基于工業互聯網平臺的數字鋼卷設計與實現

曹培　劉安平　李路

關鍵詞：數字鋼卷；數字交付；智能制造；數據倉庫；物料數字化

0 前言

隨著鋼企智能制造的發展，傳統信息化系統已不能滿足新的智能化需求，大量企業開始從信息化向數字化轉型。數字化是鋼企實現智慧制造的基礎，為提高鋼鐵生產的效率和質量創造新的機會。數字鋼卷是帶鋼的物料數字化模型，是鋼廠進行全流程一體化質量管控的基礎，可以隨著實物鋼卷進行數字交付幫助下游鋼材用戶跨行業對鋼材品質進行掌控。本文描述一種在數個大型鋼廠單工序數字鋼卷實施基礎上進一步打造的適用于熱軋、冷軋至后處理工序的數字鋼卷實現方法，對其原理、實現方法與產品形態進行了描述和解釋。

1 概念與原理

數字鋼卷是一個與鋼卷實物伴生產出的物料數字化模型，實現帶鋼物料的數據數字化、資產化、可視化。數字鋼卷圍繞鋼鐵物料生命周期和產品加工過程，從產品視角將帶鋼在熱軋、冷軋至后處理工序生產過程的質量、成本、能源等工藝數據進行整合和歸集，并以鋼卷為載體進行建模，將模型實例化形成鋼卷的物料數字化。

工業互聯網平臺是企業級的疊加物聯網、大數據、人工智能等新興技術，構建精準、實時、高效地包括數據采集、存儲、管理等功能的工業平臺。平臺采集和存儲各單元生產產生的數據，數字鋼卷從平臺讀取相關數據進行跟蹤、關聯和處理。數字鋼卷的數據主要包含三類信號（表1）：（1）控制系統中的鋼卷一旦產生便不再變化的靜態特征數據，如鋼卷號規格等基本信息、原料成分信息、離線檢測等；（2）在生產過程中實時產生的實時時序數據，如工藝過程數據、設備運行數據、質量數據、能耗計量、在線檢測數據等；（3）跨機組、跨工序的重要數據，以物料為基礎的不同產線的關聯。

系統獲取數據后進行跟蹤，按單個鋼卷從數據倉庫提取數據，將時序數據轉換成按帶鋼長度方向對齊的數據并匹配到鋼卷每一段長度上，實現鋼卷數據時序、物料長度多維度的整合，并以鋼卷號為主鍵進行建模，形成以鋼卷產品為核心的數據模型，生成數字鋼卷。

2 數字鋼卷實現方法

數字鋼卷按照針對機組差異化配置的數據項從工業互聯網平臺讀取數據，通過建立跟蹤進行數據整理與物料建模，以關系數據庫和文件兩種格式進行數據存儲，建立基于工業互聯網平臺標準的數據接口，并構建基于B/S架構的可視化平臺進行鋼卷管理和數據展示。

2.1 硬件系統構建

數字鋼卷系統硬件由數字鋼卷服務器和工業互聯網平臺組成。工業互聯網平臺硬件包含數據采集服務器、數據倉庫和網絡設備，由全廠智能制造統一實施。系統的硬件架構如圖1所示，最終實現數字鋼卷服務器與PLC、數據倉庫、煉鋼連鑄數據倉庫的通信。

不同類型數據獲取主要有3種方式：（1）當前生產的鋼卷號等靜態信息，通過數采服務器從產線生產控制系統實時獲取；（2）機組實時生產數據，通過數采服務器實時從PLC采集數據。采集的數據按時間先后保存在數據倉庫，數字鋼卷系統需要時通過時間劃片方式從數據倉庫讀取數據，其中跟蹤所需要的速度、焊縫檢測等數據實時發送到數據鋼卷服務器；（3）煉鋼連鑄的跨廠級數據通過全廠網絡從煉鋼連鑄的數據平臺讀取。

2.2 數據配置方法

數字鋼卷的數據項采用文件的方式進行編輯和管理。整理數字鋼卷所需要的工藝數據項，統計每個數據項在機組的位置參數。將數據項的變量名稱、注釋、變量類型、跟蹤類型、數據物理位置所在的跟蹤區域編號、數據點位置距離跟蹤區域起點的距離，按照表格方式填寫到CSV文件中，生成獨立的配置文件，供數字鋼卷系統讀取。數字鋼卷系統應用到不同的工廠或機組時，配置文件需要根據機組差異化布置和需求重新配置。

2.3 物料跟蹤方法

數字鋼卷系統采用從PLC實時讀取的帶鋼速度、焊接信號、焊縫檢測信號或熱檢信號，建立一套簡單的跟蹤。在機組從入口到卷取之間確立幾個關鍵設備位置作為跟蹤分區點：熱軋機組；粗軋入口高溫計、R1軋機、R2軋機、飛剪、精軋F7軋機、層冷輥道中間位；冷軋連續生產機組；焊機、各焊縫檢測儀，連退鍍鋅機組熱處理區前后張力輥；冷軋單卷生產機組。全線作為一個跟蹤分區，以穿帶信號作為跟蹤起點。

帶頭帶尾到達某個跟蹤分區點，啟動該分區的跟蹤計算。以固定采樣周期讀取帶鋼速度，計算單個周期內帶鋼移動距離，并累加得出帶頭帶尾過該跟蹤分區點長度。當帶頭跟蹤位置L不小于跟蹤分區的總長度時，標志著帶頭已進入下一段，L保持不變，當下一個鋼卷帶頭位置到來時，將帶頭位置信息L清零，重新進行下一個鋼卷的計算，計算公式見式（1）。有活套位置的跟蹤區域，計算跟蹤位置時需減去實時套量對應的帶鋼長度。帶尾跟蹤計算方式同帶頭。

（1）

式中：L為帶頭帶尾跟蹤的位置，mm；vi為第i次采樣段內的線速度，mm/s；T為速度采樣周期，s。

劃片時間計算：跟蹤帶頭Ls和帶尾位置Le，在數據配置文件中對應跟蹤區域的不同數據檢測點距離跟蹤分區點的距離L1，L2，…進行比較，當Ls＞L1…的上升沿時間時，即帶頭經過該數據點的時間Ts，當Le＞L1…的上升沿時間時，即帶尾經過該數據點的時間Te。每個數據點檢測到帶頭帶尾的時間Ts和Te即為該數據點的劃片時間。記錄劃片時間和當前的鋼卷號，生成鋼卷的所有數據檢測點的劃片時間Ts和Te的關系表，保存到關系數據庫。

2.4 物料長度對齊

采用時間劃片方式進行數據提取：將生產期間按自然時間維度產生的時序生產數據，通過時間劃片的方式將帶鋼經過單個數據點時間段內的數據提取出來，根據物料跟蹤計算的鋼卷對應數據點的起始時間Ts和結束時間Te，從數據倉庫中按時間劃片的方式提取Ts和Te之間的所有數據，將所有Ts點作為起點，所有Te的數據作為終點，組成新的數據集。圖2所示為數據提取的過程。

將數據集從時間坐標變換成長度坐標：根據每個周期的帶鋼速度和周期，按照式（2）將橫坐標從時間變換為帶鋼的長度，將工藝過程數據對時間的曲線轉換擬合成工藝過程數據對長度的曲線。

（2）

式中：S為帶鋼在第n個采樣周期的長度位置，mm；vi為第n次采樣周期的當前段帶鋼線速度，mm/s；T為速度采樣周期，s。

將帶頭帶尾數據對齊：將帶頭位置的所有數據對齊，帶尾位置的所有數據對齊，中間按長度百分比進行擬合，生成按帶鋼長度對齊的高頻數字鋼卷數據集。

2.5 跨機組數據關聯

軋鋼廠內下游機組生成數字鋼卷時，自動將上游機組數字鋼卷的關鍵數據例如厚度、板形、終軋溫度，去掉頭尾剪切長度內數據后按長度百分比關聯到下游機組的數據鋼卷。同時，數字鋼卷長度數據中部分重要質量數據按相對較低頻率抽取保存到關系數據庫中，主要關聯流程如圖3所示。煉鋼和連鑄工序質量相關數據關聯，從數據倉庫讀取成分、檢驗信息等重要信息，以靜態特征數據的方式保存到數字鋼卷的關系數據庫。

2.6 數字鋼卷存儲與管理

靜態特征數據、劃片時間與按10個點采樣一個的長度對齊數據集一起建模生成輕量級的數字鋼卷，保存在關系數據庫中，按照智慧制造平臺統一標準對外提供標準接口，供其他應用進行質量管控和數字交付以及模型優化等功能使用。長度對齊的高頻數字鋼卷數據轉換成離線分析工具支持的DAT文件格式存儲在服務器，主要用于人工進行離線的數據分析、過程診斷、質量追溯等。建立基于B/S架構的可視化管理平臺，可以對數字鋼卷進行管理，提供完善的數據查詢、管理、主要質量曲線展示功能。

3 應用實例

圖4所示為某鋼企數字鋼卷系統可視化管理平臺的鋼卷數據預覽頁面，左邊是鋼卷列表，可以查詢或選擇需要預覽的鋼卷號，右邊展示選中數字鋼卷的關系數據庫中的主要質量曲線。可視化頁面可直接跳轉到離線分析工具打開對應數字鋼卷的DAT文件進行離線分析，提供多種標準基于數學的、統計學的分析。

圖5所示為一個鋼卷進行離線分析的曲線，圖中坐標數據依次為平直度、凸度、各機架軋制力、各機架輥縫的曲線，子窗口為板形和凸度斷面柱狀圖。由圖中顯示內容可知，數字鋼卷系統實現了按長度統計每段帶鋼的生產數據，并具備豐富的分析功能。

4 結語

帶鋼生產作為工業制造領域生產流程最長、最復雜的產品之一，工序匹配復雜，跨生產機組數據傳遞不暢，數字鋼卷方便地解決了這些缺點，為一體化質量管控系統提供了基礎，為鋼卷進行生產全流程數據分析、質量追溯、過程診斷、生產工藝優化提供了較大便利，滿足從熱軋、冷軋到后處理機組的物料數字化需求，使得上下游產業之間聯系更加緊密。

本課題預留數字交付功能接口，鋼企向用戶交付鋼材同時提供包含生產和質量信息的數字鋼卷，增強了產業間無縫協同。隨著數字交付在鋼鐵行業的推進，數字鋼卷必將對鋼鐵行業的發展發揮重要作用。

本文摘自《冶金自動化》2022年第S1期