實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流在鋼鐵生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

張曉龍，余 海，邊小勇

（武漢科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430065）

0 引 言

現(xiàn)在許多工業(yè)生產(chǎn)線都采用高速測(cè)量裝置、分散控制系統(tǒng) （DCS）和可編程邏輯控制器 （PLC）等設(shè)備，這些設(shè)備產(chǎn)生了大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。這種生產(chǎn)數(shù)據(jù)是連續(xù)到達(dá)、實(shí)時(shí)變化的海量數(shù)據(jù)序列，被稱為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流。它是實(shí)時(shí)、連續(xù)、有序的數(shù)據(jù)序列，每個(gè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)的順序和時(shí)刻都不可控制［1－4］?，F(xiàn)有的這些控制設(shè)備由于受到存儲(chǔ)空間的限制，難以長(zhǎng)期保存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通常采用的方法是提取數(shù)據(jù)中的少量特征信息之后，數(shù)據(jù)流不予保存。進(jìn)而導(dǎo)致無法追蹤以前的生產(chǎn)實(shí)際狀況，也就無法利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析工藝生產(chǎn)過程。同時(shí)，大多數(shù)工業(yè)企業(yè)的ERP系統(tǒng)已經(jīng)構(gòu)建，現(xiàn)有的ERP系統(tǒng)沒有與生產(chǎn)過程建立實(shí)時(shí)聯(lián)系，使企業(yè)管理者不能及時(shí)、準(zhǔn)確的掌握生產(chǎn)過程，給生產(chǎn)過程管理帶來障礙。

李志強(qiáng)等［5］討論了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在石化企業(yè)的應(yīng)用，基本實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和展示；石鋼等［6］研究了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在電廠的應(yīng)用，介紹 （plant information，PI）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的基本技術(shù)和生產(chǎn)機(jī)組的性能計(jì)算；王正風(fēng)等人［7］探討了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢，以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與關(guān)系型數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)同步技術(shù)，為我們進(jìn)一步挖掘?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)流的應(yīng)用潛力提供了參考。以上的研究表明實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)在電力企業(yè)以及石化冶煉企業(yè)得到了比較好的應(yīng)用，但是在鋼鐵行業(yè)應(yīng)用成果還比較少。此外，現(xiàn)在的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用主要方向還集中于實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)報(bào)警和簡(jiǎn)單報(bào)表等相對(duì)較簡(jiǎn)單的功能，對(duì)生產(chǎn)過程能力管理等高級(jí)應(yīng)用涉及較少。

基于以上原因，本文設(shè)計(jì)和開發(fā)了鋼鐵生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)。通過采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)過程管理的基本方法對(duì)鋼鐵生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控，改變了廠級(jí)控制系統(tǒng)和企業(yè)級(jí)ERP系統(tǒng)之間的信息孤立狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程精細(xì)和精確管理，提高了生產(chǎn)管理控制水平。

1 鋼鐵生產(chǎn)線對(duì)實(shí)時(shí)生產(chǎn)管理的需求

鋼鐵企業(yè)的實(shí)時(shí)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)一般由客戶端模塊和服務(wù)器模塊組成，在增加了關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊后，整個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)器端包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器和關(guān)系數(shù)據(jù)管理服務(wù)器，前者負(fù)責(zé)采集和保存現(xiàn)場(chǎng)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流，后者負(fù)責(zé)管理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流中抽取的特征值信息以及各種生產(chǎn)工藝的標(biāo)準(zhǔn)信息?？蛻舳诉\(yùn)行后同時(shí)與兩個(gè)服務(wù)器交互，從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流服務(wù)器取得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示趨勢(shì)，從關(guān)系型客戶端取得特征值數(shù)據(jù)展示產(chǎn)品生產(chǎn)整體狀態(tài)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流服務(wù)器是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，它要保證采集數(shù)據(jù)的完整性、及時(shí)性，此外存取數(shù)據(jù)的高效與否關(guān)系著能否實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)過程。

1.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理功能需求

鋼鐵實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理模塊是為了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確采集，從而使得管理人員及時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)不進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)也能掌握實(shí)時(shí)生產(chǎn)情況。其功能需求如下：

（1）生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的及時(shí)、準(zhǔn)確采集。對(duì)于系統(tǒng)中直接連接生產(chǎn)車間儀表的工藝數(shù)據(jù)，其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)上傳到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理服務(wù)器，再傳輸?shù)娇蛻舳苏故?，中間的延時(shí)不超過10秒。從現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)發(fā)的工藝數(shù)據(jù)，再傳輸?shù)娇蛻舳苏故?，中間的延時(shí)不超過5分鐘。通過實(shí)時(shí)采集和展示生產(chǎn)數(shù)據(jù)，才能使生產(chǎn)管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，從而及時(shí)解決問題，避免發(fā)生大的生產(chǎn)問題和生產(chǎn)事故。

（2）生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的完整、長(zhǎng)期存儲(chǔ)。生產(chǎn)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是企業(yè)的寶貴財(cái)富，是分析生產(chǎn)過程的基礎(chǔ)。系統(tǒng)需要采集到生產(chǎn)線的所有工藝，甚至包括多個(gè)廠區(qū)、數(shù)十條生產(chǎn)線的成千上萬個(gè)工藝點(diǎn)。這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)／歷史數(shù)據(jù)需要在線保存三年，在此之后需要下線進(jìn)行永久保存。

（3）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理模塊的開放性。關(guān)系數(shù)據(jù)管理模塊需要從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模塊提取特征值，企業(yè)的ERP系統(tǒng)也需要從中獲取生產(chǎn)狀態(tài)信息，未來的決策支持系統(tǒng)和數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)也需要能夠從中獲取數(shù)據(jù)。

1.2 關(guān)系數(shù)據(jù)管理功能需求

鋼鐵企業(yè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理模塊中保存的是一系列的按時(shí)間序列排列的生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)，并不能直接的展示生產(chǎn)情況，工藝數(shù)據(jù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)脫離了連接。通過關(guān)系數(shù)據(jù)管理模塊整合產(chǎn)品和工藝數(shù)據(jù)，使生產(chǎn)狀態(tài)清晰地展示給用戶。其功能需求如下：

（1）校準(zhǔn)工藝起止時(shí)間。在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境中，所有工藝的測(cè)量位置都不在同一個(gè)位置，鋼鐵產(chǎn)品經(jīng)過各個(gè)工藝點(diǎn)位置的時(shí)間就不相同，所以關(guān)系數(shù)據(jù)管理模塊需要校準(zhǔn)每個(gè)工藝的起止時(shí)間，這關(guān)系著工藝特征值的計(jì)算是否準(zhǔn)確。

（2）計(jì)算產(chǎn)品 （鋼卷）的工藝特征值。鋼卷的工藝特征值包括工藝的最大值、最小值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，工藝特征值能從宏觀上反映生產(chǎn)狀況。在關(guān)系數(shù)據(jù)管理模塊中通過校準(zhǔn)工藝起止時(shí)間后計(jì)算產(chǎn)品的工藝特征值。

（3）與企業(yè)中其他系統(tǒng)的通信。關(guān)系數(shù)據(jù)管理模塊需要能夠從企業(yè)原有的ERP系統(tǒng)中獲取工藝生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，也要求能夠?qū)⑻卣髦瞪蟼鹘o企業(yè)的ERP系統(tǒng)。

1.3 實(shí)時(shí)監(jiān)控客戶端功能需求

系統(tǒng)的客戶端運(yùn)行在企業(yè)管理部門、技術(shù)管理部門和生產(chǎn)操作車間。企業(yè)管理主要查看各類統(tǒng)計(jì)報(bào)表，包括工藝參數(shù)周報(bào)表、月報(bào)表、季報(bào)表和年報(bào)表，對(duì)工藝生產(chǎn)的整體情況進(jìn)行掌握，為生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)決策提供數(shù)據(jù)支持。技術(shù)管理部門查看工藝的歷史數(shù)據(jù)，調(diào)查工藝某段時(shí)間生產(chǎn)的穩(wěn)定性，為改進(jìn)工藝過程提供數(shù)據(jù)參考。生產(chǎn)操作車間查看工藝的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，工藝報(bào)警或生產(chǎn)異常時(shí)及時(shí)調(diào)整設(shè)備，避免出現(xiàn)重大生產(chǎn)和質(zhì)量問題。

2 實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

圖1所示為某鋼鐵企業(yè)的整體的實(shí)時(shí)生產(chǎn)過程管理系統(tǒng)的整體架構(gòu)。本系統(tǒng)主要由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)應(yīng)用三部分組成。生產(chǎn)廠區(qū)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)首先由各廠區(qū)的過程控制系統(tǒng)采集，然后通過過濾壓縮后上傳到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理模塊中，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理模塊中的工藝數(shù)據(jù)校準(zhǔn)工藝時(shí)間、提取特征值 （最大值、最小值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差等）后存儲(chǔ)到關(guān)系數(shù)據(jù)管理模塊中，供客戶端應(yīng)用程序使用。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊是本系統(tǒng)的基礎(chǔ)，只有及時(shí)準(zhǔn)確的采集數(shù)據(jù)才能真正發(fā)揮實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的作用，為過程管理水平的提高提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

在現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)各分廠的生產(chǎn)車間中，已經(jīng)建立比較完善的工業(yè)控制系統(tǒng)，為了有效的利用現(xiàn)有的資源，同時(shí)也避免直接采集控制儀器數(shù)據(jù)對(duì)生產(chǎn)帶來影響，本系統(tǒng)是從現(xiàn)有生產(chǎn)車間的工業(yè)控制系統(tǒng)中的控制服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)。車間控制服務(wù)器的數(shù)據(jù)通過接口程序?qū)懭雽?shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)為了隔離車間的局域網(wǎng)和企業(yè)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，對(duì)每個(gè)車間配置一臺(tái)雙網(wǎng)卡的接口機(jī)，既實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集也實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的安全訪問控制。

圖1 鋼鐵生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了各主要生產(chǎn)車間和廠區(qū)的主要參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，采集到的實(shí)時(shí)／歷史數(shù)據(jù)包括了各個(gè)廠區(qū)、生產(chǎn)線和主要工藝點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以全面監(jiān)控各個(gè)廠區(qū)的實(shí)時(shí)生產(chǎn)情況。

2.2 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊是本系統(tǒng)的核心部分，存儲(chǔ)了所有采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，特征值數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。本模塊又分為兩大部分：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器和關(guān)系數(shù)據(jù)管理服務(wù)器。

在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理領(lǐng)域，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)／歷史數(shù)據(jù)的高效存取關(guān)系著系統(tǒng)的應(yīng)用效果，在工業(yè)生產(chǎn)中一般把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。目前實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品有美國(guó)Wonderware公司的Industrial SQL，美國(guó) OSI soft公司的 PI（plant information），美國(guó) AspenTech公司的 IP21 （Info－Plus.21）。在本系統(tǒng)中，我們選用PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流。PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是基于客戶／服務(wù)器 （C／S）、瀏覽器／服務(wù)器 （B／S）結(jié)構(gòu)的商品化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，在壓縮效率、容量和響應(yīng)速度上與其他實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)［8－9］。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)歷史／實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本系統(tǒng)采用雙服務(wù)器備份模式，一臺(tái)服務(wù)器主要用于采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，一臺(tái)服務(wù)器主要用于前端監(jiān)控使用，可通過配置任意切換其使用方式。

目前，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器中已經(jīng)加入了4個(gè)廠區(qū)的15條生產(chǎn)線的5000余個(gè)工位點(diǎn) （可根據(jù)用戶需求繼續(xù)添加，目前最大支持點(diǎn)數(shù)是10萬），每個(gè)工位點(diǎn)對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)控制系統(tǒng)中的一個(gè)工藝，現(xiàn)場(chǎng)每增加一個(gè)工藝測(cè)量點(diǎn)，可在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器中建立一個(gè)工位點(diǎn)與之對(duì)應(yīng)。在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器中存儲(chǔ)的是工藝點(diǎn)的實(shí)時(shí)測(cè)量值，是一個(gè)值和相應(yīng)時(shí)刻的數(shù)據(jù)。

在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器中是通過創(chuàng)建歸檔文件來保存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在本系統(tǒng)中，目前創(chuàng)建了500個(gè)大小為1G的歸檔文件，按照目前的實(shí)際使用情況預(yù)計(jì)可以保存5年左右的歷史數(shù)據(jù)。歸檔文件采用的是循環(huán)使用的方式，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)文件使用完成之后，接著使用第二個(gè)文件。當(dāng)所有文件都全部使用完之后，清空最早使用的歸檔文件，從該文件開始繼續(xù)循環(huán)使用。為了避免歷史數(shù)據(jù)被覆蓋，在歸檔文件使用完之前，采用文件拷貝的方式把歸檔文件備份到其他磁盤中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的永久保存，當(dāng)需要使用這部分?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)，重新把歸檔文件接入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器即可。

關(guān)系數(shù)據(jù)管理服務(wù)器中存儲(chǔ)的是以鋼卷分類的工藝特征值數(shù)據(jù)、從ERP系統(tǒng)下發(fā)的工藝標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和產(chǎn)品檢驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器的主要優(yōu)勢(shì)在于能存儲(chǔ)大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、響應(yīng)速度快，但是在保存生產(chǎn)線的層次結(jié)構(gòu)、對(duì)象之間關(guān)系等方面略顯不足。本系統(tǒng)采用Microsoft公司提供的大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Server 2008作為關(guān)系數(shù)據(jù)管理服務(wù)器。關(guān)系數(shù)據(jù)管理服務(wù)器也采用雙機(jī)備份的方式，服務(wù)器1主要從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器中收集工藝特征值、獲取從ERP下發(fā)的工藝標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，服務(wù)器2從服務(wù)器1中使用訂閱－發(fā)布的方式同步數(shù)據(jù)，用于客戶端查詢。

2.3 系統(tǒng)應(yīng)用模塊

系統(tǒng)應(yīng)用模塊通過查詢實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)關(guān)系數(shù)據(jù)管理模塊中工藝標(biāo)準(zhǔn)對(duì)工藝的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警，提醒生產(chǎn)人員對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行干預(yù)，使得生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題能夠得到及時(shí)處理。同時(shí)用戶能夠?qū)︿摼砩a(chǎn)的歷史信息進(jìn)行查詢，包括工藝參數(shù)的長(zhǎng)期趨勢(shì)、歷史鋼卷數(shù)據(jù)、鋼卷的工藝缺陷信息、各類統(tǒng)計(jì)報(bào)表和工藝生產(chǎn)的過程性能。

3 實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)以Windows Server 2008作為服務(wù)器，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器使用兩臺(tái)服務(wù)器主機(jī)采用雙機(jī)備份的方式，采用PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流中心，提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢服務(wù)，關(guān)系數(shù)據(jù)管理服務(wù)器也使用兩臺(tái)服務(wù)器及雙機(jī)備份的方式，采用SQL Server 2008作為關(guān)系數(shù)據(jù)中心，利用 VB.NET＋Process Book （OSI Soft ware公司提供的客戶端開發(fā)工具）進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流的采集、與企業(yè)ERP系統(tǒng)通信和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流在客戶端展示等功能。

3.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)通信

由于系統(tǒng)中分別采用PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器和關(guān)系數(shù)據(jù)管理服務(wù)器，而關(guān)系數(shù)據(jù)管理服務(wù)器需要從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器中提取產(chǎn)品信息和工藝的特征值，所以需要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)之間的通信。PI服務(wù)器提供了兩大數(shù)據(jù)訪問接口：PI ODBC和PI SDK。PI ODBC是PI的開放數(shù)據(jù)庫(kù)互連接口，使用戶可以完全按照訪問關(guān)系數(shù)據(jù)的方式訪問PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。PI SDK是PI數(shù)據(jù)庫(kù)軟件開發(fā)包，包含了訪問PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)所需要的 API函數(shù)［10－12］。

在本系統(tǒng)中，使用的是PI ODBC。通過在SQL Server 2008中建立到PI服務(wù)器的鏈接服務(wù)器，在此鏈接服務(wù)器的基礎(chǔ)上就如同操作關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。通過把PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的工藝特征值、工藝起止時(shí)間等導(dǎo)入SQL Server關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，便于客戶端查詢產(chǎn)品生產(chǎn)狀況和工藝特征值并且同時(shí)上傳給企業(yè)的ERP系統(tǒng)。

3.2 鋼卷工藝時(shí)間校準(zhǔn)

在鋼鐵生產(chǎn)線中，通常在生產(chǎn)線的結(jié)束部分測(cè)量鋼卷的開始和結(jié)束時(shí)間，而大部分工藝的測(cè)量位置并不在生產(chǎn)線的結(jié)束部分，所以鋼卷的起止時(shí)間并不是測(cè)量工藝真正的起止時(shí)間，為了更好地反映生產(chǎn)實(shí)際情況，在本系統(tǒng)中對(duì)工藝的起止時(shí)間進(jìn)行了校準(zhǔn)。

對(duì)于少量極其重要的工藝，在生產(chǎn)線中的工藝測(cè)量位置同時(shí)設(shè)置了焊縫檢測(cè)儀。當(dāng)鋼卷通過焊縫檢測(cè)儀時(shí)，焊縫檢測(cè)儀的測(cè)量值發(fā)生跳變，在系統(tǒng)之中把焊縫檢測(cè)儀也同時(shí)設(shè)置一個(gè)工位號(hào)，焊縫檢測(cè)儀的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)也可以保存至實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器中，根據(jù)這些跳變值就可以獲得鋼卷通過該工藝的準(zhǔn)確時(shí)間。

然而對(duì)絕大部分工藝并沒有類似焊縫檢測(cè)儀之類的工藝時(shí)間測(cè)量?jī)x器，通過在鋼卷起止測(cè)量位置設(shè)置一個(gè)測(cè)速點(diǎn)，并以該點(diǎn)作為判斷鋼卷行進(jìn)速度的依據(jù)，可以通過以下方式對(duì)工藝起止時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn)vi）／2］＊（ti＋1－ti），Si與δL 進(jìn)行比較，其中，vi是測(cè)速點(diǎn)在第i個(gè)測(cè)量值速度，ti是第i個(gè)測(cè)量值時(shí)間，δL是該工藝點(diǎn)到鋼卷起止位置測(cè)量點(diǎn)的距離。計(jì)算工藝開始時(shí)間，t1是鋼卷測(cè)量點(diǎn)的開始時(shí)間，當(dāng)Si＞＝δL時(shí)，ti為該工藝的開始時(shí)間；計(jì)算工藝結(jié)束時(shí)間，t1鋼卷測(cè)量點(diǎn)的結(jié)束時(shí)間，當(dāng)Si＞＝δL時(shí)，ti為該工藝的結(jié)束時(shí)間。

通過校準(zhǔn)工藝的起止時(shí)間能夠準(zhǔn)確的計(jì)算工藝的特征值，為查詢和報(bào)表的生成提供了實(shí)際可靠的數(shù)據(jù)，使得使用者更精確追蹤鋼卷工藝的歷史情況。

3.3 工藝標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文解析

在鋼鐵生產(chǎn)中，所有工藝都需要有過程控制的標(biāo)準(zhǔn)范圍，只有按照標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的產(chǎn)品才能是合格產(chǎn)品。為了反映工藝的達(dá)標(biāo)狀況和設(shè)置報(bào)警狀態(tài)，需要各個(gè)工藝的過程控制標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

工藝的標(biāo)準(zhǔn)首先由標(biāo)準(zhǔn)部門按照訂單生成一條長(zhǎng)字符串記錄，該標(biāo)準(zhǔn)記錄是經(jīng)由企業(yè)的ERP系統(tǒng)使用WaLink軟件 （一種使用TCP報(bào)文協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)的工具）傳送到本系統(tǒng)的關(guān)系服務(wù)器。服務(wù)器使用存儲(chǔ)過程通過定義的報(bào)文結(jié)構(gòu)解析工藝標(biāo)準(zhǔn)記錄。報(bào)文結(jié)構(gòu)定義見表1。

表1 工藝標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文結(jié)構(gòu)

在報(bào)文字符中嚴(yán)格按照字段的順序傳遞工藝標(biāo)準(zhǔn)，其中，長(zhǎng)度表示該工藝標(biāo)準(zhǔn)所占字符串長(zhǎng)度，類型中C表示字段是字符型，F(xiàn)表示字段是浮點(diǎn)型，N標(biāo)準(zhǔn)字段是整型。

4 基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流生產(chǎn)過程監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)

鋼鐵生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的建立實(shí)施為企業(yè)構(gòu)建了一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。在這個(gè)平臺(tái)上開發(fā)了一系列生產(chǎn)過程管理的應(yīng)用，包括過程能力管理、工藝生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、工藝歷史趨勢(shì)追蹤和各類統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能，企業(yè)可以根據(jù)不同需求發(fā)揮生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流的作用。

4.1 過程能力指數(shù)

過程能力 （process capability）是指生產(chǎn)線生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量好壞能力，它衡量生產(chǎn)過程內(nèi)在的一致性，也叫工序能力［13］。

過程能力指數(shù) （capability of precision，Cp）被定義為工藝控制范圍的寬度除以過程能力。它是指工序中生產(chǎn)因素均處于規(guī)定的條件下，產(chǎn)品所應(yīng)該具有的質(zhì)量水平。Cp計(jì)算時(shí)要求工藝的均值μ與工藝的控制中心M重合，否則偏移的增加將導(dǎo)致Cp值變小，不合格品增加［14－15］。本系統(tǒng)在實(shí)際計(jì)算過程能力指數(shù)時(shí)，充分考慮了工藝的實(shí)際生產(chǎn)情況，采用修正后的過程能力指數(shù)Cpk來衡量生產(chǎn)過程。一般情況下當(dāng)Cpk≥1.33時(shí)此生產(chǎn)過程能被接受

式中：UCL——工藝的控制上線，LCL——工藝控制下線，M＝ （UCL－LCL）／2，μ——所有樣本的均值，σ使用R／d2或／c4估計(jì)，其中是所有子組極差的均值，S所有子組標(biāo)準(zhǔn)差的均值，d2、c4為修正系數(shù)，可通過查詢國(guó)際 《常規(guī)控制圖》GB／T4091－2001表獲得。

系統(tǒng)采用PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的工藝點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算過程能力指數(shù)，衡量生產(chǎn)的過程能力，計(jì)算時(shí)工藝點(diǎn)的數(shù)據(jù)精確到秒級(jí)，在沒有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的情形下，企業(yè)只能根據(jù)一批鋼卷的工藝平均值計(jì)算過程穩(wěn)定性。此時(shí)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的使用使企業(yè)的過程能力管理能力有了精確的衡量表2是一段時(shí)間鋼卷的某個(gè)工藝的過程能力指數(shù)。

表2 鋼卷工藝過程能力指數(shù)

在表2中為廠區(qū)1在一段時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的鋼卷信息，通過計(jì)算每個(gè)鋼卷的溫度測(cè)點(diǎn)1的所有實(shí)時(shí)值形成的Cpk值。通過比較，這段時(shí)間的溫度測(cè)點(diǎn)1的Cpk值均大于1.33，因而認(rèn)定生產(chǎn)過程較為穩(wěn)定。

4.2 過程性能指數(shù)

過程性能 （process performance）是一個(gè)過程總體生產(chǎn)能力衡量，反映的當(dāng)前過程的狀態(tài)。

過程性能指數(shù) （performance of precision，Pp）被定義為工藝控制范圍的寬度除以過程性能，它反映的一段時(shí)間的系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài)。Cp與Pp的區(qū)別在于Cp的計(jì)算要求生產(chǎn)過程是在穩(wěn)態(tài)下，其σ使用／d2或／c4估計(jì)，分別是子組的極差的均值和子組的標(biāo)準(zhǔn)差的均值；而Pp反映的實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)，不一定要求是穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行計(jì)算，其σ使用S進(jìn)行估計(jì)，S是所有樣本點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差。本系統(tǒng)在實(shí)際計(jì)算過程性能指數(shù)時(shí)，為了避免公差中心與樣本均值之間的偏移，采用修正后的過程性能指數(shù)Ppk來衡量生產(chǎn)過程。一般情況下過程被接受的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為Ppk≥1.67

式中：UCL——工藝的控制上線，LCL——工藝控制下線，M＝ （UCL－LCL）／2，μ——所有樣本的均值，σ使用S估計(jì)，S是所有樣本的標(biāo)準(zhǔn)差。

從計(jì)算過程可以看出，過程能力指數(shù)計(jì)算時(shí)使用子組的標(biāo)準(zhǔn)差的均值估計(jì)σ，充分考慮了子組之間的波動(dòng)，其反映的是短期的過程能力；而過程性能指數(shù)使用整體標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)σ，關(guān)注的是樣本整體的生產(chǎn)狀況，其反映的長(zhǎng)期的過程能力。

由于過程能力指數(shù)反映的生產(chǎn)過程的長(zhǎng)期過程能力，所以在系統(tǒng)中計(jì)算單元不再是單卷鋼卷，而是按照某類生產(chǎn)訂單或工藝大類計(jì)算過程能力指數(shù)。表3是一段時(shí)間的生產(chǎn)過程性能指數(shù)。

表3 工藝生產(chǎn)過程性能指數(shù)

在表3中為廠區(qū)1在一段時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的鋼卷信息，根據(jù)工藝類別計(jì)算該類別的多個(gè)鋼卷的溫度測(cè)點(diǎn)1的所有實(shí)時(shí)值所形成的Ppk值。通過比較，這段時(shí)間C1、C5、C7這三個(gè)類別的鋼卷的溫度測(cè)點(diǎn)1的Ppk值均小于1.67，所以這段時(shí)間的生產(chǎn)狀態(tài)略差，而其他類別的鋼卷的溫度測(cè)點(diǎn)1的生產(chǎn)狀態(tài)良好。

4.3 監(jiān)控工藝實(shí)時(shí)狀態(tài)

為了監(jiān)控工藝的實(shí)時(shí)狀態(tài)，同時(shí)也為了直觀地反映各個(gè)工藝在生產(chǎn)線中的分布情況，在系統(tǒng)中按照現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的分布情況繪制了生產(chǎn)流程圖，在圖中對(duì)應(yīng)位置展示不同的工藝，使用戶能很快熟悉使用系統(tǒng)。在流程圖中一個(gè)數(shù)值能對(duì)應(yīng)一個(gè)工藝點(diǎn)，顯示該工藝的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。為了及時(shí)同步生產(chǎn)數(shù)據(jù)，工藝點(diǎn)的刷新頻率一般可設(shè)置為5秒，對(duì)于少數(shù)變化頻率高的工藝，設(shè)置刷新頻率為1－2秒。圖2為某生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面。

圖2 工藝實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面

在圖2中實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前正在生產(chǎn)的鋼卷信息，包括鋼卷號(hào)、速度、溫度和厚度等重要工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，用戶可遠(yuǎn)程查看當(dāng)前的生產(chǎn)情況。

4.4 追蹤工藝歷史趨勢(shì)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器還具有使用較小的空間存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，用戶可以訪問任意時(shí)間段的任意工藝的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)保存的工藝數(shù)據(jù)都是秒級(jí)的數(shù)據(jù)，這使得工藝分析人員在需要分析工藝歷史數(shù)據(jù)時(shí)不用再為沒有數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)不足而煩惱。系統(tǒng)中提供了工藝的歷史趨勢(shì)跟蹤功能，用戶通過該功能可以比較任意時(shí)間段的趨勢(shì)，也可比較不同工藝在同一時(shí)間段的趨勢(shì)，為用戶改進(jìn)工藝提供了歷史數(shù)據(jù)依據(jù)。圖3是某工藝的一段時(shí)間的趨勢(shì)。

工藝歷史趨勢(shì)圖描述了工藝的長(zhǎng)期趨勢(shì)，通過趨勢(shì)圖能夠掌握不同鋼卷、不同時(shí)期該工藝的走向，工藝人員通過工藝的趨勢(shì)圖分析工藝、改進(jìn)工藝。在圖3中，一個(gè)柱狀圖為一卷鋼的工藝趨勢(shì)，前面較低的柱狀圖和后面較高的柱狀圖為不同鋼種類別的鋼卷，其整體趨勢(shì)具有較大差異。

4.5 生產(chǎn)工藝報(bào)表

圖3 工藝歷史趨勢(shì)

為了衡量一段時(shí)間工藝生產(chǎn)的整體狀況，本系統(tǒng)提供了各類生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能，為管理部門掌握生產(chǎn)狀況提供了依據(jù)。本系統(tǒng)充分利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理服務(wù)器的優(yōu)勢(shì)，所有的統(tǒng)計(jì)報(bào)表都精確到秒級(jí)數(shù)據(jù)，改變了以前的報(bào)表粒度比較粗糙的狀況，生產(chǎn)線中的任一點(diǎn)變動(dòng)都能反映到報(bào)表中，例如工藝合格率報(bào)表不再根據(jù)工藝平均值合格即合格，而是計(jì)算該工藝的所有測(cè)量點(diǎn)，以合格點(diǎn)數(shù)與總點(diǎn)數(shù)之比獲得工藝合格率。

系統(tǒng)還結(jié)合了報(bào)表功能和歷史趨勢(shì)追蹤功能，當(dāng)管理部門發(fā)現(xiàn)報(bào)表中出現(xiàn)異常狀況時(shí)，可以查詢工藝的歷史趨勢(shì)，從而找到異常的原因，為管理措施的制定提供了詳細(xì)的數(shù)據(jù)依據(jù)。

5 結(jié)束語

本文提出了一種利用鋼鐵企業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中心的方法，系統(tǒng)整合了各廠區(qū)、生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，使得這些寶貴的企業(yè)數(shù)據(jù)能長(zhǎng)久保存，為企業(yè)搭建了一個(gè)基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流的應(yīng)用平臺(tái)，使得企業(yè)生產(chǎn)過程中的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)與企業(yè)級(jí)ERP系統(tǒng)之間存在信息孤島得以消除，全廠信息均衡，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化的過程管理。管理人員、工藝人員只需在系統(tǒng)客戶端前即可了解歷史／實(shí)時(shí)生產(chǎn)情況。管理水平也上升到一個(gè)新的高度，用戶獲得不再是一個(gè)粗糙的平均值，而是整個(gè)實(shí)時(shí)生產(chǎn)過程。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流的應(yīng)用還有更寬廣的應(yīng)用前景。

：

［1］ZHANG Xiaolong，ZENG Wei.Research and advances of realtime data stream clustering ［J］.Computer Engineering and Design，2009，30 （9）：2177－2181 （in Chinese）.［張曉龍，曾偉.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流聚類的研究新發(fā)展 ［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009，30 （9）：2177－2181.］

［2］Park N H，Lee W S.Grid－based subspace clustering over data streams ［C］／／Proceedings of the 16th ACM Conference on Information and Knowledge Management.Lisbon：ACM，2007：801－810.

［3］QI Kaiyuan，ZHAO Zhuofeng，F(xiàn)ANG Jun，et al.Real－time processing for high speed data stream over large scale data ［J］.Chinese Journal of Computer，2012，35 （3）：477－490 （in Chinese）.［亓開元，趙卓峰，房俊，等.針對(duì)高速數(shù)據(jù)流的大規(guī)模數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理方法 ［J］.計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2012，35 （3）：477－490.］

［4］CHEN Y X，TU L.Density－based clustering for real－time stream data ［C］／／Proceedings of the 13th ACM SIGKDD International Conference on Knowledge Discovery and Data Mining.California：ACM，2007：133－142.

［5］LI Zhiqiang，SHI Hongrui.Design and application of PI realtime database in petrochemical enterprises ［J］.Automation In Petrochemical Industry，2008，54 （6）：54－56 （in Chinese）.［李志強(qiáng)，石紅瑞.PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及在石化企業(yè)中的應(yīng)用 ［J］.石油化工自動(dòng)化，2008，54 （6）：54－56.］

［6］SHI Gang.Application of PI real－time database in SIS of power enterprises［J］.Modern Metallurgy，2010，4 （2）：57－59（in Chinese）.［石鋼.PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)在電廠SIS系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代冶金，2010，4 （2）：57－59.］

［7］WANG Zhengfeng，HUANG Taigui，GE Fei，et al.Application of PI real－time database in wide area measurement system［J］.Electrotechnical Application，2008，27 （5）：66－67 （in Chinese）.［王正風(fēng)，黃太貴，葛斐，等.PI數(shù)據(jù)庫(kù)在廣域測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用 ［J］.電氣應(yīng)用，2008，27 （5）：66－67.］

［8］YANG Yuanyuan，WANG Xining，WANG Jianhua.Application of real－time database PI in enterprise MES system ［J］.Automation ＆Instrumentation，2009，24 （12）：38－40 （in Chinese）.［楊源源，王希寧，王建華.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)PI在企業(yè)MES系統(tǒng)中應(yīng)用 ［J］.自動(dòng)化與儀表，2009，24 （12）：38－40.］

［9］LIU Hongxia，NIU Fuli.Research and improvement of data compression algorithm in real－time database ［J］.Control and Instruments In Chemical Industry，2010，37 （6）：72－75 （in Chinese）.［劉紅霞，牛富麗.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)壓縮算法探討與改進(jìn) ［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2010，37 （6）：72－75.］

［10］PENG Chunhua，LIN Zhongda.Application of PI real－time database in SIS of power system ［J］.Industrial Control Computer，2003，16 （6）：28－31 （in Chinese）.［彭春華，林中達(dá).PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)及其在電廠SIS系統(tǒng)中的應(yīng)用 ［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2003，16 （6）：28－31.］

［11］ZHANG He，LU Wuyi.To realize the communications between the OPC clients and the RTDB ［J］.Computer Engineering ＆Science，2008，30 （5）：81－83 （in Chinese）.［張河，魯五一.OPC客戶端與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)通信的實(shí)現(xiàn) ［J］.計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2008，30 （5）：81－83.］

［12］GAO Xiaodong.SIS－based data collection and process control data mining ［D］.Shanghai：Shanghai Jiaotong University，2009：24－26 （in Chinese）.［高曉棟.SIS系統(tǒng)的電廠過程控制數(shù)據(jù)的挖掘研究 ［D］.上海：上海交通大學(xué)，2009：24－26.］

［13］MA Lin.Six sigma management ［M］.Beijing：Renmin University Press，2007：190－216 （in Chinese）.［馬林.六西格瑪管理［M］.北京：中國(guó)人民大學(xué)出版社，2007：190－216.］

［14］SHENG Zhirong.Some research on process capability analysis and process capability indices ［D］.Shanghai：East China Normal University，2007：7－23 （in Chinese）.［生志榮.過程能力分析與過程能力指數(shù)的有關(guān)研究 ［D］.上海：華東師范大學(xué)，2007：7－23.］

［15］Pearn W L，Shiau J J H，TAI Y T.Capability assessment for processes with multiple characteristics：A generalization of the popular index Cpk ［J］.Quality and Reliability Engineering International，2011，27 （8）：1119－1129.