0 引言
钢铁企业中铁区主要包括原料、炼焦、烧结、高炉等生产环节,是钢铁制造业中长流程制造的典型区域,也是重要的生产环节之一。为了实现从原料进厂到铁水产出然后送至炼钢厂的整个制造过程的物流和信息流的综合管理,以达到铁钢平衡,从而提高原燃料管理和生产管理水平,同时为了给原料采购、产品销售、成本核算、生产指标统计等管理提供基础数据以及为进一步降低原燃料成本提供依据,因此建设铁区制造执行系统(以下简称铁区MES)势在必行。
在建设铁区MES时,我们常会碰到由于铁区各工序建设时问不同和改造周期的差异因而造成各工序自动控制水平不一致,以及由于铁区各工序生产节奏较慢因而对过程控制响应要求不高等情况,所以在铁区并非所有工序都建有L2过程控制系统。在这种背景下建设开发铁区MES时,经常需要直接从L1基础自动化系统获取生产实时数据并进行处理,即要求MES不是向下与L2系统集成,而是与更下一级的Ll系统集成,以实现整个铁区的管理、控制和协调工作。以下以宝钢不锈钢有限公司铁区的应用为例,说明这种情况下的系统解决方案。
1 铁区MES架构
本着先进、实用的原则,MES着重于及时采集原料消耗、主要设备状态、工艺操作参数、经济技术指标和产品质量等实绩信息并作分析统计,以便及时了解掌握各工艺段的生产情况,同时为上层ERP系统提供实际数据。
典型的铁区计算机信息系统一般分为3级:L1基础自动化系统、L2过程控制计算机系统、L3铁区MES。铁区MES主要负责区域生产管理和调度执行,是处于计划层(企业ERP)和现场自动化系统之问的执行层,位于企业ERP系统和各工序过程控制系统之间。典型的铁区MES向上与公司产销ERP系统连接,向下与铁区内各工序L2系统连接,横向与其他工序MES连接,起到承上启下的作用。铁区MES覆盖整个铁区所有工序,公司ERP覆盖全公司所有生产线。典型的MES数据来源高度依赖L2过程控制系统,若没有L2过程控制系统的支撑则很难实现MES中各项应用功能。
宝钢不锈钢有限公司铁区经过大规模的技术改造,在生产过程控制及优化等自动化应用方面已具备良好的基础,其中一部分工序已经完成了L2系统的建设,但由于烧结工序中的2#和3#烧结机建设较早,因此当时没有设L2系统。在铁区MES建设时,为了实现数据在统一平台上的展现,以方便管理者及时掌握所有现场生产情况,采用铁区MES与2#和3#烧结机L1系统直接集成,而其他工序则与L2系统集成,以获取生产实绩的方式,最终实现MES对铁区所有工序的全覆盖。
由于原铁区各工序L1系统品牌众多,基本归为DCS和PLC系统两大类,其通信接口主要有TCP/IP,OPC和串口通信等类型。铁区MES所处网络属于管理网,与L1系统所处的控制网并无物理连接,因此需要针对不同品牌的L1系统,在L1控制网和L3管理网之问增加通信用接口服务器,负责从L1系统PLC和DCS中定周期或非周期性地采集生产工艺实时数据,同时在接口服务器的关系型数据库中按照工艺要求和设定的周期进行保存。此接口服务器采用双网卡方式连接控制网与管理网,从而实现上下级的物理链路连接。宝钢不锈钢铁区MES系统硬件及网络结构如图1所示。
图1 系统硬件及网络结构
2 铁区MES功能
铁区MES功能一般划分为生产计划管理、原燃料计划管理、配料管理、生产实绩管理、物料管理、质量管理、铁水调度管理、铁水罐管理8个主要模块(见图2)。在典型的铁区MES中,生产实绩管理模块与铁区各工序L2系统之间数据交互最多。
图2 铁区MES功能
一般情况下,铁区MES主要依赖于各工序L2系统提供基础数据,尽管铁区各工序工艺不同,但各工序L2系统基本功能定位类同,主要有工艺操作参数设定、跟踪监视、过程数据收集整理、过程控制的数学模型应用、工艺报表生成及与其他外部系统如L1和铁区MES通信等。铁区MES需要L2支撑的功能主要是过程数据的收集和整理,其很大部分取决于L1系统的完善水平。
由于宝钢不锈钢铁区2#和3#烧结机没有设L2系统,因此要求铁区MES实现L2所承担的部分功能。
(1)功能扩展。铁区MES在功能上要增加原定位在L2上的功能,如要新增工艺过程报表、基础数据收集及整理等功能。结合烧结L2,主要扩展功能为:1)跟踪监视。实时跟踪整个烧结工艺的关键数据,对原料配比的变更,料层、点火强度及水分的调整等设定数据进行跟踪;动态更新和记录过程状态和趋势,当前趋势显示预定短时问范围内测量值的变化,历史趋势显示长时问范围内测量值的变化,使得操作人员通过趋势变化能够判断烧结机工作状态,以便及时调整工艺参数。2)烧透点计算。根据风箱温度,做出二次平滑曲线,从而计算料层烧透点。3)生产设备管理。统计破碎、筛分、冷却等设备的运转事件及累计生产量,记录烧结机的停机时间及停机原因。
(2)对外通信。所有与外部系统的通信功能均在MES服务器上实现,包括与2#和3#烧结PLC/DCS进行商接通信以及与外围系统(地磅、检化验)进行通信,且所有通信要求稳定可靠,这是系统实现的技术难点。
(3)数据保存和备份。为安全起见,2#和3#烧结PLC/DCS上传铁区MES的所有数据都要求进行保存并定期备份。
(4)操作方面。原需在L2作业的客户现在由系统授权在铁区MES的客户端上作业,现场操作人员通过运行MES客户端上的人机界面进行参数设定及报表的查看和打印,如烧结原料配比在MES客户端上设定并下发至L1系统执行。
除了以上几个方面以外,MES不参与铁区的生产控制。由于铁区MES需要L2支撑的功能主要是过程数据的收集和整理,因此下面重点介绍硬件和网络设计以及数据采集和处理。
3 系统实现
3.1 硬件及网络设计
系统采用PC接口服务器和Redhat Linux操作系统。为防止上传数据丢失,采用磁盘阵列和关系型数据库(或实时数据库)对上传铁区MES的数据进行存储和备份。
接口服务器向下与L1系统中的PLC和DCS通信并采集相应数据,一般可通过标准通信协议如TCP/IP和OPC与PLC和DCS的上位机进行通信,或使用常用工业串行协议如Modbus和Profibus等与PLC和DCS的通信模块直接通信。采集到实时数据后,按工艺需求对数据进行检核处理,并按要求保存在关系型数据库中。接口服务器向上与铁区MES进行数据通信,可采用主动和被动两种通信方式,主动方式即由接口服务器按铁区MES数据要求组织数据后以电文方式或FTP方式发送至铁区MES主机,被动方式则由铁区MES主机以DBLink方式从接口服务器获取所需数据,本系统采用电文通信方式。
值得注意的是,由于接口服务器与L1系统直接建立通信连接,所以通信系统的稳定性尤其重要,这也是实现基于L1系统的铁区MES的基础。受L1系统设备投入较早、L1系统设备品牌差异等因素影响,并非所有L1系统设备都能提供常用的标准通信接口,许多接口采用L1电气公司专用的通信技术,因此要开发专用的数据通信接口技术难度较大,需要相应L1电气公司提供相关技术资料或技术支持。而如果购买使用L1电气公司的专用通信软件,一般需要对L1系统进行软件或硬件的升级改造,这样风险大而且费用高。因此,如果u 系统没有提供标准的通信接口,也无法通过软、硬件的升级改造来实现标准接口通信,就需要对Ll系统的通信功能做充分评估。评估的目的是确认L1系统是否可通过第3方软件或非常用通信接口方式实现数据通信,同时确保数据通信的稳定。所以若L1系统无标准通信接口也无其他相应通信技术支持,则无法采用接口服务器方式解决,该L1系统就不能接入MES。
鉴于铁区MES与部分工序L1直接通信,L3管珲网与L1控制网在物理上已经实现连通,为了保证网络安全,特意对网络架构进行分析改进,从而确保系统安全。主要安全措施如下:(1)接口服各器采可用双网卡结构,一块网卡与L1控制网连接,另一块网卡通过交换机与铁区MES服务器所在L3网络连接;(2)在接口服务器与铁区MES服务器之间直接加装防火墙,起到 管理网与L1控制网隔离的作用;(3)接口服务器建议采用非Windows系统。
3.2 数据采集及处理
在硬件层面实现与Ll基础控制系统直接通信后,还必须确定需要采集的数据以及对采集到的数据进行相应处理,以替代L2中的部分功能,从而满足铁区MES生产实绩模块应用的要求。
3.2.1 数据采集
虽然各工序工艺差异而使数据采集的内容略有不同,但主要内容是相同的,包括各工序料仓(槽位)设定信息、料仓(槽位)料位信息、原料消耗实绩、工艺操作参数、经济技术指标参数、原料投入产品产出计量(工艺秤)和设备状态信息等。2#和3#烧结L1系统主要收集的数据包括:
(1)燃料及熔剂破碎系统数据。主要收集焦粉仓料位、熔剂仓料位、燃料皮带称重和熔剂皮带称重等数据。
(2)配料系统数据。该部分收集混匀矿、熔剂(白云石和石灰石)、生石灰、燃料(焦煤粉)、冷返矿等料仓料位和配比数据。
(3)烧结机系统数据。主要收集铺底料矿槽、点火炉、台车、风箱、烟道、空气、煤气和助燃风机等设备的温度、压力和流量等工艺实时过程参数。
3.2.2 数据处理及确认
从L1采集来的数据都是实时数据,必须对相应数据按小时、班、日的频率进行整理和处理。目的是掌握原料料仓的料位、收集每料仓的排料量、统计每种原燃料的使用量和监控烧结生产过程参数。同时对较敏感的统计用数据还必须进行画面确认,以确保各类数据的准确性。需要确认的数据包括:(I)原燃料消耗数据,包括作业日期、生产班次、单元号、原料品名、消耗湿量、消耗干量等原燃料消耗信息。(2)烧结矿产量数据,包括作业日期、生产班次、单元号、烧结产量。(3)烧结停机数据,包括作业日期、生产班次、单元号、停机开始时间、停机结束时问、停机时问、停机原因、完成标记等停机信息。(4)操业实绩,包括机速、料层厚度、点火温度、终点温度、总管温度、总管负压、铺底料量等工艺操作参数。(5)能源消耗实绩,包括水消耗、蒸汽消耗、电消耗、煤气消耗等能源介质消耗。
4 结束语
宝钢不锈钢有限公司铁区MES采用与部分工序L1基础自动化系统直接通信,以获取生产实时数据的方式,实现铁区MES对部分工序不设过程控制系统I2的情况下对整个系统的集成。系统自2006年投入后运行正常,减轻了在铁区MES生产实绩模块中人工输入数据的缺陷,其提供的数据完全能满足铁区生产管理的需要。这种方案增加了部分企业特别是中小企业在铁区或部分工序没有设L2系统情况下建设铁区MES的可能性。
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本文标题:基于L1基础自动化系统的铁区MES的实现