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)倉庫；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)開始從信息化向數(shù)字化轉(zhuǎn)型。數(shù)字化是鋼企實現(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)造新的機會。數(shù)字鋼卷是帶鋼的物料數(shù)字化模型，是鋼廠進行全流程一體化質(zhì)量管控的基礎(chǔ)，可以隨著實物鋼卷進行數(shù)字交付幫助下游鋼材用戶跨行業(yè)對鋼材品質(zhì)進行掌控。本文描述一種在數(shù)個大型鋼廠單工序數(shù)字鋼卷實施基礎(chǔ)上進一步打造的適用于熱軋、冷軋至后處理工序的數(shù)字鋼卷實現(xiàn)方法，對其原理、實現(xiàn)方法與產(chǎn)品形態(tài)進行了描述和解釋。

1 概念與原理

數(shù)字鋼卷是一個與鋼卷實物伴生產(chǎn)出的物料數(shù)字化模型，實現(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)過程的質(zhì)量、成本、能源等工藝數(shù)據(jù)進行整合和歸集，并以鋼卷為載體進行建模，將模型實例化形成鋼卷的物料數(shù)字化。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是企業(yè)級的疊加物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)，構(gòu)建精準、實時、高效地包括數(shù)據(jù)采集、存儲、管理等功能的工業(yè)平臺。平臺采集和存儲各單元生產(chǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，數(shù)字鋼卷從平臺讀取相關(guān)數(shù)據(jù)進行跟蹤、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（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)，如鋼卷號規(guī)格等基本信息、原料成分信息、離線檢測等；（2）在生產(chǎn)過程中實時產(chǎn)生的實時時序數(shù)據(jù)，如工藝過程數(shù)據(jù)、設(shè)備運行數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)、能耗計量、在線檢測數(shù)據(jù)等；（3）跨機組、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)后進行跟蹤，按單個鋼卷從數(shù)據(jù)倉庫提取數(shù)據(jù)，將時序數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成按帶鋼長度方向?qū)R的數(shù)據(jù)并匹配到鋼卷每一段長度上，實現(xiàn)鋼卷數(shù)據(jù)時序、物料長度多維度的整合，并以鋼卷號為主鍵進行建模，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)字鋼卷實現(xiàn)方法

數(shù)字鋼卷按照針對機組差異化配置的數(shù)據(jù)項從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺讀取數(shù)據(jù)，通過建立跟蹤進行數(shù)據(jù)整理與物料建模，以關(guān)系數(shù)據(jù)庫和文件兩種格式進行數(shù)據(jù)存儲，建立基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺標準的數(shù)據(jù)接口，并構(gòu)建基于B/S架構(gòu)的可視化平臺進行鋼卷管理和數(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)平臺組成。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺硬件包含數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、數(shù)據(jù)倉庫和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，由全廠智能制造統(tǒng)一實施。系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖1所示，最終實現(xiàn)數(shù)字鋼卷服務(wù)器與PLC、數(shù)據(jù)倉庫、煉鋼連鑄數(shù)據(jù)倉庫的通信。

不同類型數(shù)據(jù)獲取主要有3種方式：（1）當前生產(chǎn)的鋼卷號等靜態(tài)信息，通過數(shù)采服務(wù)器從產(chǎn)線生產(chǎn)控制系統(tǒng)實時獲取；（2）機組實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過數(shù)采服務(wù)器實時從PLC采集數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)按時間先后保存在數(shù)據(jù)倉庫，數(shù)字鋼卷系統(tǒng)需要時通過時間劃片方式從數(shù)據(jù)倉庫讀取數(shù)據(jù)，其中跟蹤所需要的速度、焊縫檢測等數(shù)據(jù)實時發(fā)送到數(shù)據(jù)鋼卷服務(wù)器；（3）煉鋼連鑄的跨廠級數(shù)據(jù)通過全廠網(wǎng)絡(luò)從煉鋼連鑄的數(shù)據(jù)平臺讀取。

2.2 數(shù)據(jù)配置方法

數(shù)字鋼卷的數(shù)據(jù)項采用文件的方式進行編輯和管理。整理數(shù)字鋼卷所需要的工藝數(shù)據(jù)項，統(tǒng)計每個數(shù)據(jù)項在機組的位置參數(shù)。將數(shù)據(jù)項的變量名稱、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、數(shù)據(jù)點位置距離跟蹤區(qū)域起點的距離，按照表格方式填寫到CSV文件中，生成獨立的配置文件，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組時，配置文件需要根據(jù)機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實時讀取的帶鋼速度、焊接信號、焊縫檢測信號或熱檢信號，建立一套簡單的跟蹤。在機組從入口到卷取之間確立幾個關(guān)鍵設(shè)備位置作為跟蹤分區(qū)點：熱軋機組；粗軋入口高溫計、R1軋機、R2軋機、飛剪、精軋F7軋機、層冷輥道中間位；冷軋連續(xù)生產(chǎn)機組；焊機、各焊縫檢測儀，連退鍍鋅機組熱處理區(qū)前后張力輥；冷軋單卷生產(chǎn)機組。全線作為一個跟蹤分區(qū)，以穿帶信號作為跟蹤起點。

帶頭帶尾到達某個跟蹤分區(qū)點，啟動該分區(qū)的跟蹤計算。以固定采樣周期讀取帶鋼速度，計算單個周期內(nèi)帶鋼移動距離，并累加得出帶頭帶尾過該跟蹤分區(qū)點長度。當帶頭跟蹤位置L不小于跟蹤分區(qū)的總長度時，標志著帶頭已進入下一段，L保持不變，當下一個鋼卷帶頭位置到來時，將帶頭位置信息L清零，重新進行下一個鋼卷的計算，計算公式見式（1）。有活套位置的跟蹤區(qū)域，計算跟蹤位置時需減去實時套量對應(yīng)的帶鋼長度。帶尾跟蹤計算方式同帶頭。

（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。

劃片時間計算：跟蹤帶頭Ls和帶尾位置Le，在數(shù)據(jù)配置文件中對應(yīng)跟蹤區(qū)域的不同數(shù)據(jù)檢測點距離跟蹤分區(qū)點的距離L1，L2，…進行比較，當Ls＞L1…的上升沿時間時，即帶頭經(jīng)過該數(shù)據(jù)點的時間Ts，當Le＞L1…的上升沿時間時，即帶尾經(jīng)過該數(shù)據(jù)點的時間Te。每個數(shù)據(jù)點檢測到帶頭帶尾的時間Ts和Te即為該數(shù)據(jù)點的劃片時間。記錄劃片時間和當前的鋼卷號，生成鋼卷的所有數(shù)據(jù)檢測點的劃片時間Ts和Te的關(guān)系表，保存到關(guān)系數(shù)據(jù)庫。

2.4 物料長度對齊

采用時間劃片方式進行數(shù)據(jù)提取：將生產(chǎn)期間按自然時間維度產(chǎn)生的時序生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過時間劃片的方式將帶鋼經(jīng)過單個數(shù)據(jù)點時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)提取出來，根據(jù)物料跟蹤計算的鋼卷對應(yīng)數(shù)據(jù)點的起始時間Ts和結(jié)束時間Te，從數(shù)據(jù)倉庫中按時間劃片的方式提取Ts和Te之間的所有數(shù)據(jù)，將所有Ts點作為起點，所有Te的數(shù)據(jù)作為終點，組成新的數(shù)據(jù)集。圖2所示為數(shù)據(jù)提取的過程。

將數(shù)據(jù)集從時間坐標變換成長度坐標：根據(jù)每個周期的帶鋼速度和周期，按照式（2）將橫坐標從時間變換為帶鋼的長度，將工藝過程數(shù)據(jù)對時間的曲線轉(zhuǎn)換擬合成工藝過程數(shù)據(jù)對長度的曲線。

（2）

式中：S為帶鋼在第n個采樣周期的長度位置，mm；vi為第n次采樣周期的當前段帶鋼線速度，mm/s；T為速度采樣周期，s。

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

2.5 跨機組數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

軋鋼廠內(nèi)下游機組生成數(shù)字鋼卷時，自動將上游機組數(shù)字鋼卷的關(guān)鍵數(shù)據(jù)例如厚度、板形、終軋溫度，去掉頭尾剪切長度內(nèi)數(shù)據(jù)后按長度百分比關(guān)聯(lián)到下游機組的數(shù)據(jù)鋼卷。同時，數(shù)字鋼卷長度數(shù)據(jù)中部分重要質(zhì)量數(shù)據(jù)按相對較低頻率抽取保存到關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，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)倉庫讀取成分、檢驗信息等重要信息，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。

2.6 數(shù)字鋼卷存儲與管理

靜態(tài)特征數(shù)據(jù)、劃片時間與按10個點采樣一個的長度對齊數(shù)據(jù)集一起建模生成輕量級的數(shù)字鋼卷，保存在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，按照智慧制造平臺統(tǒng)一標準對外提供標準接口，供其他應(yīng)用進行質(zhì)量管控和數(shù)字交付以及模型優(yōu)化等功能使用。長度對齊的高頻數(shù)字鋼卷數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成離線分析工具支持的DAT文件格式存儲在服務(wù)器，主要用于人工進行離線的數(shù)據(jù)分析、過程診斷、質(zhì)量追溯等。建立基于B/S架構(gòu)的可視化管理平臺，可以對數(shù)字鋼卷進行管理，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)用實例

圖4所示為某鋼企數(shù)字鋼卷系統(tǒng)可視化管理平臺的鋼卷數(shù)據(jù)預覽頁面，左邊是鋼卷列表，可以查詢或選擇需要預覽的鋼卷號，右邊展示選中數(shù)字鋼卷的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的主要質(zhì)量曲線?？梢暬撁婵芍苯犹D(zhuǎn)到離線分析工具打開對應(yīng)數(shù)字鋼卷的DAT文件進行離線分析，提供多種標準基于數(shù)學的、統(tǒng)計學的分析。

圖5所示為一個鋼卷進行離線分析的曲線，圖中坐標數(shù)據(jù)依次為平直度、凸度、各機架軋制力、各機架輥縫的曲線，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)實現(xiàn)了按長度統(tǒng)計每段帶鋼的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并具備豐富的分析功能。

4 結(jié)語

帶鋼生產(chǎn)作為工業(yè)制造領(lǐng)域生產(chǎn)流程最長、最復雜的產(chǎn)品之一，工序匹配復雜，跨生產(chǎn)機組數(shù)據(jù)傳遞不暢，數(shù)字鋼卷方便地解決了這些缺點，為一體化質(zhì)量管控系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)，為鋼卷進行生產(chǎn)全流程數(shù)據(jù)分析、質(zhì)量追溯、過程診斷、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。

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

本文摘自《冶金自動化》2022年第S1期