特鋼廠的連鑄工序信息化系統(tǒng)研究

方 煒,李波毅

(新余鋼鐵股份有限公司,江西 新余 338001)

1 引 言

連鑄作為鋼水澆注的其中一種方法，具有簡化生產(chǎn)工藝、提高鋼坯質(zhì)量、降低工人勞動強度等特點，因此成為鋼水澆注的主要方法。連鑄過程的主要環(huán)節(jié)為：鋼包運至回轉(zhuǎn)臺，處于澆注位置后，將鋼水注入中間包，中間包分配鋼水至各個結(jié)晶器，鑄件成形并迅速凝固結(jié)晶，最后通過拉矯機與結(jié)晶振動裝置共同作用，將結(jié)晶器內(nèi)的鑄件拉出。

連鑄過程的規(guī)范化，合理化對產(chǎn)品質(zhì)量起著不可忽略的作用，隨著社會對鋼材質(zhì)量要求不斷提高，這就對鋼鐵企業(yè)連鑄過程的信息化、智能化提出了更高的要求。因此有必要針對連鑄過程信息化、智能化開展全面研究。

杜強[1]概述了某煉鋼廠連鑄過程控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)提高了鑄坯質(zhì)量，使得生產(chǎn)治理更加方便，增強了產(chǎn)品的競爭力。潘渤[2]介紹了典型連鑄過程控制計算機系統(tǒng)的具體實施，實現(xiàn)了連鑄生產(chǎn)過程的全程自動控制和對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的全程監(jiān)視。馬湧[3]探討了基于機器學(xué)習(xí)計算的煉鋼-連鑄調(diào)度方法涉及的主要研究內(nèi)容，并提出了一種集成算法框架，實現(xiàn)了調(diào)度過程智能化尋優(yōu)。Atighehchian[4]針對煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度問題，將蟻群優(yōu)化和非線性優(yōu)化方法相結(jié)合，開發(fā)了一種新型的迭代算法。龐新富[5]將人機協(xié)調(diào)、四維一體的綜合集成方案應(yīng)用到某鋼鐵企業(yè)的煉鋼連鑄調(diào)度系統(tǒng)中，得到了很好的應(yīng)用效果。唐秋華[6]以準時制生產(chǎn)方式煉鋼-連鑄調(diào)度問題為對象，提出了基于最小松弛時間的調(diào)度規(guī)則的調(diào)度模型。Jiang[7]為解決現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)計劃調(diào)度的關(guān)鍵模塊—煉鋼-連鑄調(diào)度問題，提出一種基于數(shù)據(jù)的進化算法，數(shù)值結(jié)果表明，其對于解決實際煉鋼-連鑄調(diào)度問題是有效的。錢亮[8]介紹了中冶連鑄自主開發(fā)的連鑄二級系統(tǒng)，此系統(tǒng)以信息系統(tǒng)為導(dǎo)向，實現(xiàn)對連鑄生產(chǎn)過程的管理和控制。蔡娥[9]開發(fā)了連鑄結(jié)晶器專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)能有效防止黏結(jié)漏鋼事故發(fā)生，同時幫助觀測結(jié)晶器工藝參數(shù)的異常狀況，提高鑄坯質(zhì)量。韓傳基[10]詳細介紹了中冶連鑄自主研發(fā)的鑄坯質(zhì)量判定系統(tǒng)，包括其功能,原理以及特點，該系統(tǒng)在萊鋼成功運用?？吕赱11]將容易影響鑄坯質(zhì)量的各個鑄機參數(shù)進行實時監(jiān)視，將監(jiān)視結(jié)果以缺陷發(fā)生概率的形式反映到鑄流和鑄坯上，實現(xiàn)鑄流質(zhì)量的在線預(yù)測以及鑄坯質(zhì)量預(yù)測，且鑄坯判定準確率高達90.6%。高仲[12]詳細介紹了鑄坯質(zhì)量判定與產(chǎn)品質(zhì)量診斷系統(tǒng)，其主要包括4個核心模塊:數(shù)據(jù)采集，質(zhì)量事件觸發(fā)，質(zhì)量跟蹤和鑄坯質(zhì)量判定，該系統(tǒng)實現(xiàn)了鑄坯質(zhì)量參數(shù)全線跟蹤,在線監(jiān)視異常信息,判定鑄坯質(zhì)量等級等功能。李瑞生[13]針對CSP連鑄機的二級原系統(tǒng)在使用過程中所出現(xiàn)的問題，并考慮到后續(xù)信息化、自動化系統(tǒng)的建立，對傳統(tǒng)連鑄二級系統(tǒng)功能進行了擴展和創(chuàng)新。劉延偉[14]針對爐號匹配通過手動完成的問題，對連鑄二級系統(tǒng)進行升級改造，采用TCP/IP通信協(xié)議,開發(fā)程序自動獲取煉鋼系統(tǒng)MES中的數(shù)據(jù),實現(xiàn)二級系統(tǒng)爐號自動匹配。王彥祥[15]分析了連鑄板坯質(zhì)量數(shù)據(jù)庫在解決三煉鋼板坯連鑄質(zhì)量問題，以及實現(xiàn)連鑄質(zhì)量控制數(shù)字化和信息化中所發(fā)揮的重要作用。彭愛輝[16]介紹了連鑄二級系統(tǒng)在唐鋼中厚板的應(yīng)用，實現(xiàn)了企業(yè)信息化目標(biāo)中的重要環(huán)節(jié)。以上研究所提到的連鑄過程控制系統(tǒng)、煉鋼連鑄調(diào)度系統(tǒng)以及鑄坯質(zhì)量判定與產(chǎn)品質(zhì)量診斷系統(tǒng)均是通過建立連鑄過程信息化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上所完成的，表明實現(xiàn)連鑄過程中信息化是實現(xiàn)連鑄過程調(diào)度以及連鑄過程自動控制的必要前提。

因此，本文以某鋼廠50 t電弧爐煉鋼流程連鑄工序為研究對象，以實際生產(chǎn)情況為基礎(chǔ)，利用現(xiàn)場PLC點位信息，采用KepServer、Microsoft SQL Server 2012數(shù)據(jù)庫、Visual Studio 2013等軟件進行數(shù)據(jù)保存與軟件開發(fā)，開發(fā)基于PLC信號采集的連鑄過程信息化系統(tǒng)，該系統(tǒng)能將連鑄爐號與連鑄澆注過程中的數(shù)據(jù)進行自動匹配，為工作人員提供連鑄過程實時數(shù)據(jù)顯示以及連鑄過程信息查詢匯總等功能，實現(xiàn)連鑄過程信息化，為連鑄過程智能化自動控制以及連鑄工程工藝指導(dǎo)奠定前期基礎(chǔ)。

2 鋼廠介紹

2.1 鋼廠基本條件介紹

某鋼廠現(xiàn)有1臺50 t電弧爐、2臺50 t精煉爐、1臺VD爐、1臺連鑄機、1臺模鑄機，其主要冶煉流程包含了電弧爐(EAF)-精煉爐(LF，VD)-連鑄(CC)?；谀壳颁撹F行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展理念和鋼鐵工業(yè)創(chuàng)新的綠色化和智能化的兩大主題，該鋼廠針對連鑄過程生產(chǎn)線及配套設(shè)施，致力于開發(fā)連鑄過程信息化系統(tǒng)，實現(xiàn)連鑄過程中生產(chǎn)數(shù)據(jù)的信息收集及匯總。

2.2 連鑄自動化條件

在硬件方面，鋼廠選擇性能良好的Dell-poweredge-t440作為服務(wù)器，配備Win server-2016操作系統(tǒng)，處理器選擇Intel?Xeon?Sliver 4210R CPU @ 2.40GHz，運行內(nèi)存為64GB。生產(chǎn)現(xiàn)場的S7-300PLC均采用CP343以太網(wǎng)通信模塊，配置固定IP地址為172.16.46.202的服務(wù)器。連鑄工位共具有5個IP地址，分別是140.80.0.1、140.80.0.2、140.80.0.3、140.80.0.4以及140.80.0.90。其中140.80.0.1地址中有連鑄結(jié)晶器以及連鑄溫度等點位信息。140.80.0.2、140.80.0.3、140.80.0.4地址分別有連鑄一流、連鑄二流以及連鑄三流各點位信息。140.80.0.90地址具有連鑄大包質(zhì)量A、連鑄大包質(zhì)量B以及連鑄各流矯正壓力等點位信息。

某鋼廠連鑄工位根據(jù)目前所擁有的工藝參數(shù)點位，可以獲取各流進出口溫差、冷卻水流量、連鑄拉坯溫度、矯直壓力、以及大包質(zhì)量等連鑄澆注過程數(shù)據(jù)。但是，諸如連鑄爐號，連鑄爐次時間等數(shù)據(jù)因PLC點位缺乏，無法通過PLC自動采集的方式獲取，使得所采集到的連鑄澆注過程數(shù)據(jù)無法與連鑄爐號進行一一對應(yīng)，成為無法建立連鑄過程信息化系統(tǒng)的重要因素。

3 爐號信息自動匹配研究

本文基于以上提出的問題，將某鋼廠連鑄工序作為研究對象，結(jié)合實際生產(chǎn)情況，以連鑄澆注過程鋼包重量變化情況為依據(jù)(連鑄爐號的執(zhí)行周期是從鋼包放置于回轉(zhuǎn)臺到鋼包澆注完成的全部時間，在連鑄爐次澆注過程中，鋼包中的鋼水會逐漸流出，導(dǎo)致鋼包重量減小)進行邏輯判斷，實現(xiàn)連鑄爐號自動識別，將連鑄澆注過程數(shù)據(jù)與連鑄爐號進行正確匹配。

用已有PLC信號“大包質(zhì)量A”“大包質(zhì)量B”識別重量變化情況判斷當(dāng)前連鑄爐號，把整個過程分為“開澆準備完成”“正在開澆”“開澆完成”“停澆準備完成”“正在停澆”“未開始”六個過程，具體邏輯關(guān)系如下：

(1)開澆準備完成：當(dāng)冶煉狀態(tài)為“未開始”時，系統(tǒng)周期性掃描“大包質(zhì)量A”與“大包質(zhì)量B”PLC數(shù)據(jù)信息；當(dāng)“大包質(zhì)量A”>60 t時，連鑄進入“開澆準備完成”狀態(tài)，當(dāng)前澆注工位為A；當(dāng) “大包質(zhì)量B”>60噸時，連鑄進入“開澆準備完成”狀態(tài)，當(dāng)前澆注工位為B。

(2)正在開澆：當(dāng)連鑄狀態(tài)為“開澆準備完成”時(假設(shè)當(dāng)前澆注工位為A)，系統(tǒng)周期性掃描“大包質(zhì)量A” PLC數(shù)據(jù)信息，當(dāng)澆注工位A的上一周期“大包質(zhì)量A”減去當(dāng)前周期的“大包質(zhì)量A”>0.1 t(100 kg)時，連鑄進入“正在開澆”狀態(tài)。

(3)開澆完成：當(dāng)連鑄的狀態(tài)為“正在開澆”時，向數(shù)據(jù)庫傳送連鑄澆注信息，首先在冶金數(shù)據(jù)庫中連鑄的信息表格中增加一行，由于現(xiàn)場并沒有采集連鑄爐號的信息點位，因此采取讀取冶煉計劃表中，大于上一個已完成的連鑄爐號，并且工藝路線需要通過連鑄工序的爐號，通過此方式對當(dāng)前連鑄澆注爐號進行判斷，此外，連鑄爐次開澆時間取當(dāng)前系統(tǒng)時間，到達溫度、到達質(zhì)量、連鑄澆次號、鋼包號、連鑄澆注工位等信息也可與正確的連鑄爐號相匹配，將上述信息保存于數(shù)據(jù)庫中，同時連鑄進入“開澆完成”狀態(tài)。

(4)停澆準備完成：當(dāng)連鑄的狀態(tài)為“開澆完成”時，掃描“大包質(zhì)量A” PLC數(shù)據(jù)信息，當(dāng)“大包質(zhì)量A”<40 t時，連鑄進入“停澆準備完成”狀態(tài)。

(5)正在停澆：當(dāng)連鑄的狀態(tài)為“停澆準備完成”時，系統(tǒng)周期性掃描“大包質(zhì)量A” PLC數(shù)據(jù)信息，當(dāng)澆注工位A的上一周期的“大包質(zhì)量A”減去當(dāng)前周期的“大包質(zhì)量A”<0.1 t(100 kg)時，說明此時有可能已經(jīng)連鑄澆注爐次已經(jīng)停止，連續(xù)掃描“大包質(zhì)量A” PLC數(shù)據(jù)信息，當(dāng)這個變量的值超過三次及以上時，連鑄進入 “正在停澆”狀態(tài)。

(6)未開始：當(dāng)連鑄的狀態(tài)為“正在停澆”時，再次向數(shù)據(jù)庫傳送連鑄澆注信息，連鑄停澆時間為當(dāng)前系統(tǒng)時間，連鑄澆注完成時的鋼包質(zhì)量以及連鑄澆注質(zhì)量等信息也可與正確的連鑄爐號相匹配。將上述信息保存于數(shù)據(jù)庫中，此時這一連鑄澆注爐次已經(jīng)全部澆注完成，連鑄進入“未開始”狀態(tài)。

4 連鑄過程信息化系統(tǒng)建立

建立連鑄過程信息化系統(tǒng)所使用的軟件為KepServer、Visual Studio 2013、Microsoft SQL Server 2012數(shù)據(jù)庫。KepServer充當(dāng)OPC Server測試上位機與PLC的通信，實現(xiàn)精確通信和快速設(shè)置,并提供卓越的互用性。Microsoft Visual Studio 2013是微軟公司提供集成C、C++和C#等多種語言的開發(fā)環(huán)境，它能為許多日常開發(fā)或維護任務(wù)提供更加便捷的支持。Microsoft SQL Server 2012數(shù)據(jù)庫具有可擴展性好、集成度高、可視化好等優(yōu)點，方便用戶進行檢索、新增、修改、分析等操作。

4.1 通信模塊建立

根據(jù)現(xiàn)有的PLC數(shù)據(jù)點位(見表1)，利用數(shù)據(jù)采集軟件KepServer以及Visual Studio 2013自主開發(fā)的通信模塊對連鑄過程數(shù)據(jù)進行收集并存放于SQL數(shù)據(jù)庫特定表格中，建立連鑄過程工藝數(shù)據(jù)庫，為連鑄過程信息化系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)和支撐。

表1 PLC點位IP地址以及變量名

續(xù)表

4.2 連鑄過程信息化系統(tǒng)建立

基于建立的連鑄過程工藝數(shù)據(jù)庫，利用Visual Studio 2013編程工具開發(fā)連鑄過程信息化系統(tǒng)。連鑄過程信息化系統(tǒng)分為三大模塊：分別是連鑄工序界面模塊、連鑄實時數(shù)據(jù)模塊、連鑄信息查詢模塊，并采用Microsoft SQL Server 2012數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)保存與修改，對連鑄過程數(shù)據(jù)進行管理。

5 系統(tǒng)介紹

5.1 連鑄工序界面

連鑄工序界面是連鑄信息化系統(tǒng)最主要的部分，也是上文提出的連鑄爐號信息自動匹配研究的成果展示。在連鑄工序界面，操作人員通過下拉選項卡確定連鑄澆注基本信息后，只需點擊澆注開始按鈕，就可在界面上方自動生成澆注信息行，并保存于數(shù)據(jù)庫中。同時，通信程序中連鑄爐號的判斷邏輯開始執(zhí)行，實現(xiàn)連鑄爐號自動新增以及連鑄爐號信息自動匹配功能，并將這一連鑄澆次號所澆注的所有連鑄爐號信息顯示在下方區(qū)域，直至操作人員點擊澆次結(jié)束按鈕。

連鑄工序界面分為上下兩個區(qū)域，上方區(qū)域顯示連鑄澆次信息，具體包括連鑄澆次開澆時間、連鑄澆次停澆時間、連鑄澆次號、澆注的鋼種、規(guī)格以及在連鑄澆注的過程參數(shù)，如各結(jié)晶器過鋼量、各流電流以及頻率。下方區(qū)域顯示連鑄澆注各爐次信息，具體包括連鑄澆注爐號、連鑄鋼包號以及新舊程度、澆注位置、澆注時間、鋼包到達溫度以及質(zhì)量 、完成澆注后鋼包質(zhì)量、各流平均拉速以及標(biāo)準差。具體界面如圖1所示。

圖1 連鑄工序界面

5.2 連鑄實時數(shù)據(jù)界面

連鑄實時數(shù)據(jù)界面通過周期性讀取數(shù)據(jù)庫中保存的連鑄過程數(shù)據(jù)，實時顯示在當(dāng)前界面上。其界面信息包括：連鑄爐號、連鑄鋼種、連鑄鋼水溫度、大包質(zhì)量A、大包質(zhì)量B、各流在不同分段的冷卻水流量、結(jié)晶器進水總壓力以及進水溫度、二次冷卻水進水總壓力、設(shè)備冷卻水進水總壓力、二冷霧化氣總管壓力、各流拉速，進出口溫差，結(jié)晶器水量及出口溫度、振動頻率以及矯正壓力等數(shù)據(jù)。這些實時顯示的連鑄過程數(shù)據(jù)，方便工作人員判斷連鑄澆注進程，實時監(jiān)控連鑄機狀態(tài)，從而起到了預(yù)警作用。具體界面如2圖所示。

圖2 連鑄實時數(shù)據(jù)界面

5.3 連鑄信息查詢界面

連鑄查詢界面為工作人員提供兩種查詢方式即按日期查詢與按澆次號查詢，將數(shù)據(jù)庫中所有保存的數(shù)據(jù)進行篩選，將結(jié)果顯示在此界面中，可分別顯示澆次號信息查詢結(jié)果與爐次信息查詢結(jié)果。其中，爐次信息查詢結(jié)果不僅可顯示連鑄澆次開澆時間、連鑄澆次停澆時間、連鑄澆次號等基本信息，還可以對班組工作效率做出評定，顯示自動控制率、鋁損率、收得率等匯總信息。工作人員可點擊導(dǎo)出按鈕進行數(shù)據(jù)導(dǎo)出，實現(xiàn)無紙化連鑄澆注過程記錄。具體界面如圖3所示。

圖3 連鑄查詢界面

6 結(jié) 論

本文基于某鋼廠連鑄工位目前所擁有的工藝參數(shù)點位，建立連鑄過程工藝數(shù)據(jù)庫，使用Microsoft SQL Server 2012數(shù)據(jù)庫軟件以及Visual Studio 2013編程工具，開發(fā)了基于PLC信號采集的連鑄過程信息化系統(tǒng)，具體結(jié)論如下：

(1)針對電弧爐煉鋼過程連鑄工位處采集到的連鑄澆注過程數(shù)據(jù)無法與連鑄爐號進行正確匹配的問題進行研究，提出了利用現(xiàn)有“大包質(zhì)量A”“大包質(zhì)量B”點位的數(shù)據(jù)進行邏輯判斷，實現(xiàn)了連鑄爐號自增與連鑄爐號信息自動匹配的功能，為建立連鑄過程信息化系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

(2)使用PLC數(shù)據(jù)采集技術(shù)、Microsoft SQL Server 2012數(shù)據(jù)庫工具、Visual Studio 2013開發(fā)工具建立連鑄過程信息化系統(tǒng)，對連鑄過程數(shù)據(jù)進行信息整合與匯總，實現(xiàn)連鑄過程的信息化。系統(tǒng)功能包括：連鑄工序界面模塊、連鑄實時數(shù)據(jù)模塊、連鑄信息查詢模塊。所開發(fā)的系統(tǒng)已在工廠在線運行，且應(yīng)用效果較好。