L2系統在天鋼電爐車間的應用

王楠，楊宏喬

（天津鋼鐵集團有限公司，天津300301）

L2系統在天鋼電爐車間的應用

王楠，楊宏喬

（天津鋼鐵集團有限公司，天津300301）

介紹了CONCAST公司L2系統在天津鋼鐵集團有限公司電爐車間的應用情況。分析了L2系統的構架及網絡布局、系統硬件及軟件組成，以及L2系統的優勢。根據現場實際使用情況，對系統進行了適當優化，滿足了電爐煉鋼生產的需求，提高了生產效率和產品質量。

電爐；L2系統；模型；機制

1　引言

大型鋼鐵企業的信息化系統是分四層實現的，最上層是面向商務和計劃的ERP系統，中間層是面向生產和執行過程的MES制造執行系統，底層是過程控制系統L2和面向生產過程的基礎自動化系統L1［1］。

在企業ERP的實施過程中，最困難的就是數據準備，數據準備成功與否，是ERP實施能否成功的關鍵因素。“三分技術、七分管理、十二分數據”，充分表達了數據在ERP系統實施中的重要地位。數據的來源正是由L2作為紐帶將底層基礎自動化與MES這個L3系統連接起來的。因此L2系統在鋼鐵企業L1/L2/L3/L4四級結構中起著至關重要的作用［2］。

天津鋼鐵集團有限公司電爐車間主體是由CONCAST公司進行工藝、機械及自動化系統整體設計，經過電爐、精煉爐、VD爐及連鑄的生產過程，用于生產板坯及大尺寸圓坯。電爐車間主要設計有2個電爐工位，2個精煉工位，1個VD爐工位，3臺連鑄機。除1#板坯連鑄機由中冶京誠公司設計并提供設備及調試外，其他主體設備均由CONCAST公司設計，并提供設備及調試。

2　L2系統架構

2.1簡介

電爐車間采用了CONCAST公司設計的L2過程控制系統。其主要作用就是將既獨立，但又是一個整體的車間各生產工位，通過L2系統連接在一起并將車間的整體運行情況整合后呈現給用戶，優化生產節奏，使各工序生產操作人員及時全面地了解生產狀況，從而進行預判及生產調度。同時L2系統另一個重要作用是，能夠參與到生產過程控制當中，通過系統內置的數學模型，對生產工藝參數進行實時調整，進而優化提高產品質量。

L2系統是負責采集生產車間所有基礎生產數據，并進行整合、優化控制的重要環節。其向下與車間L1系統進行連接，通過L2系統工作站讀取PLC中數據，通過強大的Oracle 10g關系型數據庫對基礎數據進行計算并整合，及時調整各工序生產動態參數及生產過程狀態，并通過L2系統工作站及客戶端的HMI畫面及時反饋給各工位操作人員及用戶。L2還是一線生產方和管理方之間的紐帶，作為收集信息的重要渠道和某些重要信息的補充渠道，向上負責對上一級L3系統提供相應數據以保證信息的完整性和準確性［3］，以期為整個公司生產與調度及時提供煉鋼車間的生產動態，為天鋼產銷一體化系統MES提供幫助。

通過與CONCAST公司設計人員的交流，結合電爐煉鋼車間的實際情況，并針對軟件應用的實際需求，L2系統采用了客戶端/服務器的主從式架構（見圖1），這種結構能夠顯著降低網絡流量，可以直接回答用戶查詢，提升查詢響應速度，對于24 h都在實時運轉的車間環境來說，及時對工作站及客戶端的數據請求做出反饋及響應是尤為重要的。

圖1　電爐L2系統主從結構示意圖

2.2L2系統網絡布局

電爐車間L2系統采用的是環網結構見圖2。

圖2　電爐L2系統網絡結構圖

其優點在于當網絡中有一個連接點出現問題而斷開時，整條L2網絡系統還是一條通路，工作不受影響，不會因此造成工作站、客戶端與服務器之間通訊中斷，避免對生產造成影響。

3　系統構成

根據不同的功能及作用，本套L2系統中使用的計算機可分為3類：服務器、工作站及客戶端。其中服務器作為整個L2網絡的數據交換中心，對所有生產數據進行收集并整合，工作站位于每一個操作工位，其作用是實時跟蹤現場生產狀態，通過采集L1的基礎數據上報服務器，并根據生產的動態變化對生產參數適時調整，以達到優化生產的目的，客戶端主要是對生產狀況的反應，并不直接參與到系統控制中。

3.1L2硬件系統

傳統的以一臺服務器主機作為整套L2系統中心的配置存在一定缺陷。盡管一臺服務器主機的幾塊硬盤之間可以進行RAID配置，當出現其中一塊硬盤故障時，服務器仍能保持正常運行。但若出現硬盤故障以外的問題時，整臺服務器將無法工作，即L2系統將整體癱瘓，這對于有24 h連續生產作業的煉鋼生產車間是極為不便且危險的，嚴重時可能造成連鑄拉鋼過程中動態配水、輕壓下等參數失控，對鑄坯質量造成不可逆的影響。

為了能夠使L2系統更加穩定的運行，本套L2系統采用一用一備的服務器組策略，配備兩套L2服務器組。每組由2臺戴爾Poweredge 2950服務器主機構成，2臺主機通過QLogic fibre channel adapters進行連接配置，2臺主機作為互備同時在線運行。當其中一個主機出現故障時，可以自動切換到另一臺主機工作，切換時間只有2min，由此保證了L2系統的正常運行；配備一個EMC Clarion AX150存儲系統，作為收集現場大量數據的存儲介質；配備一個EMC UPS設備，作為臨時斷電期間備用電源使用。

現場生產的主要操作工位都配備有2臺工作站，工作站作為過程控制計算機參與到生產控制當中。結合天鋼煉鋼車間的現場情況，電爐車間L2系統對廢鋼加料系統進行了改進，針對天車操作室空間狹小，不便于擺放計算機，有線網絡接入困難等缺點，最終采用了先進的無線發射、接收數據的方式。在車間適當位置安裝無線發射裝置，天車操作室配備具有無線接收功能的觸摸屏計算機設備，使天車操作工能夠在操作室內通過HMI人機交互界面實時掌握當前的生產狀態，通過預覽近幾爐有冶煉需求計劃的爐次，及時進行廢鋼配包操作。相比以往只能通過電話、對講告知天車人員生產情況及加料需求等情況，人機交互界面的直觀性及操作的便利性，極大縮短了生產準備的等待時間，優化了生產流程。

L2系統客戶端使用者為現場生產調度，系統維護工程師、冶金工程師、鋼包維護人員等。客戶端只需連接至L2網絡，與L2數據庫之間進行數據交換，不需參與到實際生產中。

3.2L2軟件系統

L2又被稱為過程控制系統，其重要性就在于能夠及時采集各個點位參數的變化，根據內建模型的計算得出最優數據，最終再反饋回最前端，對生產動態進行實時響應及動態調整。其優勢在于通過對生產工藝參數、調度系統的實時優化，使各工序產品質量達到最優，生產節奏更加緊湊。

L2所有計算機均采用了微軟的XP Professional系統，數據庫采用了Oracle 10g Standard Edition版本，L2工作站通過Siemens Softnet S7軟件與L1進行通訊來對現場數據進行采集。

3.2.1軟件構成

CONCAST公司的L2系統經過多年現場實踐，已經擁有了一套完整的程序結構，根據不同工位的生產特點，都配備有不同的控制參數與模型。各工序都分別有其獨立的應用模塊與之匹配，來滿足不同工序的過程控制要求，如生產計劃的接收、化驗室試樣分析結果、本工位過程控制參數設定等。電爐、精煉爐、VD爐、連鑄等各工作站分別運行有EAF.EXE、LMF.EXE、VTD.EXE、CCM.EXE模塊；調度系統、廢鋼加料區域、冶金工程師分別運行有PROD.EXE，YARD.EXE，METAL.EXE模塊；額外還有報表模塊REPORT.EXE、設備壽命跟蹤模塊EQUIP.EXE模塊、負責與L1系統通訊的模塊GATE. EXE、數據庫定期清理與備份模塊SENTRY1.EXE、BACKUP.EXE等。各種不同的應用模塊結合在一起組成了一套完整的電爐L2過程控制系統。

3.2.2連鑄動態凝固模型簡介

L2系統最重要的核心技術是過程控制中對于工藝技術的各種模型理論，這些都是經過長期的摸索及現場實踐得出的，對提升產品質量起到了極其重要的作用。而在各生產工序中，連鑄工序是將液態鋼水轉換為固態鋼坯的最終環節，為了提高煉鋼設備的生產率，同時提高產品總體質量，減少缺陷的再次發生，優化連鑄工序生產過程是重要的環節。一些性能的控制如鑄流表面溫度和凝固長度是非常重要的。為防止在工藝過程中形成裂紋和引起其它缺陷，表面和內部質量問題受結晶器和二冷區中的熱能傳導的影響較大。

由于連鑄工藝的復雜性，變量的數量較多，收集有用的測量值較困難。由于工藝過程控制硬件技術的進步，越來越廣泛應用數學方法解決導熱數學模型、機器的機械性能。數學模型可用于監視、控制和優化工藝。

CONCAST L2系統連鑄模型能夠對鋼水溫度進行實時監測，對鋼水凝固過程和相變的瞬間傳熱過程用有限元法進行計算。在澆鑄時，連鑄機的機械參數和鋼種相關的物化性能被正確輸入到數據庫中，經過L2系統數學模型（見圖3）進行計算，實時監控動態二冷的設定點。L2工作站則從L1自動讀取主要數據，所有鑄流會在線形成熱分析并通過L2工作站的人機交互界面展現出來。

模型的結果是沿著澆鑄長度方向橫斷面的溫度圖形。這個圖形決定了表面溫度、坯殼厚度及冶金長度的模型，即鑄流完全凝固后凝固液芯（見圖4）。在線測試時測量溫度和水流的調節模型參數，并達到與實際工藝性能相一致。

圖4顯示出了鑄坯斷面和在x軸方向連鑄長度的預定點，在這個圖上顯示的變量為：溫度、坯殼厚度、在中心線的凝固系數、熱通量、二冷噴淋水流量、二冷噴淋水熱傳遞系數。

4　數據的整合及優化

4.1外部系統數據的整合

圖3　模型優化結構圖

圖4　冷卻過程HMI畫面

L2系統并非封閉于外部網絡而獨立運行，因此涉及到與外部系統進行數據交換。結合電爐車間的實際情況，電爐L2系統包含內建的事件廣播機制，允許所有運行的L2模塊之間互相發送生產過程中發生的各種類型事件的信號。此內建機制同樣可以用來支持將外部系統數據整合到本地L2系統中，如化學實驗室數據，中冶京誠公司設計的1#板坯連鑄機L2系統，以及致力于工廠生產控制的天鋼中厚板產銷一體化的L3系統。這些外部系統相當于電爐L2系統的伙伴，有事件發生時，內建廣播機制向合作伙伴廣播一組與生產過程和生產事件相關的事件，以及與事件相關的一些額外必需的詳細事件數據。參與事件廣播的各方，是基于相互訪問各系統公共接口路徑的關系數據庫表而獲取相關事件發生的數據。

此事件廣播機制是基于一個共同的數據庫表，命名為ENV_EVENT，它有以下的邏輯結構（見圖5），各合作伙伴之間通過定期循環讀取此公共結構數據庫表，便能得知是否有新的事件發生并及時更新系統狀態。

圖5　與外部系統數據交換邏輯圖

如前所述，相對于電爐車間，外部系統是由不同的三方組成，由于1#板坯連鑄系統與L3系統都有比較系統的數據庫架構，因此適用于上面介紹的方法。而化學實驗室的數據交換只對應于實驗室的分析儀器，因此針對文件傳輸、串口傳輸及數據庫直接讀取3種不同的數據獲取方式，經過與CONCAST L2工程師共同分析及討論3種數據傳輸方式的可行性及便利性，最終確定數據傳輸采取通過文件傳輸的方式。在化學實驗室配備一臺L2客戶端，化驗室分析儀生成的數據文件寫入此客戶端一個事先定義好的路徑，在L2服務器端，通過專有的SENTRY1程序對此路徑下文件進行定期讀取，以達到接收化驗室成分的目的。

4.2結合生產實際的優化

CONCAST L2系統是一套成型的結構，照搬整套系統會與電爐車間生產實際情況不符，軟件中有些數據及邏輯結構無法滿足電爐生產的實際需求，因此需要對軟件的設計進行更貼合實際的優化及改動，這樣才能使生產節奏最緊湊，產品質量最優化，人員匹配合理化，最終才能體現L2系統的高效利用率，因此需要對本套L2系統進行設計上的優化及精簡。

為了有一個完整的生產計劃和報表，將非CONCAST公司設計的1#板坯連鑄機的數據整合到CONCAST L2中；為板坯L2系統提供一個公共路徑用來獲取生產及計劃所需的必備數據；將中包連續測溫數據整合到CCM爐次報表中；大包壽命跟蹤功能增添2個以分鐘為單位的數據，從前一爐澆鑄結束到本爐出鋼開始的時間及從本爐出鋼開始到本爐澆鑄結束的時間；對在線報表的保存時間進行了調整，詳細報表改為保存5周，標準報表保存時間修改為1年。

5　結束語

對于鋼鐵企業來說，產品質量好壞、生產節奏快慢、人員使用是否合理這些都是市場競爭的重要因素。CONCAST公司L2系統具備先進的設計理念及模型優化技術，能夠滿足電爐煉鋼生產的需求，并且提高了產品質量。同時，經過符合現場實際的系統功能優化后，通過運行一段時間，經過現場操作人員的反饋看出，系統優化提升了人員操作的熟練性，系統使用的便利性，優化后的系統很好地提高了生產節奏和效率，使人員配置得到了更加高效的利用，為提高企業的競爭力起到了重要作用。

［1］曹江輝，王寧生，解放.制造執行系統現狀與發展趨勢［J］.高技術通訊，2003（6）：100-105.

［2］吳凡.鋼鐵行業實施ERP的產品結構設計［J］.計算機集成制造系統CIMS，2002，8（6）：500-504.

［3］漆永新.鋼鐵企業信息化新技術（上）［J］.冶金自動化，2005，29（3）：124.

Application of L2 System at Tiangang EAFMeltshop

WANG Nan and YANG Hong-qiao
（Tianjin Iron and Steel Group Co.，Ltd.，Tianjin 300301，China）

The paper introduces the application of CONCAST L2 system to EAF meltshop of Tianjin Iron and Steel Group Co.，Ltd.and analyzes the architecture and network layout，system hardware and software constitution and advantages of L2 system.The system was optimized according to the actual situation on site tomeet the requirementby EAFmelting production，improving productivity and productquality.

EAF；L2 system；model；mechanism

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.04.012

2016-03-07

2016-04-07

王楠（1982—），女，遼寧鞍山人，碩士，工程師，主要從事二級系統網絡及軟件維護管理工作。