呂偉華

(寶山鋼鐵股份有限公司鋼管條鋼事業(yè)部 上海：201900)

1 研究背景

線材生產(chǎn)線一般由步進(jìn)式加熱爐、粗軋機(jī)組、中軋機(jī)組、預(yù)精軋機(jī)組、精軋機(jī)組、減定徑機(jī)組、吐絲機(jī)組、斯太爾摩線和PF線等組成，全線采用全連續(xù)無(wú)扭控軋工藝。典型的生產(chǎn)線一般配置30個(gè)機(jī)架，產(chǎn)品規(guī)格涵蓋Φ5～Φ25mm，尺寸精度可達(dá)±0.1mm。設(shè)計(jì)速度為120m/s，保證速度為110m/s。線材軋機(jī)是軋鋼廠中軋制速度最快的軋機(jī)。隨著冶金自動(dòng)化和工藝技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展，在系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)檢測(cè)速度、數(shù)據(jù)分析功能以及不同控制系統(tǒng)連接的靈活性方面提出了更高要求。特別是對(duì)于高速線材生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)采集，依靠原有的常規(guī)組態(tài)軟件，已經(jīng)無(wú)法滿足50ms以下或者更高速的數(shù)據(jù)采集要求。因此，尋找一種與常規(guī)控制系統(tǒng)程序連接方便、系統(tǒng)采樣跟蹤速度更快、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的技術(shù)手段，已經(jīng)成為必然。

PDA(Process Data Acquisition)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它的數(shù)據(jù)采集范圍涵蓋了PLC、變頻器、儀表等現(xiàn)場(chǎng)總線上的數(shù)據(jù)及控制流程中的模擬與數(shù)字信號(hào)。PDA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)支持TCP/IP，OPC，Profibus DP，Modbus等多種通信協(xié)議。

寶鋼股份于2020年啟動(dòng)了智慧制造大數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，意在謀劃新一代的信息化架構(gòu)演變。這一新型架構(gòu)將呈現(xiàn)出“云-邊-端”的基本特征?！霸啤?，即以云端數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)，形成管控鋼鐵制造服務(wù)全流程的業(yè)務(wù)中臺(tái)，以及提供智能化決策的數(shù)據(jù)中臺(tái)?！斑叀?，即從鋼鐵制造應(yīng)用場(chǎng)景切入，連通各個(gè)邊緣數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)鋼廠工序、產(chǎn)線更全面的智能化管控。“端”，即以智能化裝備為端口，搭建好完備的智慧制造基礎(chǔ)設(shè)施。PDA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為“端”數(shù)據(jù)的匯集點(diǎn)能很方便地把高頻數(shù)據(jù)上傳到邊服務(wù)器?；凇霸?邊+端”的數(shù)字化流程管控、數(shù)據(jù)智能應(yīng)用及服務(wù)將形成雙輪驅(qū)動(dòng)優(yōu)勢(shì)，共同支撐寶鋼股份打造面向未來(lái)的數(shù)字工廠的新需求。

2 寶鋼線材控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題

寶鋼股份的工序一貫質(zhì)量分析應(yīng)用系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)了從用戶需求識(shí)別到訂單交付、從煉鋼到最終成品的全流程、全生命周期的質(zhì)量數(shù)據(jù)，提高了監(jiān)控、判定、分析的效率。該系統(tǒng)需要采集現(xiàn)場(chǎng)高頻質(zhì)量數(shù)據(jù)，從而快速分析缺陷產(chǎn)生原因，快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)全流程質(zhì)量監(jiān)視、跟蹤、追溯、在線應(yīng)用和離線分析，指導(dǎo)本工序、下工序作業(yè)，防止缺陷批量流向下工序。設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)采集運(yùn)行設(shè)備上已有的信息，用于設(shè)備監(jiān)測(cè)及其狀態(tài)預(yù)警，也需要調(diào)取部分高頻數(shù)據(jù)，用于數(shù)據(jù)深度分析。

寶鋼股份寶山基地高速線材廠主體電氣設(shè)備1998年由瑞典ABB公司引進(jìn)，主要由ABB公司的AC450RMC控制器組成，共有6個(gè)CPU組成6個(gè)控制節(jié)點(diǎn)(見(jiàn)圖1)。其中前三個(gè)CPU(節(jié)點(diǎn)號(hào)分別為：Node11、Node12、Node13)構(gòu)成1#AC450控制器，主要控制加熱爐到預(yù)精軋機(jī)設(shè)備。后三個(gè)CPU(節(jié)點(diǎn)號(hào)分別為：Node21、Node22、Node23)構(gòu)成2#AC450控制器，主要控制精軋機(jī)到卸卷站設(shè)備。HMI工作站采用ABB公司的800XA工作站。AC450控制器與800XA工作站之間通過(guò)ABB公司專用的MB300現(xiàn)場(chǎng)總線通訊。同一個(gè)控制器的三個(gè)CPU之間采用ABB專用的PCC通訊方式實(shí)現(xiàn)CPU之間的數(shù)據(jù)高速通訊。1#、2#AC450不同控制器CPU之間采用ABB專用的HPC通訊方式實(shí)現(xiàn)CPU之間的數(shù)據(jù)高速通訊。AC450RMC的通訊協(xié)議有：MB300、RS232、Advant FieldBus。其中僅RS232是開(kāi)放性協(xié)議，但是由于速度比較慢，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通訊，而MB300和Advant FieldBus的開(kāi)放性比較差。為實(shí)現(xiàn)一貫制管理的智能化，必須對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行改造和升級(jí)。改造方案在不影響原有控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通訊。

圖1 改造前的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 線材數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)改造方案

3.1 改造方案總體設(shè)計(jì)

為解決上述問(wèn)題，從通訊速度、開(kāi)發(fā)難度、數(shù)據(jù)開(kāi)放性等方面考慮，采取TCP/IP協(xié)議方式。ABB公司為AC450控制器開(kāi)發(fā)了CI546通訊模塊，該模塊支持基于以太網(wǎng)的VIP(Vendor Internet Protocol)協(xié)議與外部計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。通過(guò)增加CI546通訊模塊，可以將原控制系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)普通網(wǎng)絡(luò)以VIP TCP/IP協(xié)議格式發(fā)送至iba PDA系統(tǒng)。

在AC450中需設(shè)計(jì)專用的通訊程序，將需要采集的數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中?？紤]到Node13原來(lái)就是整個(gè)軋線的分析CPU，Node23是新增的跟軋線L2通訊的CPU，大量分析數(shù)據(jù)已經(jīng)在兩個(gè)CPU中存在，不需要增加過(guò)多的節(jié)點(diǎn)之間的通訊量，所以選擇Node13、Node23兩個(gè)節(jié)點(diǎn)作為高速通訊節(jié)點(diǎn)。其它節(jié)點(diǎn)的信號(hào)通過(guò)ABB專用的HPC及PCC高速通訊功能集中傳送到這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)中。為了保持程序的結(jié)構(gòu)清晰，新增加一個(gè)PC程序，用于數(shù)據(jù)的高速通訊。由于線材的主要軋制控制功能，如軋制節(jié)奏模型、微張力控制、自動(dòng)活套控制、尾部升速控制、減定徑機(jī)夾送輥吐絲機(jī)的速度同步控制、跟蹤模型等等都由AC450控制器負(fù)責(zé)，導(dǎo)致AC450控制器的負(fù)荷比較高。這次改造涉及的CPU之間的HPC及PCC高速通訊對(duì)CPU的負(fù)荷影響也比較大。因此通訊程序設(shè)計(jì)的基本原則是將采集的數(shù)據(jù)分成兩類。一類是高速數(shù)據(jù)，掃描頻率設(shè)定為100ms；另一類為慢速數(shù)據(jù)，主要為一些軋機(jī)配置數(shù)據(jù)以及不經(jīng)常修改的數(shù)據(jù)，掃描頻率設(shè)定為500ms～10s。

3.2 AC450側(cè)的通訊硬件配置

在1#、2#AC450控制器框架的空槽位上安裝SC510通訊母板。CI546安裝在通訊母板SC510上，通過(guò)RJ45通訊線，接到數(shù)據(jù)采集交換機(jī)上?？刂破骺蚣苌显黾拥腟C510通訊母板及CI546通訊模塊如圖2所示。CI546通訊模塊上有3個(gè)跳線S1,S2,S3，如圖3所示。其中S1用于設(shè)置節(jié)點(diǎn)號(hào)，本項(xiàng)目中Node13、Node23節(jié)點(diǎn)號(hào)分別設(shè)置為50、23。S2、S3不用。增加CI546通訊模塊后需要在系統(tǒng)中進(jìn)行CI546控制板的數(shù)據(jù)庫(kù)配置。

圖2 增加的SC510通訊母板及CI546通訊模塊

圖3 CI546通訊卡

3.3 AC450側(cè)的軟件設(shè)計(jì)

ABB AC450的VIP TCP/IP協(xié)議的通信通道由NetWork、Node、Link、Channel組成。在AC450中實(shí)現(xiàn)通訊需要設(shè)置網(wǎng)絡(luò)、節(jié)點(diǎn)、鏈接、通道來(lái)與數(shù)據(jù)采集站建立通訊，分別通過(guò)AC450專用的PC元素：VIP-NETW、VIP-NODE、VIP-LINK、VIP-CHAN來(lái)實(shí)現(xiàn)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)號(hào)必須唯一，每個(gè)節(jié)點(diǎn)最多能建立五個(gè)鏈接，且其鏈接號(hào)必須唯一。下面簡(jiǎn)單介紹四個(gè)部分的設(shè)定：NetWork直接與網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備CI546相對(duì)應(yīng)，用于完成硬件的初始化設(shè)定；Node完成網(wǎng)絡(luò)中的IP地址設(shè)定；Link用于完成端口、傳輸協(xié)議、客戶端/服務(wù)器等設(shè)定；Channel直接與發(fā)送的數(shù)據(jù)包相對(duì)應(yīng)每個(gè)通訊模塊根據(jù)項(xiàng)目的需求進(jìn)行相應(yīng)的配置。ABB通訊配置樹(shù)形結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 ABB通訊配置樹(shù)形結(jié)構(gòu)圖

在AC450控制器中建立通訊通道后，通過(guò)AC450專用的PC元素VIP-W進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。每個(gè)通道可包含32個(gè)實(shí)型和32個(gè)布爾量(組成一個(gè)長(zhǎng)整型)的變量。對(duì)AC450的PCC、HPC通訊進(jìn)行梳理，增加一部分通訊鏈路，將液壓潤(rùn)滑以及現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵過(guò)程數(shù)據(jù)傳送到Node13、Node23兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。除AC450控制器中的參數(shù)外，同時(shí)通過(guò)修改通訊控制器控制程序以及ACS600、ACS880變頻柜的參數(shù)設(shè)置，也可以將主軋機(jī)電機(jī)繞組溫度等變頻柜內(nèi)的關(guān)鍵參數(shù)采集到AC450系統(tǒng)，最終進(jìn)入PDA系統(tǒng)，進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)需采集數(shù)據(jù)的梳理，一共設(shè)置了32條通道，將過(guò)程數(shù)據(jù)最終傳遞到PDA，便于過(guò)程跟蹤及故障分析。每個(gè)通道的VIP-W PC元素配置如圖5所示。

圖5 VIP-W PC元素配置

3.4 PDA系統(tǒng)配置

PDA數(shù)據(jù)采集服務(wù)器通過(guò)ibaPDA-interface-VIP-TCP接口與AC450通訊，通過(guò)網(wǎng)線連接到AC450數(shù)據(jù)采集交換機(jī)，網(wǎng)絡(luò)配置時(shí)IP地址必須與AC450中的地址保持一致。跟AC450控制器中的32個(gè)通訊通道相對(duì)應(yīng)，在PDA服務(wù)器上定義通訊模塊32組，配置好的PDA通訊模塊信號(hào)組如圖6所示。通過(guò)挖掘后目前采集的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)為2434個(gè)，后續(xù)還可以根據(jù)需要繼續(xù)增加。

圖6 PDA通訊模塊信號(hào)組

由PDA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)文件后綴名為.dat，數(shù)據(jù)文件中集成了不同信號(hào)的數(shù)據(jù)測(cè)量值，每個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)都加蓋時(shí)間戳記。離線分析軟件ibaAnalyzer可以對(duì)已記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放和編輯，是分析數(shù)據(jù)的有力工具。除了離線分析功能外，PDA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還可以通過(guò)ibaPDA-Interface-Generic-TCP接口將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)向外發(fā)送。一個(gè)ibaPDA-Interface-Generic-TCP授權(quán)允許建立64個(gè)通道，每個(gè)通道可以添加最多1000模擬量+1000數(shù)字量共4096byte，最短發(fā)送間隔為50ms。根據(jù)采集需要，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給工序一貫質(zhì)量分析應(yīng)用系統(tǒng)、設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)的邊服務(wù)器，TCP Generic Output配置如圖7所示。

圖7 TCP Generic Output配置

4 結(jié)束語(yǔ)

該項(xiàng)目實(shí)施后，建立了線材數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)，自動(dòng)實(shí)時(shí)采集主軋線的過(guò)程數(shù)據(jù)，并發(fā)送到專用服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)。該系統(tǒng)在線材活套穩(wěn)定性提升、大規(guī)格生產(chǎn)穩(wěn)定性提升、吐絲機(jī)頭部定位優(yōu)化等工藝改進(jìn)中發(fā)揮了重要的作用。通過(guò)持續(xù)的工藝改進(jìn)，線材活套的異常下降了80%，線材大規(guī)格產(chǎn)品的產(chǎn)量增加了80%，盤(pán)卷冷卻異常等質(zhì)量損失下降了50%。同時(shí)通過(guò)PDA采集系統(tǒng)將高頻數(shù)據(jù)上傳到邊服務(wù)器，便于工序一貫質(zhì)量分析應(yīng)用系統(tǒng)和設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)應(yīng)用大數(shù)據(jù)，將進(jìn)一步穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，使生產(chǎn)過(guò)程始終處于受控狀態(tài)，為提高產(chǎn)品的可追溯性、更好地指導(dǎo)生產(chǎn)、故障分析和工藝控制發(fā)揮重要作用。