二級計算機系統在天鐵中板廠的應用

石振剛（天津天鐵冶金集團有限公司煉鋼廠，河北省涉縣056404）

二級計算機系統在天鐵中板廠的應用

石振剛（天津天鐵冶金集團有限公司煉鋼廠，河北省涉縣056404）

介紹了天鐵中板廠二級計算機系統硬件構成、數據通訊和系統配置，及應用實例。該系統具有的共享內存和詳實日志等關鍵技術，有效地保證了系統性能，實現了物流、數據流的統一和暢通，生產線全過程監控，并為拓展到L3MES系統打下堅實的基礎。

計算機過程控制跟蹤模型通訊數據共享

1 前言

天鐵中板工程設計生產規模為每年50萬t，產品品種主要包括：碳素結構鋼、優質碳素結構鋼、低合金結構鋼、造船鋼板、壓力容器鋼板、鍋爐板、汽車大梁用鋼板、橋梁板等。由于該中板生產線工藝要求高，規格品種多，生產節奏較快，對自動化程度要求較高，因此需要穩定高效的二級計算機系統實現物流與數據流同步，達到精細的生產過程控制。

天鐵中板二級計算機系統是典型的生產過程控制系統(即Level2二級,簡稱L2)，其與基礎自動化控制系統（即Level1一級，簡稱L1）無縫連接，實現數據資源共享。系統功能主要包括：物料在生產線上的全過程跟蹤監控，過程數據管理，加熱爐、軋機、控冷生產過程的模型計算和設定控制，各工段、時段的生產統計，另有必要的生產管理系統(即Level3三級，簡稱L3)的部分功能如：生產計劃、質量信息、設備信息管理等。

2 計算機系統的構成

天鐵中板二級計算機系統以L1基礎自動化系統為基礎，與L1基礎自動化系統共同構成自動化系統。二級過程控制計算機系統由加熱爐計算機系統、軋機控制計算機系統、精整計算機系統組成。其主要功能：實現物料在整個生產線上的全過程跟蹤監控、對加熱爐、軋機、控冷生產過程的模型計算和設定控制；生產計劃、質量、設備信息管理及過程數據管理、生產統計報表生成等。該應用系統功能結構圖如圖1所示。

圖1 應用系統結構圖

3 計算機系統的硬件構成軟件配置和數據通訊

3.1 硬件構成

中板二級計算機系統的硬件由三臺服務器、二臺網絡交換機、多臺工作站和工程師站等設備構成。主網絡和L1基礎自動化系統的網絡共用，加熱爐區、軋機區、精整區三個作業區網絡設備相連成環行網絡，L2服務器通過千兆交換機與環形網絡相連，實現數據高速交換。系統網絡拓撲結構圖如圖2所示。

圖2 網絡拓撲結構圖

3.2 軟件配置

在系統軟件配置方面，服務器端主要包括Windows Server 2008網絡操作系統、Oracle 11g數據庫管理系統、Visual Studio 2008及WISENTBASE套件作為開發平臺，工作站使用Windows Vista操作系統。防毒殺毒使用Symantec Endpoint Protection軟件實現對服務器及工作站的病毒防護和管理。

3.3 計算機系統的數據通訊

3.3.1 中板二級計算機系統運行所需的基本數據主要包括軋機、加熱爐、控冷、矯直機等重要設備參數及生產工藝參數等靜態數據；從L1實時采集的過程數據和事件信號，從測厚儀網絡采集的過程數據；L2下發到L1的設定參數，L2下發到測厚儀系統的參數。人工輸入鋼坯基本數據、調度下達的生產計劃數據，從質量系統采集的鋼坯檢化驗數據、鋼板質量信息等。

3.3.2 通訊接口主要包括：L2應用服務器1同L1加熱爐自動化PLC之間的報文通訊接口；L2應用服務器2同L1(軋機、控冷、矯直機、冷床、圓盤剪、定尺剪PLC等)之間的報文通訊接口；L2應用服務器2同L1測厚儀系統之間的報文通訊接口;L2應用服務器同L2數據庫服務器之間的通訊接口。網絡通訊協議采用面向連接的TCP/IP協議，通訊報文采用二進制格式。所有的基礎自動化數據都是PLC通過報文主動發送到過程控制系統中。過程控制系統發送給基礎自動化系統的數據報文都是生產設定數據報文?；A自動化PLC上傳的報文需要分解成數值報文和信號報文，然后再由過程控制系統的核心程序處理，過程控制系統在將含有數值的報文下傳到PLC時同樣做相應轉換。

4 計算機系統結構劃分和功能

中板二級計算機系統分成兩個層級：全線協調級和設備控制級。

全線單體設備分成如下部分：兩座加熱爐、熱軋軋機、快速冷卻、矯直機、冷床、翻板機、圓盤剪、定尺剪、垛板機。應用程序服務器1運行軋機部分的過程控制程序和快冷部分的過程控制程序及精整部分的過程控制程序；應用程序服務器2運行全線協調部分的進程、加熱爐過程控制系統程序；數據庫服務器存放過程控制系統數據。

4.1 全線協調級功能

全線調級功能包括：實現全線物料跟蹤；向各設備發送軋件原料數據和軋件跟蹤數據；收集各設備的生產結果數據；維護和管理生產計劃質量信息數據；班組實績，各生產段、時段的生產實績。

4.2 設備控制級功能

設備控制級完成的功能包括：設備區域內部軋件微跟蹤；設定值計算；過程數據收集；上報生產過程數據和生產結果數據。

5 二級計算機系統功能說明

5.1 物料跟蹤及過程監控

實現對物料位置及其狀態進行跟蹤，對相關設備的運行狀態進行監控。中板過程控制系統劃分為三個應用模塊與中板生產線加熱爐區、軋機區、精整區相對應。

加熱爐跟蹤模塊：在鋼坯主數據管理中完成信息錄入后，在上料輥道處交由L1級PLC，L1系統將相應鋼坯在加熱爐爐內的具體過程數據、設備動作事件實時交由L2系統處理,在出爐輥道，L1系統完成加熱爐局部跟蹤，交還給L2系統。

軋機跟蹤模塊：L2系統將相應鋼坯的跟蹤數據在高壓水除鱗處交給L1級PLC，L1級PLC將鋼坯在軋機區的映像實時交給L2系統處理，在矯直機處L1系統完成軋機局部跟蹤，交還給L2系統。

精整跟蹤模塊：L2系統將相應鋼板的跟蹤數據在冷床入口交給L1級PLC，L1級PLC將相應鋼板在精整區經歷的事件實時交給L2系統處理。在定尺剪出口，由崗位人員將收集到的鋼板信息(如：質量信息、軋制批次號、剪切信息)錄入完畢后，做成品下線操作，至此L2系統完成了生產線的全過程跟蹤，下一環節交給成品管理。

加熱爐軋機段跟蹤畫面如圖3所示。

圖3 加熱爐軋機段跟蹤畫面

5.2 過程數據管理

負責管理物料在生產線上的相關的生產過程數據，包括數據收集、數據統計和數據存檔功能等，作為工藝人員的參考依據。加熱爐區過程數據如：爐溫、鋼坯入出爐時間、出爐溫度、位置等實時數據，操作畫面如：在爐鋼板查看、爐溫歷史數據、出爐鋼板實績。軋機區過程數據如軋制時間、間隔時間、開軋溫度、終軋溫度、輥縫、軋制力、道次、鋼板厚度、集管上部流量、下部流量、控冷前溫度、控冷后溫度、持續時間、邊部遮擋等。操作畫面如：軋制區歷史數據、異常鋼板數據。精整區過程數據如進出冷床時間、質量細節、定尺長度、切邊寬度、軋制批次等，操作畫面如：冷床實績、剪切實績。

5.3 應用數學模型進行設定值計算

二級計算機根據原始數據進行設定計算，在設定計算過程中采用數學模型進行設定值計算和優化處理，將優化后的設定值傳輸給基礎自動化系統，作為其進行設備控制的基準值。加熱爐區，系統應用數學模型進行爐溫設定值的計算。軋機區，系統應用數學模型對軋材進行軋制程序計算，包括軋制道次、壓下量、輥縫、軋制速度、軋制力、軋制力矩、雪橇系數等設定值的計算?？乩鋮^，系統應用數學模型根據鋼種和規格、開冷溫度和目標終冷溫度對鋼板軋后冷卻制度進行設定計算。數學模型具有基于材料特性的自學習和基于軋機形態參數改變的自適應的功能。過程控制系統計算出生產設定值后保存到數據庫中，操作人員可通過過程控制系統的操作界面查看、修改這些生產設定值，操作界面如軋機設定值管理、壓靠管理、控冷設定值管理、精整區設定值管理等。

5.4 軋輥數據管理

更換軋輥時，錄入軋輥的原始參數（如：輥徑、內徑、楊式模量、膨脹系數、凸度、材質、粗糙度、硬度、換輥原因等）。在生產過程中，軋輥的工作狀態由基礎自動化系統實時上傳到過程控制系統中，并保存到數據庫中。在軋輥管理界面，工藝人員會統計當前軋輥經歷的軋制時間、軋制噸數、工作狀況等作為換輥參考依據。

5.5 生產計劃和原材料數據管理

中板的生產是按照生產計劃、原料數據、生產要求進行的。在生產管理系統(L3)完整在線的情況下，生產計劃數據和生產要求數據由L3傳給過程系統(L2)的。實際情況中板還沒有L3系統，需要L2具有L3系統的部分功能。生產計劃由計劃人員手工維護，原料數據和生產要求數據由崗位人員錄入，這樣可以隨時跟蹤生產計劃的執行情況。

5.6 質量信息管理和班次管理

崗位人員收集每塊鋼板的質量信息，在剪切畫面錄入質量信息、編制軋制批次號，適應班組交接班靈活的特點，班組切換由崗位人員手動切換，以切換的時間段統計本班的生產完成量及質量情況，統計人員根據各工作段生產完成實績生成班報、日報表。

6 系統中采用關鍵技術保證了系統性能

6.1 共享內存的使用，提高了系統運行效率

在過程控制中，進程間需要大量共享數據，為保證系統性能，使用共享內存在進程間提供數據共享。共享內存是通過內存文件映射（File Mapping）來實現。在進程建立共享內存時，是將磁盤文件映射到內存中，形成該文件的內存視圖。同一臺計算機上的多個進程能夠映射同一個文件的同一個部分，該映射在不同進程中內容保持一致。當用戶修改了共享內存中的數據時，該更新并不是馬上被寫到磁盤上。為保護系統性能，操作系統只在空閑時或該映射內存所在的虛擬內存在被交換到磁盤虛擬內存上時，將共享內存中的數據寫回到磁盤文件中。每個應用程序進程的重要數據、積累的過程數據、狀態數據和環境數據、進程間共享的數據都被保存到共享內存中，這些共享內存中的數據不需要依靠進程而存在，這樣可在系統重新啟動時，調回共享內存數據，保持運行環境不改變。

6.2 日志功能便于查找故障原因

6.2.1 日志在生產過程控制系統中具有重要意義。生產過程控制系統是一個24 h不停運轉的工作系統，日志記錄了各進程執行的線索，包括代碼執行的時間、共享內存內容、生產操作的動作事件，當前處理的電文號和材料號等，信息的實時記錄為追查生產操作錯誤和尋找事故原因提供了依據。

6.2.2 系統按照日志內容劃分為5類：Critical（嚴重錯誤），Error（一般錯誤）、Warning（警告）、Information（一般信息），Verbose（詳細信息），可通過設置過濾條件屏蔽不想記錄的消息，5類信息分別以不同的顏色顯示，查看日志一目了然。

6.2.3 日志系統可通過配置定義每個日志文件存放的目的目錄，同時可定義每個日志文件的大小或占用磁盤的百分比，在超過指定界限后，日志系統會自動刪除最早的日志文件，以保障整個操作系統的穩定。

7 結論

7.1 天鐵中板二級計算機系統實現了物流、數據流的統一和暢通，實現了生產線全過程監控，為合理組織生產與優化管理提供了技術保障。為工藝人員查找事故原因、改進工藝水平、質量異議的追溯提供有力依據。隨著系統逐步實施，中板的自動化程度將有更大的提高。

7.2 L2二級計算機系統與L1基礎自動化系統的無縫連接，附加的部分生產管理功能形成了中板生產線獨立運行的閉環系統，并且為向上拓展到L3MES系統建立了基礎。系統的上線，標志著煉鋼廠的信息化建設又向前邁出了堅實的一步。

（收稿2010－03－20責編崔建華）

Application of L2 Computer System at TIANTIE Medium Plate Mill

Shi Zhengang

The author introduces the hardware constitution,data communication,system configuration and application example of L2 computer system at TIANTIE Medium Plate Mill.The critical techniques of the system,i.e.,sharing memory,detailed log and etc.,strongly ensure the system properties,realize the uniformity and smoothness of material flow and data flow and the entire process monitoring,and lay a solid foundation for the expansion of L3MES system.

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石振剛，1996年畢業于鄭州紡織工學院計算機及應用專業，工程師?，F在天鐵集團煉鋼廠從事計算機及自動化控制工作。