的生產實績，發送給MES系統。煉鋼數采系統，從脫硫開始到連鑄出坯結束，其中包括了脫硫、轉爐、LF爐、RH爐、連鑄6個工序。

2.2 脫硫生產作業流程

脫硫業務流程如圖4所示。鐵水包入站、加入脫硫劑、進行攪拌（或噴吹）、扒渣、鐵水離站。主要記錄攪拌（或噴吹）開與結束時間、鐵水包進出站時間、鐵水重量、罐號、鐵次號、脫硫劑量、鎂流量、鎂消耗量、溫度等數據。

圖3 煉鋼數采總體業務流程

圖4 脫硫業務流程

2.3 轉爐生產作業流程

業務流程如圖5所示。爐次開始加入廢鋼、兌鐵、吹氧、底吹、出鋼、鋼包離站、濺渣。主要記錄數據有：進出站時間、兌鐵開始與結束時間、吹氧開始與結束時間、出鋼開始與結束時間、濺渣開始與結束時間、爐號、廢鋼加入量、鐵水加入量、散料加入量、合金料加入量、吹氧、測溫、吹氬等工藝數據。

2.4 LF爐生產作業流程

業務流程如圖6所示。鋼包入站、通電開始、通電結束、加料、喂絲、鋼包離站。主要記錄數據：進出站時間、通電開始與結束時間、爐號、電耗、輔料加入量、合金加入量、喂絲長度、溫度、軟吹時間、鋼包重量、相關的工藝數據等。

2.5 RH爐生產作業流程

業務流程如圖7所示。鋼包到站、抽真空、極真空、破空、喂絲、鋼包離站。主要記錄數據有：進出站時間、抽真空時間、破空時間、爐號、喂絲長度、鋼水溫度、真空度、合金加入量、相關工藝數據等。

2.6 連鑄生產作業流程

業務流程如圖8所示。鋼包到站、澆鑄開始、澆鑄結束、鋼包離站。主要記錄的數據有：鋼包到站與離站時間、澆鑄開始與結束時間、爐號、澆鑄前鋼包重量、澆鑄完成后鋼包重量、中包重量、中包溫度、鋼包到達溫度、每流的拉速、二冷水、結晶器等相關的工藝數據。

3 功能描述

3.1 脫硫生產作業

脫硫作業整體功能，主要是脫硫生產實績、工藝實績數據收集工作，輔助現場生產并為上層管理系統提供數據。具體為：

（1）鐵包入站。操作人員選擇鐵水包確認入站，記錄入站時間、包號、鐵次號、鐵水重量等數據，開始一個爐次的實績收集。

（2）處理開始。根據基礎自動化信號通常使用噴吹槍下槍信號獲取噴吹（或攪拌）開始時刻、噴吹（或攪拌）結束時刻、測溫、KR脫硫根據成分計算脫硫劑量、鎂流量、鎂消耗量等數據。

（3）鐵包出站。鐵包出站獲取出站時間，并將作業實績發送給MES系統。鐵包出站獲取出站時間，并將作業實績發送給MES系統。

（4）處理時長。第一次噴吹開始到最后一次噴吹結束。

（5）處理周期。鐵包到站到處理結束。

（6）實績查詢。根據條件（如：開始結束時刻、爐座號、處理號等）查詢脫硫實績歷史記錄，根據用戶權限可以修改實績。

圖5 轉爐業務流程

圖6 LF爐業務流程

圖7 RH爐業務流程

圖8 連鑄機業務流程

3.2 轉爐生產作業

轉爐作業整體功能，根據出鋼計劃進行轉爐冶煉作業，主要是完成轉爐冶煉實績、工藝實績數據收集工作，輔助現場生產并為上層管理系統提供數據。

3.2.1 接收MES下發信息

（1）出鋼計劃。規定了處理順序的爐次計劃，稱為出鋼計劃，本次出鋼計劃以爐次為單位，由煉鋼MES系統下達出鋼計劃。在接收出鋼計劃信息時，與煉鋼MES系統有如下約定：

1）邏輯檢查：出鋼計劃中指定的出鋼記號的制造標準必須已經存在。

2）計劃的鎖定時間為：轉爐主原料加入，一旦主原料加入，這個爐次的計劃不能被刪除。

3）精煉路徑的變更：尚未發生鋼包到達的精煉，可以在MES系統通過修改精煉路徑來重新調整精煉的路徑，但發生過的（已經鋼包到達和已經處理過的）精煉，這種精煉的路徑不可以再更改或刪除。

4）鋼種變更：在主原料加入前的鋼種變更，則通過MES系統出鋼計劃下達，直接修改出鋼計劃中的制造命令號和內部鋼種；在主原料加入后的鋼種變更，則通過鋼種變更（制造命令號變更）電文下達。

5）出鋼計劃的狀態將根據各個工位的實際執行情況進行實時的變更。計劃是物流的指導，物流必須嚴格按照計劃指定的路徑來行進，如果因為某個工序發生設備故障不能夠進行下去，可以通知調度，由調度及時修改路徑，不可以隨便亂改路徑，以確保物流和信息流的暢通性和一致性。

（2）鋼種變更。具體包括：

1）在轉爐主原料裝入后且澆注開始前，如果需要更改制造命令，只有通過鋼種變更信息來實現鋼種變更。

2）當一爐次的計劃排定后，在該爐次沒有在轉爐裝入之前的鋼種更替為計劃變更，不屬鋼種變更范疇。

（3）出鋼計劃交換。同時進入生產狀態的兩爐鋼水由于溫度、化學成分、工藝過程等要求，不能按原計劃生產時，且未開澆，為了有效利用生產資源將兩爐鋼水的計劃對換，繼續生產。

3.2.2 檢化驗實績數據

接收通過MES系統轉發的檢化驗系統的鋼水成分數據，包括爐次號、試樣號、各元素分析值等信息，根據工藝卡信息（制造標準）對成分數據進行判定，判定結果用不同顏色顯示區分。

3.2.3 實績收集

（1）爐次開始。根據基礎自動化提供的爐次開始觸發信號，此時生成爐次號并與該轉爐最新的出鋼計劃匹配，此后轉爐產生的各種消耗將歸屬該爐，直至爐次結束。

在數據采集系統根據廢鋼斗號記錄依次入斗的廢鋼、鋼渣、鐵塊等重量。再選擇轉爐爐座號、裝入。

（3）吹氧開始?；A自動化系統提供吹氧狀態信號，采集系統記錄開吹時刻、氣體壓力、流量等數據。

（4）投入輔料。根據基礎自動化提供的各料倉下料信號（如料倉閥門開頭）與料斗稱的重量數據，收集各料倉的排料量，生成加料實績。

（5）吹氧結束。根據基礎自動化提供的吹氧狀態信號，記錄吹氧結束時刻、吹氧時間、耗氧量等數據。

（6）測溫/取樣。根據基礎自動化提供的測溫槍測溫信號和測溫溫度，自動采集測溫時刻、溫度，生成工序測溫實績。

接收煉鋼MES下發的檢化驗實績。

（7）出鋼開始。根據基礎自動化提供的出鋼信號（通常根據轉爐的傾動角度），記錄出鋼開始時刻。

（8）投入合金輔料。人工在數據采集系統錄入投入合金輔料的名稱、重量。

（9）出鋼結束。根據基礎自動化提供的出鋼信號（通常根據轉爐的傾動角度），記錄出鋼結束時刻，根據鋼包車稱重量數據計算鋼水重量。

Step 1.The instructions(SATC)and the read-backs(SP),which have been converted into text format,are segmented into single words by the Chinese word segmentation method.

（10）吹氮濺渣。根據基礎自動化提供的濺渣狀態信號，記錄總管壓力、流量、濺渣開始時間、結束時間、氮耗。

（11）氬站。根據基礎自動化提供的吹氬信號記錄吹氬開始、結束時刻、氬氣流量、壓力、消耗量等。

（12）爐次結束。根據基礎自動化提供的爐次結束信號，記錄爐次結束時刻。

（13）冶煉周期。從上爐吹氧開始鐵到本爐吹氧開始的間隔時間，若上爐出鋼結束到本爐吹氧開始時長超過20分鐘，則判定中間有檢修，周期為本爐兌鐵開始到爐次結束。

（14）鎮靜時間。吹煉終了時刻到出鋼開始時刻。

（15）實績上傳。各事件點發送轉爐運轉狀況給MES。

爐次結束后發送轉爐實績、加料實績等信息給MES。

（16）應答信息。根據需要給MES系統發送計劃應答等信息。

（17）實績查詢。根據條件（如：開始、結束時刻，爐座號，熔煉號等）查詢轉爐實績歷史記錄，根據用戶權限可以修改實績。

3.3 LF爐生產作業

LF爐作業整體功能，主要是完成LF爐生產實績、工藝實績數據收集工作，輔助現場生產并為上層管理系統提供數據。

3.3.1 接收MES下發信息

出鋼計劃信息主要包括：計劃號、熔煉號、制造命令號等。如果轉爐出鋼后鋼包沒有按計劃中指定的工藝路徑向后流轉，MES系統需要及時更新出鋼計劃并下發給數據采集系統。

3.3.2 檢化驗實績數據

接收通過MES系統轉發的檢化驗系統的鋼水成分數據，包括爐次號、試樣號、各元素分析值等信息，根據工藝卡信息（制造標準）對成分數據進行判定，判定結果用不同顏色顯示區分。

3.3.3 實績收集

（1）鋼包入站。自動采集入站信號（氬氣閥門打開），記錄入站時間等數據，與計劃號綁定，開始一個爐次的實績收集。（若具備自動采集條件則自動判斷人工確認）。

（2）處理開始。根據基礎自動化信號觸發（合閘、弧流上升）通電開始與結束時刻，獲取耗電量、吹氬開始時刻、吹氬結束時刻、吹氬持續時間、氬氣消耗量數據。

（3）鋼包出站。自動采集出站信號觸發（氬氣閥門關閉）獲取出站時間，并將出站溫度記錄進實績。

（4）軟吹時間。現場觸發信號開始到鋼包出站的時間。

（5）測溫/取樣。根據基礎自動化提供的測溫槍測溫信號和測溫溫度，自動采集測溫時刻、溫度，生成工序測溫實績。接收煉鋼MES下發的檢化驗實績。

（6）加料實績。根據基礎自動化提供的各料倉下料信號（如料倉閥門開頭）與料斗稱的重量數據，收集各料倉的排料量，生成加料實績。

（7）喂絲。根據喂絲機自動化系統提供的喂絲信號與喂絲量，采集喂絲開始、結束時刻、喂絲長度等數據。

（8）精煉送電時間。第一次通電到通電結束時（每次通電時長累加）。

（9）處理周期。第一次通電開始時刻至最后一次通電結束時刻。

（10）壓水時間。第一次通電開始時間到爐后吹氬結束時間

（11）實績上傳。各事件點（如鋼包到站、處理開始、處理結束、鋼包離站）發送精煉爐運轉狀況給MES。爐次結束后發送RH爐次實績、加料（喂絲）實績、測溫實績信息給MES。

（12）實績查詢。根據條件（如：開始、結束時刻，爐座號，熔煉號等）查詢轉爐實績歷史記錄，根據用戶權限可以修改實績。

3.4 RH爐生產作業

RH爐作業整體功能，主要是完成RH爐生產實績、工藝實績數據收集工作，輔助現場生產并為上層管理系統提供數據。以下為主要功能說明。

3.4.1 接收MES下發信息

出鋼計劃信息主要包括：計劃號、熔煉號、制造命令號等。如果轉爐出鋼后鋼包沒有按計劃中指定的工藝路徑向后流轉，MES系統需要及時更新出鋼計劃并下發給數據采集系統。

3.4.2 檢化驗實績數據

接收通過MES系統轉發的檢化驗系統的鋼水成分數據，包括爐次號、試樣號、各元素分析值等信息，根據工藝卡信息（制造標準）對成分數據進行判定，判定結果用不同顏色顯示區分。

3.4.3 實績收集

（1）鋼包入站。自動采集入站信號，記錄入站時間等數據，并與計劃號綁定。

（2）處理開始。根據基礎自動化信號觸發（抽真空開始信號）記錄抽真空、極真空度、極真空時間、破空時刻等數據。

（3）測溫/取樣。根據基礎自動化提供的測溫槍測溫信號和測溫溫度，自動采集測溫時刻、溫度，生成工序測溫實績。接收煉鋼MES下發的檢化驗實績。

（4）加料實績。根據基礎自動化提供的各料倉下料信號（如料倉閥門開頭）與料斗稱的重量數據，收集各料倉的排料量，生成加料實績。

（5）喂絲。根據喂絲機自動化系統提供的喂絲信號與喂絲量，采集喂絲開始、結束時刻、喂絲長度等數據。

（6）鋼包出站。自動采集出站信號觸發獲取出站時間，并將出站溫度記錄進實績。

（7）到工作真空度時間。到達真空度時刻—開始抽真空時刻。

（8）真空保持時間。到達真空度時刻到破空時刻。

（9）軟吹時間。不再添加料時到關閉氬氣時。

（10）靜置時間。破空時到出站時。

（11）實績上傳。各事件點發送精煉爐運轉狀況給MES。爐次結束后發送RH爐次實績、加料（喂絲）實績、測溫實績信息給MES。

（12）實績查詢。根據條件（如：開始、結束時刻，爐座號，熔煉號等）查詢轉爐實績歷史記錄，根據用戶權限可以修改實績。

3.5 連鑄生產作業

連鑄爐作業整體功能，主要是完成連鑄澆鑄和切割生產實績、工藝實績數據收集工作，輔助現場生產并為上層管理系統提供數據。

完成澆鑄生產數據的采集，形成澆鑄生產作業實績并將實績發送給MES系統。

完成鑄坯切割生產數據的采集，形成切割生產作業實績并將實績發送給MES系統。

3.5.1 接收MES下發信息

出鋼計劃數據信息主要包括：計劃號、熔煉號、制造命令號、澆次號、鋼坯切割命令等。計劃變更，需通知調度及時更新。

3.5.2 檢化驗實績數據

接收通過MES系統轉發的檢化驗系統的鋼水成分數據，包括爐次號、試樣號、各元素分析值等信息，根據工藝卡信息（制造標準）對成分數據進行判定，判定結果用不同顏色顯示區分。

3.5.3 實績收集

（1）鋼包到達。根據基礎自動化提供的觸發信號，記錄鋼包到達時刻、重量、溫度

（2）開澆。根據基礎自動化提供的觸發信號，記錄開澆時刻、保護渣、覆蓋劑等數據。

（3）鋼包離開。根據基礎自動化提供的觸發信號，記錄鋼包離開時刻、重量。

（4）定周期工藝數據。系統每3分鐘從基礎自動化提供的采點，記錄中包溫度、結晶器進水溫度/流量/、二冷水、拉速、拉矯機、電磁攪拌、輕壓下等相關工藝數據。

（5）實績上傳。各事件點發送連鑄運作狀況給MES系統；澆鑄結束，上傳澆鑄實績給MES系統。

（6）連鑄切斷實績。選擇澆鑄爐次信息，根據基礎自動化提供的觸發信號，系統自動匹配鑄造命令計劃信息，生成切斷實績并發送到MES系統，人工確認實績上傳。

（7）鋼坯稱重。選擇鋼坯信息，根據基礎自動化提供的稱重信號和重量，系統自動完成鋼坯切斷實績的重量信息，并發送到MES系統（該功能需要在系統投用前具備重量采集條件）。

（8）實績查詢。根據條件（如：開始、結束時刻，爐座號，熔煉號等）查詢轉爐實績歷史記錄，根據用戶權限可以修改實績。

4 主機平臺建設

數據采集系統是關鍵計算機系統，系統的實時性要求較高，計算機系統的可靠運行，關系到各個工藝流程生產的連續性。同時，作為MES系統的數據源，數據采集系統實時地將生產跟蹤數據傳送給MES系統，并接收由MES系統下達的生產指令，執行指導生產。

數據采集系統與基礎自動化間通過硬件防火墻隔離，利用防火墻NAT映射、IP限制、端口過濾等技術，有效保障基礎自動化網絡的安全性。所需防火墻的數量由用戶根據各區域自動化網絡狀況進行配置。

4.1 軟件平臺架構

數據采集系統采用C/S方式部署，使用了標準的三層軟件架構，以定制開發的客戶端程序作為表示層是C/S三層架構的主要特征。客戶端程序多基于Windows環境運行，在制作復雜的圖形展示、桌面軟件集成等方面存在一定的先天優勢。C/S三層架構，將采用交易中間件，確保業務的可靠、穩定運行。

數采系統與周邊系統接口也統一、規范，與MES系統間使用基于TCP/IP SOCKET協議的iXCom協議的消息中間件點對點通信。與基礎自動化系統間使用成熟的采集中間件把各種PLC協議轉換成標準的OPC協議。

4.2 硬件部署設計

煉鋼數據采集系統配置2臺PC服務器，一用一備（冷備），承擔整個煉鋼區域數據的采集及存儲。服務器操作系統采用Windows Server2019，配置關系數據庫、開發工具、中間件的軟件。數采服務器一個網口與MES系統網段連接，另一個網口與現場PLC系統網段連接，滿足數據采集的需求，又確保基礎自動化系統和主機網絡各自的獨立性。數采客戶端可與MES客戶端共用一臺電腦，數采客戶端軟件通過管理網訪問服務器數據。

5 結 論

煉鋼數據采集系統使用C#語言開發支持SQL server、oracle、DB2等主流數據庫，已在國內多家大型鋼廠投入使用，實現了鋼廠信息化改造。實現重要數據的自動采集，減少人工錄入，盡量避免人為干預，通過計劃指令管理、在線物料跟蹤、生產實績收集等功能反應生產計劃的執行情況，實現生產過程信息的透明化。保證生產數據的客觀性、準確性，并保存了生產過程中的實績和過程信息，做到每一爐鋼都可以查到生產信息。提高了煉鋼廠的生產效率，加強了企業的管理水平，受到工人和企業領導的一致好評。