在线数据分析提高钢铁生产数字化水平

发布时间：2009-07-13 作者：王文志

　　1  引言
　　伴随着中国钢铁产业迅猛发展，数字化技术的应用正对现代钢铁产业产生着巨大的影响和渗透力。钢铁产业的数字化水平，不仅是改变传统钢铁产业的锐利武器，也是衡量钢铁生产现代化水平的重要标志。而作为数字化技术的一个重要组成因素，数据的应用就显得尤为重要[1][2]。所以如何采集数据，如何分析数据，如何整合数据正是实施这项技术的关键所在。
　　本文主要介绍了唐山钢铁股份有限公司(以下简称唐钢)超薄带钢生产线数据采集/分析系统的系统配置和主要功能的实现。
　　唐钢超薄带钢生产线于2003年6月正式投产。此薄板生产线是一条集世界上最先进的薄板生产技术和实力于一体的连铸连轧生产线，生产的成品从0.8毫米厚到12.7毫米厚，包含60个钢种，25种厚度和10种宽度，规格比较多，分类比较细，对产品的质量要求比较高。因此在开发新品种以及对产品进行优化时，使用的手段就是通过在线数据采集分析系统对保存的大量数据进行反复分析，模拟，从而为数学模型参数的制定提供了科学依据，大大缩短了研制和开发周期，同时在线数据采集分析系统将生产过程中大量生产技术数据和工程数据通过转储得以整合，建立了从钢水、材坯、板带到成品卷整个生产区域的信息的数据库，为实现厂级数据信息管理和更高层次数据信息管理提供了基础。
　　2  系统简介
　　从功能上讲，在线生产数据采集/分析系统主要完成采集轧机二级alpha服务器数据，通过数据通讯，传递到pc分析机和pc服务器上。运行pc客户端的数据分析软件，来完成数据的分析；通过bea公司提供的message-q软件包编制通讯接口程序，接收轧机二级系统传送的数据写入数据库，来完成与上级管理计算机的数据整合。
　　2.1 系统配置
　　网络系统拓扑图如图1所示。系统硬件组成参见表1。系统的软件组成参见表2。在线生产数据采集/分析系统的通讯接口主要包括轧线二级计算机系统与数据分析机之间的通讯接口与轧线二级计算机系统与数据服务器(oracle)之间的通讯接口。

　　图1  网络系统拓扑图

　　2.2 轧线二级计算机系统与数据分析机之间的通讯接口
　　(1) 鉴于轧机二级计算机数学模型分析的需要，须从轧机二级系统采集大量的数据。这些数据包括轧件在不同区域的实际结果数据，同时还包括轧件本身的属性数据以及分类数据和控制数据。这些数据在由alpha系统向数据分析pc传递时需占用大量的系统资源。为了解决这一矛盾，在alpha机侧根据数据的流向极其发生的时序，将不同的数据分类以文件的形式保存在alpha磁盘上。这里值得一提的是，由于轧件的实际结果数据数据量非常大，在实际操作中根据实际数据的来源情况，以二进制文件的形式存储在磁盘指定的目录下。其文件的扩展名为*.bin，文件名则以轧件属性之一板坯号进行标识。而对于轧件本身的属性数据以及分类数据和控制数据，则以文本文件的形式存贮在alpha机制定的目录下。其文件的扩展名为*.csv，文件名以文件的创建时间进行标识。在数据分析机pc侧，通过文件传输协议(ftp)服务读取alpha指定磁盘空间的文件(二进制文件和文本文件)，写入数据分析机本身磁盘的指定目录下保存。而在数据分析机的不同客户端上，以文件共享的方式，通过execl vba脚本编制宏读取文件，以图表的方式显示数据来完成对在线数据的分析。
　　(2) 数据分析机系统与轧机二级系统是通过文件传输协议(ftp)进行通讯的，具体层次结构及相互关系表示如图2所示。

　　图2  ftp通讯系统层次结构关系图

　　它们的通讯格式是：         
　　协议：上端使用文件传输协议(ftp)
　　下端使用tcp/ip；
　　物理环境：100mbps以太网 ； 
　　访问方式:  pc机以用户名/密码的方式访问alpha主机；
　　文件格式： 文件以二进制文件或文本文件的格式存放在指定磁盘目录内；
　　应用程序类型:以进程服务的形式存于各自的操作系统中；
　　(3) 二进制文件传输规则：根据指定的文件目录对文件进行传输，由源地到目的地文件类型不变；如果文件传输成功，则对文件源进行删除操作；如果传送失败，则对源文件进行保存，直至传输成功；
　　(4) 文本文件传输规则：由于文本文件容量较小，所以在文件传输过程中，不必考虑对源文件进行删除操作，以避免造成网络间频繁的操作。
　　数据功能流如图3所示。

　　图3  数据流图

　　2.3 轧线二级计算机系统与数据服务器(oracle)之间的通讯接口
　　(1) 由于轧线二级参与过程控制的数据巨大，同时还要从轧线的一级(plc)系统采集大量的实际数据(其中包括产品结果数据，数学模型的设定数据及反馈数据以及产品的趋势数据
　　)，数据量之大是可想而知的，同时考虑到与上级计算机数据管理接口的方便，所以采用oracle数据库作为数据的载体。
　　(2) 数据库服务器与轧机二级服务器之间的通讯经由一个bea messageq中间件软件包，从而完成数据由open-vms操作系统向windows操作系统数据的传递。具体层次结构及相互关系表示如图4所示。

　　图4  message q通讯系统层次结构关系图

　　它们的通讯格式是[3]：         
　　协议：上端使用bea messageq version 4.0a(也称为bmq)；下端使用tcp/ip
　　物理环境是： 100mbps　以太网  
　　文件长度：最大是4096b
　　文件代码：ascii码和二进制数。
　　(3) 通讯传送规则：在客户端与服务器端通讯存在attach和exit两种模式，前者代表满足传输信息条件，后者代表不满足传输信息条件。传输模式在系统启动时，首先以exit开始，然后通过系统在线转换成attach，基本的bmq调用顺序参见
　　图5 bmq工作原理图。

　　图5  bmq工作原理图

　　注：pams-att，pams-put，pa -ms-exit，pams-get为bea message -q
　　软件包的基本功能函数。具体的传送信息报文格式如表3所示，信息报文总长度最长为4096 byte，数据类型为ascii码。

　　(4) 数据功能流图如图 6所示。

　　图6  数据功能

　　3  软件实现
　　在线生产数据采集/分析系统具体的软件实现是为了解决open-vms操作系统与windows系统环境下实时的通讯。为了实现高效而可靠的数据通讯，根据通讯接口方式的不同，采用了不同的软件实现方法。
　　3.1 通讯接口
　　轧线二级计算机系统与数据分析机之间的通讯接口如图7所示。

　　图7  软件架构

　　注：根据用户名和密码以一定的周期通过ftp服务。自动读取alpha服务器指定磁盘目录下的文件，保存至pc分析机指定的磁盘目录下。
　　(1) 程序模块结构。程序模块结构可分为 alpha 系统和pc分析系统两部分。具体参见表四、表五。

　　(2)操作界面参见图8图9所示。

　　图8  操作主界面

　　图9  模型参数具体图表显示界面

　　注：图8：pc分析系统操作的主界面，可根据时间选定某一板坯的信息，图9：某一板坯具体参数的图表显示。
　　(3) 轧线二级计算机系统与数据服务器(oracle)之间的通讯接口：软件架构参见图10所示。

　　图10  软件架构

　　3.2 程序模块结构
　　程序模块结构可分为alpha系统和oracle数据库系统两部分。具体参见表6、表7。

　　注：以上各模块进程均以进程形式存在，根据各个进程的触发时序将信息数据传送至message-q的队列中，以备数据库系统相关进程接收。
　　通过在线数据采集分析系统将生产过程中大量生产技术数据和工程数据通过oracle数据库转储得以整合，在此基础上为实现厂级数据信息共享和更高层次数据信息管理提供了基础。
　　4  结束语
　　唐钢(1810)超薄带钢生产线在线数据采集分析系统自2003年6月投入运行以来，效果显著。通过该系统，工艺人员可分析信息数据库数据，提出改进产品质量措施，有效减少和避免产品质量问题。同时通过参考和借鉴数据库信息，分析工程数据，不断开发新的品种，大大缩短了产品的开发周期。目前唐钢已成功开发出ss330、ss400、ss400c、sphd、q345a、q345b、t510l、spa-h等市场紧俏的产品，有效提高了唐钢热轧薄板在国内、国外市场上的影响力。
　　此外值得一提的是，通过此超薄带钢生产线在线数据采集分析系统提供的数据接口，唐钢先后自主研发了生产控制级调度系统、钢卷库管理系统以及产品计量管理系统。通过数据转储、整合建立从连铸钢坯到轧钢板带以及成品卷整个生产区域的信息数据库，从而为更高层次数据信息管理提供了基础。
　　作者简介
　　王文志(1970-) 男  工程师  项目经理  轧钢系统数学模型研发与系统集成工程方向。
　　参考文献
　　[1]于勇.薄板坯连铸连轧新技术应用
　　[2]陈延年.发挥流程优势力求效益最佳.世界金属导报,2003
　　[3]日本三菱电机1810连铸连轧系统二级系统软件规格书,2002