基于OPC技術(shù)的合金投料管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王亞利 張守民

(1.濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河南 濟(jì)源 459000； 2.河南中原特鋼裝備制造有限公司， 河南 濟(jì)源 459006)

目前，我國(guó)的煉鋼工藝設(shè)備主要有轉(zhuǎn)爐和電爐兩種。在含碳量相同時(shí)，電爐鋼的強(qiáng)度和塑性均優(yōu)于轉(zhuǎn)爐鋼。電爐鋼多用來生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和合金鋼等。電爐煉鋼的常規(guī)生產(chǎn)工藝流程為：廢鋼→電爐冶煉(初煉)→爐外精煉→連鑄→鑄坯軋鋼。本次研究，主要針對(duì)電爐煉鋼工藝的冶煉和精煉環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了合金投料管理信息系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的功能和性能

1.1 系統(tǒng)功能

基于當(dāng)前鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，合金投料管理信息系統(tǒng)包括上料系統(tǒng)和投料系統(tǒng)兩個(gè)部分。上料系統(tǒng)為所在工藝提供物料儲(chǔ)備，通過檢測(cè)分析高位料倉(cāng)內(nèi)的儲(chǔ)料量，將物料分品種投入指定的料倉(cāng)內(nèi)暫存待用；投料系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)往爐內(nèi)加入合金物料，調(diào)節(jié)鋼水成分[1]。整個(gè)系統(tǒng)要具備如下功能：

(1) 接受自卸車運(yùn)輸?shù)綇S房?jī)?nèi)的各種鐵合金、造渣料、增碳劑、脫氧劑等物料。

(2) 檢測(cè)分析高位料倉(cāng)內(nèi)的儲(chǔ)料量，發(fā)出物料種類、數(shù)量需求指令。

(3) 按照物料需求指令將物料投入指定的料倉(cāng)。

(5) 記錄所有上料和投料批次數(shù)據(jù)信息。

(6) 配料與指令需求不符時(shí)，快速卸除物料，重新配料。

系統(tǒng)可以適用于煉鋼生產(chǎn)的冶煉和精煉工藝，如EAF電弧爐、IF中頻爐、LF精煉爐、VDVOD真空爐、AOD氬氧精煉爐等的上料、投料和物料成分調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)合金的成分管理、料倉(cāng)管理、上料和投料數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)匯總等功能[2]。

1.2 系統(tǒng)性能

系統(tǒng)涉及的物料種類，主要有石灰、螢石、鉻鐵、錳鐵、硅鐵、硅錳合金、鉬鐵、釩鐵、鎳鐵、增碳劑等。物料性狀：VDVOD、LF，粒徑約10～30 mm；EAF、IF，粒徑約20～50 mm；堆密度為1.1～4.0 tm3。

上料和投料系統(tǒng)為EAF(1座)、LF(2座)、VOD(2罐位)、IF(3爐體)共用的重要輔助裝置，為VDVOD、LF、EAF、IF設(shè)備提供常溫散狀料。根據(jù)鋼鐵企業(yè)安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)要求，投料系統(tǒng)應(yīng)具有以下性能：

(1) 不混料、不堵塞。在皮帶機(jī)周邊采用不銹鋼檔邊等設(shè)備，防止散料堆積在皮帶機(jī)周邊造成混料、堵塞。通過控制系統(tǒng)記錄物料的信息，防止混料。

所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都進(jìn)行3次平行，數(shù)據(jù)分析和圖表分析采用origin 8.5軟件，結(jié)果表示均為均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的顯著性差異借助SPSS 22.0進(jìn)行Duncan檢測(cè)，不同字母標(biāo)識(shí)表示具有顯著性差異(P<0.05)。

(2) 計(jì)量精確。計(jì)量精度≤3‰。高位料倉(cāng)下料采用棒條插板閥調(diào)整，高位料倉(cāng)震動(dòng)給料機(jī)變頻調(diào)速。采用高精度的稱量系統(tǒng)，系統(tǒng)精度滿足鋼種目標(biāo)成份要求。

(3) 運(yùn)行高效。以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)品質(zhì)量為控制目標(biāo)，以合金補(bǔ)加成本最低為原則，進(jìn)行合金模型相計(jì)算的智能控制，高效完成整個(gè)煉鋼工藝流程中的合金加料管理。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 OPC技術(shù)

OPC(OLE for Process Control)實(shí)現(xiàn)了客戶程序?qū)τ布O(shè)備訪問的透明性，解決了應(yīng)用程序?qū)τ布逃袛?shù)據(jù)類型的依賴性，已成為工業(yè)控制領(lǐng)域硬件和軟件制造商所承認(rèn)和支持的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。OPC規(guī)范定義了客戶端和服務(wù)器、服務(wù)器和服務(wù)器之間的通訊接口，包括訪問實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、監(jiān)控報(bào)警和事件、訪問歷史數(shù)據(jù)等應(yīng)用[3]，為基于Windows的應(yīng)用程序和現(xiàn)場(chǎng)過程控制應(yīng)用建立了橋梁，常用于過程控制和制造業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)的合金投料管理信息系統(tǒng)，使用OPC工具KEPServerEX來連接、管理、監(jiān)視和控制不同的自動(dòng)化設(shè)備和軟件應(yīng)用程序，為用戶提供統(tǒng)一來源的工業(yè)自動(dòng)化數(shù)據(jù)。

2.2 BS模式

考慮到系統(tǒng)實(shí)施的可行性，根據(jù)冶煉設(shè)備過程控制系統(tǒng)的實(shí)際需要和業(yè)務(wù)流程特點(diǎn)，在程序架構(gòu)方面選擇高效簡(jiǎn)易的BS(瀏覽器服務(wù)器)模式。這種模式將系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心部分集中到服務(wù)器端，簡(jiǎn)化了客戶端電腦載荷，可減輕系統(tǒng)維護(hù)與升級(jí)的成本和工作量，降低用戶的總體成本[4]。

開發(fā)語(yǔ)言采用成熟的ASP.NET。后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)選用高效率、可靠性好、適應(yīng)高吞吐量的Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)。服務(wù)器端安裝Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，瀏覽器通過Web Server同數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2.3 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

整個(gè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

合金投料控制系統(tǒng)由服務(wù)器、工控機(jī)(工作站)和PLC設(shè)備(可編程邏輯控制器)組成。西門子公司生產(chǎn)的PLC產(chǎn)品在我國(guó)的冶金、化工、印刷生產(chǎn)線等領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，其S7系列PLC體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，可靠性高。因此，本系統(tǒng)使用西門子S7-300型號(hào)PLC設(shè)備進(jìn)行物料信息采集。工控機(jī)作為上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)，內(nèi)裝系統(tǒng)軟件Windows、應(yīng)用編程軟件及組態(tài)軟件，其中編程軟件為Step7 V5.4，組態(tài)軟件為WinCC6.2。投料系統(tǒng)的通訊方式為工業(yè)以太網(wǎng)，服務(wù)器用于保存和交換數(shù)據(jù)，傳輸和存儲(chǔ)各HMI(人機(jī)接口)之間的數(shù)據(jù)。

圖1 投料控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

服務(wù)器(LF精煉爐)用來控制系統(tǒng)的上料和投料操作。在電爐冶煉(EAF、IF)、精煉(LF、VDVOD、AOD)的工藝環(huán)節(jié)，服務(wù)器根據(jù)冶煉設(shè)備需求發(fā)出上料控制信號(hào)，上料操作室接收信號(hào)并控制實(shí)現(xiàn)上料操作；然后發(fā)出投料控制信號(hào)，投料控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)工藝爐的投料操作，如加入還原劑、脫硫劑、鐵合金或冷卻劑等，調(diào)整鋼水成分和溫度，為下一步的冶煉或精煉生產(chǎn)工序作準(zhǔn)備。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的功能模塊

系統(tǒng)采用ASP.NET+Oracle構(gòu)架平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，運(yùn)用ASP.NET動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)、數(shù)據(jù)庫(kù)、OPC等技術(shù)，結(jié)合冶煉設(shè)備過程控制系統(tǒng)的實(shí)際需要和業(yè)務(wù)流程規(guī)則，提出爐前投料管理信息系統(tǒng)的解決方案。整個(gè)系統(tǒng)分為物料成分管理、料倉(cāng)管理、上料管理和投料管理等功能模塊(見圖2)。

圖2 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)利用PLC設(shè)備及人機(jī)界面進(jìn)行上料、投料操作控制。PLC負(fù)責(zé)采集稱量倉(cāng)重量。Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)稱重系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。提供ODBC連接，供應(yīng)用程序調(diào)用編輯[5]。服務(wù)器與工控機(jī)的WinCC、Step7之間，PLC與數(shù)據(jù)庫(kù)之間，均使用OPC工具KEPServerEX進(jìn)行通訊[6]，完成整個(gè)生產(chǎn)流程的運(yùn)行控制及狀態(tài)參數(shù)監(jiān)控。

工藝過程控制方面，按照鋼鐵企業(yè)安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足合金上料投料管理信息系統(tǒng)基本性能。比如LF爐投料系統(tǒng)工藝路線為：LF高位料倉(cāng)(帶棒條插板閥)→振動(dòng)給料機(jī)→稱量料斗→振動(dòng)給料機(jī)→水平可逆皮帶輸送機(jī)→1#水平可逆皮帶輸送機(jī)(一側(cè)對(duì)準(zhǔn)1# LF加料口，另一側(cè)為錯(cuò)料管)→2#水平可逆皮帶輸送機(jī)(一側(cè)對(duì)準(zhǔn)2#LF加料口，另一側(cè)為錯(cuò)料管)。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)

本著精簡(jiǎn)、高效、減少冗余的基本原則，設(shè)計(jì)系列數(shù)據(jù)表。例如：物料代碼總表(ALLOY_CODE)，料倉(cāng)內(nèi)物料信息表(MAT_XX)，從投料系統(tǒng)PLC讀取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)(READ_XX)，寫入各個(gè)投料系統(tǒng)PLC的數(shù)據(jù)庫(kù)(WRITE_XX)，等等。分別設(shè)計(jì)各數(shù)據(jù)表的字段名稱、字段定義(類別及長(zhǎng)度，是否為null，該字段是否有預(yù)設(shè)值，該字段值是否唯一)及主鍵(Primary Key)，并標(biāo)明表中各個(gè)字段主外鍵關(guān)系。

3.4 PLC寄存器地址

由PLC負(fù)責(zé)采集稱量倉(cāng)重量，并將各料倉(cāng)落料計(jì)數(shù)、稱量倉(cāng)落料計(jì)數(shù)、料倉(cāng)累積落料重量、上料重量、物料順序號(hào)等信息保存在寄存器中。寄存器地址：DB2、DD110—DD170分別用于保存1～16#料倉(cāng)的下料量累加值；DB22、DBW4—DBW32分別用于保存1～16#料倉(cāng)的下料次數(shù)累加值；DBW34—42分別用于保存1～5#稱量倉(cāng)的下料次數(shù)累加值。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

4.1 PLCDB數(shù)據(jù)交換

PLC與Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)之間的數(shù)據(jù)交換通過OPC技術(shù)來實(shí)現(xiàn)[7]，數(shù)據(jù)交換流程如圖3所示。OPC寫入數(shù)據(jù)庫(kù)記錄時(shí)只能插入，并且只要PLC寄存器有變化就會(huì)插入新記錄。為了提取到有效記錄，即每次投料完成后的記錄，需要在Oracle中新增兩個(gè)觸發(fā)器[8]。OPC寫入數(shù)據(jù)庫(kù)記錄時(shí)的處理流程如圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)交換流程

OPC工具KEPServerEX是行業(yè)領(lǐng)先的連接平臺(tái)，可使用戶通過一個(gè)直觀的用戶界面來連接、管理、監(jiān)視和控制不同的自動(dòng)化設(shè)備和軟件應(yīng)用程序[9]。通過KEPServerEX中的DataLogger Client，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)讀取PLC各寄存器地址數(shù)據(jù)，在一定條件下(變化時(shí)、間隔固定時(shí)間)自動(dòng)在關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)插入記錄。通過KEPServerEX中的Data Exchange Client，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)讀取關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)前記錄字段信息，在一定條件下(變化時(shí)、間隔固定時(shí)間)自動(dòng)寫入PLC寄存器標(biāo)簽[10]。通過上述操作，實(shí)現(xiàn)PLC與Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)之間交換數(shù)據(jù)的目的。

4.2 物料數(shù)據(jù)處理

上料操作開始之前，核對(duì)所上的合金是否與之前批號(hào)相同。同一批號(hào)合金各元素含量相同，不需要編輯；否則，需要編輯該合金的各項(xiàng)屬性(單價(jià)、批號(hào)、元素含量)。上料操作結(jié)束之后，在料倉(cāng)管理頁(yè)面中將上料數(shù)據(jù)填寫提交，記錄上料信息(物料名稱、重量等)，并將上料數(shù)據(jù)寫入冶煉過程控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)接口表。生產(chǎn)過程中發(fā)生投料操作時(shí)，系統(tǒng)分析后得出投料的料倉(cāng)號(hào)、物料名稱、重量、目的地等數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行記錄，同時(shí)將投料數(shù)據(jù)寫入冶煉過程控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)接口表。物料列表界面(見圖5)以表格形式展現(xiàn)了冶煉工藝所用到的物料概況，單擊物料名稱可以直接進(jìn)入物料編輯界面，編輯合金的各項(xiàng)屬性。

圖4 OPC寫入數(shù)據(jù)庫(kù)操作流程

圖5 系統(tǒng)的物料列表界面

在料倉(cāng)管理頁(yè)面，可按倉(cāng)號(hào)編輯上料信息，實(shí)現(xiàn)上料操作。在料倉(cāng)列表界面，將數(shù)據(jù)庫(kù)中已上料數(shù)據(jù)提取出來，并進(jìn)行顯示。上料和數(shù)據(jù)顯示操作如圖6、圖7所示。

4.4 投料操作

上料結(jié)束后，進(jìn)行投料操作。投料流程如圖8所示。

圖6 提交上料信息

圖7 顯示料倉(cāng)列表

圖8 投料程序流程

各工位投料后，數(shù)據(jù)插入完成。此時(shí)，冶煉過程控制系統(tǒng)收到投料信息，合金投料管理信息系統(tǒng)各工位數(shù)據(jù)表同步插入投料記錄[11](如圖9)。至此，系統(tǒng)工序告一段落，數(shù)據(jù)信息保存，可供備份或查看。

4.5 系統(tǒng)測(cè)試

使用黑盒測(cè)試法來測(cè)試系統(tǒng)功能，使用白盒測(cè)試法來檢驗(yàn)程序中的每條通路是否都能按預(yù)定要求正確工作[12]。通過多種方法進(jìn)行查錯(cuò)和排錯(cuò)，準(zhǔn)確定位問題所在，進(jìn)行有效修改，提升運(yùn)行效率。

系統(tǒng)上線運(yùn)行后，其投料實(shí)際值與設(shè)定值的偏差已縮小至可控范圍，計(jì)量精度由之前的12‰降至3‰以內(nèi)，偏差波動(dòng)范圍由(-10～12)kg降低至(-2～2)kg。

以LF精煉爐為例，投料系統(tǒng)運(yùn)行前后各個(gè)料倉(cāng)加料精度情況如表1所示。由表1可知，LF精煉爐的合金加料控制精度在投料系統(tǒng)運(yùn)行后有大幅度提升，其中加料精度在±2 kg以內(nèi)的批次已達(dá)100%。應(yīng)用該系統(tǒng)可有效提高合金加料精度，從而保證鋼水質(zhì)量的穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)成本，提升工作效率。

5 結(jié) 語(yǔ)

合金投料管理信息系統(tǒng)為鋼鐵企業(yè)高潔凈鋼項(xiàng)目的二級(jí)過程控制系統(tǒng)，是企業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。采用BS模式，使用ASP.NET+Oracle系統(tǒng)構(gòu)架，基于OPC技術(shù)和PLC技術(shù)，設(shè)計(jì)的上料和投料管理信息系統(tǒng)，可為鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料和投料功能。測(cè)試實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表明，該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)合金加料過程高精度控制，提高了企業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平。后繼工作將進(jìn)一步完善信息系統(tǒng)，最大化實(shí)現(xiàn)對(duì)意外情況的正確處理。

圖9 投料數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)