罩式爐網絡過程控制系統(tǒng)軟件架構設計與開發(fā)

金風濤

（甘肅鋼鐵職業(yè)技術學院，甘肅嘉峪關，735100）

0 引言

隨著市場競爭的加劇，我國各行各業(yè)都在謀求轉型升級，以降低生產成本、提高生產質量和生產效率。目前，鋼鐵企業(yè)的生產環(huán)節(jié)都已普遍實現(xiàn)自動化控制，罩式爐的退火過程采用基礎自動化系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)的二級系統(tǒng)模型，能夠實時采集生產數(shù)據(jù)、監(jiān)督生產過程，以提高罩式爐退火質量，過程控制系統(tǒng)由5個模塊組成，能夠實現(xiàn)罩式爐退火曲線的計算、與生產管理系統(tǒng)的通訊、鋼卷組垛以及生產數(shù)據(jù)的采集與儲存等，也具備監(jiān)控管理功能，確保系統(tǒng)或者設備的正常生產運行[1]。

1 罩式爐退火工藝簡述

罩式退火爐在鋼鐵生產上有著關鍵作用，其退火工藝的操作流程是：根據(jù)退火規(guī)劃，向爐臺上裝料，即將鋼卷堆垛在退火爐臺上并壓緊，對退火裝置進行泄露測試，若退火爐臺、氫氣入口閥以及內罩系統(tǒng)都沒有問題，則進行下一步，向爐臺放置加熱罩，向罩內吹入氮氣N2，滿足一定條件以后換用氫氣H2吹掃，將氫氣保留在內罩里，排除氮氣。之后點火加熱，不同的材質的鋼種需要使用不同的加熱曲線進行持續(xù)加熱，直到鋼卷卷心上升到一定溫度，之后進行保溫。罩式爐退火工藝復雜，使用氫氣的原因在于氫氣作為保護氣體能夠較好滲透到鋼卷層間，能夠顯著提高傳熱效率和退火質量。

保溫之后進行退火、冷卻，將加熱罩吊離，用循環(huán)風機設為輻射冷卻模式對加熱罩進行冷卻，接著扣上冷卻罩，啟動冷卻風機，循環(huán)風機高速運行利用周圍空氣循環(huán)流動來冷卻內罩。當內罩的溫度達到設定值時，冷卻風機停止運行。待鋼卷材料卷心溫度達到相應數(shù)值時，冷卻過程完成，吊走冷卻罩，然后用氮氣N2吹掃，排除內罩里的氫氣，吊離內罩[2]。最后是卸料工作，將鋼卷從罩式爐臺上吊離，完成整個加熱、保溫、冷卻過程。

2 系統(tǒng)構架組成

2.1 控制系統(tǒng)軟件結構

根據(jù)對罩式爐退火工藝流程和其過程中對自動控制系統(tǒng)的要求，本系統(tǒng)構架采用兩級控制系統(tǒng)，一級為基礎自動化系統(tǒng)，二級為過程控制系統(tǒng)，罩式爐自動化控制系統(tǒng)軟件結構如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)軟件結構

2.1.1 基礎自動化系統(tǒng)

整個控制系統(tǒng)采用西門子S7-300系列PLC系統(tǒng)，為每座爐臺都配備一套S7－300控制器和一個OP操作面板；PLC控制系統(tǒng)不僅能夠完成對設備的控制，還具有對內罩壓力、爐臺冷卻水流量、氧含量等安全連鎖功能，OP操作面板則能夠檢查和糾正生產工藝的各項參數(shù)、確認系統(tǒng)安全性、查詢報警信息查以及執(zhí)行應急操作等功能。

2.1.2 過程控制系統(tǒng)

中央操作系統(tǒng)（COS）能夠實現(xiàn)對退火過程的相關操作和全程監(jiān)控，操作人員可通過系統(tǒng)采集的相關生產數(shù)據(jù)，調出各罩式爐生產狀態(tài)，檢查有無故障的產生，以保障生產的安全性和穩(wěn)定性。

過程控制系統(tǒng)（PCS）由5個模塊設計完成，包括退火模型、L3數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)采集、HMI監(jiān)控以及數(shù)據(jù)庫服務器。退火模型以實現(xiàn)退火曲線的科學計算與實時動態(tài)退火曲線的糾正為目的，通過建立罩式爐退火過程在線數(shù)學模型對生產過程溫度進行持續(xù)跟蹤；L3為生產管理系統(tǒng)，此數(shù)據(jù)通訊模塊需要與上一級過程控制系統(tǒng)建立聯(lián)系，實現(xiàn)待退火鋼卷信息、組垛信息以及退火完畢鋼卷信息的傳輸；實時數(shù)據(jù)采集模塊主要負責對基礎自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行實時獲取，整理并儲存到數(shù)據(jù)庫中；HMI監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控管理對象涉及整個過程控制系統(tǒng)，需要對鋼卷組垛信息、退火工藝溫度曲線計算與修改、能源使用情況以及設備或者系統(tǒng)故障等信息的監(jiān)控，也要對罩式爐生產數(shù)據(jù)進行整理與保存；數(shù)據(jù)庫服務器則包含了罩式爐過程控制系統(tǒng)中所有相關數(shù)據(jù)，是存儲、管理與查詢數(shù)據(jù)的倉庫。

2.2 控制系統(tǒng)網絡結構

罩式退火爐過程控制系統(tǒng)的網絡結構設計如圖2所示。上位機之間采用TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換，與罩式爐之間通過PLC系統(tǒng)建立聯(lián)系，在鋼鐵企業(yè)的生產過程中，會使用到很多的罩式爐，每一個爐臺都有一個PLC工業(yè)控制系統(tǒng)，其中應用服務器是雙網卡的設計，一個網卡用于和L3生產管理系統(tǒng)通訊，另一個與爐臺PLC系統(tǒng)通訊[3]。

圖2 系統(tǒng)網絡結構

3 關鍵技術與功能

3.1 退火工藝模型

罩式爐退火材料有很多種，系統(tǒng)對于每一個鋼種都存有相應的退火工藝表，這就是退火工藝模型的預計算功能，需要根據(jù)鋼種、組垛鋼卷數(shù)量、材料的各項參數(shù)等綜合計算出此鋼種的加熱時間、保溫時間以及退火時間，得到科學、合理的退火工藝區(qū)曲線。另一種功能便是動態(tài)在線計算，當入爐參與組垛的鋼卷詳細信息與之前預定的情況不同時，則數(shù)據(jù)庫中針對鋼種的退火工藝曲線表就無法發(fā)揮良好的生產控制作用，這時需要結合鋼卷垛的實際卷數(shù)和鋼卷詳細參數(shù)進行修正計算，改變原有的退火工藝曲線，建立出與實際生產更加相符的退火工藝曲線表，保證罩式爐的生產質量和效率。另外，外界環(huán)境的改變也會影響鋼卷的退火過程，在罩式爐工作期間，假如出現(xiàn)了停氣、停電等故障，不可避免會對爐內溫度產生影響，這時需要及時采集爐內相關溫度數(shù)據(jù)，修改退火工藝曲線，滿足鋼卷退火的工藝要求，以保證鋼卷的退火質量。預計算技術中的溫度是理想狀態(tài)下爐內應有的氣體溫度，而在線計算技術中的溫度是實時采集的動態(tài)爐內氣體溫度。

3.2 L2-L3通訊技術

L2過程控制系統(tǒng)與L3生產管理系統(tǒng)之間的通訊技術是罩式爐生產過程的重要技術。應用服務器中包含L2與L3實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊的模塊。當在L3系統(tǒng)中查詢到了生產任務，通過模塊通訊，將有待退火鋼卷的信息輸送到L2系統(tǒng)，存入到數(shù)據(jù)庫鋼卷信息表中，等技術人員將鋼卷組垛完成后，執(zhí)行PLC控制的同時，該通訊模塊就會把鋼卷以及組垛完成的信息輸送到L3系統(tǒng)，在退火工藝完成后，進行卸料，此時該通訊模塊會把此狀態(tài)信息重新輸送到L3系統(tǒng)。

3.3 物料跟蹤

在一級基礎自動化系統(tǒng)中，就開始了對待退火物料的跟蹤與記錄，隨著鋼卷信息的改變，二級系統(tǒng)在此基礎上進行相應更新，完善物料跟蹤功能，以更好地實現(xiàn)之后環(huán)節(jié)對鋼卷的控制調整。物料跟蹤功能需主要實現(xiàn)區(qū)域跟蹤和位置跟蹤，其中，對物料進行跟蹤的區(qū)域為爐臺區(qū)域和終冷臺區(qū)域，而跟蹤的位置信息則是鋼卷在組垛狀態(tài)下的位置數(shù)據(jù)。當罩式爐退火過程中，鋼卷組垛位置信息改變或者所跟蹤的區(qū)域內物料生產發(fā)生改變時，系統(tǒng)的一級基礎自動化系統(tǒng)會發(fā)出相應信號，之后物料跟蹤數(shù)據(jù)會進行對應調整，時刻保持罩式爐過程控制系統(tǒng)中物料跟蹤信息與實際使生產狀況的一致性，鋼卷退火過程中發(fā)生的特定事件，也會使罩式爐過程控制系統(tǒng)對鋼卷狀態(tài)、位置等跟蹤數(shù)據(jù)進行調整[4]。當罩式爐完成對鋼卷的退火任務時，過程控制系統(tǒng)也就完成了對鋼卷退火生產整個過程中物料數(shù)據(jù)的跟蹤收集與整理，將此跟蹤結果儲存到數(shù)據(jù)庫中對應鋼卷的實際生產數(shù)據(jù)記錄中，以作為今后對產品生產質量與生產效率的數(shù)據(jù)參考。

3.4 數(shù)據(jù)收集統(tǒng)計

數(shù)據(jù)收集統(tǒng)計貫穿整個網絡控制系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)對鋼卷退火生產過程數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計以及存儲數(shù)據(jù)庫等。基礎自動化系統(tǒng)獲取實際生產數(shù)據(jù)，再通過系統(tǒng)之間建立的網絡數(shù)據(jù)通信通道，與罩式爐過程控制系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)傳輸，這些生產數(shù)據(jù)包括鋼卷信息、罩式爐工作狀態(tài)、罩式爐生產質量等信息等，在TCP/IP協(xié)議下，罩式爐過程控制系統(tǒng)接收基礎自動化系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)報文，獲取每個測量值項目，例如，鋼產量累計、消耗累計等，按規(guī)劃收集、處理與統(tǒng)計這些測量值。這些數(shù)據(jù)對罩式爐退火生產過程來說具有一定的反饋作用，通過分析與統(tǒng)計，能夠為罩式爐退火生產工藝的改進提供可靠數(shù)據(jù)參考。帶鋼企業(yè)生產過程中，往往會用到很多罩式爐，這些罩式爐之間的數(shù)據(jù)沒有關聯(lián)，隨著數(shù)據(jù)的不斷收集，早期的一些數(shù)據(jù)，可以移出數(shù)據(jù)庫放到硬盤中進行保存，如果需要查詢以往生產數(shù)據(jù)，再將硬盤保存數(shù)據(jù)回調至數(shù)據(jù)庫進行查詢[5]。