宋水根，楊凌志

(新余鋼鐵集團(tuán)有限公司，江西 新余 338000)

電弧爐短煉鋼工藝以其能耗低、冶煉時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，已成為世界上兩大主要煉鋼工藝之一〔1〕。鋼鐵短流程工藝是鋼鐵行業(yè)在面臨鐵礦石價(jià)格高環(huán)保壓力和節(jié)能減排壓力的最優(yōu)途徑〔2〕。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，實(shí)時(shí)采集鋼鐵廠煉鋼過程冶煉數(shù)據(jù)已經(jīng)成為一項(xiàng)主要工作，目前鋼鐵企業(yè)需通過采集到的冶煉數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對冶煉工藝進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，因此，如何快速、準(zhǔn)確、高效地收集冶煉過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變得尤為重要〔3〕。

現(xiàn)代化鋼鐵廠信息化一般分為PCS(過程控制系統(tǒng))、MES(生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng))、ERP(企業(yè)資源管理系統(tǒng))三層架構(gòu)〔4〕。一些研究人員對電弧爐煉鋼廠數(shù)據(jù)采集做了大量的研究。李倩倩，等〔5〕以首鋼京唐鋼鐵廠高爐數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為背景，提出了基于OPC技術(shù)的數(shù)據(jù)采集方案。宋明〔6〕利用DBLink與Kepware相結(jié)合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、存儲、顯示，實(shí)現(xiàn)了雙渣模式下品種鋼的自助煉鋼，并在河鋼集團(tuán)宣鋼公司取得了良好效果。毛蘇杭，等〔7〕人提出工業(yè)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)采集，為企業(yè)資源管理系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)提供統(tǒng)一的依據(jù)。王映紅〔7〕利用數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)進(jìn)行工業(yè)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，并存儲在PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中。白瑞國，等〔9〕人在河鋼承鋼借助質(zhì)量過程自動控制信息系統(tǒng)，將現(xiàn)有信息化和工業(yè)化成果相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)鋼鐵產(chǎn)品生產(chǎn)的管控。

文章以新余鋼鐵廠50噸電弧爐煉鋼流程為研究背景，以實(shí)際生產(chǎn)情況為基礎(chǔ)，針對現(xiàn)場PLC運(yùn)行狀況，開發(fā)基于KepSever的新鋼50噸電弧爐煉鋼過程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)包括：通過KepServerEX采集現(xiàn)場PLC工藝數(shù)據(jù)，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示在Kepware界面；采用SQL數(shù)據(jù)庫與Visual Studio 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)保存與通訊程序開發(fā)；構(gòu)建一個(gè)基于KepSever的電弧爐煉鋼過程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 基于KepSever的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1.1 現(xiàn)場工藝數(shù)據(jù)

新余鋼鐵廠現(xiàn)有50噸電弧爐一臺，50噸精煉爐兩臺，VD爐一臺。新鋼50噸電弧爐煉鋼流程包括：“電弧爐”-“精煉爐”-“VD爐”-“連鑄”。由于采集的現(xiàn)場PLC點(diǎn)位數(shù)據(jù)量較大，需要根據(jù)現(xiàn)場工位分類。采集現(xiàn)場分為電弧爐過程信息、精煉爐過程信息、連鑄過程信息、余熱鍋爐過程信息、除塵電機(jī)過程信息。

(1)電弧爐過程信息

電弧爐過程數(shù)據(jù)主要包括電爐爐號、爐次時(shí)間信息、料倉加料信息、電能信息、氧氣流量信息、鋼水溫度信息、氧氣流量信息、氧氣壓力信息、碳粉消耗信息、氮?dú)庀男畔⒌取?/p>

(2)精煉爐過程信息

精煉爐過程數(shù)據(jù)主要包括精煉爐爐號、冶煉測溫時(shí)間信息、鋼水溫度信息、電能信息、合金下料信息、氬氣消耗信息。

(3)連鑄過程信息

連鑄過程數(shù)據(jù)主要包括連鑄一流冷卻水信息、二流冷卻水信息、三流冷卻水信息、一流拉速信息、二流拉速信息、三流拉速信息、連鑄結(jié)晶器信息、連鑄溫度信息、大包重量信息。

(4)余熱鍋爐過程信息

余熱鍋爐過程數(shù)據(jù)主要包括余熱鍋爐水位信息、蓄熱器信息、余熱鍋爐出入口溫度信息、余熱鍋爐除氧器信息。

(5)除塵電機(jī)過程信息

除塵電機(jī)過程數(shù)據(jù)主要包括除塵電機(jī)頻率信息、除塵電機(jī)轉(zhuǎn)速信息、除塵電機(jī)電流信息、二次除塵器信息。

由于現(xiàn)場PLC型號較多，數(shù)據(jù)點(diǎn)位采集繁雜，為了確保數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性與便利性，降低數(shù)據(jù)采集的難度，本文選擇KepSeverEX軟件作為第三方OPC Server來構(gòu)建數(shù)據(jù)采集平臺。第三方OPC服務(wù)器主要應(yīng)用于下機(jī)位PLC與上機(jī)位之間通訊，OPC(OLE for Process Control, 用于過程控制的OLE)是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，基于微軟的OLE(現(xiàn)在的ActiveX)、COM(部件對象模型)和DCOM(分布式部件對象模型)技術(shù)。OPC包括一整套接口、屬性和方法的標(biāo)準(zhǔn)集，用于過程控制和制造業(yè)自動化系統(tǒng)。該軟件具有“一個(gè)接口，多個(gè)協(xié)議”的特點(diǎn)，即可以通過一個(gè)OPC Server接口對多個(gè)不同的設(shè)備進(jìn)行讀寫。工業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采用Microsoft SQL Server 2012進(jìn)行存儲，以其數(shù)據(jù)處理速度快、應(yīng)用范圍廣、后臺開發(fā)方便等優(yōu)點(diǎn)得到了用戶的廣泛認(rèn)可。

在硬件方面，選擇性能良好的Dell-poweredge-t440作為服務(wù)器，配備Win server-2016操作系統(tǒng)，處理器選擇Intel?Xeon?Sliver 4210R CPU @ 2.40 GHz，運(yùn)行內(nèi)存為64 GB。該服務(wù)器應(yīng)用于實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的收集、數(shù)據(jù)庫保存和模型操作，是模型的核心組件之一。生產(chǎn)現(xiàn)場的S7-300PLC均采用CP343以太網(wǎng)通訊模塊，配置固定IP地址為172.16.46.202的服務(wù)器，設(shè)置電弧爐網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算機(jī)的網(wǎng)段為140.80.0.11～140.80.0.30、設(shè)置精煉爐網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算機(jī)的網(wǎng)段為140.80.0.12～140.80.0.13、設(shè)置連鑄網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算機(jī)的網(wǎng)段為140.80.0.1～140.80.0.90網(wǎng)段、設(shè)置余熱鍋爐網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算機(jī)的網(wǎng)段為140.80.0.50、設(shè)置除塵風(fēng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算機(jī)的網(wǎng)段為140.80.0.52～140.80.0.55。具體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋼鐵廠的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2 KepSever軟件基本設(shè)置

將所有PLC點(diǎn)位按照IP地址進(jìn)行分類，現(xiàn)場點(diǎn)位共分為15個(gè)大類，分別為連鑄一流、連鑄二流、連鑄三流、連鑄冷卻水、連鑄大包重量、一次除塵、二次除塵、電爐合金加料、電爐爐體、電爐爐壁、電爐電能、余熱鍋爐、精煉爐、鐵水廢鋼重量以及VD爐鋼水溫度。具體Kepware界面如圖2所示。

圖2 Kepware數(shù)據(jù)采集界面顯示

2 基于過程數(shù)據(jù)采集的通訊方式

2.1 開發(fā)工具

系統(tǒng)開發(fā)工具選用Microsoft Visual Studio 2013(簡稱VS2013)，該系列產(chǎn)品是微軟公司提供集成C、C++和C#等多種語言的開發(fā)環(huán)境，VS2013作為一個(gè)完整的開發(fā)工具集，它涵蓋了軟件在整個(gè)生命周期運(yùn)行過程中需要的大部分工具，其中包括集成開發(fā)環(huán)境(IDE)。這個(gè)環(huán)境在軟件開發(fā)人員中非常流行，因?yàn)樗転樵S多日常開發(fā)或維護(hù)任務(wù)提供更加便捷地支持。VS2013是在VS2012的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)建而成，增加了眾多新功能，主要包括內(nèi)存診斷、發(fā)布管理、代碼評論等新功能，基于.NET4.5.1運(yùn)行。能夠有效幫助開發(fā)人員使用改進(jìn)后的可視化設(shè)計(jì)工具、編程語言和代碼編輯器，享受高效率的開發(fā)環(huán)境。

C#作為一種安全、可靠，開發(fā)效率高的編程語言，在C和C++的基礎(chǔ)上，摒棄了原有的復(fù)雜性，成為一種新生的面向?qū)ο缶幊陶Z言，依托運(yùn)行于.NET網(wǎng)絡(luò)框架的高級程序設(shè)計(jì)語言。C#綜合了其他語言的可視化操作和高效的運(yùn)行效率。使開發(fā)人員能夠快速開發(fā)、簡單易學(xué)，充分展示了該語言面向?qū)ο笸ㄓ眯院玫葍?yōu)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)選用Microsoft SQL Server 2012(簡稱SQL2012)數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫具有可擴(kuò)展性好、集成度高、可視化好等優(yōu)點(diǎn)。在當(dāng)前數(shù)據(jù)信息急劇增長的時(shí)代，Microsoft SQL Server為用戶提供了一個(gè)良好的數(shù)據(jù)存儲和管理解決方案，方便用戶檢索、新增、修改、分析、整合等操作。安全性能作為數(shù)據(jù)庫一直以來立志于改善加強(qiáng)的領(lǐng)域，在這方面SQL2012相比于其他數(shù)據(jù)庫擁有更好的可信任性、高效性、智能性，在加密功能和身份驗(yàn)證方面有很大地提升，能有效確保用戶操作安全性。

2.2 通訊模型建立與通訊界面

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展，使得現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的處理和管理變得更加容易。為了滿足冶煉各工位對不同實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的需求，對采集到現(xiàn)場PLC的冶煉數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，便于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化和參考。

由于采集到的數(shù)據(jù)量大，根據(jù)各工位特點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)數(shù)據(jù)庫表格，主要包括電爐實(shí)際、精煉爐實(shí)際、連鑄實(shí)際、余熱鍋爐實(shí)際、除塵風(fēng)機(jī)實(shí)際，構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫如圖3所示。

圖3 過程數(shù)據(jù)庫建立

通過各工位過程參數(shù)表，進(jìn)一步建立了服務(wù)器SQL數(shù)據(jù)庫表格(如圖4)：電弧爐原料參數(shù)表、電弧爐冶煉表、精煉爐加料表、精煉爐冶煉表、連鑄澆次主表、連鑄澆次附表。

(1)電弧爐原料參數(shù)表

電弧爐原料參數(shù)表通過電弧爐參數(shù)表讀取電爐爐號、鐵水參數(shù)、廢鋼參數(shù)、成分參數(shù)。便于統(tǒng)計(jì)每爐次加入的原料用量及成分，為之后電弧爐煉鋼智能化提供依據(jù)。

(2)電弧爐冶煉表

電弧爐冶煉表存儲每爐次電弧爐冶煉實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，具體包括電爐爐號、記錄時(shí)間、碳粉消耗、供電時(shí)間、各階段氧氣流量、氧槍壓力、氣體消耗等信息，能實(shí)時(shí)反映電弧爐當(dāng)前冶煉狀態(tài)。

(3)精煉爐加料表

精煉爐加料表存儲每爐次精料爐實(shí)際下料合金名稱、下料合金重量、下料時(shí)間等信息。

(4)精煉爐冶煉表

精煉爐冶煉表存儲精煉爐冶煉實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，具體包括精煉爐爐號、冶煉時(shí)間、班組、精煉爐鋼水溫度、精煉爐合金消耗等信息。

(5)連鑄澆次主表

連鑄澆次主表存儲連鑄該澆次實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，具體包括澆次號、目標(biāo)拉速、液相線、中包號等。

(6)連鑄澆次附表

連鑄澆次附表存儲連鑄該澆次爐次信息，具體包括連鑄爐號、澆次號、到達(dá)重量、拉下重量等。

利用Visual Studio 2013開發(fā)“新鋼50噸電弧爐煉鋼過程數(shù)據(jù)通訊程序”，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前熔煉爐消耗信息，如工藝冶煉基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、金屬料消耗、電能消耗、氣體消耗等數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)監(jiān)測連鑄操作平臺各冷卻水及結(jié)晶器參數(shù)等，界面如圖5所示。

圖5 通訊模塊界面

該界面可以實(shí)時(shí)動態(tài)顯示各PLC的運(yùn)行信息，其中包括：供氧信息、供電信息、鋼水信息、連鑄信息、余熱鍋爐信息、除塵信息等。管理人員可以通過該界面實(shí)時(shí)監(jiān)控各工位PLC運(yùn)行狀況，根據(jù)數(shù)據(jù)信息及時(shí)對冶煉操作進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，使電弧爐冶煉順行。

3 結(jié)論

采集現(xiàn)場PLC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對電弧爐冶煉有著極其重要的意義，為后續(xù)電弧爐煉鋼成本控制模型開發(fā)提供依據(jù)。文章使用KepServerEX作為OPC服務(wù)器，采集了新鋼50噸電弧爐煉鋼過程的材料消耗數(shù)據(jù)，將其分類為電弧爐模塊、連鑄模塊、余熱鍋爐模塊、VD爐模塊等，利用Visual Studio 2013開發(fā)基于采集過程數(shù)據(jù)的通訊程序并存入Microsoft SQL Server 2012數(shù)據(jù)庫，建立過程數(shù)據(jù)庫。該模型能實(shí)時(shí)顯示各PLC運(yùn)行參數(shù)，指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)。同時(shí)該模型的開發(fā)方便設(shè)備人員維護(hù)，為設(shè)備人員判斷設(shè)備運(yùn)行狀況提供理論依據(jù)。

在未來，基于KepSever的電弧爐煉鋼過程數(shù)據(jù)采集模型，將為開發(fā)綠色電弧爐煉鋼流程數(shù)字化生產(chǎn)指導(dǎo)平臺，瞄準(zhǔn)電爐煉鋼高效、低耗、節(jié)能、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)的目標(biāo)，在線對電弧爐煉鋼各個(gè)工序進(jìn)行工藝優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)成分預(yù)報(bào)、合金優(yōu)化配料等提供數(shù)據(jù)支撐依據(jù)。