秦大偉，王軍生，張巖，劉寶權(quán)，陳百紅，孫瑞琪

（1.鞍鋼集團(tuán)北京研究院有限公司，北京 102211；2.鞍鋼集團(tuán)信息產(chǎn)業(yè)有限公司，遼寧 鞍山 114051）

隨著新一輪工業(yè)革命的到來，傳統(tǒng)制造業(yè)的發(fā)展方式將出現(xiàn)顛覆性、革命性的轉(zhuǎn)變［1］。當(dāng)前，數(shù)字化浪潮愈發(fā)澎湃，新一輪產(chǎn)業(yè)變革正在加速推動(dòng)實(shí)體經(jīng)濟(jì)與數(shù)字經(jīng)濟(jì)深度融合。數(shù)字化是工業(yè)生產(chǎn)從自動(dòng)化到智能化的必由之路，是實(shí)現(xiàn)智能制造的前提保障，也是企業(yè)發(fā)展的必然要求［2-3］。鋼鐵行業(yè)是典型的流程工業(yè)，生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性決定了鋼鐵工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能制造必將是一項(xiàng)長期而復(fù)雜的系統(tǒng)工程［4］。同時(shí)，鋼鐵工業(yè)還存在生產(chǎn)工藝軟件化水平低，系統(tǒng)平臺開放性差、軟件推廣復(fù)用成本高等一系列問題，制約了鋼鐵工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型推進(jìn)［5］。采用基于信息模型和統(tǒng)一接口的標(biāo)準(zhǔn)化、可復(fù)用的數(shù)字化開發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)的敏捷高效開發(fā)和靈活部署，已成為鋼鐵工業(yè)智能制造的一項(xiàng)重要研究內(nèi)容。

1 自動(dòng)化系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

自動(dòng)化系統(tǒng)位于整個(gè)智能制造體系的底層，工業(yè)現(xiàn)場的機(jī)器動(dòng)作、狀態(tài)監(jiān)測、操作與顯示等信號都直接與自動(dòng)化系統(tǒng)相連，是工廠數(shù)據(jù)的源頭。自動(dòng)化系統(tǒng)又是信息化系統(tǒng)與工業(yè)現(xiàn)場之間的橋梁，執(zhí)行信息化系統(tǒng)的指令，并負(fù)責(zé)向信息化系統(tǒng)反饋工廠狀態(tài)。因此，自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字化升級是企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能制造的基礎(chǔ)保障。

與互聯(lián)網(wǎng)平臺相比，自動(dòng)化系統(tǒng)開放性較差，軟件與硬件之間高度耦合，不同平臺之間的軟硬件互不兼容，通信接口和現(xiàn)場總線協(xié)議多樣，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間難以集成互聯(lián)，數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化程度低，難以進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。自動(dòng)化系統(tǒng)自身特點(diǎn)導(dǎo)致其網(wǎng)絡(luò)接入和互聯(lián)互通困難。同時(shí)，工藝控制程序是制約數(shù)字化升級的另一個(gè)瓶頸問題。工藝控制程序是工業(yè)技術(shù)的數(shù)字化產(chǎn)物，是生產(chǎn)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)應(yīng)用［6］。生產(chǎn)企業(yè)的工業(yè)控制程序通常由設(shè)備供應(yīng)商提供，生產(chǎn)企業(yè)作為自動(dòng)化系統(tǒng)的終端用戶，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和程序開發(fā)過程參與度較低，無法掌握數(shù)字化升級所需的全部資源和核心技術(shù)，因此難以在現(xiàn)有系統(tǒng)架構(gòu)下進(jìn)行改造升級，阻礙了生產(chǎn)企業(yè)數(shù)字化進(jìn)程。

鞍鋼集團(tuán)作為國內(nèi)第二大鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)線眾多且新老產(chǎn)線并存，特別是有些產(chǎn)線的自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)超齡服役，目前已停止系統(tǒng)軟硬件供應(yīng)服務(wù)，系統(tǒng)升級改造已成為亟待解決的問題。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，用戶沒有系統(tǒng)設(shè)計(jì)的源文件，大范圍的軟硬件升級極其不便。在工藝控制程序方面，程序中存在大量的功能加密，用戶無法了解其實(shí)現(xiàn)方法，數(shù)據(jù)接口不完備，用戶無法獲得所需的全部數(shù)據(jù)，系統(tǒng)升級改造面臨極大的困難。

2 數(shù)字化開發(fā)目標(biāo)

隨著智能制造和工廠數(shù)字化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，傳統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)開發(fā)方法已不能滿足當(dāng)前的發(fā)展要求。鑒于生產(chǎn)企業(yè)自身是行業(yè)專家，最貼近工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，生產(chǎn)企業(yè)自主研發(fā)和深度介入工業(yè)控制系統(tǒng)研發(fā)將是推進(jìn)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要途徑。以鞍鋼1780 mm冷連軋機(jī)工藝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，該產(chǎn)線自動(dòng)化系統(tǒng)開發(fā)與升級改造主要包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)和程序開發(fā)兩項(xiàng)內(nèi)容，采用數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和程序開發(fā)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與程序開發(fā)無縫銜接和高效復(fù)用，滿足自動(dòng)化系統(tǒng)開放性、靈活性和標(biāo)準(zhǔn)化要求。采用面向?qū)ο蠛突诮M件的模型化設(shè)計(jì)理念，構(gòu)建鋼鐵工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的模塊庫和組件庫，適應(yīng)數(shù)字化升級和智能制造的發(fā)展要求，形成企業(yè)自主知識產(chǎn)權(quán)和智力資產(chǎn)。

3 數(shù)字化設(shè)計(jì)

數(shù)字化系統(tǒng)開發(fā)平臺由西門子Simadyn D升級為西門子TDC，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)由原來的Profibus DP升級為Profinet，集中式I/O模塊升級為分布式I/O，分布式I/O信號模塊由ET200 B升級為ET200 MP。電氣選型軟件采用西門子TIA Selection Tool，電氣設(shè)計(jì)軟件采用Eplan Electric 2022，編程軟件采用Step7 v5.6+D7 sys 9.0。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)一體化

在鞍鋼冷軋1780 mm生產(chǎn)線自動(dòng)化系統(tǒng)初期設(shè)計(jì)階段，按照系統(tǒng)要求和設(shè)備功能，將自動(dòng)化系統(tǒng)劃分為多個(gè)子系統(tǒng)，包括生產(chǎn)線協(xié)調(diào)與速度控制、帶鋼跟蹤控制、機(jī)架液壓伺服控制、厚度與張力控制、板形控制，子系統(tǒng)之間通過標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接口交互，實(shí)現(xiàn)多用戶同步開發(fā)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)與軟件開發(fā)一體化實(shí)例如圖1所示，按照系統(tǒng)升級改造要求，根據(jù)I/O信號、模塊類型，在TIA Selection Tool軟件中進(jìn)行設(shè)備選型和硬件配置。配置完成后，在軟件中生成訂貨清單，鏈接到官網(wǎng)下載所選型部件的宏文件，同時(shí)在軟件中導(dǎo)出.cfg格式的Step7硬件組態(tài)文件。在Step7編程軟件中，導(dǎo)入.cfg格式的硬件組態(tài)文件，然后在項(xiàng)目中導(dǎo)出.xml格式的CAX文件。在EPLAN Electric軟件中，將部件宏文件導(dǎo)入到部件庫中，然后導(dǎo)入CAX文件，即可自動(dòng)生成PLC系統(tǒng)原理圖，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備選型、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)的無縫連接。在TIA Selection Tool、EPLAN和西門子TIA Portal開發(fā)平臺組合的一體化設(shè)計(jì)中，統(tǒng)一使用.aml格式的CAX文件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作更加便捷高效。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與軟件開發(fā)一體化實(shí)例Fig.1 Examples of Integrating System Design and Software Development

與傳統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)方法相比，數(shù)字化設(shè)計(jì)采用基于模型的設(shè)計(jì)概念，設(shè)備選型、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)之間通過標(biāo)準(zhǔn)化文件格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)與軟件開發(fā)一體化、標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化。采用數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，只需要進(jìn)行正確的設(shè)備選型和硬件配置即可自動(dòng)完成PLC系統(tǒng)原理圖繪制和PLC編程硬件組態(tài)，提升了系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率和標(biāo)準(zhǔn)化水平，數(shù)字化賦能效果顯著。

3.2 模塊化機(jī)器

柔性制造是智能制造的重要內(nèi)容之一，也是制造業(yè)未來發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力［7］。為應(yīng)對市場越來越多的小批量、定制化的服務(wù)需求，生產(chǎn)企業(yè)必須具備快速響應(yīng)的柔性制造能力。在經(jīng)濟(jì)全球化背景下，我國鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)模式正由“大規(guī)模生產(chǎn)”逐漸向“大規(guī)模定制”轉(zhuǎn)變，鋼鐵工業(yè)柔性制造將成為推動(dòng)企業(yè)發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級的重要力量［8］。在鋼鐵工業(yè)這種流程行業(yè)實(shí)現(xiàn)柔性制造，給生產(chǎn)裝備特別是自動(dòng)化系統(tǒng)帶來了巨大挑戰(zhàn)?！澳K化機(jī)器”概念就是在柔性制造的背景下提出的，也是采用基于模型的設(shè)計(jì)理念，用戶可根據(jù)需求以極其簡單的方式進(jìn)行功能重構(gòu)和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多能。“模塊化機(jī)器”理念在鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用場景。例如，單機(jī)架可逆軋機(jī)兼容平整模式，平整機(jī)兼容重卷模式，冷連軋機(jī)兼容熱軋酸洗模式等。

在鞍鋼冷軋1780 mm生產(chǎn)線自動(dòng)化系統(tǒng)升級改造中，應(yīng)用“模塊化機(jī)器”理念，應(yīng)用從站級組態(tài)控制技術(shù)，進(jìn)行軋機(jī)“甩機(jī)架”功能開發(fā)。自動(dòng)化系統(tǒng)組態(tài)控制技術(shù)是 “模塊化機(jī)器”的一項(xiàng)具體應(yīng)用，采用最大化硬件組態(tài)和程序控制的方法，實(shí)現(xiàn)設(shè)備功能的在線靈活切換和集中管理。以西門子TIA Portal開發(fā)平臺為例，主要包括三種實(shí)現(xiàn)方式，如圖2所示。

圖2 組態(tài)控制技術(shù)實(shí)例Fig.2 Examples of Configuration Control Technology

（1）模塊級組態(tài)控制

模塊級組態(tài)控制的對象是I/O模塊，可以是項(xiàng)目中集中式I/O或分布式I/O從站中的模塊。模塊級組態(tài)控制是基于單個(gè)TIA Portal項(xiàng)目中的最大硬件組態(tài)配置，通過PLC程序設(shè)定和用戶選擇模塊是否投入，形成多種模塊組態(tài)配置。

（2）從站級組態(tài)控制

從站級組態(tài)控制的對象是I/O系統(tǒng)中的從站，也是基于單個(gè)TIA Portal項(xiàng)目中的最大硬件組態(tài)配置。從站級組態(tài)控制可在一個(gè)I/O系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)靈活的從站間互連，通過PLC程序設(shè)定和用戶選擇從站是否投入，形成多種從站組態(tài)配置。

（3）多用途I/O系統(tǒng)

多用途I/O系統(tǒng)指單個(gè)I/O系統(tǒng)可用于多臺機(jī)器。TIA Portal項(xiàng)目中創(chuàng)建的PROFINET I/O系統(tǒng)可用于多個(gè)不同機(jī)器，從站IP地址和設(shè)備名稱由I/O控制器設(shè)定，而不是在TIA Portal項(xiàng)目中指定。用戶可以預(yù)先設(shè)定多種組態(tài)配置，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的機(jī)器進(jìn)行選擇組態(tài)配置。

4 程序開發(fā)數(shù)字化

PLC程序的數(shù)字化開發(fā)方法，能夠在機(jī)理分析、數(shù)學(xué)建模、仿真測試、程序開發(fā)和工程應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié)建立緊密聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)理論研究與工程應(yīng)用的一體化和標(biāo)準(zhǔn)化，加快科研成果轉(zhuǎn)化效率，縮短系統(tǒng)開發(fā)周期。

4.1 開源平臺和通用開發(fā)語言

隨著工廠數(shù)字化發(fā)展，傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)的封閉性和專用性嚴(yán)重阻礙了工業(yè)OT與IT高效融合，為此傳統(tǒng)流程行業(yè)越來越關(guān)注系統(tǒng)可擴(kuò)展性、互操作性，開始嘗試開放自動(dòng)化技術(shù)。建立IEC61131-3國際標(biāo)準(zhǔn)和PLCopen國際組織，其宗旨是推動(dòng)PLC軟硬件系統(tǒng)的開放性和標(biāo)準(zhǔn)化。過去30年，開源軟件以開放、共享、協(xié)同的新型生產(chǎn)方式，成為全球信息技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大推動(dòng)力［9］。選擇開放性、通用性好的開源平臺有利于資源共享、效率提升和新技術(shù)的推廣。目前，應(yīng)用廣泛的開源 PLC開發(fā)平臺主要有 Codesys、OpenPLC、Beremiz、ProviewR等。標(biāo)準(zhǔn)化開源PLC平臺，符合IEC61131-3編程語言標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還支持C語言編程，為自動(dòng)化系統(tǒng)提供低成本的解決方案，為用戶提供了更多的擴(kuò)展性［10-12］。開放流程自動(dòng)化（Open Process Automation，OPA）是近年來由用戶發(fā)起的、顛覆性的創(chuàng)新活動(dòng)，運(yùn)用最新的分布式云計(jì)算技術(shù)和虛擬化技術(shù)，重新定義已經(jīng)日趨陳舊、20多年沒有變動(dòng)的自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)，重新定義DCS和PLC，以及與優(yōu)化運(yùn)營密切相關(guān)的先進(jìn)控制和制造執(zhí)行系統(tǒng)［13］。容器化是一種全新的虛擬化技術(shù)，更加符合工業(yè)自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)要求，在開發(fā)工業(yè)自動(dòng)化軟件中優(yōu)勢明顯［14］。

在工業(yè)自動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)中，程序代碼的交叉移植性一直是用戶希望解決的事情，但到目前為止，還是沒有很好的解決方案［15］。在智能制造和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中面向?qū)ο蟮木幊陶Z言更能滿足用戶編程的需求。ST語言是IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)中唯一的一個(gè)高級語言，目前主流PLC開發(fā)平臺都支持ST語言編程，同時(shí)越來越多的平臺開始支持C語言編程，ST和C語言已成為工控程序開發(fā)的通用語言。

4.2 PLC程序開發(fā)一體化

MATLAB SIMULINK是符合自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)字化研發(fā)理念的研發(fā)平臺，借助其強(qiáng)大的模塊化、圖形化編程工具，能夠很方便的設(shè)計(jì)控制算法。利用MATLAB SIMULINK的自動(dòng)代碼生成工具Simulink Coder可以將控制算法快速轉(zhuǎn)化為PLC程序和C語言代碼，極大提升了自動(dòng)化系統(tǒng)開發(fā)效率。軟件從2010a版開始，提供了從MATLAB SIMULINK模型到PLC代碼和C代碼的自動(dòng)生成工具Simulink PLC Coder。目前支持的PLC開發(fā)平臺有 TIA Portal、CoDeSys，RSLogix5000，B&R Automation Studio，PLCOpen XML， Beckhoff TwinCat以及Generic。

在鞍鋼冷軋1780 mm生產(chǎn)線自動(dòng)化系統(tǒng)開發(fā)中，進(jìn)行了一體化的程序開發(fā)試驗(yàn)，采用MATLAB SIMULINK試用版軟件，開發(fā)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多變量回歸預(yù)測算法程序。首先在MATLAB中輸入樣本數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)處理，在SIMULINK軟件中調(diào)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)回歸工具箱，選擇神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并利用樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，借助SIMULINK軟件提供的代碼生成工具將訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型轉(zhuǎn)化為ST代碼程序，如圖3所示。與常規(guī)的PLC編程方法相比，一體化開發(fā)方法自動(dòng)生成PLC代碼，只需要少量的人工編程，大幅提升了工作效率，特別是在大型控制系統(tǒng)和復(fù)雜控制算法的開發(fā)中，優(yōu)勢更加明顯。

圖3 代碼生成測試Fig.3 Code Generation Testing

5 結(jié)語

在鞍鋼冷軋1780 mm產(chǎn)線自動(dòng)化系統(tǒng)開發(fā)過程中，進(jìn)行了數(shù)字化開發(fā)方法的應(yīng)用實(shí)踐，結(jié)果表明，此方法能夠大幅提升工作效率，增強(qiáng)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和靈活性，賦能效果顯著。

（1）采用數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與軟件開發(fā)的無縫銜接，提升了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化水平和工作效率。

（2）采用數(shù)字化程序開發(fā)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)仿真、測試到程序開發(fā)的一體化，提升了程序開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化水平和工作效率。

（3）選擇開放性、通用性良好的開源PLC平臺和通用語言開發(fā)工控程序，能夠增強(qiáng)程序的通用性和可移植性，降低軟件復(fù)用成本。