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摘 要:在转炉炼钢过程采用物流跟踪系统及PLC数据采集等技术,网络架构上采用三层体系结构,开发出第一炼钢厂工艺信息集成系统,实现了炼钢工艺信息共享,使管理工作有效地指挥生产活动。
关键词:炼钢生产工艺信息开发与应用
中图分类号:TF345 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)09(b)-0055-02
引言
炼钢生产工艺信息系统的目标是要通过对生产过程的工艺信息管理,實现工艺信息共享,从而使管理工作有效地指挥生产活动,提高工作效率,为实现企业的经营目标服务。
第一炼钢厂现有四座45t转炉,一台四流方坯连铸机,一台五流方坯连铸机,三台一流板坯连铸机,生产组织方式为四座转炉对五台连铸机,年产钢近400万t。为实现炼钢各大工序工艺信息的整合,实现从混铁炉到铸机的“综合炼钢工艺信息管理”,达到工艺信息共享,减少信息传递和录入差错,提高工作效率和产品质量。将工艺信息存入数据库,便于对工艺信息的追溯和分析。一炼钢开发建设“第一炼钢厂生产工艺信息集成系统”。
1 炼钢信息系统现状
现有系统中,从混铁炉、铁水预处理、转炉、精炼到铸机等各大工序,基本上达到了全面PLC、仪表检测控制,但只有个别工序的检测数据进入计算机中,大部分数据仍然依靠手工记录和传递,数据准确度低、传递不及时。
目前,铁水、废钢、合金有秤量,但无炉号匹配跟踪计量,考虑上电子标签定位识别系统按炉次确认。转炉与精炼(吹氩喂丝或LF炉)、钢包、铸机使用天车电子标签定位及天车秤实现钢水去向跟踪和钢水称量。
现有管理网络与生产信息挂接到一块,容易受到外围网站攻击;通过本次改造要重新布线和增加网络部件,力争将生产信息及管理网络从物理上加以隔离。
2 炼钢信息系统的设计
2.1 系统设计
建设工艺信息化系统,采取分步实施,首先建立各工作站,包括(1)调度、(2)混铁炉、(3)铁水预处理、(4)转炉、(5)废钢、(6)合金、(7)钢包、(8)吹氩、(9)LF精炼、(10)铸机、(11)天车、(12)成分分析等工作站,系统尽量实现完全自动采集,尽量减少人工干预。给予匹配考虑上电子标签定位识别系统。数据采集范围包括物流数据、工艺参数、化验数据采集。第一阶段实现取消工艺卡的目标;第二阶段完成报表系统建立,实现工艺记录的计算机存档和统计报表的自动生成;第三阶段在数据采集系统基础上建立和完善控制模型。
(1)加料跨电子标签定位物流识别系统:
建立铁包、废钢电子标签定位物流识别系统。
(2)炉后电子标签定位物流识别系统:
从转炉到精炼再到连铸机的钢包采用电子标签定位物流识别系统。
(3)完成PLC和仪表监控系统数据自动采集。
(4)工艺信息显示与管理系统:
模拟工艺卡片的功能,查询和显示自动采集的工艺信息,录入本工序的相关信息。
(5)生产历史数据查询分析系统。
2.2 功能设计
系统分三个层次:
(1)数据的采集
数据的采集概括为下述3种方式:
①自动从PLC和仪表采集;
②自动从现有信息系统或数据库中采集;
③人工输入。
具体的数据采集时根据生产和工艺流程划分的,主要由以下10个环节采集:调度、混铁炉和铁水包、铁水预处理、转炉、转炉合金加入、LF精炼、铁水和钢水成分、吹氩精炼、钢包、铸机、天车、成分分析。
(2)信息的传递
将采集到的工艺信息传送到工艺管理站显示和数据库中。
(3)信息的处理和存储
将采集上来的工艺信息进行加工处理,并保存到历史数据库中。
3 技术关键和技术路线
(1)技术关键
适应企业特点的定位识别系统,为企业实现资源管理(ERP)和车间内的过程控制系统(PCS)穿针引线,在信息整合中起着承上启下的重要作用。定位识别系统最初采用接近开关来实现天车定位,并结合天车秤来跟踪物料的去向,由于接近开关在高温、铁磁性粉尘的环境中故障率较高,运行的效果不能满足可靠性的要求。随后又出现了红外定位仪和电子标签两种定位形式。由于红外定位仪定位范围宽,定位不甚准确,而且要实现多点定位,需敷设大量的电缆,给施工带来了一定的难度,而电子标签是无源系统,它和射频识别装置、读码器等可构成自动识别系统,并且电子标签实现起来容易,它结构简单、可靠性高、成本低,定位较准确,因此获得了较广泛的应用。此外还有更精确的激光定位,其误差1毫米,应用于定位精确的行业。
定位识别系统能可以有效地建立其生产过程的物料流和过程数据流信息平台, 该技术在一炼钢的应用中关键有以下几点:
①炉前铁水包、废钢加入、合金加入对应性识别以及钢包到精炼、铸机的识别
②信息量庞大。由于炼钢的工序多,设备比较复杂,在系统设计和运行是不可避免的遇到PLC数据采集的点很多(约为800个)实时数据量大的问题。
(2)技术路线
①吸收行业内先进的信息识别与整合技术。我厂新开发的第一炼钢厂生产工艺信息集成系统,采用了电子标签天车定位识别技术、监控软件的OPC、DDE等接口技术、大包包臂自动识别技术、关系型数据库等多项新技术。
②采用实时数据库技术支持多点实时数据显示。
③采用分布式数据库模式,控制站采用C/S、远程采用B/S。
4结构组织
4.1 分布式三层体系结构
数据流系统采用三层体系结构,分别为控制层、数据层、和客户层。
(1)控制层
控制层由生产控制系统中PLC和实时数据库系统中的数据采集子系统构成。它采用分布式结构,实现一炼钢范围内实时数据的网络化采集。
实时数据库系统通过接口站和通信服务,屏蔽了设备连接细节。
(2)数据层
数据层是整个系统的关键层。实时数据库服务器是实时数据库系统的核心,主要负责接收,处理和存储来自设备接口层的实时数据,同时还可以将实时数据定期发布到通用关系数据库中,将关系数据库作为其历史存储的一部分。
实时数据库采用Client/Server加 Browser/Server 体系结构,通过多种方式实现客户应用与实时数据库服务器之间的连接。当系统所维护的数据量比较大时,为减小主实时数据库服务器的负载,可以配置多个实时数据服务器以分解压力,同时也可通过异地冗余存储来提高整个系统的可靠性。
(3)客户层
客户层主要指对设备进行实时监控的组态工具、实时数据报表生成工具、实时数据浏览器等构架在实时数据服务层之上的实时应用。
4.2 系统网络结构
实际的网络结构,应该是控制网段与管理网段进行硬件的隔离,二者数据交换通过网桥进行,这样可以保证系统的安全。
4.3 系统运行环境
(1)服务器
服务器的选择除要考虑以下几个方面:高速性、稳定性、可靠性、可扩展性和安全性之外,还要考虑应用系统对服务器的不同要求:
①数据库系统对服务器的技术需求,一般要求服务器系统CPU要处理能力强,I/O处理能力强,系统稳定高,因此一般采用多路服务器系统,在本地I/O通过高Cache(128M或更高)Raid卡搭配4-6块硬盘做Raid 5或Raid10满足I/O吞吐能力和系统稳定性要求。
②Web应用对服务器的技术需求,需要通过多路或高的处理能力强的服务器系统来完成。因此使用惠普服务器。
(2)数采部分
现场PLC设备主要是西门子的S7 300、400系列和施耐德昆腾系列产品等,数据的采集则视现场软件和硬件环境情况而定,利用监控软件的OPC、DDE等接口,以不影响控制系统的正常工作情况为原则,尽可能的保质保量、高速提取数据。
(3)网络设备
在整个网络的拓扑设计上,要充分考虑网络的可靠性、冗余性、高性能、路由的稳定性、抗干扰性能和收敛速度等诸多方面的均衡,因此要求从网络的任何一点到另一點的通信都同时具备多条路由。任何拓扑的单设备失败、单节点失败、单链路失败都不会影响其他节点的运行性能和质量,推荐使用工业级网络设备,如CISCO公司的网络产品。软件上采用微软一系列系统软件、数据库系统(实时数据库、关系数据库)、网络运行监视系统等。
(4)系统安全设计
生产过程监控系统中,用户多,职责多样,不同职责的用户对系统中的不同数据与功能具有不同的权限。在这种情况下,基于角色的访问控制模型有很大的优越性。因此,系统中实现适合大型分布式系统的基于角色的访问控制机制。
运行平台提供基于角色的安全保密级,将一些特定的数据点、设备或者设备模型设置不同的角色保密级,根据有关的保密体系,每个用户可以归属于某组角色,只有授权的用户才能对规定的数据或功能进行访问。不同的用户不同的权限,确保用户只能访问权限规定的信息。
5 软件功能及实现
(1)分工序动态信息采集与显示
系统全面的将各大工序的PLC数据和仪表检测数据整合在一起,实时显示各大工序PLC系统的监控信息,主要有混铁炉动态信息采集(显示混铁炉铁水状态和铁水包移走情况)显示界面,以及铁水预处理、转炉、LF精炼、吹氩精炼、铸机、钢包等的信息显示界面。
(2)过程信息显示界面
综合工艺信息查询显示界面可以查询炼钢过程的工艺信息;综合工艺分析查询显示界面可以查询某期间内某钢种的工艺信息;生产状态界面可以实时显示生产调度信息和当前生产状态。
(3)统计报表
根据需要,生成报表导出到EXCEL文件,供打印存档。主要有脱硫工艺记录表、转炉冶炼记录、LF炉生产记录、工艺记录卡、板坯连铸机生产记录、生产日报、旬报、月报。
6 结语
在总结、归纳以往炼钢厂生产工艺信息集成系统研究成果的基础上,提出了比较完整的指导炼钢厂优化的技术架构。该系统可对转炉、铸机的投入产出等相关工艺数据进行分析处理,给成本控制提供可靠的依据,实现了我厂各生产工序工艺信息的整合,实现从混铁炉到铸机的 “综合炼钢工艺信息管理”,达到了工艺信息共享,减少了信息传递和录入差错,提高了工作效率和产品质量,将工艺信息存入数据库,便于对工艺信息的追溯和分析,取代信息孤岛和手工工艺卡片,基本实现一炼钢工艺信息的无纸化传递,减少了质检工艺等一批监督人员,降低了人力资源成本。同时为生产管理和工艺技术提供便利的管理工具,为领导者提供方便的决策依据,实质地改善生产管理和工艺工作方式,对我厂精品战略的实施具有一定的推动作用。该项目具有投资小、见效快的特点,为兄弟企业提供了很好的借鉴。
参考文献
[1] 边春元,任双艳,满永奎等编著.S7-300/400PLC实用开发指南[M].北京:机械工业出版社,2007.
[2] 唐建梅,王影.计算机辅助工艺规划管理系统设计[J].先进制造技术,2006.
关键词:炼钢生产工艺信息开发与应用
中图分类号:TF345 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)09(b)-0055-02
引言
炼钢生产工艺信息系统的目标是要通过对生产过程的工艺信息管理,實现工艺信息共享,从而使管理工作有效地指挥生产活动,提高工作效率,为实现企业的经营目标服务。
第一炼钢厂现有四座45t转炉,一台四流方坯连铸机,一台五流方坯连铸机,三台一流板坯连铸机,生产组织方式为四座转炉对五台连铸机,年产钢近400万t。为实现炼钢各大工序工艺信息的整合,实现从混铁炉到铸机的“综合炼钢工艺信息管理”,达到工艺信息共享,减少信息传递和录入差错,提高工作效率和产品质量。将工艺信息存入数据库,便于对工艺信息的追溯和分析。一炼钢开发建设“第一炼钢厂生产工艺信息集成系统”。
1 炼钢信息系统现状
现有系统中,从混铁炉、铁水预处理、转炉、精炼到铸机等各大工序,基本上达到了全面PLC、仪表检测控制,但只有个别工序的检测数据进入计算机中,大部分数据仍然依靠手工记录和传递,数据准确度低、传递不及时。
目前,铁水、废钢、合金有秤量,但无炉号匹配跟踪计量,考虑上电子标签定位识别系统按炉次确认。转炉与精炼(吹氩喂丝或LF炉)、钢包、铸机使用天车电子标签定位及天车秤实现钢水去向跟踪和钢水称量。
现有管理网络与生产信息挂接到一块,容易受到外围网站攻击;通过本次改造要重新布线和增加网络部件,力争将生产信息及管理网络从物理上加以隔离。
2 炼钢信息系统的设计
2.1 系统设计
建设工艺信息化系统,采取分步实施,首先建立各工作站,包括(1)调度、(2)混铁炉、(3)铁水预处理、(4)转炉、(5)废钢、(6)合金、(7)钢包、(8)吹氩、(9)LF精炼、(10)铸机、(11)天车、(12)成分分析等工作站,系统尽量实现完全自动采集,尽量减少人工干预。给予匹配考虑上电子标签定位识别系统。数据采集范围包括物流数据、工艺参数、化验数据采集。第一阶段实现取消工艺卡的目标;第二阶段完成报表系统建立,实现工艺记录的计算机存档和统计报表的自动生成;第三阶段在数据采集系统基础上建立和完善控制模型。
(1)加料跨电子标签定位物流识别系统:
建立铁包、废钢电子标签定位物流识别系统。
(2)炉后电子标签定位物流识别系统:
从转炉到精炼再到连铸机的钢包采用电子标签定位物流识别系统。
(3)完成PLC和仪表监控系统数据自动采集。
(4)工艺信息显示与管理系统:
模拟工艺卡片的功能,查询和显示自动采集的工艺信息,录入本工序的相关信息。
(5)生产历史数据查询分析系统。
2.2 功能设计
系统分三个层次:
(1)数据的采集
数据的采集概括为下述3种方式:
①自动从PLC和仪表采集;
②自动从现有信息系统或数据库中采集;
③人工输入。
具体的数据采集时根据生产和工艺流程划分的,主要由以下10个环节采集:调度、混铁炉和铁水包、铁水预处理、转炉、转炉合金加入、LF精炼、铁水和钢水成分、吹氩精炼、钢包、铸机、天车、成分分析。
(2)信息的传递
将采集到的工艺信息传送到工艺管理站显示和数据库中。
(3)信息的处理和存储
将采集上来的工艺信息进行加工处理,并保存到历史数据库中。
3 技术关键和技术路线
(1)技术关键
适应企业特点的定位识别系统,为企业实现资源管理(ERP)和车间内的过程控制系统(PCS)穿针引线,在信息整合中起着承上启下的重要作用。定位识别系统最初采用接近开关来实现天车定位,并结合天车秤来跟踪物料的去向,由于接近开关在高温、铁磁性粉尘的环境中故障率较高,运行的效果不能满足可靠性的要求。随后又出现了红外定位仪和电子标签两种定位形式。由于红外定位仪定位范围宽,定位不甚准确,而且要实现多点定位,需敷设大量的电缆,给施工带来了一定的难度,而电子标签是无源系统,它和射频识别装置、读码器等可构成自动识别系统,并且电子标签实现起来容易,它结构简单、可靠性高、成本低,定位较准确,因此获得了较广泛的应用。此外还有更精确的激光定位,其误差1毫米,应用于定位精确的行业。
定位识别系统能可以有效地建立其生产过程的物料流和过程数据流信息平台, 该技术在一炼钢的应用中关键有以下几点:
①炉前铁水包、废钢加入、合金加入对应性识别以及钢包到精炼、铸机的识别
②信息量庞大。由于炼钢的工序多,设备比较复杂,在系统设计和运行是不可避免的遇到PLC数据采集的点很多(约为800个)实时数据量大的问题。
(2)技术路线
①吸收行业内先进的信息识别与整合技术。我厂新开发的第一炼钢厂生产工艺信息集成系统,采用了电子标签天车定位识别技术、监控软件的OPC、DDE等接口技术、大包包臂自动识别技术、关系型数据库等多项新技术。
②采用实时数据库技术支持多点实时数据显示。
③采用分布式数据库模式,控制站采用C/S、远程采用B/S。
4结构组织
4.1 分布式三层体系结构
数据流系统采用三层体系结构,分别为控制层、数据层、和客户层。
(1)控制层
控制层由生产控制系统中PLC和实时数据库系统中的数据采集子系统构成。它采用分布式结构,实现一炼钢范围内实时数据的网络化采集。
实时数据库系统通过接口站和通信服务,屏蔽了设备连接细节。
(2)数据层
数据层是整个系统的关键层。实时数据库服务器是实时数据库系统的核心,主要负责接收,处理和存储来自设备接口层的实时数据,同时还可以将实时数据定期发布到通用关系数据库中,将关系数据库作为其历史存储的一部分。
实时数据库采用Client/Server加 Browser/Server 体系结构,通过多种方式实现客户应用与实时数据库服务器之间的连接。当系统所维护的数据量比较大时,为减小主实时数据库服务器的负载,可以配置多个实时数据服务器以分解压力,同时也可通过异地冗余存储来提高整个系统的可靠性。
(3)客户层
客户层主要指对设备进行实时监控的组态工具、实时数据报表生成工具、实时数据浏览器等构架在实时数据服务层之上的实时应用。
4.2 系统网络结构
实际的网络结构,应该是控制网段与管理网段进行硬件的隔离,二者数据交换通过网桥进行,这样可以保证系统的安全。
4.3 系统运行环境
(1)服务器
服务器的选择除要考虑以下几个方面:高速性、稳定性、可靠性、可扩展性和安全性之外,还要考虑应用系统对服务器的不同要求:
①数据库系统对服务器的技术需求,一般要求服务器系统CPU要处理能力强,I/O处理能力强,系统稳定高,因此一般采用多路服务器系统,在本地I/O通过高Cache(128M或更高)Raid卡搭配4-6块硬盘做Raid 5或Raid10满足I/O吞吐能力和系统稳定性要求。
②Web应用对服务器的技术需求,需要通过多路或高的处理能力强的服务器系统来完成。因此使用惠普服务器。
(2)数采部分
现场PLC设备主要是西门子的S7 300、400系列和施耐德昆腾系列产品等,数据的采集则视现场软件和硬件环境情况而定,利用监控软件的OPC、DDE等接口,以不影响控制系统的正常工作情况为原则,尽可能的保质保量、高速提取数据。
(3)网络设备
在整个网络的拓扑设计上,要充分考虑网络的可靠性、冗余性、高性能、路由的稳定性、抗干扰性能和收敛速度等诸多方面的均衡,因此要求从网络的任何一点到另一點的通信都同时具备多条路由。任何拓扑的单设备失败、单节点失败、单链路失败都不会影响其他节点的运行性能和质量,推荐使用工业级网络设备,如CISCO公司的网络产品。软件上采用微软一系列系统软件、数据库系统(实时数据库、关系数据库)、网络运行监视系统等。
(4)系统安全设计
生产过程监控系统中,用户多,职责多样,不同职责的用户对系统中的不同数据与功能具有不同的权限。在这种情况下,基于角色的访问控制模型有很大的优越性。因此,系统中实现适合大型分布式系统的基于角色的访问控制机制。
运行平台提供基于角色的安全保密级,将一些特定的数据点、设备或者设备模型设置不同的角色保密级,根据有关的保密体系,每个用户可以归属于某组角色,只有授权的用户才能对规定的数据或功能进行访问。不同的用户不同的权限,确保用户只能访问权限规定的信息。
5 软件功能及实现
(1)分工序动态信息采集与显示
系统全面的将各大工序的PLC数据和仪表检测数据整合在一起,实时显示各大工序PLC系统的监控信息,主要有混铁炉动态信息采集(显示混铁炉铁水状态和铁水包移走情况)显示界面,以及铁水预处理、转炉、LF精炼、吹氩精炼、铸机、钢包等的信息显示界面。
(2)过程信息显示界面
综合工艺信息查询显示界面可以查询炼钢过程的工艺信息;综合工艺分析查询显示界面可以查询某期间内某钢种的工艺信息;生产状态界面可以实时显示生产调度信息和当前生产状态。
(3)统计报表
根据需要,生成报表导出到EXCEL文件,供打印存档。主要有脱硫工艺记录表、转炉冶炼记录、LF炉生产记录、工艺记录卡、板坯连铸机生产记录、生产日报、旬报、月报。
6 结语
在总结、归纳以往炼钢厂生产工艺信息集成系统研究成果的基础上,提出了比较完整的指导炼钢厂优化的技术架构。该系统可对转炉、铸机的投入产出等相关工艺数据进行分析处理,给成本控制提供可靠的依据,实现了我厂各生产工序工艺信息的整合,实现从混铁炉到铸机的 “综合炼钢工艺信息管理”,达到了工艺信息共享,减少了信息传递和录入差错,提高了工作效率和产品质量,将工艺信息存入数据库,便于对工艺信息的追溯和分析,取代信息孤岛和手工工艺卡片,基本实现一炼钢工艺信息的无纸化传递,减少了质检工艺等一批监督人员,降低了人力资源成本。同时为生产管理和工艺技术提供便利的管理工具,为领导者提供方便的决策依据,实质地改善生产管理和工艺工作方式,对我厂精品战略的实施具有一定的推动作用。该项目具有投资小、见效快的特点,为兄弟企业提供了很好的借鉴。
参考文献
[1] 边春元,任双艳,满永奎等编著.S7-300/400PLC实用开发指南[M].北京:机械工业出版社,2007.
[2] 唐建梅,王影.计算机辅助工艺规划管理系统设计[J].先进制造技术,2006.