VD精煉爐數(shù)據(jù)采集平臺的設(shè)計與開發(fā)

陶家晉

（山西云時代技術(shù)有限公司， 山西 太原 030003）

VD鋼包精煉爐是對鋼水進行真空處理的專用爐外精煉設(shè)備，是電爐-LF爐-VD爐工藝流程的重要環(huán)節(jié)。VD精煉爐就是真空脫氣精煉方法，即采用的精煉手段有真空、攪拌，能夠完成脫氣、脫氧、去夾雜等冶煉任務(wù)，經(jīng)VD處理后的鋼水，其雜質(zhì)去除、氧含量降低等方面有明顯改善，是提高產(chǎn)品質(zhì)量的有利“武器”。某煉鋼廠碳鋼線有2套VD精煉爐，每套VD爐各有2個工位，具有完備的L1基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)，僅有少量基于時間的生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)保存在L1系統(tǒng)中，且這些離散工藝數(shù)據(jù)也無法和生產(chǎn)爐次進行關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致管理人員不能從整體上對生產(chǎn)過程進行分析和管理。如何使得企業(yè)的信息管理與相應(yīng)的工藝和設(shè)備相適應(yīng)，最終優(yōu)化生產(chǎn)，使企業(yè)獲得最大效益，成為生產(chǎn)廠面臨的一個主要問題。因此需要集成現(xiàn)場獨立的自動化子系統(tǒng)，有效地融合各子系統(tǒng)及儀表等設(shè)備的信息，實現(xiàn)不同控制系統(tǒng)間的集成。

針對這種現(xiàn)狀，本文設(shè)計了數(shù)據(jù)采集平臺，實現(xiàn)對不同的現(xiàn)場設(shè)備、儀表和監(jiān)控系統(tǒng)的實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行穩(wěn)定、可靠地采集和計算。

1 數(shù)據(jù)采集平臺的分析與設(shè)計

1.1 數(shù)據(jù)采集點分析

VD爐采集的數(shù)據(jù)主要包括：冶煉爐次、冶煉鋼種、鋼包數(shù)據(jù)、抽真空數(shù)據(jù)、溫度測量數(shù)據(jù)、喂絲機數(shù)據(jù)。冶煉爐次、鋼種及鋼包數(shù)據(jù)可以從上工序LF爐直接獲取，其它則需要與現(xiàn)場不同的PLC設(shè)備和儀表進行通訊，開發(fā)相適應(yīng)的接口才能進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集。關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集點如表1所示。

表1 VD爐基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集點

1.2 數(shù)據(jù)采集平臺軟、硬件結(jié)構(gòu)

VD數(shù)據(jù)采集平臺采用C/S+B/S的模式，包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、報表服務(wù)器3臺服務(wù)器，現(xiàn)場生產(chǎn)用終端安裝C/S客戶端，管理人員訪問通過B/S架構(gòu)的WEB方式。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集平臺硬件結(jié)構(gòu)圖

1.3 基于OPC技術(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集平臺是連接生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)與管理網(wǎng)絡(luò)的橋梁。一方面連接生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)、各種計量儀表、監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)采集接口，實現(xiàn)對LF爐、連鑄、真空、測溫等相關(guān)儀表和PLC自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。另一方面將采集到的數(shù)據(jù)用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式封裝，通過TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫服務(wù)器[1]。

數(shù)據(jù)采集平臺可以根據(jù)用戶的配置要求，實現(xiàn)從不同的PLC系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式寫到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，主要功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)報送、數(shù)據(jù)管理，各模塊實現(xiàn)的具體功能為：

1）數(shù)據(jù)采集模塊。根據(jù)系統(tǒng)配置模塊配置的節(jié)點信息并基于OPC協(xié)議，從提供OPC服務(wù)的現(xiàn)場儀器或PLC系統(tǒng)中采集數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)管理模塊。臨時存放數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)提供給數(shù)據(jù)上報模塊。并可以實現(xiàn)上報數(shù)據(jù)失敗時的歷史數(shù)據(jù)維護和通信恢復(fù)時的斷點續(xù)傳功能。

3）數(shù)據(jù)上報模塊。根據(jù)系統(tǒng)配置模塊指定的地址和端口，采用TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)管理模塊提供的數(shù)據(jù)寫到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫。

4）系統(tǒng)配置模塊。提供可視化的界面，供用戶對整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各功能模塊的有關(guān)參數(shù)進行設(shè)置。包括要連接的OPC服務(wù)器機器名和提供的OPC服務(wù)名、OPC服務(wù)中需要采集的數(shù)據(jù)項、自定義的用于組織相同采集頻率的OPC服務(wù)器的數(shù)據(jù)組名、數(shù)據(jù)組采集周期等信息[2］。

1.4 后臺計算

由于大部分管理需要的關(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)往往無法從基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)中直接進行采集，而是需要通過采集到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)或信號進行判斷和計算才能獲得。因此，本數(shù)據(jù)采集平臺也包括基于存儲過程+后臺程序的數(shù)據(jù)計算功能[3]。

1）創(chuàng)建生產(chǎn)爐次的存儲過程。

生產(chǎn)管理是以冶煉爐次為單元進行組織和記錄的，因此，準(zhǔn)確地根據(jù)采集信號創(chuàng)建生產(chǎn)爐次非常重要。存儲過程程序根據(jù)爐蓋限位信號、移動彎頭信號、彎頭下限位信號及工位是否空閑等標(biāo)志來判斷鋼包是否到達工位，若到達工位，則創(chuàng)建新的爐次。該存儲過程的執(zhí)行周期為1 s。

2）檢測預(yù)抽真空操作的存儲過程。

生產(chǎn)結(jié)束后需要清坑，為了保證正常生產(chǎn)時的抽真空效果，需要在無鋼包的情況下對坑位進行預(yù)抽真空操作，由于判斷預(yù)抽真空操作的信號與鋼包是否到達的信號完全相同，因此造成了難以區(qū)分兩個不同操作的困難。為了解決這個問題，工藝技術(shù)人員提出可以利用破空前1 min氬氣流量是否大于0來進行判斷，若氬氣流量大于0，則認(rèn)為工位有鋼包在正常生產(chǎn)，若氬氣流量等于0，則認(rèn)為是預(yù)抽真空，將該爐次標(biāo)識為預(yù)抽。

3）關(guān)鍵過程數(shù)據(jù)的后臺計算。

喂絲機是將不同成分的喂絲線投到鋼包中，以達到調(diào)整成分的目的。

一般情況下，一爐鋼水需要多次喂線操作，因此需要計算和記錄每一次的喂線數(shù)據(jù)。其循環(huán)計算過程如下：

第一步，首先根據(jù)喂絲機的進線信號獲取該次喂線開始時間；

第二步，將開始時間作為基準(zhǔn)點，根據(jù)退線長度尋找喂線結(jié)束時間，并記錄該次退線長度；

第三步，將喂線開始時間到喂線結(jié)束時間作為計算范圍，獲取該范圍內(nèi)的最大喂線速度、喂線速度及喂線長度（喂線長度=進線長度-退線長度）。

抽真空是VD精煉爐的關(guān)鍵工藝，能夠去除鋼水中氫氣、氮氣及夾雜物，提高鋼水的純凈度。需要計算的抽真空數(shù)據(jù)主要包括：抽真空起始時間、達67 Pa時間、極限真空值、抽真空過程氬氣流量、破空時間、破空溫度、高真空保持時間等。這些數(shù)據(jù)都是通過操作信號及真空度值的變化進行判斷和計算的。

1.5 前臺界面功能

1）生產(chǎn)計劃。

計劃管理是從MES系統(tǒng)接收計劃信息，包括澆次號、計劃號、預(yù)定爐號、鋼種代碼、各工序計劃開始結(jié)束時間、連鑄圓坯信息（直徑、長度、密度、根數(shù)等參數(shù)）。把生產(chǎn)信息與計劃信息對應(yīng)。當(dāng)與MES通訊故障時，各工序可以手動增加計劃信息。

2）生產(chǎn)實績。

根據(jù)生產(chǎn)過程中不同的生產(chǎn)事件，自動采集VD爐的爐次號、生產(chǎn)開始結(jié)束時間、生產(chǎn)過程信息、生產(chǎn)消耗信息、能源儀表信息、物料數(shù)據(jù)等必要信息，不能自動采集的信息，由操作工手工錄入。

3）生產(chǎn)報表。

生成爐報表、班報表、日報表、周報表、月報表。其中爐報表要求每爐生產(chǎn)完成后自動生成EXCEL、PDF兩種格式報表，其他報表根據(jù)生產(chǎn)和管理需求可以選擇導(dǎo)出。自動生成調(diào)度報表，調(diào)度員能夠填寫系統(tǒng)中缺少的數(shù)據(jù)，調(diào)度報表能夠以WEB方式在瀏覽器中進行查看，且每天自動導(dǎo)出EXCEL、PDF兩種格式報表。

4）趨勢記錄。

由于生產(chǎn)、質(zhì)量、管理需求，需生成關(guān)鍵參數(shù)的曲線數(shù)據(jù)供管理人員進行查看和分析。

2 數(shù)據(jù)采集平臺的應(yīng)用

當(dāng)冶煉鋼包進入生產(chǎn)工位時，程序會創(chuàng)建新的冶煉爐次，現(xiàn)場操作人員在前臺界面選擇、確認(rèn)爐號和其它生產(chǎn)信息。當(dāng)產(chǎn)生通訊故障時，也允許操作工手動錄入爐號、進工位時間等。程序會根據(jù)配置信息自動匹配班組、班次數(shù)據(jù)。生產(chǎn)過程無需人工干預(yù)，后臺程序能夠自動記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)。當(dāng)鋼包離開工位時，后臺程序檢測到爐次結(jié)束時，能夠根據(jù)記錄的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的計算，將關(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫表中。生產(chǎn)操作主界面和趨勢曲線如圖2、圖3所示。

3 結(jié)語

圖2 生產(chǎn)操作主界面

本文所設(shè)計和研究的數(shù)據(jù)采集平臺對VD精煉爐的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)進行集中采集和管理，為工藝管理人員提供了實時、真實有效的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了各類數(shù)據(jù)報表快速查詢和分析。數(shù)據(jù)采集平臺的成功應(yīng)用，進一步提高了不銹鋼煉鋼工藝技術(shù)人員的工作效率，加強了對產(chǎn)品質(zhì)量的過程控制和可追溯性，為更高層次信息化奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。