隨著鋁材應用范圍越來越廣,市場對熱軋鋁 帶的質量要求日趨嚴格,而國內鋁熱軋機自動化 水平低造成的鋁熱軋生產不穩(wěn)定,使得生產效率 與產品質量成為制約鋁材生產企業(yè)發(fā)展的瓶頸。 據調查,截止到2006 年,國內單機架雙卷取 鋁熱軋機共有13臺,其中大部分是由洛陽有色金 屬加工設計研究院設計制造[ 1 ] 。目前此機型軋機 不具有完善的過程數據管理系統,不能為模型設 定等過程控制系統提供有效的過程數據,也不能 為工藝人員和維護人員提供高效的數據支撐。針 對此現狀,蘇州有色金屬研究院有限公司研發(fā)了 針對單機架雙卷取機型的熱軋數據管理系統,該 系統已成功應用于一家鋁加工企業(yè),并已向其他 有色加工企業(yè)推廣。作者以某鋁廠2 400mm單機 架雙卷取鋁熱軋機為例,介紹熱軋數據管理系統 的功能及特點。
1 系統背景
數據管理系統是中鋁科技發(fā)展基金項目——— 單機架雙卷取熱軋工藝控制模型及其系統開發(fā)的一部分。該項目由蘇州有色金屬研究院有限公司 于2006年開始實施,前期主要進行工藝控制模型 的開發(fā),數據管理系統從2008年1月開始設計實 現。該項目以某鋁加工企業(yè)2 400mm單機架雙卷 取熱軋機為系統實施對象,該熱軋機控制系統由 西門子公司的Simatic S72400, Simatic S72300系列 PLC ,各種傳感器以及一些采集卡組成,同時檢測 主機、開卷機、卷取機以及操作臺等現場數據,將 軋制壓力、張力、速度等模擬量或數字量信號以及 運行、停止等開關量信號,分別通過電纜和現場總 線送入PLC。該廠單機架雙卷取熱軋機沒有配套 的數據采集存儲系統和過程控制系統,現場生產 以工藝人員編制的軋制規(guī)程為主,生產過程中操 作人員可人工修改軋制規(guī)程和控制參數,產品質 量不穩(wěn)定。2008 年3 月對該軋機進行了技術改 造,采用了由蘇州有色金屬研究院設計的鋁熱軋 數據管理系統。
2 系統結構
一般熱軋二級過程控制系統從功能上講主要 包括模型和非模型兩部分,其中模型部分功能主 要是指各種工藝控制模型的設定計算、自學習和 軋制規(guī)程的自動計算,是過程控制系統的核心功 能;非模型部分包括初始數據的獲取、物料跟蹤、 時序控制、實時數據的采集和處理、人機界面 (HM I)以及與其他系統(L1 /L3)的通信。[ 2 ] 數據管理系統主要完成非模型部分的功能, 它與工藝控制模型結合起來就初步建立了單機架 雙卷取熱軋機過程控制系統。因此根據過程控制 系統中非模型部分的功能要求設計數據管理系 統。
數據管理系統的網絡結構主要分為兩層:數 據采集層和數據管理層。數據采集層的主要功能 是將現場信號通過放大、隔離、濾波處理后,轉換 成數字信號,向過程控制系統傳遞。數據管理層 的主要功能是完成軋制過程中實時數據和工藝數 據的歸檔、監(jiān)控、備份等工作,還要進行數據處理 以及設定參數、規(guī)程和自學習參數的在線歸檔與 調用。
數據采集層硬件主要利用現場已有的PLC, 傳感器以及采集卡等設備, PLC模塊主要包括控 制模塊, I/O模塊和以太網通信模塊[ 3 ] 。數據管理 層由一臺IBM服務器和一臺PC客戶機組成,數據 管理系統軟件選用西門子公司的過程監(jiān)控軟件 W inCC,利用其集成的SQL Server 2000數據庫[ 4 ] , 實現過程監(jiān)控和數據管理功能, 編程軟件采用 Step 7和VC,服務器采用Windows 2000 Server操 作系統。
3 系統功能
根據熱軋過程控制系統對非模型部分的功能 要求以及現場的實際要求,可將數據管理系統功 能分為兩個部分:數據流管理以及數據的歸檔、分 析和查詢。數據流管理包括數據采集、數據處理、 軋線跟蹤、設定參數和規(guī)程計算模型調用,數據流 管理旨在為過程控制系統提供一個完整流暢的數 據流通環(huán)境。數據的歸檔包括現場過程數據的人 工歸檔和自動歸檔、報警的歸檔、設定參數的歸 檔、計算規(guī)程的歸檔以及自學習系數的歸檔;數據 的分析主要是根據歸檔的生產數據分析帶材的成 品率、厚差分布、生產效率等參數;數據的查詢主 要有兩種形式:報表和歷史曲線,用戶可根據需要 選擇某種形式。
311 數據流管理
數據流管理的目的在于實現過程控制系統的 數據流通。數據流向主要有兩個方向:一級自動 化系統的生產過程數據通過數據管理系統到達模 型設定模塊;模型設定模塊通過模型計算得到的 規(guī)程和設定值經過數據管理系統到達一級自動化 系統(如圖1所示) 。數據流管理包括以下功能: 數據采集、數據處理、軋線跟蹤、設定參數和規(guī)程 計算模型調用。
(1)數據采集。W inCC與現場控制PLC (厚度 調節(jié)PLC和傳動控制PLC)建立以太網通信聯系, 實現生產過程數據到數據管理系統的采集。
(2)數據處理。過程生產數據主要作為規(guī)程 在線自學習的參數,根據規(guī)程在線自學習的要求, 在每塊坯料軋制結束后,把每道次穩(wěn)定軋制狀態(tài) 下的參數如軋制力、軋制速度、軋制力矩、帶材溫 度等作為自學習的輸入參數。一般軋制過程包括咬入、升速、穩(wěn)定軋制、降速和拋出,因為軋制過程 可能出現異常狀況,因此直接采集的數據不能用 做自學習的輸入參數。本數據管理系統采用的方 式為:軋制開始后, 以250 ms為周期連續(xù)采集參 數,利用統計的方法將采集到的多組數據進行分 析,剔除帶頭、帶尾、升降速階段以及異常數據,找 到最能代表該道次穩(wěn)定軋制的一組數據,將該條 數據存儲到參數表中,然后,以同樣方式處理其他 道次數據。當這個坯料的所有加工道次結束后, 從參數表中取出穩(wěn)態(tài)軋制數據作為軋制規(guī)程在線 自學習的輸入參數。
(3)軋線跟蹤。對軋件進行跟蹤是該數據管 理系統的重要功能之一,也是實現過程控制系統 模型設定必須具有的功能。跟蹤的目的是確定軋 件在生產線上的工藝位置和相關狀況,以便在規(guī) 定的時序啟動相關設定程序,如發(fā)出板坯出爐信 號觸發(fā)軋制規(guī)程的預設定。根據過程控制系統的 設定要求,在一級自動化系統中定義信號量,根據 不同信號量的變化狀態(tài)確定板坯的工藝位置。
(4)設定參數和規(guī)程計算模型調用。反映板 坯工藝位置的信號量發(fā)生變化時, 會實時傳到 WinCC中定義的對應變量, OPC Client隨時監(jiān)控 WinCC中變量的狀況,一旦信號量的狀態(tài)表明需 要調用模型設定模塊時,OPC Client就會調用模型 設定模塊進行計算。計算結束后,OPC Client將計 算結果傳給WinCC, WinCC 將設定參數如軋制 力,并由軋制規(guī)程下傳給一級控制PLC。[ 5 ]
312 數據歸檔、分析和查詢
31211 數據歸檔
該數據管理系統利用SQL Server 2000作為數 據歸檔的數據庫,實現數據歸檔功能[ 6 ] 。針對系 統功能設計中提出的數據歸檔、分析和查詢功能, 規(guī)劃出數據庫所要存儲的幾類變量,如圖2所示。
有些數據只需存儲一次或不定期更新,有些 數據要進行處理后才能被應用,這種類型數據就 比較適合人工歸檔。系統中除過程實測數據采用 自動歸檔外,其他歸檔均采用人工歸檔的方式實 現。自動歸檔數據中包括報警信息和生產過程參 數(如電動機電流、電壓、功率、軋制力、軋制速度 等)的報警信息。
(1)自動歸檔
軋制過程中傳感器測量的數據首先到達 PLC,然后通過以太網傳至上位機,上位機選擇性 地保存過程監(jiān)控所需數據,在WinCC的變量記錄 下設置歸檔變量和參數。對于每道次軋制過程不 變的量如入口厚度、出口厚度等原始參數,可以設 置相對較長(2s)的歸檔周期或采用根據變量變化 的歸檔方式(即只有在歸檔變量發(fā)生變化時才歸 檔) ;對于軋制過程中隨時變化的量如軋制力、軋 制速度、主機電流、主機功率等設置比較短的歸檔 周期(500 ms) ,這樣區(qū)別對待不同特性的數據可 以有效減少計算機內存和磁盤空間的占有量。自 動歸檔的數據可以作為趨勢顯示的數據源,在趨 勢顯示的人機界面中,用戶可以通過時間來查詢 數據。在一個界面中可以同時顯示幾個變量的過 程值,這樣使用戶直觀了解生產過程數據的變化 情況,對異常狀況作出快速判斷,減少故障停機時 間,提高生產效率。
報警消息的采集和歸檔可利用W inCC的報警 記錄編輯器來實現,使用WinCC Alarm Control顯 示報警信息。
（轉載）
