煉鋼生產(chǎn)線全流程診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

史 懿 張智杰

(上海寶鋼工業(yè)技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 201900)

0 引言

煉鋼生產(chǎn)線全流程診斷系統(tǒng)(diagnosis system for total quality control，TQC-DS)能夠?qū)滠堖B退生產(chǎn)流程中所有影響正常生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量的環(huán)節(jié)與參數(shù)進(jìn)行有效地監(jiān)測(cè)和診斷分析［1-3］。它以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)或生產(chǎn)線最優(yōu)化運(yùn)行為目的，是目前質(zhì)量及產(chǎn)品品質(zhì)控制的發(fā)展方向。流程企業(yè)的設(shè)備是互相關(guān)聯(lián)的，因此不能單純地把握單體設(shè)備的狀態(tài)，而是要形成線和面的概念;也不能只單純地把握設(shè)備狀態(tài)，而是要形成全流程功能和狀態(tài)概念。

本項(xiàng)目以質(zhì)量控制為目的，對(duì)設(shè)備及工藝進(jìn)行了全流程綜合診斷。在將各類(lèi)工藝、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)集成的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了C/S體系結(jié)構(gòu)下的工藝、設(shè)備綜合診斷系統(tǒng)，并將其用于冷軋連續(xù)退火線的診斷。

1 TQC-DS綜合診斷系統(tǒng)

傳統(tǒng)過(guò)程診斷一般都配備有質(zhì)量系統(tǒng)、工藝控制系統(tǒng)和大監(jiān)控系統(tǒng)這三類(lèi)子系統(tǒng)。而TQC-DS是一個(gè)基于全流程質(zhì)量控制概念的工藝、設(shè)備綜合診斷系統(tǒng)，它建立在質(zhì)量系統(tǒng)、工藝控制系統(tǒng)和大監(jiān)控系統(tǒng)之上。該系統(tǒng)能夠關(guān)聯(lián)周邊系統(tǒng)的狀態(tài)信息，具有優(yōu)化工藝參數(shù)、控制產(chǎn)品質(zhì)量等功能。

TQC-DS包含設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、工藝狀態(tài)監(jiān)測(cè)和質(zhì)量異常追溯三大功能模塊，其核心技術(shù)分為數(shù)據(jù)交換和預(yù)處理、數(shù)據(jù)集成和綜合分析三部分，以狀態(tài)發(fā)布形式實(shí)現(xiàn)對(duì)外輸出。以TQC-DS核心為原點(diǎn)，將所有源信息都視作周邊系統(tǒng)，這些系統(tǒng)包括基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)L2系統(tǒng))、過(guò)程控制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)L3系統(tǒng))、連退質(zhì)量過(guò)程控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、輥系、大監(jiān)控等系統(tǒng)［4-7］。

2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

TQC-DS是專(zhuān)門(mén)為狀態(tài)診斷開(kāi)發(fā)的一套系統(tǒng)，它關(guān)聯(lián)了設(shè)備、質(zhì)量和工藝相關(guān)信息，具有綜合診斷的能力。

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)采用C#語(yǔ)言，數(shù)據(jù)庫(kù)采用Oracle 10g。系統(tǒng)前端有十余類(lèi)信息(來(lái)料信息、成品信息、工藝判定規(guī)則信息、質(zhì)量判定規(guī)則信息、預(yù)警規(guī)則信息、工藝規(guī)則信息、在線數(shù)據(jù)文件信息等)，數(shù)據(jù)平臺(tái)使用Socket通信方式。

TQC-DS的構(gòu)建是一個(gè)涉及多方面的復(fù)雜過(guò)程，包括多種異構(gòu)系統(tǒng)的集成、組織機(jī)構(gòu)的重組、管理業(yè)務(wù)流程的重構(gòu)以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)放互聯(lián)等。其關(guān)鍵在于必須解決好異構(gòu)系統(tǒng)之間的互聯(lián)性和互操作性，最終形成一個(gè)完整的、集成化的系統(tǒng)。

TQC-DS數(shù)據(jù)交互方式如下。

①來(lái)料、成品和表面質(zhì)量等信息由周邊L2/L3系統(tǒng)根據(jù)卷號(hào)自動(dòng)勾聯(lián)，TQC-DS在接收到這些信息后，立即對(duì)這些信息涉及的設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。經(jīng)長(zhǎng)度和時(shí)間的轉(zhuǎn)換后，這些信息隨同卷信息存入來(lái)料和成品庫(kù)。

②工藝規(guī)則庫(kù)支持對(duì)來(lái)料信息的分析，分析結(jié)果在TQC-DS主界面加以顯示。

③存入成品庫(kù)的信息經(jīng)過(guò)分析后，異常信息通過(guò)L3傳給下一道工序。

④設(shè)備狀態(tài)、工藝狀態(tài)信息先完成時(shí)間戳同步(主要和離線信息同步，在線同步已經(jīng)完成)，通過(guò)篩選和抽取特征值后，由發(fā)布系統(tǒng)發(fā)布。

交換平臺(tái)建立步驟具體如下。

①由于TQC-DS需接收所有周邊系統(tǒng)的信息，因此首先考慮的是制定接口規(guī)范。要點(diǎn)為:以TQC-DS接口為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范所有周邊系統(tǒng)的接口，符合條件的數(shù)據(jù)可以通信;不符合條件的數(shù)據(jù)經(jīng)改造后實(shí)現(xiàn)其擴(kuò)展性，而不是去適應(yīng)周邊系統(tǒng)的接口。

②不同的應(yīng)用系統(tǒng)采用了不同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和軟硬件平臺(tái)，如果這些應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行直接互聯(lián)，就需要為每一個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)一個(gè)接口。如果有N個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，就需要建立N(N-1)/2個(gè)接口程序。如果某個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)生變化，則相應(yīng)的接口都需要進(jìn)行調(diào)整。交換平臺(tái)需要解決這些應(yīng)用系統(tǒng)間的接口問(wèn)題，使平臺(tái)處于各應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換。數(shù)據(jù)交換平臺(tái)由一系列中間件、服務(wù)、接口和中心數(shù)據(jù)庫(kù)等組成，用來(lái)完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)交換等功能。數(shù)據(jù)交換對(duì)各應(yīng)用系統(tǒng)是透明的，它通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)接口為每個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)提供服務(wù)，各應(yīng)用系統(tǒng)不需要直接連接就可以交換數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

TQC-DS的數(shù)據(jù)交換及預(yù)處理平臺(tái)是整個(gè)TQC系統(tǒng)的核心樞紐，它向上為應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口，處理應(yīng)用數(shù)據(jù)交互;向下為周邊主機(jī)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接入總線;在數(shù)據(jù)總線層則為各條通信回路提供消息路由。同時(shí)，該數(shù)據(jù)交換平臺(tái)應(yīng)該是一個(gè)效率高、穩(wěn)定性好、可維護(hù)、可管理、可擴(kuò)展的平臺(tái)。其總線式的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Diagram of system structure

3.1.1 邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

系統(tǒng)包括多種數(shù)據(jù)信息及類(lèi)型，邏輯過(guò)程較為復(fù)雜，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。

①實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是從數(shù)據(jù)交換平臺(tái)、OPC和XM Files采集得到的當(dāng)前狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，包括設(shè)備狀態(tài)、工藝參數(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量等信息。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)主要用于觸發(fā)模型并為其提供計(jì)算參數(shù)，其內(nèi)容已經(jīng)被包含在歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)根據(jù)機(jī)組當(dāng)前的狀態(tài)生成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，不需要訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)需要將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的變化發(fā)送給模型計(jì)算系統(tǒng)模塊。

②歷史數(shù)據(jù)

歷史數(shù)據(jù)是對(duì)全流程狀態(tài)信息的一個(gè)匯總及歷史紀(jì)錄，包括來(lái)料和成品的質(zhì)量信息、生產(chǎn)鋼卷時(shí)設(shè)備狀態(tài)和工藝參數(shù)的集成信息。

③物料跟蹤信息

物料跟蹤信息用來(lái)描述鋼帶在生產(chǎn)線上位置的信息。物料跟蹤信息是關(guān)聯(lián)設(shè)備、質(zhì)量、工藝狀態(tài)信息的源信息。

④業(yè)務(wù)結(jié)果信息

模型計(jì)算結(jié)果的格式，包括狀態(tài)、缺陷、故障、異常等信息。

狀態(tài)信息用于反映機(jī)組當(dāng)前工作狀態(tài)的信息;缺陷信息用于反映產(chǎn)品的質(zhì)量問(wèn)題;異常信息是指需要操作人員或管理人員注意的非正常情況;故障信息是指設(shè)備沒(méi)有按照預(yù)期的方式工作以致影響任務(wù)的完成;業(yè)務(wù)表示信息是指業(yè)務(wù)結(jié)果信息對(duì)外發(fā)布的格式，它對(duì)應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部的業(yè)務(wù)結(jié)果信息。

3.1.2 物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

系統(tǒng)包括6種主要數(shù)據(jù)庫(kù)，具體介紹如下。

①缺陷管理數(shù)據(jù)庫(kù)

缺陷管理數(shù)據(jù)庫(kù)是指包含缺陷定位規(guī)則、缺陷地圖定義、缺陷代碼等信息的數(shù)據(jù)庫(kù)。這些缺陷信息用于缺陷定位模塊的自動(dòng)定位，以及缺陷地圖模塊中缺陷地圖的描述。

②模型數(shù)據(jù)庫(kù)

模型數(shù)據(jù)庫(kù)是指包含模型配置信息和模型庫(kù)的數(shù)據(jù)庫(kù)。模型計(jì)算模塊用此數(shù)據(jù)庫(kù)的信息保存模型，并在啟動(dòng)時(shí)根據(jù)其內(nèi)容生成模型。

③歷史數(shù)據(jù)庫(kù)

歷史數(shù)據(jù)庫(kù)包含一段時(shí)間內(nèi)鋼卷的生產(chǎn)信息。它由緩存數(shù)據(jù)庫(kù)和分析數(shù)據(jù)庫(kù)兩部分組成。緩存數(shù)據(jù)庫(kù)是指最近20卷鋼卷的生產(chǎn)信息。分析數(shù)據(jù)庫(kù)是指在比較長(zhǎng)的一段時(shí)間，比如一年之內(nèi)鋼卷的生產(chǎn)信息，這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)主要用于綜合分析。

④計(jì)算結(jié)果緩存數(shù)據(jù)庫(kù)

計(jì)算結(jié)果緩存數(shù)據(jù)庫(kù)是指包含模型計(jì)算結(jié)果的臨時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。因?yàn)橛?jì)算結(jié)果包括缺陷，所以這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)也可看成是缺陷數(shù)據(jù)庫(kù)的緩存。

⑤數(shù)據(jù)集成與關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)集成與關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)包括數(shù)據(jù)適配器配置和關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。它們是數(shù)據(jù)集成模塊的配置信息，不對(duì)外公開(kāi);作為配置文件與數(shù)據(jù)集成模塊一起部署，需要修改時(shí)直接修改文件。

⑥管理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)

管理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是動(dòng)態(tài)的而不是持久的。它負(fù)責(zé)為模型計(jì)算組件提供全流程狀態(tài)信息。

3.2 系統(tǒng)功能模塊的實(shí)現(xiàn)

TQC-DS系統(tǒng)根據(jù)功能的耦合關(guān)系進(jìn)行分類(lèi)、整合，形成了4個(gè)子系統(tǒng)。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 TQC-DS系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)Fig.2 Functional structure of TQC-DS system

3.2.1 主系統(tǒng)

TQC-DS主系統(tǒng)分為系統(tǒng)管理、實(shí)時(shí)預(yù)警、模型管理、缺陷跟蹤和信息發(fā)布5個(gè)子模塊。主系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。戶(hù)注冊(cè)以及數(shù)據(jù)備份與轉(zhuǎn)存的功能;實(shí)時(shí)預(yù)警子系統(tǒng)主要完成針對(duì)設(shè)備、工藝、質(zhì)量狀態(tài)的顯示和異常預(yù)警功能;缺陷跟蹤子系統(tǒng)主要完成對(duì)產(chǎn)品缺陷的追溯功能;發(fā)布系統(tǒng)的主要功能是向技術(shù)和管理人員反映本流程內(nèi)設(shè)備、工藝、質(zhì)量的狀態(tài)和上下工序的相關(guān)參數(shù)，使生產(chǎn)工藝、設(shè)備運(yùn)行、質(zhì)量控制各方面的人員可以及時(shí)獲得狀態(tài)信息，便于及時(shí)調(diào)整;綜合分析子系統(tǒng)主要完成對(duì)設(shè)備、工藝、質(zhì)量的綜合查詢(xún)與統(tǒng)計(jì)分析的功能。

圖3 主系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)Fig.3 Functional structure of the main system

這些子模塊系統(tǒng)是一個(gè)統(tǒng)一的整體，它們協(xié)調(diào)工作，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。

3.2.2 離線子系統(tǒng)

按照設(shè)備狀態(tài)專(zhuān)業(yè)化把握要求，設(shè)計(jì)了由綜合管理、簡(jiǎn)易診斷、離線精密診斷、診斷信息、知識(shí)庫(kù)、系統(tǒng)接口和系統(tǒng)管理等模塊組成的TQC-DS離線診斷子系統(tǒng)。

TQC-DS離線診斷子系統(tǒng)涵蓋信號(hào)處理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警、健康評(píng)估、預(yù)測(cè)診斷和決策支撐等功能。

離線子系統(tǒng)主要對(duì)所有離線檢測(cè)診斷的設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，可以對(duì)設(shè)備的相關(guān)參數(shù)及屬性進(jìn)行設(shè)置。其主要分為兩大類(lèi)內(nèi)容:①設(shè)備基本屬性信息，包括設(shè)備編碼、名稱(chēng)、責(zé)任者、設(shè)備位置等數(shù)據(jù)以及現(xiàn)有的分類(lèi)規(guī)范等;②設(shè)備狀態(tài)判斷標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)診斷參數(shù)設(shè)定情況。設(shè)備狀態(tài)管理基準(zhǔn)是建立機(jī)電設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)和根本準(zhǔn)則。

3.2.3 綜合分析子系統(tǒng)

綜合分析子系統(tǒng)通過(guò)分析定義模塊，完成綜合查詢(xún)或統(tǒng)計(jì)分析的個(gè)性化定制。綜合分析服務(wù)器運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)加載分析定義文件，進(jìn)行結(jié)果運(yùn)算，并保存運(yùn)算結(jié)果。管理員可以通過(guò)分析監(jiān)控模塊察看分析的運(yùn)行情況。當(dāng)用戶(hù)發(fā)出分析請(qǐng)求時(shí)，分析輸出模塊按照用戶(hù)要求，查詢(xún)分析結(jié)果，并按照定義好的輸出格式完成輸出。

3.2.4 狀態(tài)發(fā)布子系統(tǒng)

狀態(tài)發(fā)布子系統(tǒng)的主要功能是反映本流程內(nèi)設(shè)備、工藝、質(zhì)量的狀態(tài)和上下工序的相關(guān)參數(shù)，提供Web瀏覽方式，使生產(chǎn)工藝、設(shè)備運(yùn)行、質(zhì)量控制各方面的人員可以及時(shí)獲得狀態(tài)信息。根據(jù)功能不同，信息發(fā)布子系統(tǒng)可以分為發(fā)布信息編輯、信息分類(lèi)顯示、信息反饋和發(fā)布信息統(tǒng)計(jì)這4個(gè)模塊。

4 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的預(yù)防、預(yù)知狀態(tài)、可靠性等維修手段都假定質(zhì)量是可控的。普遍認(rèn)為設(shè)備問(wèn)題解決了，質(zhì)量自然有保證。其實(shí)不然，影響質(zhì)量的因素并非全部來(lái)自于設(shè)備，隨著設(shè)備狀態(tài)的不斷穩(wěn)定，其他因素(比如操作、工藝條件等)造成的質(zhì)量異議比例可能比設(shè)備的影響度更大。

本文建立的全流程狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)可有效把握本流程內(nèi)的所有狀態(tài)［8-11］，最大限度地減少企業(yè)生產(chǎn)所占用的資源，降低企業(yè)管理和運(yùn)營(yíng)成本。TQC-DS系統(tǒng)是企業(yè)發(fā)展到一定程度時(shí)的必然產(chǎn)物。研究全流程質(zhì)量控制的工藝、設(shè)備綜合診斷系統(tǒng)，對(duì)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展有重要意義。

［1］Larman C.Applying UML and patterns T［M］.Third Edition.Pearson Education Inc.，2005:218-227.

［2］Awais M.Application of internal model control methods to industrial combustion［C］//Applied Soft Computing，2005:223-233.

［3］Shin Y，Lee Y P.Design of a boil-off natural gas reliquefaction control system for LNG carriers［J］.Applied Energy，2009，86(1):37-44.

［4］王文瑞.寶鋼三期二煉鋼二連鑄三電系統(tǒng)概述(下)［J］.冶金自動(dòng)化，2000，24(3):1-5.

［5］閻建兵，王文瑞.寶鋼分公司連鑄過(guò)程控制系統(tǒng)［J］.冶金自動(dòng)化，2008，32(1):7-11.

［6］唐瑛.現(xiàn)代工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的技術(shù)分析［J］.機(jī)械與電子，2007(17):84.

［7］余晨陽(yáng).新型自動(dòng)控制軟件集成系統(tǒng)—FactoryLink［J］.基礎(chǔ)自動(dòng)化，1997(1):18-20.

［8］林康紅.基于LabVIEW的遠(yuǎn)程虛擬儀器多線程技術(shù)［J］.自動(dòng)化儀表，2003，24(8):25-27.

［9］宋永獻(xiàn)，陳嬌.基于TMS320LF2407的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009(6):75-78.

［10］孫優(yōu)賢，邵惠鶴.工業(yè)過(guò)程控制技術(shù)(應(yīng)用篇)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005:211-216.

［11］杜坤梅，李鐵才.電機(jī)控制技術(shù)［M］.2版.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2002:33-36.