典型連鑄過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

潘渤

摘要：隨著連鑄工藝水平不斷發(fā)展，對(duì)生產(chǎn)控制（結(jié)晶器液位，拉速，冷卻水流量，切割長(zhǎng)度等）的控制精度也越來(lái)越高，同時(shí)自動(dòng)化技術(shù)和企業(yè)整體信息化也越來(lái)越趨向于一個(gè)整體，連鑄過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)正是服務(wù)于這樣一個(gè)大的發(fā)展趨勢(shì)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。一方面它接受管理系統(tǒng)的生產(chǎn)指令，并利用數(shù)學(xué)模型對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析計(jì)算的結(jié)果指導(dǎo)和控制生產(chǎn)；另一方面采集基礎(chǔ)電氣儀表自動(dòng)化的數(shù)據(jù)和信號(hào)對(duì)物流進(jìn)行跟蹤，并對(duì)采集到的生產(chǎn)實(shí)績(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納。它同時(shí)也是 MES/ERP系統(tǒng)與電氣儀表基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)之間的橋梁和紐帶，三者緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)控制的自動(dòng)化，也實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)與現(xiàn)代管理技術(shù)相結(jié)合。本文以寶鋼集團(tuán)八一鋼鐵股份有限公司二煉鋼連鑄過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為例，介紹了典型連鑄過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：L1L2L3連鑄過(guò)程控制

中圖分類號(hào)：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）08（c）-0032-02

1系統(tǒng)概述

寶鋼集團(tuán)八一鋼鐵二煉鋼連鑄過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)覆蓋八一鋼廠板帶工程二煉鋼區(qū)域的4臺(tái)垂直彎曲板坯連鑄機(jī)。連鑄機(jī)主要參數(shù)為：

流數(shù)：各1流；切割機(jī)：各1臺(tái)；噴印機(jī)：各1臺(tái)；二冷區(qū)：各9個(gè)區(qū)，16個(gè)控制回路。

鑄機(jī)拉速范圍：0.25～2.5m/min；鑄機(jī)工作拉速：1.0～1.6m/min；板坯厚度：220mm，板坯寬度：750～1600mm；板坯長(zhǎng)度：7500～10500mm；板坯最大單重：28.8t/塊。該連鑄過(guò)程控制計(jì)算機(jī)服務(wù)器硬件配置為2臺(tái)高性能雙路雙模塊冗余機(jī)架式容錯(cuò)服務(wù)器，其中一臺(tái)為在線服務(wù)器，一臺(tái)為備份服務(wù)器，磁盤(pán)采用陣列形式，采用共享磁盤(pán)管理技術(shù)，提高磁盤(pán)的可靠性，防止數(shù)據(jù)的丟失，減少系統(tǒng)切換的時(shí)間。數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)存放在共享磁盤(pán)陣列上，在線服務(wù)器和備份服務(wù)器共享數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，保證了服務(wù)器切換的速度和數(shù)據(jù)的一致。服務(wù)器部署在L2中心機(jī)房，各個(gè)連鑄電氣室和操作室的邊緣交換機(jī)通過(guò)多模光纜連接到L2中心機(jī)房的核心交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)連鑄過(guò)程控制計(jì)算機(jī)服務(wù)器與L1系統(tǒng)以及現(xiàn)場(chǎng)操作終端的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)?，F(xiàn)場(chǎng)終端采用工控機(jī)、一般場(chǎng)所終端采用商務(wù)PC機(jī)。

系統(tǒng)軟件軟件上的配置和使用上，服務(wù)器的操作系統(tǒng)采用Linux Redhat AS4服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)使用ORACLE 10G FOR LINUX版本，在終端上，安裝ORACLE的客戶端開(kāi)發(fā)及運(yùn)行環(huán)境包，包括FORMS和REPORTS（開(kāi)發(fā)/運(yùn)行顯示畫(huà)面和報(bào)表），同時(shí)安裝SQL NET（實(shí)現(xiàn)客戶端和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互）。

2主要應(yīng)用技術(shù)

與電氣儀表基礎(chǔ)自動(dòng)化的通訊，使用了OPC方式，OPC是OLE Process Control的縮寫(xiě)，是一種主流的工業(yè)控制數(shù)據(jù)通訊的標(biāo)準(zhǔn)。目前全世界大多數(shù)的知名PLC廠家都提供了基于該標(biāo)準(zhǔn)的OPC Server，任何應(yīng)用系統(tǒng)只要通過(guò)一個(gè)OPC Client軟件就可以對(duì)PLC數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)訪問(wèn)。通過(guò)這種機(jī)制，應(yīng)用系統(tǒng)可以在不更改應(yīng)用程序的前提下實(shí)現(xiàn)與不同的PLC廠家的產(chǎn)品通訊。我們使用的OPC Client軟件是MultiLink（由寶信軟件開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)通信中間件），它提供了一系列的API，應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員可以方便的在應(yīng)用程序中對(duì)PLC的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)， 實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)自動(dòng)化數(shù)據(jù)的采集、設(shè)定及PLC數(shù)據(jù)變化后通知啟動(dòng)過(guò)程計(jì)算機(jī)的應(yīng)用程序的功能，并提供了將PLC數(shù)據(jù)點(diǎn)配置成電文以及查看這些數(shù)據(jù)點(diǎn)內(nèi)容的的工具。

與MES（L3）系統(tǒng)以及其他相關(guān)系統(tǒng)的通訊使用基于TCP/IP協(xié)議SOCKET方式，項(xiàng)目中使用XCOM_PCS（由寶信軟件開(kāi)發(fā)的基于TCP/IP協(xié)議的SOCKET通信中間件）來(lái)實(shí)現(xiàn)，與MultiLink類似，它也是提供了一系列簡(jiǎn)單方便的API（應(yīng)用編程接口），實(shí)現(xiàn)在以太網(wǎng)環(huán)境下，基于TCP/IP協(xié)議的SOCKET數(shù)據(jù)通信，同時(shí)提供了電文數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換的功能（2進(jìn)制與ASCII碼之間的轉(zhuǎn)換，網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序和本地字節(jié)順序之間的轉(zhuǎn)換），同時(shí)也提供了查詢通訊線路狀態(tài)的工具和查詢通訊電文內(nèi)容歷史記錄的工具。

應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，使用C++與PRO C，PRO C是ORACLE提供的預(yù)編譯技術(shù)，將內(nèi)嵌標(biāo)準(zhǔn)SQL語(yǔ)句的又混合了C/C++語(yǔ)法的源程序預(yù)編譯，轉(zhuǎn)換成完全符合C/C++語(yǔ)法的源程序（后綴為.C/.CPP），這樣在C++的環(huán)境下，就能如同在ORACLE的存儲(chǔ)過(guò)程中一樣使用標(biāo)準(zhǔn)SQL語(yǔ)句方便的與ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)交互，又能享受C++這種相對(duì)于ORACLE的存儲(chǔ)過(guò)程要更強(qiáng)大而靈活的開(kāi)發(fā)工具的各種優(yōu)勢(shì)。畫(huà)面的開(kāi)發(fā)使用ORACLE的FROMS。

應(yīng)用程序的運(yùn)行平臺(tái)中間件，使用PLATURE 99（由寶信軟件開(kāi)發(fā)的運(yùn)行平臺(tái)中間件），它實(shí)現(xiàn)的功能包括實(shí)現(xiàn)各個(gè)應(yīng)用程序之間的相互啟動(dòng)和調(diào)度，同時(shí)傳遞參數(shù)；在指定時(shí)刻啟動(dòng)某個(gè)/某些應(yīng)用進(jìn)程；定周期的啟動(dòng)某個(gè)/某些應(yīng)用進(jìn)程；提供管理維護(hù)和查看應(yīng)用程序報(bào)警/LOG歷史記錄的功能。

3 應(yīng)用功能

關(guān)于連鑄過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用功能，主要是從MES和分析等系統(tǒng)接受出鋼計(jì)劃，制造命令和，根據(jù)出鋼計(jì)劃畫(huà)面上的生產(chǎn)計(jì)劃鋼種和制造命令，制造標(biāo)準(zhǔn)等數(shù)據(jù)，并啟動(dòng)內(nèi)部動(dòng)態(tài)二冷水，切長(zhǎng)優(yōu)化計(jì)算模型，同時(shí)將計(jì)算結(jié)果發(fā)送到PLC控制生產(chǎn)，連鑄過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)基礎(chǔ)自動(dòng)化（L1）上傳的各個(gè)事件、信號(hào)進(jìn)行跟蹤，并將實(shí)績(jī)生產(chǎn)實(shí)績(jī)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算，過(guò)濾和組織，以連鑄處理號(hào)作為鍵字來(lái)管理存儲(chǔ)在連鑄過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)發(fā)送給MES（L3/L4）系統(tǒng)，供日后查閱分析，生成報(bào)表。

具體的，應(yīng)用功能分為：工程數(shù)據(jù)管理，過(guò)程跟蹤，過(guò)程數(shù)據(jù)采集，實(shí)績(jī)數(shù)據(jù)生成，數(shù)學(xué)模型，人機(jī)界面幾大模塊。系統(tǒng)內(nèi)部各模塊之間數(shù)據(jù)流及與外部系統(tǒng)關(guān)系如圖1所示。

3.1 工程數(shù)據(jù)管理模塊

該模塊主要功能為處理接受MES系統(tǒng)、分析系統(tǒng)及其它過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)送來(lái)的信息，包括MES根據(jù)合同制定的計(jì)劃類信息接收（鑄造計(jì)劃，爐次命令，板坯命令）、根據(jù)工藝需求制定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)類信息接收（作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、制造標(biāo)準(zhǔn)）、其他工序作業(yè)實(shí)績(jī)類接收（前工序?qū)嵖?jī)、分析信息，鋼包信息等）和運(yùn)轉(zhuǎn)狀況信息。

3.2 過(guò)程跟蹤模塊

該模塊主要功能為對(duì)于連鑄從鋼包到達(dá)回轉(zhuǎn)臺(tái)開(kāi)始到鋼包吊走的各作業(yè)狀況進(jìn)行跟蹤。進(jìn)行作業(yè)狀態(tài)變更的檢查和接受、各作業(yè)時(shí)間的計(jì)算、同時(shí)收集澆鑄過(guò)程中的各種澆鑄信息。連鑄跟蹤的主要作業(yè)點(diǎn)包括：鋼包到達(dá)、鋼包澆鑄開(kāi)始、鑄流鑄造開(kāi)始、鋼包澆鑄結(jié)束、鋼包吊走，鑄流鑄造開(kāi)始、鑄流鑄造結(jié)束，切割開(kāi)始、切割結(jié)束、噴印信號(hào)，去毛刺信號(hào)等。

3.3 過(guò)程數(shù)據(jù)采集模塊

該模塊主要功能為周期性的收集連鑄鑄造過(guò)程數(shù)據(jù)，主要包括TD鋼水重量，LD鋼水重量、鑄造長(zhǎng)、鑄造速度，結(jié)晶器上端寬度、結(jié)晶器下端寬度、結(jié)晶器液面位置、結(jié)晶器冷卻水溫度、入出口溫差，結(jié)晶器振動(dòng)頻率、振幅，結(jié)晶器冷卻水流量、二次冷卻水流量、二次冷卻水壓力，輥縫信息等。

3.4 實(shí)績(jī)數(shù)據(jù)生成模塊

該模塊主要功能為依據(jù)生產(chǎn)指令、過(guò)程采集及過(guò)程跟蹤信息，生成板坯生產(chǎn)實(shí)績(jī)、爐次生產(chǎn)實(shí)績(jī)，把過(guò)程跟蹤模塊采集到的各個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻和過(guò)程數(shù)據(jù)采集到的重要數(shù)據(jù)如重量，溫度，長(zhǎng)度等信息對(duì)應(yīng)到具體的爐次和板坯上。

3.5 數(shù)學(xué)模型

主要包含了動(dòng)態(tài)二冷水，切長(zhǎng)優(yōu)化，品質(zhì)異常判定三個(gè)主要數(shù)學(xué)模型。

3.5.1 動(dòng)態(tài)二冷水模型

連鑄二冷區(qū)目標(biāo)溫度控制是通過(guò)對(duì)整個(gè)連鑄過(guò)程鑄坯表面溫度的測(cè)定，由計(jì)算機(jī)控制沿拉坯方向的鑄坯表面溫度分布，使之符合設(shè)定的目標(biāo)表面溫度曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)鑄坯凝固傳熱模型計(jì)算各二冷段表面溫度，與目標(biāo)溫度相比較。當(dāng)兩者有偏差時(shí)，及時(shí)調(diào)整該冷卻區(qū)的冷卻強(qiáng)度，使鑄坯表面溫度與目標(biāo)溫度盡量靠近，實(shí)現(xiàn)二冷區(qū)目標(biāo)溫度的控制。

根據(jù)二冷模型原理，以鋼水進(jìn)入結(jié)晶器為其生命起點(diǎn)，以其根據(jù)鑄造長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的板坯出最后一個(gè)冷卻段為其生命終點(diǎn)。在此過(guò)程中，全過(guò)程定周期跟蹤其接受的冷卻水量等數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算其凝固狀態(tài)，并推定出其各相區(qū)域的分布情況。

根據(jù)各鑄片的計(jì)算結(jié)果，綜合推定整個(gè)鑄機(jī)內(nèi)板坯的凝固狀態(tài)，動(dòng)態(tài)推定出凝固終點(diǎn)位置、兩相區(qū)和液相區(qū)的分布情況。

3.5.2 切長(zhǎng)優(yōu)化模型

切長(zhǎng)優(yōu)化模型以滿足合同需求為目標(biāo)，并兼顧板坯收得率為原則，針對(duì)澆鑄異常點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。參照板坯制造命令中的切割長(zhǎng)度及其上、下限為基準(zhǔn)，同時(shí)考慮品質(zhì)異常部位（插鐵板、異鋼種交接，中間包交換、切尾）計(jì)算出鋼水不足、鋼水多余并根據(jù)鋼水量的多少應(yīng)用相關(guān)的優(yōu)化策略進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定板坯的消化，同時(shí)爭(zhēng)取較高的收得率。鋼包鋼水澆注開(kāi)始，參照制造命令，生成該爐次的切割預(yù)定，在澆鑄過(guò)程中，跟蹤發(fā)生的異常事件，考慮影響的區(qū)域（工藝規(guī)定），進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。在板坯切割開(kāi)始時(shí)，根據(jù)切割的實(shí)際情況進(jìn)行切割優(yōu)化的再計(jì)算。并把優(yōu)化結(jié)果通過(guò)人機(jī)界面展現(xiàn)給用戶。優(yōu)化過(guò)程主要包括：切割縫隙的考慮，采樣的考慮，異常段的優(yōu)化，板坯在鋼水不足和鋼水多余情況下的優(yōu)化。

3.5.3 品質(zhì)異常判定模型

該模型包含在線判定部分和分析部分2個(gè)模塊。

在線判定：主要功能是：通過(guò)采集煉鋼、連鑄過(guò)程中對(duì)連鑄的澆鑄、板坯質(zhì)量有可能產(chǎn)生影響的事件進(jìn)行跟蹤記錄，并根據(jù)內(nèi)建的模型進(jìn)行分析，對(duì)連鑄的質(zhì)量給出一定的判斷結(jié)論，從而達(dá)到連鑄從上臺(tái)到澆注成材的整個(gè)過(guò)程中對(duì)連鑄澆注進(jìn)行質(zhì)量判斷、提供操作指導(dǎo)，并在板坯產(chǎn)出時(shí)，對(duì)板坯的整體質(zhì)量進(jìn)行判斷、提供操作指導(dǎo)。并將以上數(shù)據(jù)與結(jié)論很好地展示給工藝人員。

離線分析：具備很好的開(kāi)發(fā)性，提供足夠的離線學(xué)習(xí)功能和在線擴(kuò)展功能。工藝人員不但能夠?qū)ο到y(tǒng)定義的異常進(jìn)行調(diào)整，還能夠利用模型提供的離線分析工具對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而根據(jù)分析發(fā)現(xiàn)并定義新的約束條件，并將其加入到在線判定系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判定。

3.6 人機(jī)界面

人機(jī)界面主要提供了計(jì)劃管理、設(shè)備管理、操作監(jiān)視、模型、實(shí)績(jī)、報(bào)警和提示信息等畫(huà)面。每個(gè)畫(huà)面有共通的部分，主要是畫(huà)面菜單、畫(huà)面名稱、報(bào)警或提示信息、工具欄功能鍵、班別、組別、當(dāng)前時(shí)間。各個(gè)操作室和控制室的終端畫(huà)面的權(quán)限通過(guò)用戶名和角色統(tǒng)一認(rèn)證管理，不同的角色擁有的權(quán)限不一樣，看到的畫(huà)面數(shù)量也不一樣，對(duì)同一幅畫(huà)面的操作權(quán)限也不一樣。不同的用戶可以擁有一個(gè)或者多個(gè)的角色。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)施了連鑄過(guò)程控制系統(tǒng)，八鋼二煉鋼連鑄區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了連鑄生產(chǎn)過(guò)程的全程自動(dòng)控制和對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的全程監(jiān)視，管理層亦能了解到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)生產(chǎn)情況，并且所有生產(chǎn)都遵照合同和計(jì)劃統(tǒng)一調(diào)度進(jìn)行生產(chǎn)，從而提高連鑄生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，降低生產(chǎn)人員的作業(yè)率，提高了生產(chǎn)效率。通過(guò)模型的應(yīng)用，提高和穩(wěn)定了鑄坯的質(zhì)量，并提高了鑄坯的成材率。

參考文獻(xiàn)

[1] 寶信八一鋼鐵二煉鋼連鑄過(guò)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)書(shū).

[2] 寶信自動(dòng)化研究所連鑄模型設(shè)計(jì)書(shū).