煉鋼生產線全流程診斷系統的設計與實現

史 懿 張智杰

(上海寶鋼工業技術服務有限公司，上海 201900)

0 引言

煉鋼生產線全流程診斷系統(diagnosis system for total quality control，TQC-DS)能夠對冷軋連退生產流程中所有影響正常生產和產品質量的環節與參數進行有效地監測和診斷分析［1-3］。它以實現整個系統或生產線最優化運行為目的，是目前質量及產品品質控制的發展方向。流程企業的設備是互相關聯的，因此不能單純地把握單體設備的狀態，而是要形成線和面的概念;也不能只單純地把握設備狀態，而是要形成全流程功能和狀態概念。

本項目以質量控制為目的，對設備及工藝進行了全流程綜合診斷。在將各類工藝、設備狀態數據集成的基礎上，設計了C/S體系結構下的工藝、設備綜合診斷系統，并將其用于冷軋連續退火線的診斷。

1 TQC-DS綜合診斷系統

傳統過程診斷一般都配備有質量系統、工藝控制系統和大監控系統這三類子系統。而TQC-DS是一個基于全流程質量控制概念的工藝、設備綜合診斷系統，它建立在質量系統、工藝控制系統和大監控系統之上。該系統能夠關聯周邊系統的狀態信息，具有優化工藝參數、控制產品質量等功能。

TQC-DS包含設備狀態監測、工藝狀態監測和質量異常追溯三大功能模塊，其核心技術分為數據交換和預處理、數據集成和綜合分析三部分，以狀態發布形式實現對外輸出。以TQC-DS核心為原點，將所有源信息都視作周邊系統，這些系統包括基礎自動化系統(以下簡稱L2系統)、過程控制系統(以下簡稱L3系統)、連退質量過程控制系統以及數據倉庫、輥系、大監控等系統［4-7］。

2 系統體系結構

TQC-DS是專門為狀態診斷開發的一套系統，它關聯了設備、質量和工藝相關信息，具有綜合診斷的能力。

系統開發平臺設計采用C#語言，數據庫采用Oracle 10g。系統前端有十余類信息(來料信息、成品信息、工藝判定規則信息、質量判定規則信息、預警規則信息、工藝規則信息、在線數據文件信息等)，數據平臺使用Socket通信方式。

TQC-DS的構建是一個涉及多方面的復雜過程，包括多種異構系統的集成、組織機構的重組、管理業務流程的重構以及計算機系統的開放互聯等。其關鍵在于必須解決好異構系統之間的互聯性和互操作性，最終形成一個完整的、集成化的系統。

TQC-DS數據交互方式如下。

①來料、成品和表面質量等信息由周邊L2/L3系統根據卷號自動勾聯，TQC-DS在接收到這些信息后，立即對這些信息涉及的設備狀態進行關聯。經長度和時間的轉換后，這些信息隨同卷信息存入來料和成品庫。

②工藝規則庫支持對來料信息的分析，分析結果在TQC-DS主界面加以顯示。

③存入成品庫的信息經過分析后，異常信息通過L3傳給下一道工序。

④設備狀態、工藝狀態信息先完成時間戳同步(主要和離線信息同步，在線同步已經完成)，通過篩選和抽取特征值后，由發布系統發布。

交換平臺建立步驟具體如下。

①由于TQC-DS需接收所有周邊系統的信息，因此首先考慮的是制定接口規范。要點為:以TQC-DS接口為標準，規范所有周邊系統的接口，符合條件的數據可以通信;不符合條件的數據經改造后實現其擴展性，而不是去適應周邊系統的接口。

②不同的應用系統采用了不同的技術標準和軟硬件平臺，如果這些應用系統進行直接互聯，就需要為每一個系統開發一個接口。如果有N個應用系統，就需要建立N(N-1)/2個接口程序。如果某個應用系統發生變化，則相應的接口都需要進行調整。交換平臺需要解決這些應用系統間的接口問題，使平臺處于各應用系統的數據交換中心，實現數據共享和交換。數據交換平臺由一系列中間件、服務、接口和中心數據庫等組成，用來完成數據的存儲、格式轉換和數據交換等功能。數據交換對各應用系統是透明的，它通過標準化的數據接口為每個應用系統提供服務，各應用系統不需要直接連接就可以交換數據。

3 系統實現

3.1 系統數據結構設計

TQC-DS的數據交換及預處理平臺是整個TQC系統的核心樞紐，它向上為應用系統提供數據接口，處理應用數據交互;向下為周邊主機系統提供數據接入總線;在數據總線層則為各條通信回路提供消息路由。同時，該數據交換平臺應該是一個效率高、穩定性好、可維護、可管理、可擴展的平臺。其總線式的系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構圖Fig.1 Diagram of system structure

3.1.1 邏輯結構設計要點

系統包括多種數據信息及類型，邏輯過程較為復雜，具體結構設計要點如下。

①實時數據

實時數據是從數據交換平臺、OPC和XM Files采集得到的當前狀態信息數據，包括設備狀態、工藝參數、產品質量等信息。實時數據主要用于觸發模型并為其提供計算參數，其內容已經被包含在歷史數據庫中。系統啟動時根據機組當前的狀態生成實時數據，不需要訪問數據庫。系統需要將實時數據的變化發送給模型計算系統模塊。

②歷史數據

歷史數據是對全流程狀態信息的一個匯總及歷史紀錄，包括來料和成品的質量信息、生產鋼卷時設備狀態和工藝參數的集成信息。

③物料跟蹤信息

物料跟蹤信息用來描述鋼帶在生產線上位置的信息。物料跟蹤信息是關聯設備、質量、工藝狀態信息的源信息。

④業務結果信息

模型計算結果的格式，包括狀態、缺陷、故障、異常等信息。

狀態信息用于反映機組當前工作狀態的信息;缺陷信息用于反映產品的質量問題;異常信息是指需要操作人員或管理人員注意的非正常情況;故障信息是指設備沒有按照預期的方式工作以致影響任務的完成;業務表示信息是指業務結果信息對外發布的格式，它對應系統內部的業務結果信息。

3.1.2 物理結構設計要點

系統包括6種主要數據庫，具體介紹如下。

①缺陷管理數據庫

缺陷管理數據庫是指包含缺陷定位規則、缺陷地圖定義、缺陷代碼等信息的數據庫。這些缺陷信息用于缺陷定位模塊的自動定位，以及缺陷地圖模塊中缺陷地圖的描述。

②模型數據庫

模型數據庫是指包含模型配置信息和模型庫的數據庫。模型計算模塊用此數據庫的信息保存模型，并在啟動時根據其內容生成模型。

③歷史數據庫

歷史數據庫包含一段時間內鋼卷的生產信息。它由緩存數據庫和分析數據庫兩部分組成。緩存數據庫是指最近20卷鋼卷的生產信息。分析數據庫是指在比較長的一段時間，比如一年之內鋼卷的生產信息，這個數據庫主要用于綜合分析。

④計算結果緩存數據庫

計算結果緩存數據庫是指包含模型計算結果的臨時數據庫。因為計算結果包括缺陷，所以這個數據庫也可看成是缺陷數據庫的緩存。

⑤數據集成與關聯數據庫

數據集成與關聯數據庫包括數據適配器配置和關聯數據。它們是數據集成模塊的配置信息，不對外公開;作為配置文件與數據集成模塊一起部署，需要修改時直接修改文件。

⑥管理實時數據庫

管理實時數據庫是動態的而不是持久的。它負責為模型計算組件提供全流程狀態信息。

3.2 系統功能模塊的實現

TQC-DS系統根據功能的耦合關系進行分類、整合，形成了4個子系統。系統功能結構如圖2所示。

圖2 TQC-DS系統功能結構Fig.2 Functional structure of TQC-DS system

3.2.1 主系統

TQC-DS主系統分為系統管理、實時預警、模型管理、缺陷跟蹤和信息發布5個子模塊。主系統功能結構如圖3所示。戶注冊以及數據備份與轉存的功能;實時預警子系統主要完成針對設備、工藝、質量狀態的顯示和異常預警功能;缺陷跟蹤子系統主要完成對產品缺陷的追溯功能;發布系統的主要功能是向技術和管理人員反映本流程內設備、工藝、質量的狀態和上下工序的相關參數，使生產工藝、設備運行、質量控制各方面的人員可以及時獲得狀態信息，便于及時調整;綜合分析子系統主要完成對設備、工藝、質量的綜合查詢與統計分析的功能。

圖3 主系統功能結構Fig.3 Functional structure of the main system

這些子模塊系統是一個統一的整體，它們協調工作，從而實現系統的功能。

3.2.2 離線子系統

按照設備狀態專業化把握要求，設計了由綜合管理、簡易診斷、離線精密診斷、診斷信息、知識庫、系統接口和系統管理等模塊組成的TQC-DS離線診斷子系統。

TQC-DS離線診斷子系統涵蓋信號處理、狀態監測預警、健康評估、預測診斷和決策支撐等功能。

離線子系統主要對所有離線檢測診斷的設備進行統一管理，可以對設備的相關參數及屬性進行設置。其主要分為兩大類內容:①設備基本屬性信息，包括設備編碼、名稱、責任者、設備位置等數據以及現有的分類規范等;②設備狀態判斷標準和檢測診斷參數設定情況。設備狀態管理基準是建立機電設備狀態數據庫的基礎和根本準則。

3.2.3 綜合分析子系統

綜合分析子系統通過分析定義模塊，完成綜合查詢或統計分析的個性化定制。綜合分析服務器運行時，自動加載分析定義文件，進行結果運算，并保存運算結果。管理員可以通過分析監控模塊察看分析的運行情況。當用戶發出分析請求時，分析輸出模塊按照用戶要求，查詢分析結果，并按照定義好的輸出格式完成輸出。

3.2.4 狀態發布子系統

狀態發布子系統的主要功能是反映本流程內設備、工藝、質量的狀態和上下工序的相關參數，提供Web瀏覽方式，使生產工藝、設備運行、質量控制各方面的人員可以及時獲得狀態信息。根據功能不同，信息發布子系統可以分為發布信息編輯、信息分類顯示、信息反饋和發布信息統計這4個模塊。

4 結束語

傳統的預防、預知狀態、可靠性等維修手段都假定質量是可控的。普遍認為設備問題解決了，質量自然有保證。其實不然，影響質量的因素并非全部來自于設備，隨著設備狀態的不斷穩定，其他因素(比如操作、工藝條件等)造成的質量異議比例可能比設備的影響度更大。

本文建立的全流程狀態監控系統可有效把握本流程內的所有狀態［8-11］，最大限度地減少企業生產所占用的資源，降低企業管理和運營成本。TQC-DS系統是企業發展到一定程度時的必然產物。研究全流程質量控制的工藝、設備綜合診斷系統，對企業可持續發展有重要意義。

［1］Larman C.Applying UML and patterns T［M］.Third Edition.Pearson Education Inc.，2005:218-227.

［2］Awais M.Application of internal model control methods to industrial combustion［C］//Applied Soft Computing，2005:223-233.

［3］Shin Y，Lee Y P.Design of a boil-off natural gas reliquefaction control system for LNG carriers［J］.Applied Energy，2009，86(1):37-44.

［4］王文瑞.寶鋼三期二煉鋼二連鑄三電系統概述(下)［J］.冶金自動化，2000，24(3):1-5.

［5］閻建兵，王文瑞.寶鋼分公司連鑄過程控制系統［J］.冶金自動化，2008，32(1):7-11.

［6］唐瑛.現代工業過程控制系統的技術分析［J］.機械與電子，2007(17):84.

［7］余晨陽.新型自動控制軟件集成系統—FactoryLink［J］.基礎自動化，1997(1):18-20.

［8］林康紅.基于LabVIEW的遠程虛擬儀器多線程技術［J］.自動化儀表，2003，24(8):25-27.

［9］宋永獻，陳嬌.基于TMS320LF2407的數據采集與處理系統的設計［J］.計算機應用，2009(6):75-78.

［10］孫優賢，邵惠鶴.工業過程控制技術(應用篇)［M］.北京:化學工業出版社，2005:211-216.

［11］杜坤梅，李鐵才.電機控制技術［M］.2版.哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，2002:33-36.