基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的鋁加工L2級系統(tǒng)

王仁忠，王修亮，李文浩，劉 廣

(1.蘇州市職業(yè)大學(xué)，江蘇 蘇州 215026；2.新疆眾和股份有限公司，新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊 830013；3.中鋁智能科技發(fā)展有限公司，浙江 杭州 311000)

隨著前期鋁加工行業(yè)的迅猛發(fā)展，越來越多的企業(yè)在各主要單體設(shè)備如熱軋、冷軋、箔軋等都已引進具有國內(nèi)外先進水平的L2級工藝過程控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在保證單工序軋制工藝的穩(wěn)定、控制精度的提高、生產(chǎn)效率的提升方面發(fā)揮了重要作用[1-4]。然而從鋁加工全生產(chǎn)流程方面來看，單機L2級在保證工藝質(zhì)量可追溯性、質(zhì)量的提前控制與質(zhì)量穩(wěn)定性方面還存在局限性。首先，單機L2級大部分應(yīng)用在軋制工序，其它工序如加熱、熱處理、精整等很少使用，導(dǎo)致這些工序不能嚴(yán)格執(zhí)行工藝規(guī)范，生產(chǎn)報工以人工為主，數(shù)據(jù)常“落地”，實時性和準(zhǔn)確性差，難以保證質(zhì)量的穩(wěn)定性、一致性；其次，由于L2級由不同電氣廠商提供，導(dǎo)致即便在軋制工序如熱軋的L2級與冷軋的L2級也未實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的貫通，數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象嚴(yán)重，下工序不知道上工序生產(chǎn)情況，質(zhì)量問題預(yù)警難[5-9]；最后，各廠家的L2級數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)不一，沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺與外界系統(tǒng)如MES、WMS等進行交互，導(dǎo)致數(shù)據(jù)對接與共享難。

針對以上問題，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)自主開發(fā)了第一套鋁加工的L2級系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用統(tǒng)一的平臺構(gòu)架，具有數(shù)據(jù)采集通用平臺、L2級設(shè)定平臺、多類型機組的通用工藝設(shè)定模塊，操作方式及運行流程標(biāo)準(zhǔn)化、直觀化，便于后期維護及后續(xù)新增機組的擴展。目前該系統(tǒng)已在某鋁加工企業(yè)成功應(yīng)用，取得良好效果。

1 L2級系統(tǒng)功能組成

1.1 L2級系統(tǒng)主要功能

L2級系統(tǒng)主要功能包括,統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫平臺既滿足各工序L2級數(shù)據(jù)共享，避免數(shù)據(jù)孤島，實現(xiàn)上下游質(zhì)量數(shù)據(jù)的可追溯，又滿足了MES、WMS、ERP等其它系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需求，減少數(shù)據(jù)對接所需的時間與人工成本；L2級通用設(shè)定平臺采用模塊化設(shè)計，各工序和機組L2級在此平臺下運行，既兼容或保持原有軋制工序L2級的模型設(shè)定功能，又滿足了非軋制機組生產(chǎn)計劃與工藝的接收與規(guī)范執(zhí)行，針對新增機組可在同一平臺下增加L2級，縮短系統(tǒng)調(diào)試上線時間及成本；可配置的數(shù)據(jù)采集平臺布置在各機組，與底層PLC設(shè)備的通訊，實現(xiàn)工藝參數(shù)的下傳與生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集統(tǒng)計，滿足了L2級模型設(shè)定和自學(xué)習(xí)，以及生產(chǎn)自動報工的需求。

1.2 L2級系統(tǒng)主要功能

其組成包括L2級設(shè)定模塊、系統(tǒng)平臺軟件模塊、數(shù)據(jù)庫平臺模塊、輔助生產(chǎn)管理模塊、數(shù)據(jù)采集與報表處理模塊等。

(1)系統(tǒng)平臺軟件模塊。采用模塊化設(shè)計，可伸縮擴展，提供支撐L2級以及其它生產(chǎn)管理模塊正常操作、運行、維護與信息交互等服務(wù)。

(2)L2級設(shè)定模塊。作為生產(chǎn)工藝規(guī)程規(guī)范化的實施載體，嚴(yán)格執(zhí)行工藝規(guī)范，包括接收MES系統(tǒng)下達(dá)的生產(chǎn)計劃，無MES時在本機組進行計劃編排與排序，工藝參數(shù)及規(guī)程管理，人機界面操作、材料信息跟蹤、操作日志等，在有工藝模型自動設(shè)定時，完成工藝規(guī)程自動設(shè)定下傳以及參數(shù)自學(xué)習(xí)。

(3)數(shù)據(jù)庫平臺模塊。L2級系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲與服務(wù)中心，為模型設(shè)定、質(zhì)量追溯、數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)分析與報表提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

(4)輔助生產(chǎn)管理模塊。提供了生產(chǎn)實績、生產(chǎn)統(tǒng)計預(yù)警、關(guān)鍵工具使用、機組能源消耗、物料跟蹤、系統(tǒng)用戶管理等服務(wù)。

(5)數(shù)據(jù)采集與報表處理模塊。用于各機組或設(shè)備的L2級工藝參數(shù)的下傳，生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時采集、存儲、處理、統(tǒng)計與管理，并將數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳至L2級系統(tǒng)，減少人工記錄統(tǒng)計的失實現(xiàn)象。

2 L2級設(shè)定技術(shù)

2.1 系統(tǒng)平臺軟件

以往單機版L2級系統(tǒng)一般采用工控軟件做人機界面，應(yīng)用中間件做模型程序的調(diào)度軟件，模型程序由C或C++開發(fā)生成可執(zhí)行程序供中間件調(diào)用，這種方式可擴展性差，僅限于本機臺設(shè)備。L2級系統(tǒng)軟件平臺由Visual C#及DV控件開發(fā)，軟件采用框架結(jié)構(gòu)設(shè)計方便擴展，具體由各功能模塊組成，后續(xù)可根據(jù)功能需求再增加模塊。

2.2 L2級設(shè)定技術(shù)

L2級是實現(xiàn)各機組“一鍵操作”的主體，包含了從MES系統(tǒng)或本系統(tǒng)自動接收生產(chǎn)計劃及工藝，自動下傳至L1級，自動進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計并上報，還包含了與WMS系統(tǒng)出入庫信息的自動對接，保證卷材的自動運轉(zhuǎn)。

各機組L2級皆包括，生產(chǎn)計劃、工藝規(guī)程、上卷確認(rèn)、報警日志、生產(chǎn)記錄、班次統(tǒng)計等功能頁面，特定機組還包括了模型設(shè)定和自學(xué)習(xí)功能。生產(chǎn)計劃用來接收和管理MES下發(fā)計劃，工藝規(guī)程用來接收或管理本工序工藝，上卷確認(rèn)是本工序L2級的設(shè)定操作界面，報警日志記錄了操作人員的上機操作信息，生產(chǎn)記錄用于非自動統(tǒng)計的生產(chǎn)匯報，班次統(tǒng)計提供了本班組的生產(chǎn)實績查詢。

針對某些軋制機組引進的L2級系統(tǒng)，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)孤島的消除、上下游質(zhì)量追溯，L2級系統(tǒng)與其對接數(shù)據(jù)接口，為其提供生產(chǎn)計劃信息(未與MES相連時)或者采集生產(chǎn)實績數(shù)據(jù)，納入L2級數(shù)據(jù)庫平臺統(tǒng)一管理(圖1)。

圖1 特定機組L2級系統(tǒng)設(shè)定策略Fig.1 L2-level system setting policy for specific units

2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫平臺

L2級系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫平臺與ERP、MES、WMS等信息系統(tǒng)以及底層PLC進行交互，對鋁加工生產(chǎn)線的設(shè)備、關(guān)鍵工藝參數(shù)和質(zhì)量數(shù)據(jù)實時采集與融合，在此基礎(chǔ)上建立數(shù)據(jù)存儲和處理工作平臺，主要建有關(guān)系數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫，包括了生產(chǎn)計劃、工藝模型、生產(chǎn)實績、質(zhì)量規(guī)則、設(shè)備能源等數(shù)據(jù)表，為工藝設(shè)定優(yōu)化、質(zhì)量監(jiān)控與分析、質(zhì)量追溯與診斷、生產(chǎn)統(tǒng)計分析、關(guān)鍵設(shè)備運行分析、物料流轉(zhuǎn)查詢、生產(chǎn)數(shù)據(jù)挖掘等服務(wù)提供了數(shù)據(jù)支撐。L2級各工序終端可方便查詢，支持生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，進一步的利用這些數(shù)據(jù)可開發(fā)手機端的APP查詢服務(wù)。L2級系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫平臺可提高知識和經(jīng)驗的重用性，初步實現(xiàn)設(shè)備的數(shù)字化，有效消除企業(yè)設(shè)備間的數(shù)據(jù)孤島，高效接駁企業(yè)各種信息系統(tǒng)。

3 L2級系統(tǒng)開發(fā)

3.1 數(shù)據(jù)采集平臺軟件

L2級系統(tǒng)應(yīng)用Visual C#開發(fā)了通用數(shù)據(jù)采集平臺軟件，通過數(shù)據(jù)采集平臺實現(xiàn)與L1級底層的數(shù)據(jù)通訊，此平臺軟件具有L2級工藝設(shè)定下傳、PLC數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)統(tǒng)計上傳等功能，數(shù)據(jù)采集與各級交互方式如圖2所示。L2級工藝設(shè)定下傳，為實現(xiàn)L2級系統(tǒng)客戶端操作界面與數(shù)據(jù)采集軟件間的交互，以及同步控制、日志通信管理，數(shù)據(jù)采集軟件與L2級采用郵槽方式實現(xiàn)不同程序進程間的通訊；各個進程通過定時監(jiān)控自己的郵槽來獲得其它進程發(fā)送來的控制信號、數(shù)值、字符串信息等。同時為減輕L2級系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫負(fù)荷，在其客戶端選用輕量級內(nèi)存數(shù)據(jù)庫SQLite作為本地數(shù)據(jù)庫，與數(shù)據(jù)采集軟件通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的下傳與統(tǒng)計存儲。

圖2 L2級系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集平臺軟件工作機制Fig.2 Software working mechanism of L2-level system data acquisition platform

各個機組的本地數(shù)據(jù)庫表包含設(shè)定表、實測臨時表、統(tǒng)計表。數(shù)據(jù)采集軟件通過郵槽獲得下傳信號后，從設(shè)定表中讀取工藝規(guī)程并下傳。數(shù)據(jù)統(tǒng)計上傳，數(shù)據(jù)采集軟件等待既定的生產(chǎn)開始信號，開始將實測數(shù)據(jù)寫入本地SQLite數(shù)據(jù)庫實測臨時數(shù)據(jù)表，直到生產(chǎn)結(jié)束信號出現(xiàn)；開始調(diào)用統(tǒng)計方法，從實測臨時表中獲取統(tǒng)計字段，結(jié)合本地設(shè)定表信息組成統(tǒng)計數(shù)據(jù)，將統(tǒng)計數(shù)據(jù)寫入本地統(tǒng)計表，最后將臨時表實測數(shù)據(jù)清空。

3.2 平臺軟件內(nèi)部數(shù)據(jù)通訊

在企業(yè)配備MES或ERP系統(tǒng)(屬于L3)的情況下，L2級系統(tǒng)與L3級、高架庫(WMS系統(tǒng))、L1級PLC(HMI)的交互形式如圖3所示。

圖3 L2級系統(tǒng)平臺內(nèi)部通訊Fig.3 Internal communication of L2-level system platform

L2級系統(tǒng)在服務(wù)端采用平臺軟件，將各機組的計劃工藝請求集中統(tǒng)一與L3級、高架庫通過Socket電文包的接口形式通訊， L3級將生產(chǎn)計劃及工藝信息下傳給L2級系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫表，系統(tǒng)的L2級設(shè)定模塊向高架庫發(fā)送與接收帶卷出入庫信息請求，并將生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)上傳L3級。L2級系統(tǒng)服務(wù)端通過光纖或以太網(wǎng)與分布在各機組的客戶端連接通訊，L2級系統(tǒng)平臺軟件客戶端與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)平臺軟件通過實時數(shù)據(jù)庫SQLite進行內(nèi)部通訊。

3.3 平臺軟件內(nèi)部數(shù)據(jù)通訊

L2級系統(tǒng)采用服務(wù)器/客戶端的形式，在服務(wù)端部署生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫、L2級系統(tǒng)應(yīng)用軟件，供各客戶端進行訪問及下載更新；在各機組或設(shè)備布置L2客戶端，客戶端計算機安裝了生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫客戶端、L2平臺軟件客戶端、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)平臺軟件、生產(chǎn)記錄查看軟件等。

L2級系統(tǒng)服務(wù)器，存儲各機組或設(shè)備的生產(chǎn)計劃、工藝規(guī)程、統(tǒng)計數(shù)據(jù)等信息，與現(xiàn)有ERP或MES系統(tǒng)、高架庫WMS系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。在各機組或設(shè)備各布置1臺L2級客戶端計算機，如實現(xiàn)生產(chǎn)計劃及工藝規(guī)程接收與下傳，生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集查看與統(tǒng)計數(shù)據(jù)上傳，存儲相應(yīng)機組或設(shè)備的生產(chǎn)實測數(shù)據(jù)信息。

4 L2級系統(tǒng)的實際應(yīng)用

以某鋁加工企業(yè)應(yīng)用為例，L2級系統(tǒng)已在該企業(yè)的14道工序(從銑面到復(fù)卷)共32臺機組布置實施，各客戶端L2級如圖4所示。由于現(xiàn)場已有MES系統(tǒng)可發(fā)送生產(chǎn)計劃，因此本系統(tǒng)主要完成機組生產(chǎn)計劃排產(chǎn)、L2級工藝設(shè)定、生產(chǎn)實績統(tǒng)計、物料跟蹤、數(shù)據(jù)字典、系統(tǒng)管理等功能的應(yīng)用。目前該系統(tǒng)實現(xiàn)了企業(yè)上下游機組生產(chǎn)計劃與工藝數(shù)據(jù)的自動接收與下傳，改變了以往人為干預(yù)，增強了工藝計劃執(zhí)行的規(guī)范性，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

圖4 鋁加工L2級系統(tǒng)剪切工序設(shè)定界面Fig.4 Cutting process setting interface of L2-level system of aluminum processing

L2級系統(tǒng)在各工序的客戶端配置數(shù)據(jù)采集平臺軟件，自動采集統(tǒng)計上報生產(chǎn)工藝質(zhì)量信息并按卷生成曲線報表，解決了以往人工生產(chǎn)報工真實性及實時性差的問題，同時實現(xiàn)了設(shè)備工序間生產(chǎn)信息流的貫通及透明生產(chǎn)，方便了質(zhì)量問題的事中控制和事后追溯，如圖5所示。

某時間段內(nèi)該企業(yè)冷軋成品卷厚差波動較大(圖5(a))，在L2級系統(tǒng)進行質(zhì)量追溯，發(fā)現(xiàn)該批料在熱軋生產(chǎn)曲線數(shù)據(jù)的倒數(shù)第2道次相鄰點軋制力偏差異常波動在20t左右(圖5(b))，超過了正常范圍(圖5(c))，由此對熱軋道次的潤滑、軋輥等使用條件進行了跟蹤和完善，解決了厚差異常問題。

圖5 L2級質(zhì)量追溯示例Fig.5 L2-level quality traceability example

4 結(jié)論

針對大部分鋁加工企業(yè)生產(chǎn)計劃與工藝執(zhí)行不規(guī)范，設(shè)備間信息孤島，生產(chǎn)工藝優(yōu)化與質(zhì)量問題追溯缺乏有效數(shù)據(jù)支撐等問題，自主開發(fā)一套L2級系統(tǒng)，既保持了原有軋機L2級系統(tǒng)功能，又?jǐn)U展延伸到其它工序，并在生產(chǎn)中成功應(yīng)用，實現(xiàn)了應(yīng)用企業(yè)生產(chǎn)工藝的標(biāo)準(zhǔn)化管理、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的科學(xué)統(tǒng)計，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率與管理水平。該系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用將實現(xiàn)企業(yè)工藝執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)設(shè)備數(shù)字化、過程數(shù)據(jù)信息化、生產(chǎn)記錄無人化，符合未來鋁加工智能工廠的建設(shè)要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。