钢铁企业过程控制系统架构与集成.pdf

2023年6 月第5 卷第3 期电工钢ELECTRICAL STEELJun.2023Vol.5No.3:39 钢铁企业过程控制系统架构与集成肖钰，柯骥，张浩，王冲（武汉钢铁有限公司硅钢部，湖北武汉43 0 0 8 3）摘要：过程控制系统是一种运用于制造企业车间层的管理与控制系统，连接了上层的计划管理系统和底层的工业控制系统，通过信息传递对整个生产过程进行优化管理。在钢铁企业实施过程控制系统，需要针对流程型行业的生产特点，设计合理的软硬件架构，并进行合适的系统集成，发挥其作为钢铁企业信息中枢的重要作用。本文重点介绍硅钢过程控制系统的网络架构和软件架构，并对其使用的系统集成技术进行了分析研究。关键词：过程控制系统；系统架构；系统集成；企业信息化；智慧制造中图分类号：TG142.77文献标志码：A文章编号：2 0 9 6-7 1 0 1 2 0 2 3)0 3-0 0 3 9-0 6Architecture and integration of process control system in iron and steel enterprisesXIAO Siyu,KE Ji,ZHANG Hao,WANG Chong(Silicon Steel Department,Wuhan Iron and Steel Co.,Ltd.,Wuhan 430083,China)Abstract:Process control system is a kind of management and control system used in manufacturingenterprise shop floor.It connects the upper planning management system and the lower industrialcontrol system,and optimizes the management of the entire production process through informationtransfer.In order to implement process control system in iron and steel enterprises,its necessaryto design reasonable hardware and software architecture,and carry out appropriate systemintegration according to the production characteristics of process industry.The system plays animportant role as the information center of iron and steel enterprises.The network architecture andsoftware architecture of process control system in silicon steel department were introduced in thispaper,of which the system integration technology was also analyzed and studied.Key words:process control system;system architecture;system integration;enterpriseinformatization;intelligent manufacturing钢铁企业具有制造工序复杂、生产节奏快速、工艺变换频繁、设备种类繁多等特点，对产品生产及质量管理的要求很高。通过信息化、智能化的方法，对钢铁生产过程中的材料、设备、控制参数等信息进行集中管理和利用，可以显著地提高钢铁产品生产的质量和效益，是钢铁行业推进智慧制造的重要方向。某大型钢铁企业硅钢生产部门在智慧工厂建设过程中，以过程控制系统的建设为核心，将工厂的数字化、智能化水平提升到一个新的层次。过程控制系统(L2)是一种位于上层的计划管理系统(L3)与底层的工业控制系统（L1)之间的面向车间层的管理与控制系统。它为操作人员和管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源(人、设备、物料、客户需求等)的当前状态。L2系通信作者：肖钰（1 98 3 一），硕士，工程师；统通过信息传递，对从计划下发到产品完成的整个生产过程进行优化管理。当生产线发生实时事件时，它能对此及时做出反应和报告，并利用当前的准确数据对其进行指导和处理1。在硅钢车间实施L2系统，需要根据硅钢生产的环境、设施、需求等情况设计合理的体系架构，并在此基础上进行系统集成，实现提高生产效率、提升产品质量、支撑企业高速发展的目标。1过程控制系统的特点过程控制系统（L2)的目的在于通过实时的数据采集和分析来提供最佳的生产控制，它是工厂和管理之间的接口，强调通过信息集成来实现生产层和业务层之间的信息传递，以及优化整个企业的生产流程。L2的关键是强调整个生产过E-mail;收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 340程的优化，它需要收集生产过程中大量的实时数据，并对实时事件及时处理；同时又与计划层和控制层保持双向通信能力，从上下两层接收相应数据并反馈处理结果和生产指令。因此，L2系统不同于以下发计划为主的生产管理和以辅助的物料流为特征的传统车间控制器，也不同于偏重于以作业与设备调度为主的单元控制器，而应将L2系统作为一种生产模式，把制造系统的计划和进度安排、追踪、监视和控制、物料流动、质量管理、设备的控制和计算机集成制造接口等一体化去考虑，以最终实现智慧制造的目标2 。L2系统的特点可以总结如下：1)实时性：L2实时收集生产过程中的数据和信息，并做出相应的分析处理和快速响应。2)信息中枢：L2通过双向通信，提供横跨企业整个供应链的有关车间活动的信息。3)软硬件结合：L2是一个集成的信息化系统，是用来完成车间生产任务的各种技术和方法的集合。4)个性化差异大：L2是负责车间生产管理的系统，由于不同行业甚至同一行业的不同企业的生产管理模式都不同,因此L2的个性化差异明显。5)二次开发较多：由于L2的个性化差异明L2超融合服务器集中机房电工钢显，导致L2系统实施时，往往二次开发较多。2硅钢过程控制系统架构硅钢的生产工艺复杂，机组众多且位置分散，对过程控制的实时性和稳定性要求很高。在实施L2系统时，要保证体系架构，必须结合硅钢生产实际，降低使用者的工作量和复杂度，实现提高生产效率、提升产品质量、降低工作难度等目标。2.1网络架构及关键设备硅钢L2系统通过工业以太网连接底层的工业控制系统(L1)和上层的制造管理系统（L3,在网络规划上使用了层次化的局域网模型，将网络划分为核心层、汇集层和接人层3 。核心层使用了2 台万兆交换机，用于超融合服务器内部虚拟化网络的联通，保证数据高速、稳定地交换。汇集层网络设备部署在电气室和集中机房中，承担了访问策略控制、数据包处理、过滤、寻址和其他数据处理任务。其中边界防护设备采用IP地址NAT转换方式，为边界系统提供访问控制和人侵防范功能。接入层位于各机组操作室，部署了光纤交换机和L2终端计算机。用户在该层级对L2系统进行访问和使用。硅钢L2系统网络拓扑如图1 所示。L2汇聚交换机第5 卷至L3L2-L3交换机L1-L2交换机电气PLC柜公辅PLC柜炉燃PLC柜红外炉PLC柜DCS集中通信柜电气交换机L1-L2防火墙电气室L2边缘交换机DCS交换机L2边缘交换机头部操作室L2终端生产现场尾部操作室L2终端表检仪图1 硅钢L2系统网络拓扑称重仪孔洞仪铁损仪第3 期数据采集是L2系统的重要功能，为了实时稳定地采集机组生产过程中的工艺数据，根据硅钢计控设备使用特点，设计了DCS集中通信柜。以硅钢热拉伸平整机组为例，该机组在DCS控制方面配置了2 套西门子穴余系统和2台秤量装置，采用Y-LINK将允余网络连接到单线网络中，再通过光纤通道把炉区和公辅信号集中，最后一起通过DP/DPCOUPLER连接至DCS数据采集柜内PLC。钢卷称重仪则使用肖钰，等：钢铁企业过程控制系统架构与集成41SMART200的PLC,将称重接口转换成DP总线，连接到DCS集中通信柜。通过柜内触摸屏可以监控网络状态及设备状态，最后通过连接到电气PLC,建立完整通道。对铁损仪和孔洞仪进行了适应性改造，采用以太网通讯方式采集数据，并下发钢卷相关信息。在DCS集中通信柜内使用工业以太网交换机连接各数据源，并预留网口用于实时数据采集系统PI采集工艺数据，网络配置如图2 所示。仪控集中通讯柜触摸屏炉区DP/DP混合器光纤通道Y-LINKOLMOLMDPPIEnetDPProfinetEnetDPL1中光纤收发器中部光纤尾部交换机EnetDPEnet中小型交换机公辅Y-LINK西门子新增九余DP通讯卡CP442-5中部尾部西门子仪表柜图2 热拉伸平整机组DCS集中通信柜网络配置图根据硅钢各机组计控设备使用的不同情况，DCS集中通讯柜和各设备之间采用了不同的通信方式，总结如表1 所示。表1 计控设备数据采集通信方式汇总厂家设备名称横河炉燃PLC西门子炉燃PLC西门子公辅PLC西门子红外炉PLCY-LINK,DP/DP COUPLER横河铁损仪国产孔洞仪国产称重仪2.2软件架构与系统功能硅钢L2系统在软件上采用了浏览器/服务器(B/S)三层架构，该架构包括表示层、功能层和SMART200232转48 5二DP232钢卷秤仪表柜数据层，如图3 所示。在表示层通过L2终端计算机的浏览器对系统进行访问和操作；在功能层接受从L1、L 3 发送的电文以及从浏览器发送的人工请求，经过程序处理后将结果呈现在表示层浏览器，并可根据不同事件将相应电文发送给通信方式L1、L 3；在数据层部署了关系型数据库DB2,用于DP/DP COUPLER存储重要的生产工艺数据和控制参数。Y-LINK,DP/DP COUPLERY-LINK,DP/DP COUPLER以太网,RS232以太网以太网,RS232analog铁损柜232铁损PCL2与L1、L 3 之间的数据传输基于 TCP/IP协议，其中与L1通讯采用静态连接方式，与L3通讯采用动态连接方式。对于一些重要的电文，在被发送之前将保存在L2的通信缓冲区内，因此即使通信中断，电文也不会丢失；当通信链路重新建立后，它们将会以产生的先后次序自动重发。在建立L2 与L1、L 3 的通信过程中，使用了iXComPCS中间件，该中间件基于TCP/IP协议孔洞PC42电工钢第5 卷表示层浏览器发送请求/页面显示电气跟踪信号电气发送/接收电文DCS发送/接收电文L3发送/接收电文功能层L2业务逻辑处理iXComPCS通信中间件L2数据存取L2关系型数据库数据层图3 硅钢L2系统软件架构和对等通信程序进行数据交换，提供了统一的调据或通过L2计算、模型计算而确定。L2的软件用接口。通过该中间件可以完成高质量的实时数功能由一组承担不同任务的进程来实现，控制范据交换，并实现对通信回路的可视化管理。围从L3发送生产计划到L2、钢卷进人机组跟踪L2系统从L1（电气PLC、D CS)收集钢卷实开始，直至钢卷从出口下鞍座、生产实绩数据发送绩信息，根据物料跟踪信息，对所收集的数据进行到L3为止。L2主要包括钢卷计划管理、原始数处理（MAX,MIN,AVE等）。根据钢卷焊缝跟踪据管理、钢卷人口及出口跟踪、预设定数据管理、位置,L2系统对 L1(电气 PLC、D C S)进行参数设生产实绩收集及处理、通信管理、报警日志等功定，设定值根据L2内的预设定表格、L3的原始数L2服务器能。L2系统功能流程如图4所示。制造管理系统（L3）过程控制系统（L2）与制造管理系统通讯报警计划管理钢卷跟踪日志实绩数据收集与处理停机通讯管理管理预设定数据管理与基础自动化系统通讯电气自动化系统（LI）图4硅钢 L2系统功能流程图DCS系统(LI)第3 期3系统集成技术的应用硅钢L2系统根据企业需求和生产经营特点，通过系统集成技术扩展了系统功能、扩大了应用范围，为实现企业智慧制造奠定了基础。3.1显示集成显示集成将用户界面作为公共的集成点，把在战生产出口印象拉酒名入口8 号准口特号KmShear2400388124003881556724003881240038815672歌机2W3D小车2谷机LPORLentntSpeed4121046702pPORLen钢状况内郎卷号240038811617240038813.2应用集成应用集成在功能层上对系统进行集成，集成点在程序代码中，可将多个应用系统进行绑定，实现多个系统功能的叠加4。硅钢生产需要一系列应用来支撑，将这些应用数字化并集成在L2系统中，可以进一步扩充L2功能，提升系统应用价值。在硅钢L2系统中集成了设备管理、圆盘剪管理、涂辊管理、氧化镁管理等应用，实现了对备件材料等的信息化管理。3.3业务集成随着智慧制造战略的推进，硅钢未来将建设更多信息化、智能化系统，新的业务流程将产生大量信息和数据。L2系统作为信息中枢，通过收集、交互、集中数据，将硅钢各信息系统进行整合，实现业务集成。在L2系统中预留了智慧制造相关接口，可以与自动贴标机、无人自动行车系统(UACS)、行车定位跟踪系统(CLTS)等进行数据交互，满足硅钢未来制造升级的需要。目前，通过L2系统为硅钢数据服务中心提供了全面的生产和工艺数据，以此为基础进行统计分析和数据挖肖钰，等：钢铁企业过程控制系统架构与集成12191219ELPublueFAsped51RTFSFSJCRCFFJC4N力N5N入口8 号2400389024003886图5 在L2系统页面中集成钢卷焊缝跟踪画面掘，在改进生产工艺、提高产品质量、减低能源消耗等方面发挥了重要作用。4注意事项在钢铁企业实施L2项目，应结合现场环境、设备状况、生产需求等因素进行架构设计和系统集成，并注意以下几方面：1)经济性：建设L2系统应本着节约成本的原则，减少不必要的硬件或软件投入，确保系统在使用过程中不会造成附加成本5 。2)安全性：由于L2系统实现了工业控制网络和外部网络的互连互通，在网络安全方面需要做好隔离、防护和监控，安装好防火墙和杀毒软件，设置合理的访问策略。3)稳定性：L2系统的稳定运行关系数据能否顺利采集，参数能否正确投人，对生产有着重要影响。因此在系统上线前需组织开发人员和企业应用人员进行全面的测试，并在系统运行过程中采取完善的管理措施。4)可扩展性：随着智慧制造战略的推进和企43原有分散的系统界面集中在一个新的界面中，提高了系统使用效率和用户体验。在L2系统中也应用了显示集成技术，在出、人口跟踪和全线跟踪页面中集成了电气HMI的钢卷焊缝跟踪画面，可以方便地监控钢卷在线位置，根据实际情况及时进行计划调整和模拟请求等操作。图5 为L2系统页面中集成钢卷焊缝跟踪画面。Imml内经mm径mm)重kg理重kg0.55080.5508出辆记2 号195125787195125787txtspend4月号TW9128A42A863$15000068TW91.28A42A863S150000068TRLTRZ44业内外部环境的变化，L2系统需具备良好的可扩展性，可根据企业需要和其他系统进行集成。5)可维护性：L2系统应该便于维护，发生硬件故障时能够快速更换备件；出现软件异常时能够及时报警并提供详细信息，帮助系统维护人员及时解决问题。5结语1)在硅钢实施L2系统后，通过实时掌握计划、调度、质量、工艺、设备运行等信息，使各相关部门能够及时发现问题和解决问题，优化了企业生产制造管理模式，强化了过程管理和控制，达到精细管理目标。L2系统通过实时稳定地采集来自生产现场的各种数据，提高了数据统计分析的及时性和准确性，避免人为干扰，促使企业管理标准化。电工钢2)硅钢L2系统根据企业实际情况，设计了合理的网络及软件架构，并结合信息技术的发展选用了合适的系统集成技术。该系统满足了智慧制造所要求的操作智能化、生产自动化以及管理运营数字化，增强了钢铁企业的核心竞争力。参考文献1陈明，梁乃明.智能制造之路：数字化工厂M北京：机械工业出版社，2 0 1 9.2彭俊松工业4.0 驱动下的制造业数字化转型M.北京：机械工业出版社，2 0 1 9.3梦魏毅寅，柴旭东.工业互联网：技术与实践M.北京：电子工业出版社，2 0 1 7.4司晓，孟昭莉，闫德利，等.互联网十制造：迈向中国制造2025M.北京：电子工业出版社，2 0 1 7.5王建伟工业赋能：深度剖析工业互联网时代的机遇和挑战M.北京：人民邮电出版社，2 0 1 8.第5 卷