基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)字鋼卷設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曹培　劉安平　李路

關(guān)鍵詞：數(shù)字鋼卷；數(shù)字交付；智能制造；數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)；物料數(shù)字化

0 前言

隨著鋼企智能制造的發(fā)展，傳統(tǒng)信息化系統(tǒng)已不能滿足新的智能化需求，大量企業(yè)開(kāi)始從信息化向數(shù)字化轉(zhuǎn)型。數(shù)字化是鋼企實(shí)現(xiàn)智慧制造的基礎(chǔ)，為提高鋼鐵生產(chǎn)的效率和質(zhì)量創(chuàng)造新的機(jī)會(huì)。數(shù)字鋼卷是帶鋼的物料數(shù)字化模型，是鋼廠進(jìn)行全流程一體化質(zhì)量管控的基礎(chǔ)，可以隨著實(shí)物鋼卷進(jìn)行數(shù)字交付幫助下游鋼材用戶跨行業(yè)對(duì)鋼材品質(zhì)進(jìn)行掌控。本文描述一種在數(shù)個(gè)大型鋼廠單工序數(shù)字鋼卷實(shí)施基礎(chǔ)上進(jìn)一步打造的適用于熱軋、冷軋至后處理工序的數(shù)字鋼卷實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)其原理、實(shí)現(xiàn)方法與產(chǎn)品形態(tài)進(jìn)行了描述和解釋。

1 概念與原理

數(shù)字鋼卷是一個(gè)與鋼卷實(shí)物伴生產(chǎn)出的物料數(shù)字化模型，實(shí)現(xiàn)帶鋼物料的數(shù)據(jù)數(shù)字化、資產(chǎn)化、可視化。數(shù)字鋼卷圍繞鋼鐵物料生命周期和產(chǎn)品加工過(guò)程，從產(chǎn)品視角將帶鋼在熱軋、冷軋至后處理工序生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量、成本、能源等工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和歸集，并以鋼卷為載體進(jìn)行建模，將模型實(shí)例化形成鋼卷的物料數(shù)字化。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是企業(yè)級(jí)的疊加物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)，構(gòu)建精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)、高效地包括數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、管理等功能的工業(yè)平臺(tái)。平臺(tái)采集和存儲(chǔ)各單元生產(chǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，數(shù)字鋼卷從平臺(tái)讀取相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤、關(guān)聯(lián)和處理。數(shù)字鋼卷的數(shù)據(jù)主要包含三類信號(hào)（表1）：（1）控制系統(tǒng)中的鋼卷一旦產(chǎn)生便不再變化的靜態(tài)特征數(shù)據(jù)，如鋼卷號(hào)規(guī)格等基本信息、原料成分信息、離線檢測(cè)等；（2）在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)時(shí)產(chǎn)生的實(shí)時(shí)時(shí)序數(shù)據(jù)，如工藝過(guò)程數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)、能耗計(jì)量、在線檢測(cè)數(shù)據(jù)等；（3）跨機(jī)組、跨工序的重要數(shù)據(jù)，以物料為基礎(chǔ)的不同產(chǎn)線的關(guān)聯(lián)。

系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)后進(jìn)行跟蹤，按單個(gè)鋼卷從數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)提取數(shù)據(jù)，將時(shí)序數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成按帶鋼長(zhǎng)度方向?qū)R的數(shù)據(jù)并匹配到鋼卷每一段長(zhǎng)度上，實(shí)現(xiàn)鋼卷數(shù)據(jù)時(shí)序、物料長(zhǎng)度多維度的整合，并以鋼卷號(hào)為主鍵進(jìn)行建模，形成以鋼卷產(chǎn)品為核心的數(shù)據(jù)模型，生成數(shù)字鋼卷。

2 數(shù)字鋼卷實(shí)現(xiàn)方法

數(shù)字鋼卷按照針對(duì)機(jī)組差異化配置的數(shù)據(jù)項(xiàng)從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)讀取數(shù)據(jù)，通過(guò)建立跟蹤進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與物料建模，以關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和文件兩種格式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，建立基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口，并構(gòu)建基于B/S架構(gòu)的可視化平臺(tái)進(jìn)行鋼卷管理和數(shù)據(jù)展示。

2.1 硬件系統(tǒng)構(gòu)建

數(shù)字鋼卷系統(tǒng)硬件由數(shù)字鋼卷服務(wù)器和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)組成。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)硬件包含數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，由全廠智能制造統(tǒng)一實(shí)施。系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖1所示，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)字鋼卷服務(wù)器與PLC、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、煉鋼連鑄數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的通信。

不同類型數(shù)據(jù)獲取主要有3種方式：（1）當(dāng)前生產(chǎn)的鋼卷號(hào)等靜態(tài)信息，通過(guò)數(shù)采服務(wù)器從產(chǎn)線生產(chǎn)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取；（2）機(jī)組實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)采服務(wù)器實(shí)時(shí)從PLC采集數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)按時(shí)間先后保存在數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，數(shù)字鋼卷系統(tǒng)需要時(shí)通過(guò)時(shí)間劃片方式從數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)讀取數(shù)據(jù)，其中跟蹤所需要的速度、焊縫檢測(cè)等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到數(shù)據(jù)鋼卷服務(wù)器；（3）煉鋼連鑄的跨廠級(jí)數(shù)據(jù)通過(guò)全廠網(wǎng)絡(luò)從煉鋼連鑄的數(shù)據(jù)平臺(tái)讀取。

2.2 數(shù)據(jù)配置方法

數(shù)字鋼卷的數(shù)據(jù)項(xiàng)采用文件的方式進(jìn)行編輯和管理。整理數(shù)字鋼卷所需要的工藝數(shù)據(jù)項(xiàng)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)在機(jī)組的位置參數(shù)。將數(shù)據(jù)項(xiàng)的變量名稱、注釋、變量類型、跟蹤類型、數(shù)據(jù)物理位置所在的跟蹤區(qū)域編號(hào)、數(shù)據(jù)點(diǎn)位置距離跟蹤區(qū)域起點(diǎn)的距離，按照表格方式填寫(xiě)到CSV文件中，生成獨(dú)立的配置文件，供數(shù)字鋼卷系統(tǒng)讀取。數(shù)字鋼卷系統(tǒng)應(yīng)用到不同的工廠或機(jī)組時(shí)，配置文件需要根據(jù)機(jī)組差異化布置和需求重新配置。

2.3 物料跟蹤方法

數(shù)字鋼卷系統(tǒng)采用從PLC實(shí)時(shí)讀取的帶鋼速度、焊接信號(hào)、焊縫檢測(cè)信號(hào)或熱檢信號(hào)，建立一套簡(jiǎn)單的跟蹤。在機(jī)組從入口到卷取之間確立幾個(gè)關(guān)鍵設(shè)備位置作為跟蹤分區(qū)點(diǎn)：熱軋機(jī)組；粗軋入口高溫計(jì)、R1軋機(jī)、R2軋機(jī)、飛剪、精軋F(tuán)7軋機(jī)、層冷輥道中間位；冷軋連續(xù)生產(chǎn)機(jī)組；焊機(jī)、各焊縫檢測(cè)儀，連退鍍鋅機(jī)組熱處理區(qū)前后張力輥；冷軋單卷生產(chǎn)機(jī)組。全線作為一個(gè)跟蹤分區(qū)，以穿帶信號(hào)作為跟蹤起點(diǎn)。

帶頭帶尾到達(dá)某個(gè)跟蹤分區(qū)點(diǎn)，啟動(dòng)該分區(qū)的跟蹤計(jì)算。以固定采樣周期讀取帶鋼速度，計(jì)算單個(gè)周期內(nèi)帶鋼移動(dòng)距離，并累加得出帶頭帶尾過(guò)該跟蹤分區(qū)點(diǎn)長(zhǎng)度。當(dāng)帶頭跟蹤位置L不小于跟蹤分區(qū)的總長(zhǎng)度時(shí)，標(biāo)志著帶頭已進(jìn)入下一段，L保持不變，當(dāng)下一個(gè)鋼卷帶頭位置到來(lái)時(shí)，將帶頭位置信息L清零，重新進(jìn)行下一個(gè)鋼卷的計(jì)算，計(jì)算公式見(jiàn)式（1）。有活套位置的跟蹤區(qū)域，計(jì)算跟蹤位置時(shí)需減去實(shí)時(shí)套量對(duì)應(yīng)的帶鋼長(zhǎng)度。帶尾跟蹤計(jì)算方式同帶頭。

（1）

式中：L為帶頭帶尾跟蹤的位置，mm；vi為第i次采樣段內(nèi)的線速度，mm/s；T為速度采樣周期，s。

劃片時(shí)間計(jì)算：跟蹤帶頭Ls和帶尾位置Le，在數(shù)據(jù)配置文件中對(duì)應(yīng)跟蹤區(qū)域的不同數(shù)據(jù)檢測(cè)點(diǎn)距離跟蹤分區(qū)點(diǎn)的距離L1，L2，…進(jìn)行比較，當(dāng)Ls＞L1…的上升沿時(shí)間時(shí)，即帶頭經(jīng)過(guò)該數(shù)據(jù)點(diǎn)的時(shí)間Ts，當(dāng)Le＞L1…的上升沿時(shí)間時(shí)，即帶尾經(jīng)過(guò)該數(shù)據(jù)點(diǎn)的時(shí)間Te。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)檢測(cè)到帶頭帶尾的時(shí)間Ts和Te即為該數(shù)據(jù)點(diǎn)的劃片時(shí)間。記錄劃片時(shí)間和當(dāng)前的鋼卷號(hào)，生成鋼卷的所有數(shù)據(jù)檢測(cè)點(diǎn)的劃片時(shí)間Ts和Te的關(guān)系表，保存到關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.4 物料長(zhǎng)度對(duì)齊

采用時(shí)間劃片方式進(jìn)行數(shù)據(jù)提?。簩⑸a(chǎn)期間按自然時(shí)間維度產(chǎn)生的時(shí)序生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)時(shí)間劃片的方式將帶鋼經(jīng)過(guò)單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)提取出來(lái)，根據(jù)物料跟蹤計(jì)算的鋼卷對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)的起始時(shí)間Ts和結(jié)束時(shí)間Te，從數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中按時(shí)間劃片的方式提取Ts和Te之間的所有數(shù)據(jù)，將所有Ts點(diǎn)作為起點(diǎn)，所有Te的數(shù)據(jù)作為終點(diǎn)，組成新的數(shù)據(jù)集。圖2所示為數(shù)據(jù)提取的過(guò)程。

將數(shù)據(jù)集從時(shí)間坐標(biāo)變換成長(zhǎng)度坐標(biāo)：根據(jù)每個(gè)周期的帶鋼速度和周期，按照式（2）將橫坐標(biāo)從時(shí)間變換為帶鋼的長(zhǎng)度，將工藝過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)間的曲線轉(zhuǎn)換擬合成工藝過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)長(zhǎng)度的曲線。

（2）

式中：S為帶鋼在第n個(gè)采樣周期的長(zhǎng)度位置，mm；vi為第n次采樣周期的當(dāng)前段帶鋼線速度，mm/s；T為速度采樣周期，s。

將帶頭帶尾數(shù)據(jù)對(duì)齊：將帶頭位置的所有數(shù)據(jù)對(duì)齊，帶尾位置的所有數(shù)據(jù)對(duì)齊，中間按長(zhǎng)度百分比進(jìn)行擬合，生成按帶鋼長(zhǎng)度對(duì)齊的高頻數(shù)字鋼卷數(shù)據(jù)集。

2.5 跨機(jī)組數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

軋鋼廠內(nèi)下游機(jī)組生成數(shù)字鋼卷時(shí)，自動(dòng)將上游機(jī)組數(shù)字鋼卷的關(guān)鍵數(shù)據(jù)例如厚度、板形、終軋溫度，去掉頭尾剪切長(zhǎng)度內(nèi)數(shù)據(jù)后按長(zhǎng)度百分比關(guān)聯(lián)到下游機(jī)組的數(shù)據(jù)鋼卷。同時(shí)，數(shù)字鋼卷長(zhǎng)度數(shù)據(jù)中部分重要質(zhì)量數(shù)據(jù)按相對(duì)較低頻率抽取保存到關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，主要關(guān)聯(lián)流程如圖3所示。煉鋼和連鑄工序質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，從數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)讀取成分、檢驗(yàn)信息等重要信息，以靜態(tài)特征數(shù)據(jù)的方式保存到數(shù)字鋼卷的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.6 數(shù)字鋼卷存儲(chǔ)與管理

靜態(tài)特征數(shù)據(jù)、劃片時(shí)間與按10個(gè)點(diǎn)采樣一個(gè)的長(zhǎng)度對(duì)齊數(shù)據(jù)集一起建模生成輕量級(jí)的數(shù)字鋼卷，保存在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，按照智慧制造平臺(tái)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)外提供標(biāo)準(zhǔn)接口，供其他應(yīng)用進(jìn)行質(zhì)量管控和數(shù)字交付以及模型優(yōu)化等功能使用。長(zhǎng)度對(duì)齊的高頻數(shù)字鋼卷數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成離線分析工具支持的DAT文件格式存儲(chǔ)在服務(wù)器，主要用于人工進(jìn)行離線的數(shù)據(jù)分析、過(guò)程診斷、質(zhì)量追溯等。建立基于B/S架構(gòu)的可視化管理平臺(tái)，可以對(duì)數(shù)字鋼卷進(jìn)行管理，提供完善的數(shù)據(jù)查詢、管理、主要質(zhì)量曲線展示功能。

3 應(yīng)用實(shí)例

圖4所示為某鋼企數(shù)字鋼卷系統(tǒng)可視化管理平臺(tái)的鋼卷數(shù)據(jù)預(yù)覽頁(yè)面，左邊是鋼卷列表，可以查詢或選擇需要預(yù)覽的鋼卷號(hào)，右邊展示選中數(shù)字鋼卷的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的主要質(zhì)量曲線?？梢暬?yè)面可直接跳轉(zhuǎn)到離線分析工具打開(kāi)對(duì)應(yīng)數(shù)字鋼卷的DAT文件進(jìn)行離線分析，提供多種標(biāo)準(zhǔn)基于數(shù)學(xué)的、統(tǒng)計(jì)學(xué)的分析。

圖5所示為一個(gè)鋼卷進(jìn)行離線分析的曲線，圖中坐標(biāo)數(shù)據(jù)依次為平直度、凸度、各機(jī)架軋制力、各機(jī)架輥縫的曲線，子窗口為板形和凸度斷面柱狀圖。由圖中顯示內(nèi)容可知，數(shù)字鋼卷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了按長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)每段帶鋼的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并具備豐富的分析功能。

4 結(jié)語(yǔ)

帶鋼生產(chǎn)作為工業(yè)制造領(lǐng)域生產(chǎn)流程最長(zhǎng)、最復(fù)雜的產(chǎn)品之一，工序匹配復(fù)雜，跨生產(chǎn)機(jī)組數(shù)據(jù)傳遞不暢，數(shù)字鋼卷方便地解決了這些缺點(diǎn)，為一體化質(zhì)量管控系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)，為鋼卷進(jìn)行生產(chǎn)全流程數(shù)據(jù)分析、質(zhì)量追溯、過(guò)程診斷、生產(chǎn)工藝優(yōu)化提供了較大便利，滿足從熱軋、冷軋到后處理機(jī)組的物料數(shù)字化需求，使得上下游產(chǎn)業(yè)之間聯(lián)系更加緊密。

本課題預(yù)留數(shù)字交付功能接口，鋼企向用戶交付鋼材同時(shí)提供包含生產(chǎn)和質(zhì)量信息的數(shù)字鋼卷，增強(qiáng)了產(chǎn)業(yè)間無(wú)縫協(xié)同。隨著數(shù)字交付在鋼鐵行業(yè)的推進(jìn)，數(shù)字鋼卷必將對(duì)鋼鐵行業(yè)的發(fā)展發(fā)揮重要作用。

本文摘自《冶金自動(dòng)化》2022年第S1期