鋼鐵生產過程實時信息平臺建設及應用

石鋼公司是大型綜合冶金企業(yè)，擁有燒結、煉鐵、電爐煉鋼、轉爐煉鋼、軋鋼、動力、制氧等多個生產環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)承擔不同的生產分工，具有不同的生產過程，每個過程都有一些相關的過程控制系統(tǒng)。

由于技術發(fā)展的原因，公司過程控制網絡上分布著不同廠商不同種類的自動化控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)都是面向裝置或設備的，形成了“信息孤島”。每個系統(tǒng)只能采集或管理相應裝置或設備在運行過程中產生的部分數(shù)據，而且這些數(shù)據的采集頻率和存儲時間都受到各個控制系統(tǒng)CPU能力和硬盤容量的限制。就企業(yè)整體而言，缺乏一個統(tǒng)一的、完整的、企業(yè)級鋼鐵生產過程實時信息平臺，以支持越來越多的數(shù)據應用。

由于生產過程產生的數(shù)據有效期短，而且數(shù)據量大，傳統(tǒng)的關系數(shù)據庫系統(tǒng)不能勝任實時數(shù)據的處理與管理需求。因此，我們采用了Wonderware公司的InSQL企業(yè)級關系型實時數(shù)據庫來為企業(yè)信息系統(tǒng)提供統(tǒng)一而完整的企業(yè)級鋼鐵生產過程實時信息平臺。實時數(shù)據庫向下將負責集成各個不同DCS、PLC系統(tǒng)的實時數(shù)據，并且提供長期保存這些歷史數(shù)據的功能，向上提供開放的實時數(shù)據與歷史數(shù)據檢索服務，實現(xiàn)將工業(yè)現(xiàn)場控制過程及數(shù)據集成到桌面，利用這些數(shù)據幫助企業(yè)改進生產管理，提高生產效率。同時，建立集成共享的生產過程實時信息平臺，數(shù)據的分析與統(tǒng)計結果能夠存儲在實時數(shù)據庫或者發(fā)布到關系數(shù)據庫，并提供開放的二次開發(fā)接口提供給ERP及其他應用系統(tǒng)，幫助企業(yè)管理層進行準確及時的決策。

項目的功能與特點

實現(xiàn)了將工業(yè)現(xiàn)場集成到桌面

石鋼公司InSQL實時數(shù)據庫系統(tǒng)目前已經連接了各個生產廠30多套不同的現(xiàn)場DCS、PLC控制系統(tǒng)，實時采集并記錄著4000余個生產過程數(shù)據和能源消耗數(shù)據，數(shù)據間隔可以達到秒級，并且提供長期保存這些歷史數(shù)據的功能。向上提供開放的實時數(shù)據與歷史數(shù)據發(fā)布功能，發(fā)布監(jiān)控畫面100余幅。技術人員和管理人員可以在公司局域網上，或通過VPN在Internet上任何一臺計算機，用授權的帳戶登錄IE來監(jiān)視工廠實時的生產狀況并進行工藝分析，初步建立了數(shù)字化工廠。

建立了集成共享的生產過程實時信息平臺

InSQL全方位地獲取和儲存工廠數(shù)據，并將實時和歷史工廠數(shù)據與配置，事件，概貌和生產數(shù)據集成起來。通過大量的客戶端應用程序，可以訪問工廠的全部信息，分析、處理和報告工廠的數(shù)據。由于具備了MS SQL Server2000的開放性，任何基于SQL、ODBC或OLE DB的應用，都可以方便地從InSQL獲取數(shù)據。因此，實時數(shù)據庫系統(tǒng)已經成為石鋼公司的一個統(tǒng)一開放、集成共享的鋼鐵生產過程實時信息平臺，在此之上建立的應用系統(tǒng)越來越多。

實現(xiàn)異種數(shù)據庫和多種控制系統(tǒng)互連

在數(shù)據采集方面，幾乎涵蓋了所有的自動化控制系統(tǒng)，從國外SIEMENS的WinCC、橫河的CS1000\3000、AB的RSView、ABB的Freelance、Citect到國內的力控、浙大中控以及各種后臺為關系型數(shù)據庫的小型分散數(shù)據采集系統(tǒng)，都已經進入了實時數(shù)據庫系統(tǒng)。通過自主開發(fā)的OPC Server，建立了InSQL與關系數(shù)據庫的連接，將現(xiàn)場數(shù)據庫的數(shù)據通過OPC方式進入InSQL，進而實現(xiàn)了對MS SQL Server、Access等關系型數(shù)據庫的數(shù)據采集。同時，開發(fā)了對WinCC的OPC Server進行讀寫的程序，借助SIEMENS控制系統(tǒng)的WinCC軟件實現(xiàn)了離散數(shù)據的收集。

在石鋼公司內部，除了各種控制系統(tǒng)以外，還有一些分散的小型數(shù)據采集系統(tǒng)，其開發(fā)環(huán)境不同，采用的軟件和后臺數(shù)據庫也不同，有VB、VC、力控、組態(tài)王等等。我們通過Visual basic自主開發(fā)了針對各種數(shù)據庫的OPC Server，將現(xiàn)場數(shù)據庫的數(shù)據通過OPC方式進入InSQL，進而實現(xiàn)了對MS SQL Server，Access，等關系型數(shù)據庫及離散數(shù)據的實時采集。

四級網絡結構和網絡安全設計

第一級為各生產流程的各種自動化控制系統(tǒng)，主要由SIEMENS、ABB、AB、橫河等控制系統(tǒng)、HMI及工業(yè)Ethernet、Profibus、L2通訊網絡等構成，主要功能是對各工藝流程參數(shù)的采集和控制。

第二級為遠程IDAS計算機，這一層級的計算機安裝了雙網卡，采用星型網絡拓撲結構，向下與生產過程控制系統(tǒng)的監(jiān)控站HMI進行數(shù)據交換及數(shù)據轉存與緩沖存儲，向上通過以太網進入公司局域網，通過各二級站點交換機連接到InSQL數(shù)據服務器，實現(xiàn)對所有數(shù)據的上傳。IDAS具有“存儲轉發(fā)”功能，當IDAS與InSQL通訊失敗時，IDAS會將當前數(shù)據保存在本機硬盤，或保存指定的網絡路徑中，通訊恢復后，IDAS再將保存數(shù)據傳送到InSQL中，這樣可保證數(shù)據的完整性。

第三級為InSQL數(shù)據服務器和Web服務器，InSQL對數(shù)據進行壓縮存儲并作為對外接口的數(shù)據源，Web是將數(shù)據通過IE發(fā)布。

第四級是客戶端應用計算機，安裝IE或Activefactory客戶應用軟件，查詢和瀏覽實時和歷史數(shù)據，制作報表，進行各種分析應用。

由于實時數(shù)據庫要與生產現(xiàn)場的自動化系統(tǒng)連接，系統(tǒng)的安全性必須得到可靠的保障。因此在網絡安全方面采取了一些有效的措施。首先通過在IDAS上安裝雙網卡，實現(xiàn)物理隔離，分別設置不同網段，一個IP同IDAS所采集的工業(yè)控制系統(tǒng)通訊，一個IP向上通過公司局域網連接到InSQL服務器；其次，由于公司網絡已經完全實現(xiàn)VLAN劃分，可以通過各二級站點交換機的端口設置，將實時數(shù)據庫網絡劃分成一個獨立的網段，所有的IDAS與公司管理網隔離開來；第三，InSQL服務器也安裝兩個網卡，一個IP連接IDAS，一個IP與公司管理網絡連接實現(xiàn)WEB發(fā)布和數(shù)據共享，這樣管理網絡只能夠訪問到InSQL服務器，而InSQL服務器只能夠訪問到IDAS，而不能訪問到現(xiàn)場控制系統(tǒng)的工作站，通過層層隔離保證了網絡的安全。

基于實時信息平臺的應用

煉鋼廠生產過程控制數(shù)據管理系統(tǒng)

系統(tǒng)通過對ERP系統(tǒng)的物資量數(shù)據、檢化驗系統(tǒng)的質量數(shù)據、實時數(shù)據庫的操作和過程控制數(shù)據，現(xiàn)場由人工補充錄入的生產組織數(shù)據的整合，建立了較為完整的數(shù)據平臺，給用戶提供了整個生產過程中的完整電子檔案。其中，從實時數(shù)據庫等系統(tǒng)自動采集和導入的過程數(shù)據、檢驗數(shù)據接近90%，人工錄入的主要是班次、爐號等一些生產組織數(shù)據。系統(tǒng)能夠按照合同號、生產訂單號和爐號進行詳細的查詢和分析，還可以通過鋼種、生產日期等關鍵字段進行查詢，及時掌握某一個訂單所采用的工藝路線、整個生產過程投料和產出、每一爐或每一個訂單的工藝參數(shù)控制能力、鋼材成分分析和性能分析。系統(tǒng)實現(xiàn)了對生產全部過程數(shù)據和控制歷史曲線進行跟蹤，通過爐號貫穿到一起。當出現(xiàn)質量異常后，可以及時追溯出當日工藝過程控制狀況，定量找出影響質量的因素，將相關信息反饋給管理者，及時制定出相應措施，指導生產。

軋鋼生產過程控制數(shù)據管理系統(tǒng)

與“煉鋼生產過程控制數(shù)據管理系統(tǒng)”一樣，利用鋼鐵生產過程實時信息平臺，在軋鋼工序將過程控制參數(shù)與爐號進行捆綁,將ERP系統(tǒng)數(shù)據、實時數(shù)據庫控制數(shù)據、質量數(shù)據庫質量數(shù)據等數(shù)據相匹配，充分發(fā)揮基礎數(shù)據的作用，實現(xiàn)軋鋼工藝過程控制數(shù)據和質量數(shù)據的可追溯性。

以強化過程因素分析、提高產品質量為目的，針對鋼材性能或成分的缺陷實現(xiàn)按爐號對軋鋼工序加熱溫度、開軋溫度、終軋溫度等過程工藝控制數(shù)據的檢索查詢分析，找出過程控制和操作的原因，解決質量控制問題。

能源調度與統(tǒng)計分析系統(tǒng)

在鋼鐵生產過程實時信息平臺上自主開發(fā)的石鋼公司能源調度與統(tǒng)計分析系統(tǒng)，在收集生產所需各種能源動力量數(shù)據基礎上，結合各工序的生產狀況和能源消耗定額及公司能源供應情況，進行數(shù)據整合、分析、調度，服務和指導公司生產。

利用實時數(shù)據庫系統(tǒng)組建能源計量網絡具有很多優(yōu)勢。首先，由于各個控制系統(tǒng)中的能源計量數(shù)據（甚至包括三級、四級的計量數(shù)據）已經進入了實時數(shù)據庫，所以可以把已經存在于系統(tǒng)中的這些數(shù)據很方便地集成進來，任意分組顯示，不用編制或修改程序；第二，新增的能源計量檢測點，可以就近直接連到任意一個已經連接到實時數(shù)據庫的控制系統(tǒng)中，不用再配前端數(shù)據采集設備。第三，能源計量系統(tǒng)既可以按能源介質又可以按工藝系統(tǒng)組成畫面，可以把一個工序需要的各種能源量組成一幅畫面，便于系統(tǒng)監(jiān)控。這對能源調度是非常靈活的。

煉鐵焦比數(shù)據平衡輔助分析系統(tǒng)

2005年自動化部響應公司降低煉鐵成本的要求，理清了焦炭物流管理流程、明確了關鍵控制點，利用SAP的支撐系統(tǒng)和實時數(shù)據庫平臺各種數(shù)據，自主開發(fā)了煉鐵毛焦比數(shù)據平衡輔助分析系統(tǒng)，為各級管理者提供準確及時的數(shù)據支持，為公司焦炭自動平衡計算，達到日清月結提供了真實的依據。

加熱爐坯料跟蹤系統(tǒng)

與燕山大學合作，利用鋼鐵生產過程實時信息平臺，建立神經元網絡模型，在新一軋廠650加熱爐開發(fā)了坯料跟蹤系統(tǒng)，可以記錄每一支連鑄坯的加熱時間和加熱溫度，便于加熱制度的分析研究。

石鋼公司的實時數(shù)據庫系統(tǒng)充分實現(xiàn)了鋼鐵生產過程實時信息平臺的功能，并在此平臺上開發(fā)了大量的應用。實時數(shù)據庫系統(tǒng)的應用已經成為石鋼公司信息化建設中不可缺少的基礎設施之一。

目前石鋼公司已經有了一個統(tǒng)一的技術路線，就是以鋼鐵生產過程實時信息平臺作為各種應用系統(tǒng)的數(shù)據源，開發(fā)成本分析、設備監(jiān)控、能源調度等各種分析應用項目，體現(xiàn)了實時數(shù)據庫的重要作用