0 引言
鋼鐵企業(yè)中鐵區(qū)主要包括原料、煉焦、燒結、高爐等生產環(huán)節(jié)，是鋼鐵制造業(yè)中長流程制造的典型區(qū)域，也是重要的生產環(huán)節(jié)之一。為了實現從原料進廠到鐵水產出然后送至煉鋼廠的整個制造過程的物流和信息流的綜合管理，以達到鐵鋼平衡，從而提高原燃料管理和生產管理水平，同時為了給原料采購、產品銷售、成本核算、生產指標統(tǒng)計等管理提供基礎數據以及為進一步降低原燃料成本提供依據，因此建設鐵區(qū)制造執(zhí)行系統(tǒng)(以下簡稱鐵區(qū)MES)勢在必行。
在建設鐵區(qū)MES時，我們常會碰到由于鐵區(qū)各工序建設時問不同和改造周期的差異因而造成各工序自動控制水平不一致，以及由于鐵區(qū)各工序生產節(jié)奏較慢因而對過程控制響應要求不高等情況，所以在鐵區(qū)并非所有工序都建有L2過程控制系統(tǒng)。在這種背景下建設開發(fā)鐵區(qū)MES時，經常需要直接從L1基礎自動化系統(tǒng)獲取生產實時數據并進行處理，即要求MES不是向下與L2系統(tǒng)集成，而是與更下一級的Ll系統(tǒng)集成，以實現整個鐵區(qū)的管理、控制和協調工作。以下以寶鋼不銹鋼有限公司鐵區(qū)的應用為例，說明這種情況下的系統(tǒng)解決方案。
1 鐵區(qū)MES架構
本著先進、實用的原則，MES著重于及時采集原料消耗、主要設備狀態(tài)、工藝操作參數、經濟技術指標和產品質量等實績信息并作分析統(tǒng)計，以便及時了解掌握各工藝段的生產情況，同時為上層ERP系統(tǒng)提供實際數據。
典型的鐵區(qū)計算機信息系統(tǒng)一般分為3級：L1基礎自動化系統(tǒng)、L2過程控制計算機系統(tǒng)、L3鐵區(qū)MES。鐵區(qū)MES主要負責區(qū)域生產管理和調度執(zhí)行，是處于計劃層(企業(yè)ERP)和現場自動化系統(tǒng)之問的執(zhí)行層，位于企業(yè)ERP系統(tǒng)和各工序過程控制系統(tǒng)之間。典型的鐵區(qū)MES向上與公司產銷ERP系統(tǒng)連接，向下與鐵區(qū)內各工序L2系統(tǒng)連接，橫向與其他工序MES連接，起到承上啟下的作用。鐵區(qū)MES覆蓋整個鐵區(qū)所有工序，公司ERP覆蓋全公司所有生產線。典型的MES數據來源高度依賴L2過程控制系統(tǒng)，若沒有L2過程控制系統(tǒng)的支撐則很難實現MES中各項應用功能。
寶鋼不銹鋼有限公司鐵區(qū)經過大規(guī)模的技術改造，在生產過程控制及優(yōu)化等自動化應用方面已具備良好的基礎，其中一部分工序已經完成了L2系統(tǒng)的建設，但由于燒結工序中的2#和3#燒結機建設較早，因此當時沒有設L2系統(tǒng)。在鐵區(qū)MES建設時，為了實現數據在統(tǒng)一平臺上的展現，以方便管理者及時掌握所有現場生產情況，采用鐵區(qū)MES與2#和3#燒結機L1系統(tǒng)直接集成，而其他工序則與L2系統(tǒng)集成，以獲取生產實績的方式，最終實現MES對鐵區(qū)所有工序的全覆蓋。
由于原鐵區(qū)各工序L1系統(tǒng)品牌眾多，基本歸為DCS和PLC系統(tǒng)兩大類，其通信接口主要有TCP／IP，OPC和串口通信等類型。鐵區(qū)MES所處網絡屬于管理網，與L1系統(tǒng)所處的控制網并無物理連接，因此需要針對不同品牌的L1系統(tǒng)，在L1控制網和L3管理網之問增加通信用接口服務器，負責從L1系統(tǒng)PLC和DCS中定周期或非周期性地采集生產工藝實時數據，同時在接口服務器的關系型數據庫中按照工藝要求和設定的周期進行保存。此接口服務器采用雙網卡方式連接控制網與管理網，從而實現上下級的物理鏈路連接。寶鋼不銹鋼鐵區(qū)MES系統(tǒng)硬件及網絡結構如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)硬件及網絡結構
2 鐵區(qū)MES功能
鐵區(qū)MES功能一般劃分為生產計劃管理、原燃料計劃管理、配料管理、生產實績管理、物料管理、質量管理、鐵水調度管理、鐵水罐管理8個主要模塊(見圖2)。在典型的鐵區(qū)MES中，生產實績管理模塊與鐵區(qū)各工序L2系統(tǒng)之間數據交互最多。
圖2 鐵區(qū)MES功能
一般情況下，鐵區(qū)MES主要依賴于各工序L2系統(tǒng)提供基礎數據，盡管鐵區(qū)各工序工藝不同，但各工序L2系統(tǒng)基本功能定位類同，主要有工藝操作參數設定、跟蹤監(jiān)視、過程數據收集整理、過程控制的數學模型應用、工藝報表生成及與其他外部系統(tǒng)如L1和鐵區(qū)MES通信等。鐵區(qū)MES需要L2支撐的功能主要是過程數據的收集和整理，其很大部分取決于L1系統(tǒng)的完善水平。
由于寶鋼不銹鋼鐵區(qū)2#和3#燒結機沒有設L2系統(tǒng)，因此要求鐵區(qū)MES實現L2所承擔的部分功能。
(1)功能擴展。鐵區(qū)MES在功能上要增加原定位在L2上的功能，如要新增工藝過程報表、基礎數據收集及整理等功能。結合燒結L2，主要擴展功能為：1)跟蹤監(jiān)視。實時跟蹤整個燒結工藝的關鍵數據，對原料配比的變更，料層、點火強度及水分的調整等設定數據進行跟蹤；動態(tài)更新和記錄過程狀態(tài)和趨勢，當前趨勢顯示預定短時問范圍內測量值的變化，歷史趨勢顯示長時問范圍內測量值的變化，使得操作人員通過趨勢變化能夠判斷燒結機工作狀態(tài)，以便及時調整工藝參數。2)燒透點計算。根據風箱溫度，做出二次平滑曲線，從而計算料層燒透點。3)生產設備管理。統(tǒng)計破碎、篩分、冷卻等設備的運轉事件及累計生產量，記錄燒結機的停機時間及停機原因。
(2)對外通信。所有與外部系統(tǒng)的通信功能均在MES服務器上實現，包括與2#和3#燒結PLC／DCS進行商接通信以及與外圍系統(tǒng)(地磅、檢化驗)進行通信，且所有通信要求穩(wěn)定可靠，這是系統(tǒng)實現的技術難點。
(3)數據保存和備份。為安全起見，2#和3#燒結PLC／DCS上傳鐵區(qū)MES的所有數據都要求進行保存并定期備份。
(4)操作方面。原需在L2作業(yè)的客戶現在由系統(tǒng)授權在鐵區(qū)MES的客戶端上作業(yè)，現場操作人員通過運行MES客戶端上的人機界面進行參數設定及報表的查看和打印，如燒結原料配比在MES客戶端上設定并下發(fā)至L1系統(tǒng)執(zhí)行。
除了以上幾個方面以外，MES不參與鐵區(qū)的生產控制。由于鐵區(qū)MES需要L2支撐的功能主要是過程數據的收集和整理，因此下面重點介紹硬件和網絡設計以及數據采集和處理。
3 系統(tǒng)實現
3.1 硬件及網絡設計
系統(tǒng)采用PC接口服務器和Redhat Linux操作系統(tǒng)。為防止上傳數據丟失，采用磁盤陣列和關系型數據庫(或實時數據庫)對上傳鐵區(qū)MES的數據進行存儲和備份。
接口服務器向下與L1系統(tǒng)中的PLC和DCS通信并采集相應數據，一般可通過標準通信協議如TCP／IP和OPC與PLC和DCS的上位機進行通信，或使用常用工業(yè)串行協議如Modbus和Profibus等與PLC和DCS的通信模塊直接通信。采集到實時數據后，按工藝需求對數據進行檢核處理，并按要求保存在關系型數據庫中。接口服務器向上與鐵區(qū)MES進行數據通信，可采用主動和被動兩種通信方式，主動方式即由接口服務器按鐵區(qū)MES數據要求組織數據后以電文方式或FTP方式發(fā)送至鐵區(qū)MES主機，被動方式則由鐵區(qū)MES主機以DBLink方式從接口服務器獲取所需數據，本系統(tǒng)采用電文通信方式。
值得注意的是，由于接口服務器與L1系統(tǒng)直接建立通信連接，所以通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性尤其重要，這也是實現基于L1系統(tǒng)的鐵區(qū)MES的基礎。受L1系統(tǒng)設備投入較早、L1系統(tǒng)設備品牌差異等因素影響，并非所有L1系統(tǒng)設備都能提供常用的標準通信接口，許多接口采用L1電氣公司專用的通信技術，因此要開發(fā)專用的數據通信接口技術難度較大，需要相應L1電氣公司提供相關技術資料或技術支持。而如果購買使用L1電氣公司的專用通信軟件，一般需要對L1系統(tǒng)進行軟件或硬件的升級改造，這樣風險大而且費用高。因此，如果u 系統(tǒng)沒有提供標準的通信接口，也無法通過軟、硬件的升級改造來實現標準接口通信，就需要對Ll系統(tǒng)的通信功能做充分評估。評估的目的是確認L1系統(tǒng)是否可通過第3方軟件或非常用通信接口方式實現數據通信，同時確保數據通信的穩(wěn)定。所以若L1系統(tǒng)無標準通信接口也無其他相應通信技術支持，則無法采用接口服務器方式解決，該L1系統(tǒng)就不能接入MES。
鑒于鐵區(qū)MES與部分工序L1直接通信，L3管琿網與L1控制網在物理上已經實現連通，為了保證網絡安全，特意對網絡架構進行分析改進，從而確保系統(tǒng)安全。主要安全措施如下：(1)接口服各器采可用雙網卡結構，一塊網卡與L1控制網連接，另一塊網卡通過交換機與鐵區(qū)MES服務器所在L3網絡連接；(2)在接口服務器與鐵區(qū)MES服務器之間直接加裝防火墻，起到 管理網與L1控制網隔離的作用；(3)接口服務器建議采用非Windows系統(tǒng)。
3.2 數據采集及處理
在硬件層面實現與Ll基礎控制系統(tǒng)直接通信后，還必須確定需要采集的數據以及對采集到的數據進行相應處理，以替代L2中的部分功能，從而滿足鐵區(qū)MES生產實績模塊應用的要求。
3.2.1 數據采集
雖然各工序工藝差異而使數據采集的內容略有不同，但主要內容是相同的，包括各工序料倉(槽位)設定信息、料倉(槽位)料位信息、原料消耗實績、工藝操作參數、經濟技術指標參數、原料投入產品產出計量(工藝秤)和設備狀態(tài)信息等。2#和3#燒結L1系統(tǒng)主要收集的數據包括：
(1)燃料及熔劑破碎系統(tǒng)數據。主要收集焦粉倉料位、熔劑倉料位、燃料皮帶稱重和熔劑皮帶稱重等數據。
(2)配料系統(tǒng)數據。該部分收集混勻礦、熔劑(白云石和石灰石)、生石灰、燃料(焦煤粉)、冷返礦等料倉料位和配比數據。
(3)燒結機系統(tǒng)數據。主要收集鋪底料礦槽、點火爐、臺車、風箱、煙道、空氣、煤氣和助燃風機等設備的溫度、壓力和流量等工藝實時過程參數。
3.2.2 數據處理及確認
從L1采集來的數據都是實時數據，必須對相應數據按小時、班、日的頻率進行整理和處理。目的是掌握原料料倉的料位、收集每料倉的排料量、統(tǒng)計每種原燃料的使用量和監(jiān)控燒結生產過程參數。同時對較敏感的統(tǒng)計用數據還必須進行畫面確認，以確保各類數據的準確性。需要確認的數據包括：(I)原燃料消耗數據，包括作業(yè)日期、生產班次、單元號、原料品名、消耗濕量、消耗干量等原燃料消耗信息。(2)燒結礦產量數據，包括作業(yè)日期、生產班次、單元號、燒結產量。(3)燒結停機數據，包括作業(yè)日期、生產班次、單元號、停機開始時間、停機結束時問、停機時問、停機原因、完成標記等停機信息。(4)操業(yè)實績，包括機速、料層厚度、點火溫度、終點溫度、總管溫度、總管負壓、鋪底料量等工藝操作參數。(5)能源消耗實績，包括水消耗、蒸汽消耗、電消耗、煤氣消耗等能源介質消耗。
4 結束語
寶鋼不銹鋼有限公司鐵區(qū)MES采用與部分工序L1基礎自動化系統(tǒng)直接通信，以獲取生產實時數據的方式，實現鐵區(qū)MES對部分工序不設過程控制系統(tǒng)I2的情況下對整個系統(tǒng)的集成。系統(tǒng)自2006年投入后運行正常，減輕了在鐵區(qū)MES生產實績模塊中人工輸入數據的缺陷，其提供的數據完全能滿足鐵區(qū)生產管理的需要。這種方案增加了部分企業(yè)特別是中小企業(yè)在鐵區(qū)或部分工序沒有設L2系統(tǒng)情況下建設鐵區(qū)MES的可能性。
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本文標題：基于L1基礎自動化系統(tǒng)的鐵區(qū)MES的實現
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