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东北大学硕士学住论文a b s t r a c t 中板厂综合过程自动化系统的研究与开发 摘要 综合过程自动化系统是一种利用网络技术、通信技术及计算机技术对生产现 场设备进行统一管理和协调控制的系统，可以获驳加工历程数据，调节生产节奏， 共享生产信息。本文以某中板厂综合过程自动化项目为研究背景，对综合过程自 动化系统的钢板自动跟踪、网络连接和数据通信等进行了研究。研究内容和主 要结果如下： ( 1 ) 实现钢板自动跟踪。整个生产线分成加热炉炉区、轧制区、控制冷却 区、一号冷床出口区、精整区及检验台六个跟踪区域，通过各区域采集f l , j g 号柬 角i 发跟踪事件，收集全线各种生产信息，_ 进行生产实时监控和调度远程监视等。 ( 2 ) 建立以工业以太网为主干的计算机网络。它是一个以工业以太网为主 干的环型混合网络，网络联结方式有现场总线和工业以太网。网络中包括多台不 同型号的s 7 - p l c 、两台用于过程控制和数据库操作的c o m p a q 服务器、w i n c c 服 务器和客户机、i f i x 服务器和客户机及其它的工业控制计算机。 ( 3 ) 采集和处理多种复杂信号。综合过程自动化的信号来自多方面，三辊 和四辊的信号是轧机p l c 处理信号，控制冷却和矫直机的信号是热金属检测仪检 测信号，精整区的信号有摄像头图像处理信号、冷检信号及冷检与辊道方向的合 成信号等等。 ( 4 ) 应用多种数据通讯。多用户i f i x 服务器和单机版的i f i x 服务端之间 实现数据通讯是i f i x 内部的通讯方式；用于四辊和喷字打印的w i n c c 服务器与 i f i x 服务器通讯是o p c 通讯方式；w i n c c 服务器和i f i x 服务器与各处的s 7 - p l c ( 包括s 7 2 0 0 、s 7 3 0 0 和s 7 4 0 0 ) 通讯是西门子的s 7 通讯：i f i x 服务器与四 辊的摄像测宽仪通讯是w i n s o c k 端口通讯。 综合过程自动化系统在某中板厂己经投入运行，运行良好，满足项目要求， 己显现出一定的经济效益。 关键词：中厚板；网络通信：数据库；组态软件；p l c ；自动跟踪 i i 至! ! 苎童璺圭兰垒垒塞垒墼二里垒呈三 s t u d ya n de x p l o i t a t i o no fc o m p r e h e s i v e a u t o m a t i o n s y s t e mo fm e d i u mp l a t ep l a n t a b s t r a c t t h ec o m p r e h e n s i v ep r o c e s sa u t o m a t i o ns y s t e mc a l ls u p e r v i s ea n dc o n t r o ll o n e e q u i p m e n t si n t h em e d i u mp l a t e p l a n tb yn e t w o r kt e c h n o l o g y ，c o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y i t c a l lo b t a i np r o c e s sc o u r s ed a t a ，r e g u l a t e p r o d u c tr h y t h e ma n ds h a r ep r o d u c ti n f o r m a t i o n ，r e s e a r c ht h ep l a t ea u t o m a t i ct r a c k ， n e t w o r kc o n n e c t i o n sa n dd a t at r a f f i co ft h ec o m p r e h e n s i v ep r o c e s sa u t o m a t i o ns y s t e m o nt h eb a s eo fo n em e d i u mp l a t ep l a n t sc o m p r e h e n s i v ep r o c e s sa u t o m a t i o ni t e mi n t h i sp a p e r t h er e s e a r c hc o n t e n t sa n dm a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) r e a l i z i n gp l a t ea u t o m a t i ct r a c k t h ew h o l ep r o d u c tl i n ei sd i v i d e di n t os i x t r a c kr e g i o n sa sh e a tf u r n a c er e g i o n ，r o l l i n gr e g i o n ，c o n t r o lc o o l i n gr e g i o na n ds oo n t r a c ke v e n t sa r es p r i n g e db ys i g n a l sg a t h e r e di nt h ee v e r yr e g i o n b yp l a t ea u t o m a t i c t r a c k ，g a t h e r i n gp r o d u c ti n f o r m a t i o ni n t h ew h o l ep r o d u c tl i n e ，r e a lt i m es c o u n t i n g a n dc o n t r o l l i n gm a n u f a c t u r e ，s c o u n t i n gl o n g d i s t a n c ea t t e m p e ra n ds oo n ( 2 ) f o u n d i n gc o m p u t e rn e t w o r kw h o s et r u n kn e t w o r ki si n d u s t r ye t h e r n e t n e t w o r k i ti sar i n gm i xn e t w o r k t h e r ea r et w on e tc o u p l i n gm o d e sw h oa r ei n d u s t r y e t h e m e ta n df i e l d b u s t h e r ea r em a n yd i f f e r e n tt y p es 7 p l c t w oc o m p a qs e r v e ra n d c l i e n t s ，i f i xs e r v e ra n dc l i e n t s ，a n do t h e ri n d u s t r yc o n t r o lc o m p u t e r s ( 3 ) g a t h e r i n ga n dd i s p o s i n gm a n yk i n d so fc o m p l e xs i g n a l s s i g n a l si n t h e c o m p r e h e n s i v ep r o c e s sa u t o m a t i o ns y s t e mc o m ef r o mm a n yw a y s f o re x a m p l e ， s i g n a l si nt h et h r e er o l l e ra n df o u rr o l l e rm o s t l yi ss i g n a l sd i s p o s e db yr o l l i n gm i l l p l c ，s i g n a l si nt h ec o n t r o lc o o l i n gs y s t e mc o m ef r o mh e a tm e t a lc h e c ki n s t r u m e n t ， t h eb a c ks i g n a l s ，s o m ef r o mi m a g ed i s p o s i n g ，s o m ef r o mc o l dm e t a lc h e c ki n s t r u m e n t a n do t h e ri sm i xs i g n a lf r o mc o l dm e t a lc h e c ki n s t r u m e n t a n dr o l lw a y , a n ds oo n ( 4 ) a p p l y i n gm a n yk i n d so fd a t at r a f f i c d a t at r a f f i cb e t w e e nm u l t i u s e ri f i x s e r v e ra n ds t a n d a l o n ei f i xs e r v e ri sc o m m u n i c a t i o nm o d eo fi f i xi n n e r ；t h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e ni f i xs e r v e ra n dw i n c cs e r v e rw h i c hi su s e di nf o t i tr o l l e r l i 耋i ：垄童丝圭茎竺釜耋垒墼：坠呈三 a n d p r i n t e r i so p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) c o m m u n i c a t i o nm o d e ：t h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e ne v e r ys 7 - p l c ( i n c l u d i n gs 7 2 0 0 s 7 3 0 0a n ds 7 - 4 0 0 ) a n d w i n c cs e r v e ro ri f i xs e r v e ri ss i e m e n ss 7c o m m u n i c a t i o nm o d e ；t h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e ni f i xs e r v e ra n di m a g ec h e c k w i d t hi n s t r u m e n ti sw i n s o c k p o r tc o m m u n i c a t i o n n o wt h ec o m p r e h e n s i v ea u t o m a t i o ns y s t e mi sr u n n i n ga n dr u , n sw e l li no n e m e d i u mp l a t ep l a n t i tm e e t sw i t hi t e mn e e da n dh a ss h o w ns o m ee c o n o m yb e n e f i t k e yw o r d s ：m e d i u ma n dh e a v yp l a t e ；n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ；d a t a b a s e c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ；p l c ；a t u o m a t i ct r a c k 东北大学硕士学位论文 声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：物 日 期：玎z 夕g 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期：乃移 ) - 彩 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学住论文 1 绪论 1 绪论 1 1 工业自动化的发展概况 1 1 1 简单控制系统 在二十世纪六十年代以前，当时工业生产规模相对较小，工业生产基本上实 现了饥碱化，工业过程控制主要采用常规仪表( 电动、液动) 构成的简，社的控制 系统如单回路单参数控制系统，控制的主要目的是佼生产安全、平稳。 到了六卜年代初，计算机开始用于工业控制利监僭，由于受到当时计算机技 术的限制，基本上是用一台计算机对整个生产流程、生产线进行控制，这就足计 算机集中控制。当时计算机硬件和软件的可靠性郝不高，当计算机发生故障时 会危及全厂，使得危险集, 4 1 ，而且当时计算机价格比较高，一般工业尘产控制不 可能采用双机系统，所以这种汁算 ! ；l 控制系统的可靠性比较差。 1 1 2 先进控制系统 随着控制技术、计算机技术、网络通信技术及检测仪器仪表等多种技术的发 展，工业过程控制也在不断发展变化：1 9 7 4 年美国i n t e l 公司生产出第一块微处 理器，为使用计算机对工业过程进行控制创造了条件。为了改善集中式计算机控 制系统的不足，人们设想用多台微处理器来代替一台大型计算机完成对生产过程 的控制，并将计算机安装在离被控对象很近的地方，把各台微处理机用计算机网 络连接起来，从而形成一个完整的控制系统。在系统中，一台微处理机只控制少 数几个回路，若出现故障，也只影响少数几个回路，这样使得危险分散，系统的 可靠性大提高。这种控制系统即为分散型综合控制系统，又称集散控制系统，简 称d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 。最早提出这种设计思想的是美国的 h o n e y w e l l 公司，并在1 9 7 5 年1 2 月正式向市场推出了世界第一个集散系统 t d c 一2 0 0 0 。集散控制系统自产生后，随着半导体技术、显示技术、网络技术和 软件技术的发展而不断地更新换代j 。 到了二十世纪8 0 年代末9 0 年代初，由于网络技术的发震，现场总线技术蓬 东北大学硕士学住论文l 绪论 1 绪论 1 1 工业自动化的发展概况 1 1 1 简单控制系统 在二十鲢纪六十年代以前，当时工业生产规模相对较小工业生产基本上实 现了肌扣戊化，工业过程控制主要采用常规仪衰( 电功、液动) 掬成的简，社的控制 系统如单回路单参数控制系统，控制的主要目的足使生产安全、平稳。 到了六卜年代初，计算机开始用于工业控制利监懵，由于受到当时计算机技 术的眼制，壁本上是用一台汁算机对整个生产流程、生产线进行控制，这就是计 算机集中控制。当时计算机硬件和软件的可靠性都不高，当计算机发生故障时 会危及全厂，使得危险集中，而且当时计算机价格比较高，般工业生产控制不 可能采用双机系统，所以这种汁算机控制系统的可靠性比较麓。 1 1 2 先进控制系统 随着控制技术、计算机技术、网络通信技术及检测仪器仪表等多种技术的发 展，工业过程控制也在不断发展变化：1 9 7 4 年美国i n t e l 公司生产出第一块微处 理器，为使用计算机对工业过程进行控制创造了条件。为了改善集中式计算机控 制系统的不足，人们设想用多台微处理器来代替一台大型计算机完成对生产过程 的控制，并将计算机安装在离被控对象很近的地方，把各台微处理机用计算机网 络连接起来，从而形成一个完整的控制系统。在系统中，一台微处理机只控制少 数几个回路，若出现故障，也只影响少数几个回路，这样使得危险分散，系统的 可靠性大提高。这种控制系统即为分散型综合控制系统，又称集敖控制系统，简 称d c s ( d i s t i l b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 。最早提出这种设计思想的是美国的 h o n e y w e l l 公司，并在1 9 7 5 年1 2 月正式向市场推出了世界第一个集散系统 t d c 一2 0 0 0 。集散控制系统自产生后，随着半导体技术、显示技术、网络技术和 软件技术的发展而不断地更新换代。 到了二十世纪8 0 年代末9 0 年代初，由于网络技术的发展，现场总线技术蓬 到了二十世纪8 0 年代末9 0 年代初，由于网络技术的发展，现场总线技术蓬 东北大学硕士学位论文l 绪论 勃发展起柬。现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向 串行多点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的低层控制网络。 它是现场通信网络与控制系统的集成。现在己经有数个现场总线标准，在世界范 围内响力比较大的有：基金会现场总线、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、c a n 及h a r t 等。现场总线导致了传统控制结构的变革，形成了新型的网络集成式全分布控制 系统即：现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。现场总线控制系统 突破了集散控制系统d c s 中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷， 把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，即可以把 来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备，通过现场总线网络连接成系 统，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备 本身便可实现基本控制功能。 1 1 3 综合自动化系统 随着市场竞争的不断升级，信息技术的迅速深入和广泛应用以及计算机技术 和工业过程控制工具的发展，企业人员和自动化领域的人们越来越深入地探索着 一种崭新的j j i f 景：管理和控制一体化或分布式控制信息系统即综合自动化系统。 通过综合自动化系统提高产品质量，降低产品成本，实现全厂调度统一。1 9 7 3 年美国h a r r i n g t o n 博士提出一种称为c i m 的概念1 2 】，是一种用于组织、管理生产 的哲理、思想和方法，人们把体现这种思想的工程系统称为c i m s ( c o m p u t e r i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 。由于c i m 首先在机械工业中得到应用，因此 人们习惯地把c i m 应用于离散工业中的系统称为c i m s ，即计算机集成制造系 统；而把它应用于过程工业中的系统称为c i p s 即计算机集成生产系统，也就是 综合自动化系统。 1 2 现代钢铁行业自动化系统 钢铁生产过程是一种极其复杂的过程，既有小批量生产过程又有连续生产过 程，因此只能用总体信息采集、分析、报表和指令系统，才能得到有效的控制。 这样，钢铁厂的自动化系统应该是一种集成的开放式的结构，这种结构很容易扩 展，增加功能 3 1 。它的各个子系统都是用一种标准的高速网络连接起来的，以便 使各个过程控制器之间以及不同的自动化级别之间很容易进行数据交换。 东北大学硕士学位论文1 绪论 ( 1 ) 一级系统基础自动化 基础自动化系统由可编程控制器( p l c ) 和建立在p c 基础上的工作 站所组成。其任务是完成对各种设备的监测、控制和调节。通过输入输 出信号接口来完成一级系统与仪表及生产现场的数据通信，所传输的信 号包括数字信号、模拟信号和串行信号。在一级基础自动化系统中设有 人机界面( h m i ) 。 ( 2 ) 二级系统过程控制 在二级过程控制系统中设过程控制器，其功能是对生产过程进行中 心控制、监视和指导，以及使某些生产设备( 一般为主体没备) 实现过 程最佳化。二级过程控制系统通过一个高性能计算机网络从三级生产管 理和工厂调度系统接收计划数据，同时将用于长期存贮的数据传送到三 级系统。二级过程控制系统从一级基础自动化系统中读取实际生产过程 数据，并将预设定值送达到一级自动化系统，即进行所谓设定值控制。 在每一个生产过程结束时，将一组完整的生产数据报告给三级生产管理 和工厂调度系统。 ( 3 ) 三级系统生产管理和工厂调度 这一级的主要任务是：进行生产调度，以便在设备使用最佳化的条 件下，尽量缩短整个工厂各台设备的运行时间，即用最短的生产时间取 得堤佳的生产效果；在生产设备状态发生变化的情况下使生产计划适应 此变化了的情况；对钢厂内的每台生产设备做好协调配合：编制完整的 生产报表；完成质量控制任务。将所编制出的生产计划下达n - - 级过程 控制系统。三级系统从四级管理系统接收初步的生产计划，而将生产数 据和重要的生产事件发送到四级管理系统。 ( 4 ) 四级系统翎铁厂管理 这一级是钢铁管理的主干，用以完成全厂的控制和管理，包括从外 部接收订货单，为钢铁厂内每个车间编制初步生产计划，搜集有关生产 情况的信息。 1 3 课题的研究背景 我国已经是个钢铁大国，但不是钢铁强国。工艺装备落后是其重要制约园素。 据统计，重点和地方骨干企业中，按生产能力计算，达到国际水平的装备，炼铁 东北走学硕士学位论文1 绪论 只占2 5 ，烧结占8 ，机械化焦炉占7 9 ，转炉占9 4 ，电炉占9 7 ，轧机占 1 1 3 。其中基础自动化不足2 0 ，过程自动化只占1 4 ，管理自动化还在蹒跚 学步【4 i 。面对新世纪和进入w t o 以后的现实，我国钢铁企业在建立现代企业制 度的同时，必须下大力气改变工艺装备落后的现状，而采用自动化技术装备是增 强企业竞争力的必然选择。 当前，我国的钢铁工业f 处在发展的兴旺时期，同时随着国外钢铁企业的进 入，钢铁行业的竞争也变得更加激烈。正所谓“居安思危”，在钢铁行业一片火红 的情况下，不能只顾眼前的利益而无视隐藏在背后的危机。现在己经是集约型经 济时代了，盲目地扩大再生产、盲目地追求产量，必遭淘汰。提高产品性能价格 比，加强市场竞争能力才是企业发展的必由之路，可持续发展刊是企业生存的根 本。 有许多有识之士己认识到这个问题，纷纷提出钢铁企业要进行生产设备改 造、技术更新和员工培堋等方面的革新。但是由受到企业内部各种原因的影响， 如：资金短缺、企业领导的思想保守、人力不足等等，真正进行的技术更新并不 是很多。目f ； ，国内只有少数几个钢厂( 如宝钢) 完成了全面的技术改备更新， 甚至达到困际水平，世商一些钢厂进行了设备更新、局部的技术改造。其他的许 多钢铁公司或多或少地也酝酿一些技术变革，这是大势所驱。 在这个前提下，某中板厂顺应时代的发展，不甘落后，投入大量的资金，大 刀阔斧地进行技术和设备的改造，技术方面如中厚板的h a g c ( h y d r a u l i c a u t o m a t i cg a u g ec o n t r 0 1 ) 系统、中厚板的轧制计算机过程控制系统和快速冷却 计算机过程控制系统等；更新轧线上的圆盘剪、定尺剪、自动喷字打印机等设备， 使得生产过程更加顺畅，为自动化更多的参与生产控制创造了条件。综合过程自 动化项目也是在这种背景下提出的。 某中厚板厂综合过程自动化系统是在现有的基础自动化、过程控制自动化的 基础上，运用现代高度发达的网络技术、信息技术将各个生产单元连成一个有机 的整体，再结会数据库技术达到最终的综合信息的集成。由于受厂内当前技术条 件所限，某中板厂综合过程自动化系统是一个只涉及生产执行部门的局部的综合 自动化系统。 东北大学硕士学位论文l 绪论 1 4 课题研究的目的和内容 1 4 1 研究目的 本文以某中板厂综合自动化系统研制与开发项目为研究背景，研究综合过 程自动化系统对生产现场孤立的设备进行统一管理和协调控制，获取加工历程数 据，调节生产节奏，共享生产信息，跟踪生产过程中钢板的当前状态。结合硬件 和软件两方面来实现全线坯料自动跟踪、调度远程监视及离线数据分析。 1 4 2 研究内容 本论文结合计算机网络技术、通信技术与钢铁行业自动化的特点，研究和设 计中厚板的综合过程自动化系统。采用组态软件w i n c c 、i f i x 及v b 进行软件 设计，该系统以基础自动化、过程自动化为基础进行进一步的系统集成，充分发 挥自动化对生产的积极作用。本文讨论的主要内容如下： ( 1 ) 在查阅大量国内外文献的基础上。综述了工业自动化的概况及在钢铁行 业的应用现状。对某中板厂的自动化概况进行了介绍，主要有三个部分组 成：基础自动化，过程控制自动化及综合过程自动化。 ( 2 ) 分析钢板自动跟踪。整个生产线分成加热炉炉区、轧制区及控冷区等六 个跟踪区域，通过各区域采集的信号来触发跟踪事件，收集全线各种生 产信息，进行生产的实时监控和调度远程监视等。 ( 3 )建立以工业以太网为主干的计算机网络。一个以工业以太网为主干的环 型混合网络，其网络联结方式有现场总线和工业以太网。网络中包括多 台不同型号的s 7 - p l c 、两台用于过程控制和数据库操作的c o m p a q 服 务器、w i n c c 服务器和客户机、i f i x 服务器和客户机及其它的工业控制 计算机。 ( 4 )对采集和处理的多种复杂信号进行分析和处理。实现钢板在轧线上的跟 踪，综合过程自动化的信号来自多方面，三辊和四辊的信号是轧机p l c 处理信号，控制冷却和矫直机的信号是热金属检测仪信号，精整区的信 号有摄像头图像处理信号、冷检信号及冷检与辊道方向的合成信号等等。 东北大学硕士学位论文 l 绪论 ( 5 ) ( 6 ) 研究现场所应用的多种数据通讯。多用户 f i x 服务器和单机版的i f i x 服务端之间实现数据通讯是i f i x 内部的通讯方式：用于四辊和喷字打印 的w i n c c 服务器与i f i x 服务器通讯是o p c 通讯方式；w i n c c 服务器和 i f i x 服务器与各处的s 7 p l c ( 包括s 7 2 0 0 、s 7 - 3 0 0 和s 7 - 4 0 0 ) 通讯是 西门子的s 7 通讯：i f i x 服务器与四辊的摄像测宽仪通讯是基于t c p i p 的w i n s o c k 端口通讯。 结合生产的实际需要研究监控界面的设计，要求设计的界面朴素、美观， 操作方便，各画面切换时间短，画面刷新速度快。文中列出部分现场实 际应用的画面。 东北犬学硕士学位论文 2 信息采集与数据库设计 2 某中板厂自动化的概况 2 1 某中板厂基础自动化系统 某中板厂的基础自动化是根据生产设备分块进行的，具体设备布置情况如 图2 1 所示 i + l 厂巨巫 _ e 亟) _ 匦) 刮垂 il 图2 1 某中板生产现场设备布置示意图 f ! g 2 1 s k e t c hd i s p o s i n gm a po f e q u i p m e n to f o n em i d i u mp l a t ep l a n t 从图2 1 可以看出，全线基础自动化分为：加热炉部分、三辊轧机部分、四 辊轧机部分及控制冷却装置部分等。在基础自动化中，硬件设备是必不可少的， 如：传感器、继电器、熔断器及滤波器等。 在某中板厂基础自动化中较为重要的两个部分为轧机基础自动化和控冷基 础自动化，轧机基础自动化主要进行辊缝设定、a g c 控制和辊道控制；控制冷 却基础自动化用于阀门开闭控制、冷却辊道的速度和加速度控制及宽度遮蔽控 制。两者均采用s i e m e n s 公司s 7 - 4 0 0 和e t 2 0 0 m 计算机系统。s 7 4 0 0 系统通 过工业以太网与过程计算机进行数据交换，同时由c p u 4 1 6 2 d p 完成系统逻辑 控制，并与e t 2 0 0 m 通过p r o f i b u s d p 现场总线实现网络数据交换和数据采集。 下图2 2 为控制冷却p l c 结构图。 东北犬学硕士学位论文2 信息采集与数据库设计 【业以太l q 口j l 口 溅i 00 骓 瓣a 川a a a 撵d 绷撇 涧： ：f a a 俐a a i d o p s 3 0雠川难 ；l!：1 fa aaa d ：汪 图2 2 控制冷却p l c 结构图 f i g 2 2p l cs t r u c t u r em a p o fc o n t r o lc o o l i n g 2 2 某中板厂过程控制自动化系统 过程控制系统即二级计算机系统，某中板厂过程控制系统包括两部分：轧 机过程控制系统和控制冷却过程控制系统，过程计算机采用美国c o m p a q 服 务器系统( 又用作数据库服务器) 2 台，l 用1 各，镜像磁盘阵列3 + 4 0 g b ，磁 盘阵列采用r a i d 5 形式，保证数据安全；过程计算机与基础自动化级p l c 通 东北大学硕士学位论文2 信息采集与数据库设计 过工业以太网相连，同时连接有4 台终端，在四辊操作台和p c 室各2 台，用 于过程监视和控制。轧机过程机系统的主要功能是轧件跟踪、轧制规程的设定 计算、修平计算、模型的优化以及自适应。控制冷却过程机系统的主要功能是 冷却方式的确定、阀i - 3 开闭的数量和分布以及控制冷却模型的优化和自适应。 下面分别对轧机过程控制系统和控制冷却过程控制系统的系统功能作一下简单 介绍： ( 1 ) 控制冷却过程控制系统的系统功能 控制冷却过程控制系统的主要功能是通过对钢板的跟踪，于不同时刻触发 控冷模型进行运算，给出满足工艺要求的冷却方式、阀门开闭的数量和排布形 式，作为设定结果传给一级机，并从一级机获取温度、辊道速度等实际数据， 分析处理后通过自学习来优化控制冷却模型。具体实现功能如下： ( a ) 钢板的位簧及其状念跟踪： ( b ) 为冷却控制模型获取初始数据( 即p r i m a r y d a t ai n p u t ，简写为p d i ) ， 主要包括钢板身份证号，化学成分，钢种，成品厚度、宽度、长度， 开冷温度，终冷温度，冷却速度； ( c )调用冷却控制模型进行预设定、实时修正和自学习计算： ( d ) 对一缴机传来的实测温度数据进行处理，用于自学习来优化模型： ( e ) 提供数据报表、分析报告以及各种数据记录： ( f )和其它过程机、基础自动化计算机、监控终端进行数据通讯： ( g ) 具备友好的人机界面，进行操作显示、各种数据显示及人工干预， 具有事故自动诊断和自动记录、报警功能。 ( 2 ) 轧机a g c 过程控制系统的系统功能 轧机过程控制模型设定系统的主要功能是进行过程跟踪、实时数据的处理、 s l n 规程的设定计算、阶段前修正计算、道次修正计算以及自学习计算。 s l n 过程模型控制主要由过程跟踪、等待出炉确认计算、坯料测温修正计 算、阶段修正计算、道次修正计算、自学习计算六个模块组成。在这六个模块 中，自学习计算模块对本块钢不起作用，仅仅是对模型中的一些参数进行修正， 作用于下一块钢设定计算过程。而坯料测温修正计算、道次修正计算和阶段修 正计算属于- # l sj j 过程中的动态设定技术，即利用已获得的检测数据来对设定值 进行修正。另外还有一些辅助功能模块，如轧制数据在操作台上的显示，操作 台上人工干预、数据通讯、工程记录的归档以及异常情况处理等。居于核心的 是数学模型以及模型参数，它决定了轧制过程控制的精度，各个部分都是围绕 东北大学硕士学住论文2 信息采集与数据库设计 这个核心起作用的f “。 2 3 某中板厂综合过程自动化系统 某中板厂综合过程自动化系统用于向整个生产线上的设备发出生产指令， 提供工艺要求，以及收集现场设备生产数据，跟踪生产过程中钢板的当前状态。 其实现的功能具体如下： ( 1 ) 自动准确无误地生成p d i 数据； ( 2 ) 跟踪产品在生产线从坯料加热、轧制、冷却、矫直、剪切等各个工序 的状态，取代操作人员的纸单递送和电话通知； ( 3 ) 为生产调度提供实时的全线生产情况； ( 4 ) 存储产品在加热、轧制、冷却、矫直、剪切等各个工序的生产工艺参 数，建立扳坯加工历程的数据库。 ( 5 ) 对中板厂生产的钢板进行内部管理，为生产管理各部门提供其所关心 的各种生产数据： ( 6 ) 为离线分析、生产统计和生产管理提供详尽的数据支持。 综合过程自动化系统组成包括：数据库、自动化跟踪、网络与通信及人机 界面等，其中自动跟踪是综合过程自动化最核心的部分。 2 3 1 数据库 综合过程自动化系统中数据库的主要任务是把生产过程中采集的各种数据 及操作工输入的各种数据，以合理的结构存储，为各种应用提供数据存取条件， 从而使整个生产过程中的数据实现信息集成。同时对于这些数据可以进行实时 地查询、修改和删除，确保数据的正确性。综合过程自动化系统中的数据是比 较复杂的，按数据类型分为跟踪数据、工程记录数据及工艺规程数据，根据这 些数据进行数据库的设计。 2 3 2 网络 某中板厂的网络是以工业以太网为主干网的环形网络，其中包含现场总线 结构。在网络中有交换机、光纤、集线器、数据库服务器、工业控制计算机、 东北走学硕士学位论文2 信息采集与数据库设计 p l c 及其他的p c 。在此网络中有大量的数据交换，涉及到几种通讯方式如：西 门子的s 7 通讯、i f i x 之间的内部通讯及w i n s o c k 端口通信等。 2 3 3 钢板的自动跟踪 钢板自动跟踪对轧线上的轧件位置进行精确的跟踪，确保全线生产有序的 进行。根据轧线上的检测仪器和设备将跟踪分成六个不同的区域：加热炉区、 轧制区、控制冷却区、一号冷床出口区、精整区及检验台区等。每一个区域都 有来钢跟踪事件和走钢跟踪事件，事件的一般模式为信号触发运行，来钢时更 新队列和送p d 数据到人机界面，走钢时更新队列、更新人机界面上的p d i 数 据以及保存加工历程数据等。其事件的信号来源包括如下几方面：热金属检测 仪、冷检、摄像头及其它合成信号。 为提商钢板自动跟踪系统的适应性，对钢板跟踪过程出现的故障进行相应 的处理，故障处理主要包括以下三个方面：检测信号故障处理、l 墁箍故障处理 及系统战障处理。 2 4 本章小结 本章就某中板厂自动化的概况进行了介绍，主要有如下三个部分组成： ( 1 ) 基础自动化系统，其重要的两个部分是轧机基础自动化和控冷基础 自动化： ( 2 ) 过程控制自动化系统，包括轧机过程控制系统和控制冷却过程控制 系统： ( 3 ) 综合过程自动化系统，系统组成包括：数据库、自动跟踪、网络与 通信及人机界面等，其中自动跟踪是综合过程自动化系统最核心的 部分。 东北大学硕士学位论文3 信息采集与数据库设计 3 信息采集与数据库设计 将各种数据采集并分门别类地保存起来是综合过程自动化系统的一个重要 功能。在从加热炉到检验台整个生产线上涉及到相当多的数据，种类繁多，为 方便统一管理，减少不必要的数据冗余，这就需要建立一个数据库系统，能够 合理地将这些数据保存起来，可以进行实时查询、修改等操作。本章将讨论中 板生产过程中数据的采集、数据分类及数据库的设计。 3 1 数据采集 综合过程自动化系统实际上是一个数据集成的系统，其数据集成的平台是 组念软件 f i x ，它所采集的数据来自多方面：h m i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ， 人机界面) 手动输入的数据、p l c 采集的数据、过程机计算的数据及其它计算 机传来的数据等，它所采集数据类型包括：模拟量、开关量及字纷串等。 ( i ) 模拟量的采集 组态软件i f i x 的模拟量采集一般都是通过p l c ( 可编程控制器) 进行的， 先是通过现场硬件再由p l c 送到系统中去，它包括多个位霞的温度( 如出炉温 度、三辊机前机后温度、四辊机后温度、四辊轧制的各道次温度、控冷开冷温 度终冷温度及开矫终矫温度等) 、三辊四辊各道次的轧制力、三辊四辊各道次的 辊缝、机后卡量厚度和宽度、控制冷却的流量及剪切的长宽等。另外过程机( 过 程控制计算机) 的计算规程数据、其他监控计算机传来的各种数据以及入炉端 输入的p d i 数据等。而四辊机后摄像仪测宽数据比较特殊，它是通过摄像头实 时摄取图像，再通过软件处理后得到数据的。 ( 2 ) 开关量的采集 综合过程自动化系统的开关量有：各个位置的来钢信号( 一般为热检信号、 冷检信号和摄像头处理信号) 、三辊开轧终轧信号、四辊开轧终轧信号、矫直机 终矫信号、一号冷床来钢信号走钢信号、圆盘剪来钢走钢信号、定尺剪来钢走 钢信号、翻钢信号及检验台走钢信号等。冷热检信号直接通过继电器传入p l c 再到系统中去的，而摄像头处理信号是通过摄像头摄取的实时图像再经过软件 处理后得到的信号。三辊开轧终轧信号是由p l c 采集的实时模拟量( 主机电流、 东北大学硕士学位论文3 信息采集与数据库设计 辊缝) 进行综合判断得来的，四辊开轧终轧信号是出p l c 采集的实时辊缝和轧 制力综合判断得来的。而矫直机终矫信号是由矫直机正转信号加机后热检信号 综合得来的，而一号冷床来走钢信号是由出口辊道信号加摄像头处理信号综合 得来的。每一个信号采集不是相同的，一般都经过p l c 处理的，并且对于每个 信号的采集位置也有严格的要求。例如一号冷床两个出口各有一个摄像头作钢 板检测信号的采集，对其信号采集点的位置上有一定的要求，必需要靠近一号 冷床的两个出口，而且还应该是非常近，因为这个位置经常有钢板停滞。 ( 3 ) 字符串 综合过程自动化中的字符串变量主要是手动输入的，主要包括如下几类： 钢板的i d 号即钢板的身份证号、钢板的批次号、钢板的钢种、操作员名称等。 3 2 数据分类 整个轧线的m - r 历程数据及模型设定数据可以为中板厂的信息管理系统数 据库提供数据来源，方便相关信息的报表统计工作，为生产的指挥与调度提供 基础的数据来源。根据数掘的作用不同可将数掘分为三类：跟踪数据、工程记 录数据、各设备的工艺参考规程数据。 3 2 1 跟踪数据 当某块钢坯经过某台设备时，综合过程自动化程序都要为其操作台上的 h m i 提供必要的来料情况数据( p d i 数据) 。钢坯离开时，综合过程自动化程序 要将在本设备新生成的关键数据( 实测数据和过程机计算数据) 存储起来以各 为后续设备提供数据，把这些与钢板跟踪有关的数据称为跟踪数据，包括： ( 1 ) 钢坯入炉开始录入的p d i 数据。坯料的p d i 的各项数据来自于：板坯 入库单中的板坯尺寸和化学成份，生产计划中的成品尺寸、切头、切尾及切边 等；工艺工程师对加热、轧钢、冷却的要求及控制系统设计时要求的一些特殊 参数等组成。p d i 数据需要由操作员人工通过入炉h m i 输入，其中输入的p d i 数据为：铸坯号 x x ( 月号) x ( 炉座号) x x x x ( 四位顺序号) 转炉) x x ( 入炉 顺序号) x x ( 坯料来源) 、钢种( 暂定8 位) 、化学成分( c 、m n ，p ，s ，s i ，n b ，a 1 ，c r , v ，m o ，t i ) 、碳当量( 4 位) 、坯料尺寸( 厚、宽、长) 、轧制目标尺寸( 厚、宽) 、 最终目标凸度、予板数量和定尺长、成品宽度、控轧代码。这些p d i 数据在入 东北大学硕士学位论文3 信息采集与数据库设计 炉输入，在各个监视画面部显示出来，以便操作员操作参考，同时也传给过程 机进行规程计算。 ( 2 )实测数据。板料从出炉一直到检验，在这中间有许多实测数据。出炉 有出炉温度；三辊有各道次的温度、辊缝、电流等；四辊有各道次的轧制力、辊 缝、温度等：控冷有开冷温度、上出口温度、下出口温度、返红温度等：矫直机 有丌矫温度：另外还有圆盘剪、定尺剪及检验台的一些实测数掘这里就不再述 兑 了。实测数据一般实时地在操作台都有显示或在操作台的h m i 上显示出来，以 便操作员操作参考，同时也传入到过程机中以便过程机进行规程计算。 ( 3 ) 过程机计算数据。过程机计算数据一般指的是四辊轧机过程机和控制 冷卸过程机的计算数据。四辊轧机过程机数掘主要包括：道次数、各道次压下 壁、计算终轧厚度、计算轧制力等：而控制冷却过程机的数据主要包括：计算 入口温度、计算上出口温度、计算下出口温度、计算返红温度、计算流量、打 丌集管组数及所开集管位置等。过程机计算数据传给基础自动化，以控制设备 工作。 3 2 2 工程记录数据 钢坯经过轧线上的各个设备时，都有设备的加工历程数据以及一些结果数 掘。某块钢坯在某台设备上加工结束时，综合过程自动化系统要将加工历程数据 记录到s q ls e r v e r 数据库中去。 3 2 3 工艺规程数据 每台设备都有其特有工艺，这些工艺都是由中板厂的工艺员输入数据库中 的，在每个操作台上的h m i 上都可以调用这些操作工艺。综合过程自动化系统 为每台设备提供必要的标准规程库，以及操作员规程库，在界面上可实时保存和 调用，这些规程也可以由钢板的跟踪程序自动调用。 东北大学硕士学位论文3 信息采集与数据库设计 3 3 数据库设计 3 3 1 数据库系统概述 通常意义下，“数据库”这个术语是指由数据库管理系统( d a t a b a s e m a n a g e m e n ts y s t e m 简称d b m s ，或称数据库系统) 管理的数据聚集。数据管理 系统可对大量、持久的数据资源实现可靠管理和共享使用，其结构和功能与其所 基于的数据模型紧密相关。数据模型是描述现实数据管理问题的一组概念及概念 间的相互联系，如层次数据模型、网：汰数据模型、关系数据模型、面向对象数据 模型、逻辑数据模型、对象关系数据模型等等【7 】。一个数据库系统应该是： ( i )亢许用户用一种叫做数据定义语言d d l