馬鋼冷軋總廠數(shù)字鋼卷系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用

曾德智

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司冷軋總廠，安徽馬鞍山 243000）

引言

馬鋼冷軋總廠為鋼卷賦予數(shù)字化特征，將原材料、生產(chǎn)過程、成本以及用戶信息等一系列數(shù)據(jù)集中統(tǒng)一收集，形成數(shù)據(jù)集合。通過數(shù)字化，精準(zhǔn)描述某一鋼卷特性，建立鋼卷的數(shù)字化檔案。

1 數(shù)字鋼卷概述

馬鋼冷軋總廠現(xiàn)有與鋼卷有關(guān)的數(shù)據(jù)分散在各個系統(tǒng)或者單體設(shè)備中（例如，缺陷數(shù)據(jù)在缺陷檢測儀中、能耗數(shù)據(jù)在能源計量系統(tǒng)中、工藝數(shù)據(jù)在L1/L2、帶鋼厚度數(shù)據(jù)在測厚儀中等），數(shù)據(jù)的名稱也不統(tǒng)一，沒有一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，基于數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用帶來了很大的困難；各個系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)沒有融通，系統(tǒng)之間只有存在必要的通信才連接，單體設(shè)備的數(shù)據(jù)“孤島”和數(shù)據(jù)重復(fù)問題嚴(yán)重，數(shù)據(jù)復(fù)用性低，而且沒有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)服務(wù)，數(shù)據(jù)使用成本高。數(shù)字鋼卷通過底層數(shù)采裝置，實現(xiàn)直接與采集裝置通信的硬件結(jié)構(gòu)，其通信速度最快能夠達(dá)到20ms，帶鋼長度方向的數(shù)據(jù)間隔可以減少到米級，大大提高了通過數(shù)據(jù)還原生產(chǎn)過程異常點的能力。收集機(jī)組生產(chǎn)過程中的質(zhì)量及工藝數(shù)據(jù)并將其匹配到帶鋼長度位置上，其計算和匹配的依據(jù)是來自數(shù)字鋼卷跟蹤相關(guān)信息，其準(zhǔn)確性直接影響到數(shù)據(jù)收集和匹配的精度和有效性。

數(shù)字鋼卷主要實現(xiàn)以下功能：

（1）從各機(jī)組L2 或MES 系統(tǒng)獲取鋼卷信息、工藝設(shè)定信息等；

（2）從各機(jī)組PLC 中獲取機(jī)組跟蹤數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)等信息；

（3）按時間維度（高頻數(shù)據(jù)按照時間周期存入iHyperDB）或按卷（高頻采集的數(shù)據(jù)匹配到鋼卷的長度位置上）；

（4）實時數(shù)據(jù)的展示；

(5)數(shù)字鋼卷的綜合展示。

2 數(shù)字鋼卷系統(tǒng)硬件配置與設(shè)計

硬件構(gòu)架分為主干網(wǎng)、邊緣服務(wù)器、匯聚網(wǎng)和設(shè)備終端,見圖1。將在設(shè)備終端采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)入?yún)R聚網(wǎng)，再到主干網(wǎng)絡(luò)，最終傳輸?shù)椒?wù)器中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)字鋼卷主機(jī)系統(tǒng)由6 套高性能PC服務(wù)器組成超融合架構(gòu)，分布式存儲間使用光纖萬兆網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)副本同步，確保服務(wù)器的高可用性。

圖1 硬件構(gòu)架示意圖

2.1 數(shù)字鋼卷實時性設(shè)計

(1)核心交換機(jī)采用硬件冗余方式，任何一臺設(shè)備出現(xiàn)故障，均不影響系統(tǒng)的運行。

(2)匯聚交換機(jī)及產(chǎn)線接入交換機(jī)采用環(huán)網(wǎng)設(shè)計，環(huán)網(wǎng)中任何一條物理鏈路出現(xiàn)問題，環(huán)網(wǎng)的自愈時間小于50 ms，保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定可靠運行。

(3)產(chǎn)線環(huán)網(wǎng)與匯聚環(huán)網(wǎng)采用雙耦合技術(shù)，在物理鏈路上進(jìn)行了冗余，其中一條鏈路故障，會進(jìn)行鏈路的主備切換，不影響系統(tǒng)的運行。同時由于耦合到不同產(chǎn)線的匯聚交換機(jī)，任何一條產(chǎn)線的匯聚交換機(jī)故障，不影響產(chǎn)線接入交換機(jī)的數(shù)據(jù)上傳，提升了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

(4)提供足夠的網(wǎng)絡(luò)帶寬,主干網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計均采用千兆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。

(5)交換機(jī)支持流量控制功能，廣播風(fēng)暴抑制功能，端口的優(yōu)先級劃分和VLAN 劃分，端口和MAC地址的綁定等，提高系統(tǒng)安全性。

(6)交換機(jī)可以存儲并支持雙固件系統(tǒng)（Firmware），避免某一個固件出現(xiàn)故障，導(dǎo)致整臺設(shè)備無法使用。

(7)運維簡單方便；配置網(wǎng)管軟件，可以實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，并以可視化界面展現(xiàn)出來。同時管理軟件支持批量化配置功能，還可以管理、監(jiān)控第三方設(shè)備。

2.2 服務(wù)器數(shù)據(jù)采集和通訊方式

數(shù)據(jù)采集包含三部分。

（1）FDAA 數(shù)據(jù)采集

把FDAA 數(shù)據(jù)通過TCP/IP 方式上傳到數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，將數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，按照周期實時存儲，以及通過計算把數(shù)據(jù)匹配到長度位置上。

（2）L2 數(shù)據(jù)采集

把L2 數(shù)據(jù)通過電文或數(shù)據(jù)庫訪問方式讀入到數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。

（3）能源數(shù)據(jù)采集

從能源數(shù)據(jù)從能源管理系統(tǒng)讀入到數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。

服務(wù)器與機(jī)組的通信采用兩種方式：一種是通過 DP 網(wǎng)絡(luò)連接 PLC；一種是通過 TCP 網(wǎng)絡(luò)接入，采用UDP 方式收取數(shù)據(jù)。

3 數(shù)字鋼卷系統(tǒng)軟件架構(gòu)

軟件架構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 軟件構(gòu)架示意圖

軟件架構(gòu)自下而上分為數(shù)據(jù)集成層、平臺層、應(yīng)用層。數(shù)據(jù)集成層負(fù)責(zé)對各個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。平臺層負(fù)責(zé)平臺的管理、接口轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)總線工作，同時數(shù)據(jù)中心也作為平臺層的一部分。應(yīng)用層包括全線跟蹤、異常數(shù)據(jù)報警歷史、基因鏈、工藝監(jiān)控、可視化工具、離線數(shù)據(jù)導(dǎo)出、輥系管理。

（1）全線跟蹤頁面顯示的是當(dāng)前機(jī)組重要的工藝實時數(shù)據(jù)，以圖形的方式展示。

（2）異常數(shù)據(jù)報警功能是對機(jī)組重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)控，按照監(jiān)控規(guī)則對于特殊指標(biāo)超出規(guī)則的進(jìn)行報警并保存。

（3）基因鏈?zhǔn)菣C(jī)組的每個鋼卷信息，可以得到機(jī)組的出口與入口的信息。

（4）工藝監(jiān)控頁面顯示的是當(dāng)前機(jī)組重要的工藝實時數(shù)據(jù)，以圖形的方式展示，并對工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)控，并報警顯示超標(biāo)的工藝數(shù)據(jù)。

（5）可視化工具包括長度維度、時間維度和定制分析。

①長度維度：當(dāng)鋼卷生產(chǎn)完成后，處理鋼卷全程采集數(shù)據(jù)，以圖形的方式展示。

②時間維度：通過改功能查看某一時間機(jī)組采集的過程數(shù)據(jù)，并以圖形方式展示。

③定制分析：通過選定鋼卷全程采集特定數(shù)據(jù)項，與時間維度相關(guān)聯(lián)，組合展示工藝相關(guān)參數(shù)，定制分析曲線模板，為生產(chǎn)提供可視化工藝生產(chǎn)參考?？梢愿鶕?jù)不同規(guī)格的鋼卷，定制保存特定的分析模板。

（6）通過界面選擇指定的鋼卷，以及需要做分析使用的工藝數(shù)據(jù)，進(jìn)行自定義導(dǎo)出，導(dǎo)出的數(shù)據(jù)用做其他應(yīng)用分析的數(shù)據(jù)源，

（7）棍系管理界面顯示機(jī)組數(shù)據(jù)的設(shè)備號的詳細(xì)信息。

4 數(shù)字鋼卷系數(shù)據(jù)存儲

隨著數(shù)字鋼卷數(shù)采頻度的提高，數(shù)采的難度和數(shù)據(jù)量急劇加大，帶來了相關(guān)數(shù)據(jù)處理和存儲的技術(shù)難題，也成為項目至關(guān)重要的技術(shù)核心。針對高頻數(shù)據(jù)按照不同維度進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。

（1）按時間維度存儲。將高頻采集的數(shù)據(jù)按照時間周期存入具備高性能、高可靠、高容量、跨平臺、可擴(kuò)展等特點的實時數(shù)據(jù)庫iHyperDB，可以實時或離線查詢所有數(shù)據(jù)采集點分布在時間坐標(biāo)上值的變化狀態(tài)。

（2）按空間緯度存儲。將高頻采集的數(shù)據(jù)匹配到鋼卷的長度位置上，并記錄當(dāng)前鋼卷號，以鋼卷號及長度為主鍵，把長度位置上的數(shù)據(jù)寫入建立好的鋼卷內(nèi)存表中。當(dāng)鋼卷長度方向上需要修正時，直接修改內(nèi)存表中的數(shù)據(jù)，可以大大提高程序執(zhí)行效率，減少對IO 設(shè)備訪問的次數(shù)，也提升了系統(tǒng)的性能。為了保證系統(tǒng)在意外死機(jī)或關(guān)機(jī)的情況下不丟失數(shù)據(jù)，后臺進(jìn)程將定時把內(nèi)存表中的數(shù)據(jù)寫入文件系統(tǒng)，作為內(nèi)存表的備份文件。當(dāng)系統(tǒng)重啟后，將讀取備份文件到內(nèi)存表中。當(dāng)鋼卷在出口剪切完成后，統(tǒng)計好鋼卷的數(shù)據(jù)，比如工藝數(shù)據(jù)、基本數(shù)據(jù)PDO 等，存入關(guān)系數(shù)據(jù)庫DB2，并將當(dāng)前卷在內(nèi)存表中的數(shù)據(jù)寫入文件系統(tǒng)，同時清除當(dāng)前卷在內(nèi)存表中的數(shù)據(jù)。

（3）按照時間和空間緯度的兩種數(shù)據(jù)存儲方式，可以方便地將數(shù)據(jù)上傳到大數(shù)據(jù)平臺，為將來的數(shù)據(jù)遷移奠定了基礎(chǔ)。

5 應(yīng)用

數(shù)字鋼卷提供一個標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)數(shù)據(jù)平臺，通過對各個系統(tǒng)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、匹配以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)對外格式統(tǒng)一、接口統(tǒng)一、規(guī)范一致性，向外部系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)化和開放式接口，實現(xiàn)跨平臺、跨語言、跨系統(tǒng)的多樣性數(shù)據(jù)服務(wù)。

（1）系統(tǒng)采用了功能強(qiáng)大的HMI 過程視窗，使得操作人員和設(shè)備人員能夠全線跟蹤生產(chǎn)過程，優(yōu)化調(diào)整工藝參數(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的提升。

（2）在數(shù)據(jù)完成過濾、統(tǒng)計、匹配后形成數(shù)字鋼卷的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?；A(chǔ)數(shù)據(jù)包括：機(jī)組實時數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)報警信息。

（3）根據(jù)鋼卷的基礎(chǔ)實時數(shù)據(jù)，可以監(jiān)控鋼卷的工藝信息。根據(jù)鋼卷的報錯信息來對每個鋼卷進(jìn)行評分，并根據(jù)判定的上下限形成工藝數(shù)據(jù)曲線。

（4）當(dāng)鋼卷生產(chǎn)完成后，服務(wù)器處理鋼卷全程采集來的數(shù)據(jù)，根據(jù)特定的分析模板對每個鋼卷進(jìn)行特定的分析。針對分析的結(jié)果和工藝數(shù)據(jù)曲線圖可以進(jìn)行生產(chǎn)工藝的優(yōu)化以及調(diào)整特定的分析模板，形成一個閉環(huán)，逐步對工藝參數(shù)形成逐步優(yōu)化的過程，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

6 結(jié)語

數(shù)字鋼卷將實物轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)實體，將定性或者寬泛的定量轉(zhuǎn)化為精準(zhǔn)定量數(shù)據(jù)。通過數(shù)字鋼卷信息，為差異化營銷提供支撐。在發(fā)生質(zhì)量異議時，可以及時追溯分析鋼卷哪一環(huán)節(jié)問題。另外，有了這么多鋼卷數(shù)據(jù)信息，可以進(jìn)一步通過數(shù)字孿生仿真技術(shù)模擬現(xiàn)場，遠(yuǎn)程監(jiān)控等，以“數(shù)字鋼卷”的形式來實現(xiàn)冷軋產(chǎn)品的“全程可視化”和“數(shù)字化”，為后續(xù)的大數(shù)據(jù)分析與挖掘，提供完善、準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，實現(xiàn)智能工廠最關(guān)鍵的一步。