数据采集系统在中间试验工厂的开发与应用

邱碧涛 郑汉诚 陈子宏 万险峰

(武汉钢铁(集团)公司研究院,湖北 武汉 430080)

数据采集系统在中间试验工厂的开发与应用

邱碧涛 郑汉诚 陈子宏 万险峰

(武汉钢铁(集团)公司研究院,湖北 武汉 430080)

基于中间试验工厂设备多而杂的特点,为了提升中间试验工厂的管理能力和设备利用率,对中间试验工厂的设备功能进行了研究,提出了基于Framework的分布式系统方案。在方案实施中,对与Framework系统不兼容的设备进行了改造升级,成功实现了各种不同接口设备生产数据的采集。并在此基础上开发出了专用的数据采集系统,为中间试验工厂的设备运行、科研调度提供了有力的技术支撑,同时也为其他钢厂设备的引进和数据采集系统的建立提供了可以借鉴的经验。

数据采集 数据库 工业数据 中间试验 科研调度 设备管理

0 引言

随着中国钢铁产业的快速发展,数字化技术越来越广泛地应用于冶金领域。冶金企业流程多,工艺复杂,运行过程中必然会产生大量的生产数据,作为数字化技术的一个重要组成部分,数据采集与应用变得越来越重要[1]。

数据采集系统的关键是如何收集数据、分析数据、整合数据和决策。武钢中间试验工厂作为钢铁企业的技术研发机构,其设备与其他生产单位有着不同的特点,分散性、种类多、接口多。为了充分发挥设备的功能,提升科研管理的技术水平,促进各类新产品研发在中间试验工厂的落实,迫切需要开发一套生产流程相关设备信息采集与数据处理系统,使不同作业计划的车间能连续地、同步地、均衡地生产。在此基础上,实现生产数据的共享,方便数据的查询、比较、统计等后续处理。

武钢中间试验工厂始建于2004年,主要参数指标达到国际领先水平,设备来自世界各地,产品规格从0.25 mm到25 mm,既有冷轧板又包括热轧板。生产流程为中频炉(电炉)→真空炉(LF炉)→板坯加热炉→热轧→热剪→冷床→收集台架→冷轧→热处理→冲压→激光焊接→机加工。

1 数据采集方案

中间试验工厂生产的产品分类细、规格多、对产品的质量要求高。因此在开发新产品以及对新产品进行优化时,需要对现场的数据进行反复的分析、模拟,从而为产品成分、工艺模型的制定提供可靠的科学依据,缩短开发和研制周期。现场数据的提取需要关联生产设备,由于中间试验工厂设备来自世界各地,控制系统不尽相同,接口也各种各样。为了实现设备数据自动采集,需要区别对待,分别处理。对于现场具备数据采集接口的设备,通过网络直接接入到数据库中;对于因控制系统和方式不具备条件的设备,则在现场设置采集工作站,通过人工输入方式,将数据传送到数据库中。

热轧试验区包括加热炉、热轧机、层流冷却,它们的控制系统为西门子公司的S7-400 PLC,且均带以太网接口,实现数据采集相对容易。设计方案是在电气室中设置一套数据采集计算机。该计算机具有双网卡,一块用来与现有的控制系统进行网络通信,另一块通过光纤网络设备与采集数据库服务器系统相连。这样,即保证了原有控制系统的完整与安全,又实现了数据自动采集。对于500 kg真空感应炉,它的控制系统是AB公司的PLC,型号为SLC 5/05。CPU本身也有以太网接口,采集实现方案与上类似。

激光区域包括激光毛化设备、激光拼焊设备和激光三维切割设备,控制系统是西门子公司的S7-300 PLC,不带CP-343-1网络接口,因此无法实现自动数据采集。为此,在激光毛化/拼焊操作室和激光三维切割操作室各设置一台采集计算机,操作人员通过应用程序手工输入设备与工序数据,通过网络与服务器联网,将采集的数据传输到系统的数据库中。

热处理区域设备来自日本,控制系统是三菱公司的PLC,型号为FX2N-64MR和FX2N-128MR。这类PLC不带网络接口,外部设备与之通信一般是通过编程口实现。因此,需要在现场设置一台通信计算机,通过串口和编程电缆实现通信,所采集的数据通过光纤网络传送到采集数据库服务器中。数据采集系统结构图如图1所示。

图1 热处理区域数据采集系统结构图Fig.1 Structure of the data acquisition system in heat processing area

根据中试工厂的需要,热处理区域需要增加质子流量计、氢气分析仪、露点仪,通过改造,使其具备温度、氢分、露点、炉压、气体流量参数的采集、记录功能。上述参数必须自动采集,并能传输到数据库系统中,这样就需要对这热处理区域的设备进行改造,改造的原则是在不影响炉子现有控制系统功能的基础上,通过增加智能仪表和相应的检测点达到数据采集的目的。具体方案为:在控制柜内增加一套PLC,型号为西门子S7-300,作为现场仪表数据采集PLC。该PLC带网络接口CP-343-1,通过模拟量输入模块,将智能仪表的信号采集到PLC中,再通过所设计的现场采集计算机和OPC技术,实现数据自动采集。

2 网络硬件配置

对于中间试验工厂数据采集系统的网络硬件构成,结合现有条件,设计方案为:设置3套中心交换机,分别放置在办公楼的中心机房、热轧试验区机房和冷轧试验区机房内,它们通过光缆连接,组成一个整体局域网。服务器、工程师站、编程站直接连接到中心交换机上,各采集站则通过带光口的工业交换机与中心交换机相连接。

根据科研调度系统的实际需求,数据采集系统配置了一套数据采集服务器和一套Web应用服务器,分别用于保存所采集的科研生产数据以及实现生产调度和设备信息管理。服务器采用IBM公司的产品IBM System 3850,配置CPU为Intel至强系列,主频2.8 GHz,内存16 GB;硬盘为6个小尺寸串行连接小型计算机系统接口(serial attached small computer system interface, SAS)硬盘,每个硬盘的容量为300 GB,支持热插拔;采用RAID-5方式,5个为工作盘,1个为备用盘。这样的结构能够极大地提高运行的安全性,降低故障率,也便于今后的系统维护。系统带2个千兆以太网接口,配置双电源。服务器操作系统采用MS Windows Server 2008 (64位),数据库则采用Oracle 10g。

为了应用软件的开发和今后维护的需要,系统设置工程师站2套和编程站3台。工程师站采用HP公司的HP Z200工作站,编程站为Dell公司的移动编程站。另外,系统配置了2台网络打印机,型号为HP LaserJet 5200dTN,用于打印生产作业报表和生产文件。

数据采集系统网络结构如图2所示。

图2 数据采集系统结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the data acquisition system

3 数据库系统

数据库系统是支撑在服务器、主机中运行的应用软件的数据存储平台。作为企业级的数据库,应包括支撑管理信息存储的关系数据库、支撑过程控制和数据采集信息存储的实时数据库。数据库产品的选型是让生产单位的重要数据能够在快速及安全的条件下,使所有的生产及营运产生的数据通过信息系统应用程序的操作存放于该数据库中。

目前,中间试验工厂信息中心主要应用系统的数据操作类型主要分为两大类,即事务交易类和决策支持类。大部分的决策支持类应用主要集中在数据中心类似架构的应用系统,用于完成报表分析、统计汇总等操作。事务交易类操作主要集中在应用系统的业务管理功能,映射到数据库的操作主要是数据的增加、删除、修改和查询。

4 应用开发架构

数据采集系统开发平台采用自有知识产权的Framework框架,基于当今国际上软件开发的前沿技术,实现以J2EE、SOA为框架基础,以Web service为界面接口,以轻量级目录存取协定(lightweight directory access protocol,LDAP)为标准的统一身份认证服务体系。本设计规划采用在大型钢铁企业应用成熟的、规范的软件开发标准,兼顾满足对软件开发进度、质量、实施过程的监控和辅助管理,充分体现出该软件平台的先进性、可靠性、可扩充性与高效率运行的要求。

自主开发的Framework框架技术特点如下。

①能快速地提高开发效率,使开发人员可以借助平台与工具,快速开发出高质量的Web应用,并能自主地对平台进行创造性扩展。

②基于标准的主流技术,采用开放式松耦合架构,日后能够方便地吸收其与第三方的优秀成果。

③运行性能佳,包括前台用户的操作性能、后台抗瞬间大并发峰值性能和抗持续大并发的稳定性性能。

④重视全方位的技术服务,包括现场服务与远程服务。

5 数据报表

生成的数据报表包括原料规格、状态、成品厚度、轧制道次、加热温度、变形量、循环次数、退火类别、保护气体等,各类表格达到上百种。数据采集系统自动生成的冷轧工艺表截图如图3所示。

图3 冷轧工艺表截图Fig.3 Screenshot of cold rolling technological process table

6 结束语

中间试验工厂在线数据采集系统是中间试验工厂数据集成的一次新的革新,它使各类不同的设备首次集成在一个系统中。通过该系统,一方面产品研发人员可以分析信息数据库数据,有效地减少和避免产品质量问题;同时科研人员可以借鉴和参考数据库信息,分析工程数据,提出产品成分、工艺改进的具体方案,有效地减少了科研人员的重复劳动量,大大缩短了产品的开发周期。另一方面也有利于中间试验工厂对科研人员、设备、研发质量进行有效管理,把武钢中间试验工厂建设提升到更高的层次,提高武钢新品种在国内、外市场的影响力。

[1] 徐龙.工业数据采集系统在南钢的应用与实现[J].信息技术, 2012,24(2):102.

Development and Application of the Data Acquisition System in Intermediate Pilot plant

The equipment in intermediate pilot plant is numerous and miscellaneous,in order to upgrade management capability and equipment utilization of the intermediate pilot plant,the equipment functions of the plant are researched,and the distributed system scheme based on Framework is proposed.In implementation of the scheme,the equipment which is incompatible with Framework is revamped or upgraded,thus data acquisition for various equipment with different interface is realized successfully,and on this basis,dedicated data acquisition system is developed;to provide technical support for equipment operation and science and research scheduling in intermediate pilot plant.In addition,it also provides experience for importing other equipment of iron and steel works and constructing data acquisition system.

Data acquisition Database Industrial data Intermediate experiment Scientific and research scheduling Equipment management

TM56

A

修改稿收到日期:20140-4-28。

邱碧涛(1976-),男,2005年毕业于武汉科技大学自动控制专业,获硕士学位,高级工程师;主要从事冶金设备的研究。