0 引言

    鋼鐵企業(yè)中鐵區(qū)主要包括原料、煉焦、燒結(jié)、高爐等生產(chǎn)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(chǎn)環(huán)節(jié)之一。為了實現(xiàn)從原料進(jìn)廠到鐵水產(chǎn)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(dá)到鐵鋼平衡，從而提高原燃料管理和生產(chǎn)管理水平，同時為了給原料采購、產(chǎn)品銷售、成本核算、生產(chǎn)指標(biāo)統(tǒng)計等管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及為進(jìn)一步降低原燃料成本提供依據(jù)，因此建設(shè)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(shè)鐵區(qū)MES時，我們常會碰到由于鐵區(qū)各工序建設(shè)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(chǎn)節(jié)奏較慢因而對過程控制響應(yīng)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(shè)開發(fā)鐵區(qū)MES時，經(jīng)常需要直接從L1基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)獲取生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)并進(jìn)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(xiàn)整個鐵區(qū)的管理、控制和協(xié)調(diào)工作。以下以寶鋼不銹鋼有限公司鐵區(qū)的應(yīng)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(gòu)

    本著先進(jìn)、實用的原則，MES著重于及時采集原料消耗、主要設(shè)備狀態(tài)、工藝操作參數(shù)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)和產(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)情況，同時為上層ERP系統(tǒng)提供實際數(shù)據(jù)。

    典型的鐵區(qū)計算機信息系統(tǒng)一般分為3級：L1基礎(chǔ)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(fù)責(zé)區(qū)域生產(chǎn)管理和調(diào)度執(zhí)行，是處于計劃層(企業(yè)ERP)和現(xiàn)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(chǎn)銷ERP系統(tǒng)連接，向下與鐵區(qū)內(nèi)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(chǎn)線。典型的MES數(shù)據(jù)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(xiàn)MES中各項應(yīng)用功能。

    寶鋼不銹鋼有限公司鐵區(qū)經(jīng)過大規(guī)模的技術(shù)改造，在生產(chǎn)過程控制及優(yōu)化等自動化應(yīng)用方面已具備良好的基礎(chǔ)，其中一部分工序已經(jīng)完成了L2系統(tǒng)的建設(shè)，但由于燒結(jié)工序中的2#和3#燒結(jié)機建設(shè)較早，因此當(dāng)時沒有設(shè)L2系統(tǒng)。在鐵區(qū)MES建設(shè)時，為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)在統(tǒng)一平臺上的展現(xiàn)，以方便管理者及時掌握所有現(xiàn)場生產(chǎn)情況，采用鐵區(qū)MES與2#和3#燒結(jié)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(chǎn)實績的方式，最終實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)屬于管理網(wǎng)，與L1系統(tǒng)所處的控制網(wǎng)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(wǎng)和L3管理網(wǎng)之問增加通信用接口服務(wù)器，負(fù)責(zé)從L1系統(tǒng)PLC和DCS中定周期或非周期性地采集生產(chǎn)工藝實時數(shù)據(jù)，同時在接口服務(wù)器的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中按照工藝要求和設(shè)定的周期進(jìn)行保存。此接口服務(wù)器采用雙網(wǎng)卡方式連接控制網(wǎng)與管理網(wǎng)，從而實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 鐵區(qū)MES功能

    鐵區(qū)MES功能一般劃分為生產(chǎn)計劃管理、原燃料計劃管理、配料管理、生產(chǎn)實績管理、物料管理、質(zhì)量管理、鐵水調(diào)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(chǎn)實績管理模塊與鐵區(qū)各工序L2系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)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(chǔ)數(shù)據(jù)，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(shù)設(shè)定、跟蹤監(jiān)視、過程數(shù)據(jù)收集整理、過程控制的數(shù)學(xué)模型應(yīng)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(shù)據(jù)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(jié)機沒有設(shè)L2系統(tǒng)，因此要求鐵區(qū)MES實現(xiàn)L2所承擔(dān)的部分功能。

    (1)功能擴(kuò)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(chǔ)數(shù)據(jù)收集及整理等功能。結(jié)合燒結(jié)L2，主要擴(kuò)展功能為：1)跟蹤監(jiān)視。實時跟蹤整個燒結(jié)工藝的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，對原料配比的變更，料層、點火強度及水分的調(diào)整等設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤；動態(tài)更新和記錄過程狀態(tài)和趨勢，當(dāng)前趨勢顯示預(yù)定短時問范圍內(nèi)測量值的變化，歷史趨勢顯示長時問范圍內(nèi)測量值的變化，使得操作人員通過趨勢變化能夠判斷燒結(jié)機工作狀態(tài)，以便及時調(diào)整工藝參數(shù)。2)燒透點計算。根據(jù)風(fēng)箱溫度，做出二次平滑曲線，從而計算料層燒透點。3)生產(chǎn)設(shè)備管理。統(tǒng)計破碎、篩分、冷卻等設(shè)備的運轉(zhuǎn)事件及累計生產(chǎn)量，記錄燒結(jié)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(wù)器上實現(xiàn)，包括與2#和3#燒結(jié)PLC／DCS進(jìn)行商接通信以及與外圍系統(tǒng)(地磅、檢化驗)進(jìn)行通信，且所有通信要求穩(wěn)定可靠，這是系統(tǒng)實現(xiàn)的技術(shù)難點。

    (3)數(shù)據(jù)保存和備份。為安全起見，2#和3#燒結(jié)PLC／DCS上傳鐵區(qū)MES的所有數(shù)據(jù)都要求進(jìn)行保存并定期備份。

    (4)操作方面。原需在L2作業(yè)的客戶現(xiàn)在由系統(tǒng)授權(quán)在鐵區(qū)MES的客戶端上作業(yè)，現(xiàn)場操作人員通過運行MES客戶端上的人機界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)定及報表的查看和打印，如燒結(jié)原料配比在MES客戶端上設(shè)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(chǎn)控制。由于鐵區(qū)MES需要L2支撐的功能主要是過程數(shù)據(jù)的收集和整理，因此下面重點介紹硬件和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計以及數(shù)據(jù)采集和處理。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 硬件及網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

    系統(tǒng)采用PC接口服務(wù)器和Redhat Linux操作系統(tǒng)。為防止上傳數(shù)據(jù)丟失，采用磁盤陣列和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(或?qū)崟r數(shù)據(jù)庫)對上傳鐵區(qū)MES的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和備份。

    接口服務(wù)器向下與L1系統(tǒng)中的PLC和DCS通信并采集相應(yīng)數(shù)據(jù)，一般可通過標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議如TCP／IP和OPC與PLC和DCS的上位機進(jìn)行通信，或使用常用工業(yè)串行協(xié)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(shù)據(jù)后，按工藝需求對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核處理，并按要求保存在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中。接口服務(wù)器向上與鐵區(qū)MES進(jìn)行數(shù)據(jù)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(wù)器按鐵區(qū)MES數(shù)據(jù)要求組織數(shù)據(jù)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(wù)器獲取所需數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用電文通信方式。

    值得注意的是，由于接口服務(wù)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(xiàn)基于L1系統(tǒng)的鐵區(qū)MES的基礎(chǔ)。受L1系統(tǒng)設(shè)備投入較早、L1系統(tǒng)設(shè)備品牌差異等因素影響，并非所有L1系統(tǒng)設(shè)備都能提供常用的標(biāo)準(zhǔn)通信接口，許多接口采用L1電氣公司專用的通信技術(shù)，因此要開發(fā)專用的數(shù)據(jù)通信接口技術(shù)難度較大，需要相應(yīng)L1電氣公司提供相關(guān)技術(shù)資料或技術(shù)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(jìn)行軟件或硬件的升級改造，這樣風(fēng)險大而且費用高。因此，如果u 系統(tǒng)沒有提供標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，也無法通過軟、硬件的升級改造來實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)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(xiàn)數(shù)據(jù)通信，同時確保數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定。所以若L1系統(tǒng)無標(biāo)準(zhǔn)通信接口也無其他相應(yīng)通信技術(shù)支持，則無法采用接口服務(wù)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(wǎng)與L1控制網(wǎng)在物理上已經(jīng)實現(xiàn)連通，為了保證網(wǎng)絡(luò)安全，特意對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行分析改進(jìn)，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(wǎng)卡結(jié)構(gòu)，一塊網(wǎng)卡與L1控制網(wǎng)連接，另一塊網(wǎng)卡通過交換機與鐵區(qū)MES服務(wù)器所在L3網(wǎng)絡(luò)連接；(2)在接口服務(wù)器與鐵區(qū)MES服務(wù)器之間直接加裝防火墻，起到 管理網(wǎng)與L1控制網(wǎng)隔離的作用；(3)接口服務(wù)器建議采用非Windows系統(tǒng)。

3.2 數(shù)據(jù)采集及處理

    在硬件層面實現(xiàn)與Ll基礎(chǔ)控制系統(tǒng)直接通信后，還必須確定需要采集的數(shù)據(jù)以及對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，以替代L2中的部分功能，從而滿足鐵區(qū)MES生產(chǎn)實績模塊應(yīng)用的要求。

    3.2.1 數(shù)據(jù)采集

    雖然各工序工藝差異而使數(shù)據(jù)采集的內(nèi)容略有不同，但主要內(nèi)容是相同的，包括各工序料倉(槽位)設(shè)定信息、料倉(槽位)料位信息、原料消耗實績、工藝操作參數(shù)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)參數(shù)、原料投入產(chǎn)品產(chǎn)出計量(工藝秤)和設(shè)備狀態(tài)信息等。2#和3#燒結(jié)L1系統(tǒng)主要收集的數(shù)據(jù)包括：

    (1)燃料及熔劑破碎系統(tǒng)數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)。

    (2)配料系統(tǒng)數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)。

    (3)燒結(jié)機系統(tǒng)數(shù)據(jù)。主要收集鋪底料礦槽、點火爐、臺車、風(fēng)箱、煙道、空氣、煤氣和助燃風(fēng)機等設(shè)備的溫度、壓力和流量等工藝實時過程參數(shù)。

    3.2.2 數(shù)據(jù)處理及確認(rèn)

    從L1采集來的數(shù)據(jù)都是實時數(shù)據(jù)，必須對相應(yīng)數(shù)據(jù)按小時、班、日的頻率進(jìn)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?zé)�結(jié)生產(chǎn)過程參數(shù)。同時對較敏感的統(tǒng)計用數(shù)據(jù)還必須進(jìn)行畫面確認(rèn)，以確保各類數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。需要確認(rèn)的數(shù)據(jù)包括：(I)原燃料消耗數(shù)據(jù)，包括作業(yè)日期、生產(chǎn)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(jié)礦產(chǎn)量數(shù)據(jù)，包括作業(yè)日期、生產(chǎn)班次、單元號、燒結(jié)產(chǎn)量。(3)燒結(jié)停機數(shù)據(jù)，包括作業(yè)日期、生產(chǎn)班次、單元號、停機開始時間、停機結(jié)束時問、停機時問、停機原因、完成標(biāo)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(fù)壓、鋪底料量等工藝操作參數(shù)。(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(zhì)消耗。

4 結(jié)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(chǔ)自動化系統(tǒng)直接通信，以獲取生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)的方式，實現(xiàn)鐵區(qū)MES對部分工序不設(shè)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(chǎn)實績模塊中人工輸入數(shù)據(jù)的缺陷，其提供的數(shù)據(jù)完全能滿足鐵區(qū)生產(chǎn)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(shè)L2系統(tǒng)情況下建設(shè)鐵區(qū)MES的可能性。

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本文標(biāo)題：基于L1基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)的鐵區(qū)MES的實現(xiàn)

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