（机械制造及其自动化专业论文）钢铁自动化生产线监控管理模式研究.pdf

武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：座馐! 昼日期：么丝脚 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作 指导教 日 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 钢铁自动化生产线是钢铁产品生产的重要基础。生产线的动态调度、设备稳定性和工 艺参数的动态调整直接影响着生产效率和产品的质量。本文针对钢铁自动化生产线的监控 管理模式展开研究，主要内容如下： 首先根据国际标准化组织i s o 的冶金企业自动化系统的六级结构和钢铁自动化生产线 控制系统的功能和监控的对象类别，将系统划分为三大部分：设备监控管理系统、过程监 控系统、生产管理监控系统。从三大部分展开对钢铁自动化生产线监控模式的研究。在设 备监控系统管理部分，根据对设备实时信息的采集重点提出了基于状态的设备维修；在过 程监控系统部分，提出了数学模型和智能控制相结合的控制方法；在生产管理监控系统部 分，信息的实时掌控，为生产的动态调度提供了依据。 提出基于专用装置的钢铁自动化生产线监控管理模式。设计专用装置的硬件结构和软 件系统。通过专用装置将生产线上的任务信息、设备信息和工艺信息有机集成，使得各监 测点的信息能够实时传输。应用实时信息建立设备可靠性概率模型，实现设备的状态维修。 以热轧板带轧制力预设定为例来说明生产过程中的数学模型和智能控制的应用。重点设计 了视频监控软件，实现生产的远程监控，并通过专用装置能够实现视频信息的交互。 最后，对论文的研究内容进行了总结，对今后的研究方向进行了展望。 关键词：钢铁企业；自动化生产线；专用装置；智能控制；远程监控 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 1 em o s to fs t e e lp r o d u c t sw e r ec o m p l e t e db yt h es t e e la u t o m a t i cp r o d u c t i o nl i n e t h e d y n a m i cs c h e d u l i n go fp r o d u c t i o n , e q u i p m e n ts t a b i l i t ya n dd y n a m i ca d j u s t m e n to fp r o c e s s p a r a m e t e r sd i r e c t l ya f f e c tt h ep r o d u c t i o nl i n ee f f i c i e n c ya n dp r o d u c tq u a l i t y t i l i sp a p e rs t u d i e s o nt h em o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n tm o d eo ft h es t e e la u t o m a t i cp r o d u c t i o nl i n e , a n dt h em a i n c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s to fa l l ，a c c o r d i n gt o6s t r u c t u r eo fm e t a l l u r g i c a le n t e r p r i s ea u t o m a t i o ns y s t e m sd i v i d e d b yi s oa n df u n c t i o n sa n do b j e c t sm o n i t o r e d , t h es y s t e mw a sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ：e q u i p m e n t m o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ts y s t e m ，p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ，p r o d u c t i o nm a n a g e m e n tc o n t r o l s y s t e m 。 1 1 1 er e s e a r c hw a ss t a r t e df r o mt h i st h r e ep a r t s c o n d i t i o n - b a s e dm a i n t e n a n c ew a s o f f e r e dh i g h l i g h t e db a s e do nr e a l t i m ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i o ni nt h em a c h i n ec o n t r o ls y s t e m ；w e p r o p o s e dam e t h o do ft h em a t h e m a t i c a lm o d e lc o m b i n e dw i n li n t e l l i g e n tc o n t r o li nt h ep r o c e s s c o n t r o ls y s t e m ；，r e a l t i m ec o n t r o li n f o r m a t i o nf o rt h ep r o d u c t i o np r o v i d e dt h eb a s i sf o rt h e d y n a m i cs c h e d u l i n gi nt h ep r o d u c t i o nm a n a g e m e n tc o n t r o ls y s t e m n em o d e lo fa u t o m a t i cp r o d u c t i o nl i n em o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n tb a s e do ns p e c i a l d e v i c ew a sp r o p o s e d t h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o na n ds o f t w a r es y s t e m so ft h es p e c i a ld e v i c eh a d b e e nd e s i g n e d 1 1 1 em o n i t o r i n go fi n f o r m a t i o nc a nb et r a n s m i t t e di nr e a lt i m eb yt h es p e c i a l d e v i c ew h e r et h et a s ki n f o r m a t i o n , p r o d u c t i o ni n f o r m a t i o na n dd e v i c ei n f o r m a t i o nw i l lb e i n t e g r a t e do r g a n i c a l l y t h ep r o b a b i l i t yo fe q u i p m e n tr e l i a b i l i t ym o d e lw a se s t a b l i s h e dw i m r e a l t i m ei n f o r m a t i o n t h ea p p l i c a t i o no ft h em a t h e m a t i c a lm o d e la n di n t e l l i g e n tc o n t r o lw a s i l l u s t r a t e db ya ne x a m p l et h a th o ts t r i pr o l l i n gf o r c ew a sp r e s e t i ti si m p o r t a n tt h a tap i e c eo f v i d e os u r v e i l l a n c es o f t w a r ei s d e s i g n e d t l l i ss o f t w a r e a c h i e v e sr e m o t em o n i t o r i n g , a n d i n f o r m a t i o ni n t e r a c t i o nt h r o u g has p e c i a ld e v i c e f i n a l l y , t h ec o n t e n t so ft h et h e s i sa r es u m m a r i z e d n ef u t u r ed i r e c t i o no fs t u d y i n gi s i n d i c a t e da sw e l l k e yw o r d s ：s t e e le n t e r p r i s e ；a u t o m a t i cp r o d u c t i o nl i n e s ；s p e c i a ld e v i c e s ；i n t e l l i g e n tc o n t r o l ； r e m o t em o n i t o t i n g 武汉科技大学硕士学位论文 目录 摘要 a b s t m 第一章绪论 1 1 课题背景 1 2 课题意义 1 3 国内外钢铁自动化生产线监控管理技术研究现状 1 4 研究内容与研究思路 1 4 1 研究内容4 1 4 2 研究思路及论文结构4 第二章钢铁自动化生产线监控系统体系结构6 2 1 设备监控管理系统6 2 1 1 设备维修管理7 2 1 2 设备生产状态监控j 8 2 2 过程监控系统9 2 2 1 数据通讯和轧件跟踪子系统9 2 2 2 过程监控子系统1 0 2 2 3 轧机控制子系统1 0 2 2 4 实用工具系统1 2 2 3 生产监控管理系统1 2 2 3 1 生产任务管理1 3 2 3 2 技术信息管理1 4 2 3 3 质量管理1 4 2 4 本章小结1 5 第三章基于专用装置的钢铁自动化生产线监控管理模式1 6 3 1 专用装置功能1 6 3 1 1 专用装置的硬件结构1 6 3 1 2 专用装置的软件系统1 8 3 2 钢铁自动化生产线信息集成框架1 9 3 2 1 钢铁自动化生产线信息管理结构模型1 9 3 2 2 钢铁自动化生产线信息流2 1 3 2 3 钢铁自动化生产线信息集成框架2 2 3 3 基于专用装置的钢铁自动化生产线监控管理模式2 3 第页武汉科技大学硕士学位论文 3 3 1 设备监控状态维修模型2 4 3 3 2 生产过程数学模型与智能控制2 6 3 3 3 监控网络结构模型与信息交互2 8 3 3 4 人机监控界面2 9 3 4 本章小结3 0 第四章远程视频监控示例3 l 4 1 网络结构3 l 4 2 远程监控软件设计3 l 4 3 视频信息交互模型3 6 4 4 本章小结3 8 第五章结论与展望3 9 5 1 全文总结3 9 5 2 研究展望3 9 参考文献4 0 作者在攻读硕士学位期间的主要成果4 3 致谢4 4 附录4 5 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 课题背景 第一章绪论 中国钢铁工业协会最新统计数据显示，2 0 0 9 年中国全年钢产量再创新高，粗钢产量达 5 6 8 亿吨，比上年增长1 3 5 ，预计2 0 1 0 年中国粗钢产量有望首次突破6 亿吨，比上年增 长6 2 左右【l 】。在钢铁产能上，我国已经取得了巨大的进步，但在高质量、高性能的优质 钢材方面，实际情况则是我国仍有近2 3 的优质钢材需要进口【2 】，所以我国钢铁企业在品 种质量方面还需要在多方面做出努力。 在钢铁生产中，生产线上钢铁产品的品质优劣直接取决于生产线对生产过程中的各类 设备信息、生产信息、工艺信息等的实时掌握和及时处理情况。要解决这一问题，就需要 对生产线上的各类信息进行实时监控管理。 我国钢铁企业大部分建于五、六十年代，主体生产工艺设备比较落后，经过近期技术 改造和新建部分车间和生产线，基础自动化和过程自动化水平有了显著提高，但与先进国 家相比还有相当大的差距。 在现有信息交互设备中通常是以p c 机作为终端【3 】，在许多场所，特别是在工厂车间环 境中存在投资大、功能冗余、操作困难、抗干扰性差等问题，因而难于推广应用。本文根 据生产线实际工作环境的需要，提出了一种基于专用装置的钢铁自动化生产线监控管理模 式。 1 2 课题意义 钢铁自动化生产线设备众多，对其进行监控管理是生产过程中产品质量和工人的操作 安全的重要保证。在质量控制中，生产过程监控被用于剔除在产品生产过程中出现的不良 产品，保障产品的质量达到规定的要求。质量监控的传统方法主要是通过安排专门人员去 操作，这种方法费时费工，而且这样做造成的结果是产品生产时的准备时间和生产成本的 无效增长。 此外，这种传统的检查方法往往是对不良品的事后处理，检查出的不良品要不进行二 次加工，要不做报废处理，就像消防队员一样，对已经造成的损失没有任何挽回措施，不 能最小化地消灭生产中的浪费【4 】【5 1 。在很多工厂的产品生产过程中，尽管有许多自动化监 控系统被用来代替人工操作，但这种单一的基于传感器或人工输入的显示生产数据或生产 流程的监控方法仍不能很好的适应自动化生产线方式对生产过程监控的要求，因为当人们 通过监控计算机屏幕看到数据异常时，不良产品或生产中的设备故障已经产生。 钢铁自动化生产线的监控和管理是通过信息采集设备和监控软件，综合运用自动化技 术、信息技术、计算机技术、生产加工技术和现代管理科学，从生产过程的全局出发，通 过对生产活动所需的各种信息的集成，集控制、监测、优化、调度、管理、经营、决策于 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 一体，形成一个能适应各种生产环境和市场需求的、总体最优的、高质量、高效益、高柔 性的生产线监控管理系统，以达到提高生产线生产效率，降低成本，增加经济效益的目的。 本文研究的基于专用装置的钢铁自动化生产线监控管理模式充分利用信息化、网络 化、智能控制等先进技术，可有效的对生产设备、生产过程进行监控，辅助生产管理，并 根据采集的实时信息可及时预测生产过程中可能发生的异常情况，指导有关人员及时采取 措施避免事故的发生，保障生产的正常进行，达到事前预防维护、事发及时发现及时处理 的效果。 1 3 国内外钢铁自动化生产线监控管理技术研究现状 钢铁生产自动化监控管理技术是一种运用控制理论、仪器仪表、网络技术和其他信息 技术，对钢铁工业生产过程实现监测、控制、调度、管理、优化和决策，达到增加产量、 提高质量、降低消耗、确保安全等目的综合性高技术【6 1 ，主要包括工业自动化软件、硬件 和系统三大部分。因此作者在国内外研究现状分析时将主要讨论了监控管理系统的国内外 研究现状。 监控系统的演变，是一个从集中监控向网络监控的发展历史。早期的监控系统，采用 大型仪表集中对各个重要设备的状态进行监视，并通过操作盘来进行集中式操作。在现代 企业的生产和管理中，为了适应激烈的竞争，保证产品质量，提高企业效益，需要对大量 的物理量、环境参数、工艺数据、特性参数进行实时检测、监督管理和自动控制，并且需 要他们之间的信息交互。而由于工业生产过程控制要求的高实时性、高可靠性、高环境适 应性等特点，生产中的检测技术与自动控制都一直沿着自己的道路发展，各个测控领域所 使用的通信技术都自成体系，彼此之间许多通信协议不开放，甚至大多数系统都是面向单 台，或单一类型的设备。 监控管理技术是计算机技术、信息技术、网络技术和监控技术的结合。随着各种技术 的不断发展，任何一种技术的进步，都会推动监控管理技术的不断前进。远程监控最早来 自于医疗系统中的远程诊断系统。目前，该技术在医疗系统中发展较为完善，但在机械行 业中，发展的步伐则较为缓慢。在机械行业，生产线的监控管理技术经过了如下几个发展 阶段： ( 1 ) 单机信息监控管理系统，即用单台计算机进行设备的监控工作。 ( 2 ) 集散监控管理系统。第一套集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s ，d c s ) ， 也称为分布式计算机控制系统( d is t r i b u t e dc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m s ) ，是由美国 h o n e y w e l l 公司于1 9 7 5 年推出的。集散控制系统本质上是一种以微处理器为基础，对生产 过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的网络分层监控系统。它将对生产过程控制的 监控任务划分为若干互不联系的子系统，每个子系统以一台控制计算机为核心，全部信息 通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制。国外的代表产品有代表产品有美 国f o x b o r o 公司的i as e r i e s ：h o n e y w e l l 公司的t d c 一3 0 0 0 l c n ；日本y o k o g a w a 公司的 c e n t u m - - x l b a i l e y 公司的i n f i 一9 0 ：w e s t i n g h o u s e 公司的w d p f i i i l l , 等。国内的主要有 的d j k - - 2 0 0 0 等 7 1 。 ( 3 ) 基于网络范围内的远程监控管理系统。远程监控管理技术的组织方式具有较强的 灵活性，可以是一个生产车间局域网范围内的，也可以是i n t e r n e t 范围内的。目前，对于 远程监控管理技术的研究正处于积极的探索中，并有相应的应用系统出现瞵j 。 远程监控系统有两种类型，一种是生产监控系统没有生产现场，而是将传感器、检测 仪表等采集的生产数据直接送到远程计算机进行分析处理，这种远程监控的主要特点就是 数据传输距离比现场监控系统要远，其他部分与一般的现场监控没有多大的区别，基本上 是相同的；另一种是现场监控与远程监控并存。一般是采用现场总线技术将分布于各个设 备的传感器、监控设备等连接起来，这样就使生产线上的各监测点的信息从分立单元阶段 进入了集成单元阶段，然后再用局域网把各个管理站点的服务连接起来，这样就形成了企 业车间生产信息内部网( i n t r a n e t ) 。由于网络技术的运用，建立了基本的车间信息基础结 构网络，使得车间内部基本上实现了资源和信息共享，设备监测、维护技术进入了集成系 统阶段。 通过远程监控可以完成对生产现场的生产状态数据进行实时采集和快速集中，为远程 故障诊断技术和远程生产监控提供了物质基础；通过远程监控技术，生产操作人员无须亲 临恶劣的环境或生产现场就可以实现对生产系统和现场设备运行状态及各种参数的监视 与控制，利用本地丰富的软硬件资源对远程对象进行高级过程控制，使受过专业训练的人 员“虚拟”地出现在许多监控地点，以方便维护设备的正常运营，从而减少值守工作人员， 最终实现远端的无人或少人值守，达到减员增效的目的【引。 目前，远程监控已经成为国内外研究监控系统的前沿课题，国内外都展开了积极的研 究，并且取得了一些相应的成果。1 9 9 7 年1 月，斯坦福大学和麻省理工学院联合主办了首 届基于i n t e r n e t 的远程监控诊断工作会议，来自3 0 个公司和研究机构的5 0 多位代表参加并 进行讨论。会议主要讨论了有关远程监控系统开放式体系、诊断信息规程、传输协议及对 用户的合法限制等，并对未来技术发展作了展望。由斯坦福大学和麻省理工学院合作开发 基于i n t e r n e t 的下一代远程监控诊断示范系统，这项工作同时也得到了制造业、计算机业 和仪器仪表业的b o e i n g 、i n t e l 、s u n 、h p 、f o r d 等1 2 家大公司的热情支持和通力配合。这 些公司在会议过后，共同推出了一个实验性的系统t e s t b e d 。t e s t b e d 用嵌入式w e b 组网、 用实时j a v a 和b a y e s i a nn e t 初步形成在i n t e r n e t 范围内的信息监控和诊断推理。 另外，许多国际组织，如s m f p ts o c i e t yf o rm a c h i n e r yf a i l u r ep r e v e n t i o n t e c h n o l o g y ) 、m i m o s am a c h i n e r yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to p e n s y s t e ma l l i a n c e ) 、c o m a d e m ( c o n d i t i o nm o n i t i o na n de n g i n e e r i n gm a n a g e m e n t ) 等【i l 】【1 2 1 ， 也纷纷通过网络进行设备监控与故障诊断咨询和技术推广工作，并制定了一些信息交换格 式和标准。许多大公司开始将i n t e r n e t 的功能加入到了他们的产品中，如著名的 n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司也将网络通讯处理模块【1 3 】加入到了它的产品l a b w i n d o w s c v i 以及l a b v i e w 中，使其可以通过w w w 、f t p 、e - m a i l 方式在网络范围内进行监控数据的传 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 送；b e n t l y 公司研制的通过网络动态数据交换( n e td d e ) 的方式，计算机在线设备运行 监测系统d a t am a n a g e r2 0 0 0 可以向远程终端发送设备运行状态信息。此外，法国“a l a r m 研究组对生产过程的智能报警和监控系统进行了长期研究，并在多个项目中进行了应 用。在国内，各个大学对也展开了相关的研究，如同济大学针对制造设备的建立远程服务 系统的研究，华中科技大学开发的“汽轮机工况监测和诊断系统k b g m d ，东南大学的程 分布式诊断网络相关研究，南京理工大学的远程智能监控系统研究，西安交通大学研制的 “大型旋转机械计算机状态监测系统及故障诊断系统r 删d ，哈尔滨工业大学的“微计算 机化机组状态监视与故障诊断专家系统m m m d e s 等等远程监控研究活动【8 】 1 4 1 。 钢铁自动化生产线的监控管理模式是远程监控系统的第二种类型，是现场监控与远程 监控并存的监控模式。本文提出的基于专用装置的钢铁自动化生产线监控管理模式，是通 过专用装置，应用网络技术、现场总线技术等对生产线进行现场监控和远程监控，使生产 过程产生的产品质量信息、设备信息、加工工艺信息等能够得到实时监控，出现的问题能 从现场和远程专家系统得到解决。 1 4 研究内容与研究思路 1 4 1 研究内容 本课题针对钢铁自动化生产线进行研究，通过数据和视频监控对整个生产线的智能现 场仪表和设备进行组态、监测、运行诊断和维护记录，从而提高生产的安全性，并能保持 机器长时间的正常工作状态，减少停工维修的时间，也减少了施工、安装、维护和设备保 养的支出。本文具体研究内容包括： ( 1 ) 根据国际标准化组织i s o 的冶金企业自动化系统的六级结构和钢铁自动化生产 线控制系统的功能和监控的对象类别，将钢铁自动化生产线监控系统划分为三大部分：设 备监控管理系统、过程监控系统、生产监控管理系统。从三大部分展开对钢铁自动化生产 线监控模式的研究。 ( 2 ) 提出了基于专用装置的钢铁自动化生产线监控管理模式。设计了专用装置的硬 件结构和软件系统。通过专用装置将生产线上的任务信息、设备信息和工艺信息有机集成， 使得各监测点的信息能够实时传输。应用实时信息建立设备可靠性概率模型，分析状态的 可靠性，实现设备的状态维修。 ( 3 ) 设计了视频监控软件，实现生产的远程监控，并通过专用装置实现各监测点之 间的视频信息共享。 1 4 2 研究思路及论文结构 根据所研究问题的特点，本文综合运用调查研究方法、文献研究方法、逻辑研究方法、 实证研究方法和计算机工具等方法进行研究。 ( 1 ) 调查研究方法：针对课题研究需要，对热轧和冷轧生产线进行了实地调研并分 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 析生产过程中存在的常见问题； ( 2 ) 文献分析方法：参考国内外相关文献，分析钢铁自动化研究生产线控制系统和 自动化检测仪表的发展现状，进而探讨钢铁自动化生产线控制体系结构； ( 3 ) 逻辑研究方法：提出了以设备监控管理系统、过程监控系统、生产监控管理系 统三大部分为主的钢铁自动化生产线控制体系结构。从这三方面对任务信息、生产信息、 设备信息进行研究，综合应用信息技术、网络技术和智能控制技术等。通过对各类信息的 监控管理实现生产线上的各工序作业的动态协调、工艺参数的动态调整、产品全线物流跟 踪、质量跟踪控制、生产设备预测维护等； ( 4 ) 实验研究方法：参与了一个对自动化生产线监控管理终端研发的企业合作项目， 对开发出来的监控终端板予以申请发明专利。 本文的结构如下： 第1 章，绪论。包括课题概述、国内外研究现状、研究内容与研究思路。 第2 章，钢铁自动化生产线控制体系结构。主要包括设备监控管理系统、生产过程监 控系统、生产管理监控系统三大部分。 第3 章，基于装置的钢铁自动化生产线监控管理模式。包括装置功能硬件结构和软件 设计、钢铁自动化生产线信息集成框架、监控模式。 第4 章，视频监控的在线应用。包括网络结构、视频软件设计、视频信息交互模型。 第5 章，全文总结与展望。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章钢铁自动化生产线监控系统体系结构 钢铁自动化技术作为自动化在钢铁行业的应用技术，其发展轨迹既遵从自动化学科自 身的发展规律，也与钢铁工业的发展，包括工艺路线演化、制造装备的更迭、生产流程和 组织方式的改革和进步等密切关联【1 5 】。 1 9 6 2 年，英国r t b 钢铁公司将生产管理和过程控制相结合，形成了一个分级的计算 机控制系统，该系统从下到上为生产过程级、生产控制级、生产管理级、全厂生产调度级。 随着计算机技术的进步和冶金企业信息化建设冶金企业在生产、经营、战略各个范围内广 泛采用集成( 一体化) 技术，使企业效益不断的提高，冶金企业自动化分级控制系统的各 级含义也逐渐明确。国际标准化组织i s o 在其技术报告中将冶金企业自动化系统分为 l 0 l 5 级结构，从l 0 到l 5 依次为数据检测与执行、基础自动化、生产过程控制、区域管 理和企业经营管理【1 6 1 。其中l i l 3 级是面向过程控制，强调信息的时效性和准确性。 参照国际标准化组织i s o 对冶金企业自动化系统划分的六级结构和钢铁自动化生产线 控制系统的功能和监控的对象类别，将系统划分为三大部分：设备监控管理系统、过程监 控系统、生产监控管理系统，如图2 1 所示。 2 1 设备监控管理系统 图2 1 控制体系结构图 对于生产企业而言，生产设备是企业赖以生存的物质基础。生产活动的稳定进行和 生产设备的效能得到充分的利用依赖于对设备资产进行有效的管理和维护。这是企业管 理的重要内容。钢铁自动化生产线监控系统的设备监控管理系统是将i s o 冶金自动化分 级的l o 级数据检测与执行和l 1 基础自动化结合起来，实现对设备的管控一体化，其主 要功能为：( 1 ) 根据设备的实时状态信息对设备进行状态维修管理。强化设备维护管理、 确保设备完好率、最大限度降低设备故障率、减少设备维护成本、规范作业流程、提高 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 设备的综合利用率【l ( o v e r a l le q u i p m e n te f f e c t i v e n e s s ，o e e ) 。根据智能化仪表记录的 各种性能信息，制定正确的、最优的维修计划，并能对设备的检点维修状况进行动态管 理，防止设备未及时检修造成资源的跑冒滴漏现象发生。整理和规范管理基础数据资料、 建立起适应今后发展的设备维护管理模式，在企业的经营管理中占有不可替代的重要地 位。( 2 ) 对设备生产状态进行实时监控。能够根据实时状态信息编制生产计划、制定生 产工艺，使得设备生产能力趋于平衡，增加经济效益；根据生产过程监控系统发出的指 令，及时对设备工艺参数进行动态调整。 2 1 1 设备维修管理 随着市场竞争的日益加剧，高速、连续的自动化生产设备高的故障率和长时间故障停 机成为制约企业运营成本的主要因素之一【1 7 】。如何及时有效地减少或解决设备故障，提高 生产设备的可用性和可靠性已经逐渐成为企业所面临的首要问题之一【1 8 】【1 9 】。只有迅速科学 地做出设备维护决策和及时的维护行动，才能够快速有效地解决设备故障，提高生产设备 的生产能力，而这所有的活动展开是否取得成功很大程度上取决人们对设备运行状态全方 位的实时了解和掌握程度。 生产设备重大事故的发生经常会导致企业生产活动长时间的停止，造成不可挽回的经 济损失。传统的基于时间的定期维修政策因经济效益低下，已不适应现代企业的发展【1 9 1 2 0 】； 故障发生后应急式维修也是属于一种消极被动的处理措施，会造成生产任务延误；基于状 态监测的状态维修( c o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c e ) ，能够根据设备状态进行预知维修，避免 设备发生重大故障导致生产的长时间停滞，由于信息的及时准确性，便于做好修理前准备 工作，能够科学、全面地制定设备修理计划性，使设备修理停歇时间大为缩短，提高了设 备有效利用率【2 1 1 1 2 2 1 。并且避免了以前基于时间维修的对某个个体不明目的地解体大修，节 约成本，提高了企业的生产效益，具有很好的现实意义。 常用的设备修理的方法主要有以下一些： ( 1 ) 标准修理法，又称强制修理法，是指根据设备零件的使用寿命，预先编制具体的 修理计划，明确规定设备的修理日期、类别和内容。设备运转到规定的期限，不管其技术 状况好坏，任务轻重，都必须按照规定的作业范围和要求进行修理。此方法有利于做好修 理前准备工作，有效保证设备的正常运转，但有时会造成过度修理，增加了修理费用。 ( 2 ) 定期修理法，是指根据零件的使用寿命、生产类型、工件条件和有关定额资料， 事先规定出各类计划修理的固定顺序、计划修理间隔期及其修理工作量。在修理前通常根 据设备状态来确定修理内容。此方法有利于做好修理前准备工作，有利于采用先进修理技 术，减少修理费用。 ( 3 ) 检查后修理法，是指根据设备零部件的磨损资料，事先只规定检查次数和时间， 而每次修理的具体期限、类别和内容均由检查后的结果来决定。这种方法简单易行，但由 于修理计划性较差，检查时有可能由于对设备状况的主观判断误差引起零件的过度磨损或 故障。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 上述常用的维修更多的是面向维护管理及过程资源配置管理，难以对设备本身的状况 进行评估，难以对设备生产过程中的故障产生原因或故障分布情况进行分析，难以在基于 具体的过程数据分析结果是上对设备维护的质量进行评价【2 3 l 。 基于状态的维修，是通过自动化检测仪表、p l c 控制系统等实时对设备的状态进行监 控，采集与分析处理实时状态数据，对异常数据自动报警并记录，如与标准正常公差范围 发生任何偏差，将自动发出报警( 或修理命令) 。这种维护系统可以大大提高设备的使用水 平【2 4 1 。基于状态的设备维修功能模型如图2 2 所示。 图2 2 基于状态维修的功能模型 如图2 2 可知，状态维修的关键在于设备状态信息的准确性和实时性。由设备基础自 动化控制系统对设备实时状态信息进行采集，在专用装置内，由设备实时监控管理系统根 据设备设定计算模型对采集的实时设备信息进行比对分析和记录，根据分析得出的失效模 式和关键原因，对生产设备状态进行预防报警，并给出相关的维修计划。 此外，对一些复杂的现场问题还可以利用i n t e m e t 网络，邀请到更多专家在网上进行 多方的协助诊断。该技术在一定程度上弥补了企业内部或现场人力资源不足的情况，利用 网络技术拓展了设备诊断的范围和资源【2 5 1 。而且通过网上专家协助诊断能为企业提供更多 的故障诊断知识及处理意见，并能够进一步丰富完善系统诊断知识库，从而有利于提高系 统故障诊断的效率和准确性【2 6 】。 2 1 2 设备生产状态监控 设备生产状态的实时监控是设备进行实时维护管理基础，其具备的主要功能包括： ( 1 ) 设备状态信息的实时反馈； ( 2 ) 设备生产参数的有效控制； 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 ( 3 ) 设备停机模式有效分析和停机原因的追踪与分析； ( 4 ) 设备维护和修理工作的标准化规定； ( 5 ) 设备运行效能指标的计算； ( 6 ) 历史运行维护数据的统计分析记录； ( 7 ) 设备维护工单信息管理； ( 8 ) 维护任务的有效安排。 设备生产状态监控是利用自动化检测仪表、基础控制系统( 如p l c 、d c s 等) ，对设 备的运行数据进行自动检测与采集，主要包括设备参数( 如压力、温度、张力、压下量、 扭矩等) ，故障状态，停机纪录等信息。对于复杂程度较高的设备，可能造成停机的因素 有多种。例如对于“机器人故障这一事件类别，具体引起停工的原因是“控制程序失 效，“传动系统失效”，“外部安全连锁 等等多种可能，因此需要在基于设备状态实时信 息采集的基础之上，对各种故障的停机原因进行代码定义和逻辑判断，对每个事件类别里 的所有停机事件进行设置。 实时监控管理的主要任务，是在统一的软件平台上实时有效地监控所有生产设备的动 态信息，并且实现以下功能：( 1 ) 将系统检测出来的异常信息及时地传递给专门的警报处 理人员；( 2 ) 记录停机设备、停机代码、停机时间、停机恢复时间等信息，以便将来的进 一步分析；( 3 ) 将各种管理报表提供给管理人员或部门，作为管理决策的依据。与通常的 自动化监控s c a d a ( s u p e r v i s o r y c o n t r o l a n dd a t a a c q u i s i t i o n ，s c a d a ) 系统不同，钢铁 自动化生产线用于设备管理的实时监控管理系统不仅要反映现场设备的运行状态，还需要 对设备的维修人员、维护频率、维修时间、操作与环境条件等等进行相关记录。设备的实 时化管理与企业生产活动密切相关，因此实时监控管理还需要具备与过程监控系统的生产 调度信息接口( 如计划排产、周期时间、物料装载数量等) ，以及对生产设备各种可用状 态的设置功能( 如生产交班、清洗、停产等) 口7 1 。 2 2 过程监控系统 过程监控系统的主要功能是根据生产工艺和相关的数学模型对自动化生产线上的各 机组和各设备进行优化设定，以使设备处于良好的工作状态，并能够获得良好的产品质量。 过程监控系统根据任务功能的不同可以分为四个模块：数据采集和轧件跟踪子系统、过程 监控子系统、轧机控制子系统和实用工具子系统。 2 2 1 数据通讯和轧件跟踪子系统 数据通讯的任务主要是通过网络接收来自设备监控管理系统的实时数据，传送过程监 控系统的规定设定值到设备监控管理系统，对于接收到来设备监控管理系统的开关量进行 边沿判定和状态识别，对于模拟量进行可信度检验。 过程监控系统设定的计算结果需要发送到设备监控管理系统，并且需要从设备监控管 理系统获得自学习和报表需要的实测数据。另外，过程监控系统可能需要从生产管理系统 第l o 页武汉科技大学硕士学位论文 获得生产控制指令信息，而生产管理系统为了达到自动的生产组织和控制功能，也需要从 过程监控系统获得一些生产实测数据。不同工序的过程监控系统之间也可能需要进行通 讯，比如在热轧宽度闭环控制中，粗轧宽度控制系统的工艺参数修正需要获得精轧宽度控 制系统的实测数据。 轧件跟踪是在轧制过程中控制系统的主要功能之一，用于保持和存放轧线每一个轧件 的物理位置，并根据轧件所在的位置激活相应的处理进程。随着轧件在生产线上的移动， 控制系统根据各区段跟踪指示字的内容判断每根轧件的实际位置，针对生产中的原始数 据、生产数据和成品要求等分别的进行自动控制。 2 2 2 过程监控子系统 过程监控子系统主要包括操作指导、诊断信息、报表功能等。操作员可以在操作室的 终端上进行多种操作指导的操作和画面显示，包括轧件原始数据和技术数据以及设定数据 输入、轧制计划管理、轧线状态和轧件跟踪显示、轧件吊销、轧制顺序变更等。 诊断信息对检测到的各种故障实时的记录、显示和打印。这些故障信息存放在磁盘中 可以追记打印。诊断信息的另一个重要的作用是在系统调试期间提供重要数据的跟踪信 息。 报表子系统在打印机上打印的各种生产报表，如过程报表、班报表、生产计划报表和 故障报表等。报表可以自动打印，也可以由操作员启动打印。 2 2 3 轧机控制子系统 轧机控制子系统是过程自动化级的核心，主要内容设定为设定模型、在线控制模型和 自学习模型。设定模型如轧机组设定计算等。在线控制模型如穿带自适应，热轧带钢的钢 卷温度在线控制。自学习模型如各种设定模型参数的自学习等。 ( 1 ) 设定模型 设定计算是指通过过程控制级计算机通过一系列的数学模型计算，得到的各种生产设 备的设定值或设定方式【2 引。设定是只通过过程监控系统在规定的时序将计算结果传给设备 监控管理系统。 通过数学模型提高轧制参数的预设定精度是一项根本性的措施。预设轧制参数主要包 括粗轧的道次数的设定、弯辊力的设定、轧制力的设定、轧制速度的设定、轧件温度的设 定、辊缝的设定、压下位置的设定等。预设定计算以数学模型为核心，数模结构设计和模 型系数与实际情况的接近度对设定计算都有重要的影响。数模结构一旦设定，如果调整一 般都很慎重，但对于模型系数的调整则是需要根据轧制条件经常变化，以使数学模型能够 处于最佳工作状态。 当一根钢带准备轧制的时候，或者说当带钢进入轧机辊缝前，根据产品的工艺要求如 带钢的厚度、宽度、材质、压下量等参数，结合设备参数如轧辊直径、辊面粗糙度等数据， 需要预先设置轧机的轧制参数。而且还要对于轧制过程中的因一些因素造成的产品缺陷， 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 进行相关调节机构调节量的预先设置，例如轧机板形调控机构的调节量，如工作辊弯辊多 大、c v c 横移多大等。根据各调控手段的数量和各自特点，确定调节的先后顺序或称为优 先权、初值和极限值，合理搭配以实现最佳的补偿修正。 ( 2 ) 在线控制模型 轧制过程中实际带钢性能与计算中存储的性能参数不可能完全一致，这时必须随时随 地根据实际测量数据去估计这些参数的当前值，逐步修正计算机中所存储的性能参数，使 随后的控制更精确。 当条件或被控对象中某些参数发生变化时，则系统的性能指标或稳定性能会有所下 降，甚至显著下降，使原本稳定的系统不能正常工作。因此希望系统具有自适应能力，当 条件或参数发生变化时，系统能按变化的情况自动修正某些环节及其参数，使系统能继续 稳定工作，并达到最优性能指标，具有这种能力的系统：自适应控制系统。 ( 3 )自学习模型 因为设备长时间的工作，系统中的有些参数会发生漂移，偏离模型原来的工作点，即 加工工艺的实测参数和设定参数之间出现偏差，偏差的加大会降低加工工艺的精