0 引言
随着铝材应用范围越来越广,市场对热轧铝 带的质量要求日趋严格,而国内铝热轧机自动化 水平低造成的铝热轧生产不稳定,使得生产效率 与产品质量成为制约铝材生产企业发展的瓶颈。 据调查,截止到2006 年,国内单机架双卷取 铝热轧机共有13台,其中大部分是由洛阳有色金 属加工设计研究院设计制造[ 1 ] 。目前此机型轧机 不具有完善的过程数据管理系统,不能为模型设 定等过程控制系统提供有效的过程数据,也不能 为工艺人员和维护人员提供高效的数据支撑。针 对此现状,苏州有色金属研究院有限公司研发了 针对单机架双卷取机型的热轧数据管理系统,该 系统已成功应用于一家铝加工企业,并已向其他 有色加工企业推广。作者以某铝厂2 400mm单机 架双卷取铝热轧机为例,介绍热轧数据管理系统 的功能及特点。
1 系统背景
数据管理系统是中铝科技发展基金项目——— 单机架双卷取热轧工艺控制模型及其系统开发的一部分。该项目由苏州有色金属研究院有限公司 于2006年开始实施,前期主要进行工艺控制模型 的开发,数据管理系统从2008年1月开始设计实 现。该项目以某铝加工企业2 400mm单机架双卷 取热轧机为系统实施对象,该热轧机控制系统由 西门子公司的Simatic S72400, Simatic S72300系列 PLC ,各种传感器以及一些采集卡组成,同时检测 主机、开卷机、卷取机以及操作台等现场数据,将 轧制压力、张力、速度等模拟量或数字量信号以及 运行、停止等开关量信号,分别通过电缆和现场总 线送入PLC。该厂单机架双卷取热轧机没有配套 的数据采集存储系统和过程控制系统,现场生产 以工艺人员编制的轧制规程为主,生产过程中操 作人员可人工修改轧制规程和控制参数,产品质 量不稳定。2008 年3 月对该轧机进行了技术改 造,采用了由苏州有色金属研究院设计的铝热轧 数据管理系统。
2 系统结构
一般热轧二级过程控制系统从功能上讲主要 包括模型和非模型两部分,其中模型部分功能主 要是指各种工艺控制模型的设定计算、自学习和 轧制规程的自动计算,是过程控制系统的核心功 能;非模型部分包括初始数据的获取、物料跟踪、 时序控制、实时数据的采集和处理、人机界面 (HM I)以及与其他系统(L1 /L3)的通信。[ 2 ] 数据管理系统主要完成非模型部分的功能, 它与工艺控制模型结合起来就初步建立了单机架 双卷取热轧机过程控制系统。因此根据过程控制 系统中非模型部分的功能要求设计数据管理系 统。
数据管理系统的网络结构主要分为两层:数 据采集层和数据管理层。数据采集层的主要功能 是将现场信号通过放大、隔离、滤波处理后,转换 成数字信号,向过程控制系统传递。数据管理层 的主要功能是完成轧制过程中实时数据和工艺数 据的归档、监控、备份等工作,还要进行数据处理 以及设定参数、规程和自学习参数的在线归档与 调用。
数据采集层硬件主要利用现场已有的PLC, 传感器以及采集卡等设备, PLC模块主要包括控 制模块, I/O模块和以太网通信模块[ 3 ] 。数据管理 层由一台IBM服务器和一台PC客户机组成,数据 管理系统软件选用西门子公司的过程监控软件 W inCC,利用其集成的SQL Server 2000数据库[ 4 ] , 实现过程监控和数据管理功能, 编程软件采用 Step 7和VC,服务器采用Windows 2000 Server操 作系统。
3 系统功能
根据热轧过程控制系统对非模型部分的功能 要求以及现场的实际要求,可将数据管理系统功 能分为两个部分:数据流管理以及数据的归档、分 析和查询。数据流管理包括数据采集、数据处理、 轧线跟踪、设定参数和规程计算模型调用,数据流 管理旨在为过程控制系统提供一个完整流畅的数 据流通环境。数据的归档包括现场过程数据的人 工归档和自动归档、报警的归档、设定参数的归 档、计算规程的归档以及自学习系数的归档;数据 的分析主要是根据归档的生产数据分析带材的成 品率、厚差分布、生产效率等参数;数据的查询主 要有两种形式:报表和历史曲线,用户可根据需要 选择某种形式。
311 数据流管理
数据流管理的目的在于实现过程控制系统的 数据流通。数据流向主要有两个方向:一级自动 化系统的生产过程数据通过数据管理系统到达模 型设定模块;模型设定模块通过模型计算得到的 规程和设定值经过数据管理系统到达一级自动化 系统(如图1所示) 。数据流管理包括以下功能: 数据采集、数据处理、轧线跟踪、设定参数和规程 计算模型调用。
(1)数据采集。W inCC与现场控制PLC (厚度 调节PLC和传动控制PLC)建立以太网通信联系, 实现生产过程数据到数据管理系统的采集。
(2)数据处理。过程生产数据主要作为规程 在线自学习的参数,根据规程在线自学习的要求, 在每块坯料轧制结束后,把每道次稳定轧制状态 下的参数如轧制力、轧制速度、轧制力矩、带材温 度等作为自学习的输入参数。一般轧制过程包括咬入、升速、稳定轧制、降速和抛出,因为轧制过程 可能出现异常状况,因此直接采集的数据不能用 做自学习的输入参数。本数据管理系统采用的方 式为:轧制开始后, 以250 ms为周期连续采集参 数,利用统计的方法将采集到的多组数据进行分 析,剔除带头、带尾、升降速阶段以及异常数据,找 到最能代表该道次稳定轧制的一组数据,将该条 数据存储到参数表中,然后,以同样方式处理其他 道次数据。当这个坯料的所有加工道次结束后, 从参数表中取出稳态轧制数据作为轧制规程在线 自学习的输入参数。
(3)轧线跟踪。对轧件进行跟踪是该数据管 理系统的重要功能之一,也是实现过程控制系统 模型设定必须具有的功能。跟踪的目的是确定轧 件在生产线上的工艺位置和相关状况,以便在规 定的时序启动相关设定程序,如发出板坯出炉信 号触发轧制规程的预设定。根据过程控制系统的 设定要求,在一级自动化系统中定义信号量,根据 不同信号量的变化状态确定板坯的工艺位置。
(4)设定参数和规程计算模型调用。反映板 坯工艺位置的信号量发生变化时, 会实时传到 WinCC中定义的对应变量, OPC Client随时监控 WinCC中变量的状况,一旦信号量的状态表明需 要调用模型设定模块时,OPC Client就会调用模型 设定模块进行计算。计算结束后,OPC Client将计 算结果传给WinCC, WinCC 将设定参数如轧制 力,并由轧制规程下传给一级控制PLC。[ 5 ]
312 数据归档、分析和查询
31211 数据归档
该数据管理系统利用SQL Server 2000作为数 据归档的数据库,实现数据归档功能[ 6 ] 。针对系 统功能设计中提出的数据归档、分析和查询功能, 规划出数据库所要存储的几类变量,如图2所示。
数据归档到数据库主要有两种方式:自动归 档和人工归档。自动归档是利用WinCC过程值归 档,对所需归档的变量进行组态,不需要单独操作 数据库建立存储表就可以实现。人工归档是指人 工建立数据存储表实现的数据归档功能。过程实 测数据采用自动方式归档,原因是: ( 1)可以节约 存储空间。自动归档可按某种算法压缩数据,比较适用于长时间大量数据的归档。( 2)可以使用 现有的显示控件,通过简单的变量连接,显示控件 就可以读取压缩过的自动归档变量,同时该控件 具有很多功能,方便用户以不同方式查看生产过 程数据。
有些数据只需存储一次或不定期更新,有些 数据要进行处理后才能被应用,这种类型数据就 比较适合人工归档。系统中除过程实测数据采用 自动归档外,其他归档均采用人工归档的方式实 现。自动归档数据中包括报警信息和生产过程参 数(如电动机电流、电压、功率、轧制力、轧制速度 等)的报警信息。
(1)自动归档
轧制过程中传感器测量的数据首先到达 PLC,然后通过以太网传至上位机,上位机选择性 地保存过程监控所需数据,在WinCC的变量记录 下设置归档变量和参数。对于每道次轧制过程不 变的量如入口厚度、出口厚度等原始参数,可以设 置相对较长(2s)的归档周期或采用根据变量变化 的归档方式(即只有在归档变量发生变化时才归 档) ;对于轧制过程中随时变化的量如轧制力、轧 制速度、主机电流、主机功率等设置比较短的归档 周期(500 ms) ,这样区别对待不同特性的数据可 以有效减少计算机内存和磁盘空间的占有量。自 动归档的数据可以作为趋势显示的数据源,在趋 势显示的人机界面中,用户可以通过时间来查询 数据。在一个界面中可以同时显示几个变量的过 程值,这样使用户直观了解生产过程数据的变化 情况,对异常状况作出快速判断,减少故障停机时 间,提高生产效率。
报警消息的采集和归档可利用W inCC的报警 记录编辑器来实现,使用WinCC Alarm Control显 示报警信息。
