0 引言
在鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)過程中，煉鋼和連鑄是兩個關(guān)鍵工序。其生產(chǎn)流程復雜、生產(chǎn)設備多、物流縱橫交錯，影響著生產(chǎn)過程的順利進行，以及產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定和提高。作為鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)管理的核心內(nèi)容，煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度不僅需要考慮鋼水到達時間偏差、設備故障。而且還需要考慮鋼水成分不合格、鋼水溫度補償?shù)葎討B(tài)擾動事件。煉鋼-連鑄工序所具有的高溫連續(xù)和生產(chǎn)環(huán)境高度動態(tài)化的特點使得生產(chǎn)計劃與實際結(jié)果往往難以吻合，從而導致不必要的浪費甚至重大損失。為了確保安全生產(chǎn)、減少能源損失、降低原料消耗以及保證鋼鐵質(zhì)量，建立煉鋼-連鑄生產(chǎn)流程仿真系統(tǒng)是十分必要的。
RSviewSE是一套專業(yè)的HMI仿真軟件，與其他組態(tài)軟件相比，RSviewSE增加了安全保護、圖形顯示、全局報警、活動及報警記錄、TrendX趨勢圖等功能。其核心部分RSviewStudio用來創(chuàng)建圖形顯示面面，能生動形象地反映生產(chǎn)過程。方便操作人員直接對生產(chǎn)過程進行操作。并能極大地節(jié)省工程設計和開發(fā)時間。此外，RSviewSE可以與其他支持FactoryTalk的軟件共享數(shù)據(jù)，并且可以與ROCKWELL公司的硬件PLC等快速實現(xiàn)通訊，更加方便從現(xiàn)場讀取實時數(shù)據(jù)。
本文建立的煉鋼-連鑄過程監(jiān)控仿真系統(tǒng)在導入已編制生產(chǎn)計劃的基礎上，對生產(chǎn)計劃的執(zhí)行情況進行監(jiān)控。為煉鋼-連鑄生產(chǎn)過程的穩(wěn)定運行提供保證。
1 煉鋼-連鑄生產(chǎn)工藝及仿真參數(shù)
煉鋼-連鑄生產(chǎn)過程主要是通過轉(zhuǎn)爐，把從高爐來的鐵水冶煉成鋼水，倒入轉(zhuǎn)爐下臺車上的鋼包內(nèi)。通過臺車和吊車的作業(yè)。把鋼水包運送到精煉設備處，再通過精煉設備精煉鋼水。以使其達到下道工序要求的鋼水成分和溫度，按工藝要求的精煉作業(yè)全部完成后。再通過臺車和吊車，把鋼水包運送到連鑄機實施澆鑄，形成連鑄板坯。
1.1 生產(chǎn)工藝特點
煉鋼-連鑄生產(chǎn)工藝特點可以歸納如下：
(1)間歇與連續(xù)方式相混雜的多階段混合流程式生產(chǎn)過程。轉(zhuǎn)爐、精煉設備為間歇作業(yè)方式，為提高作業(yè)效率、降低機器設置次數(shù)和生產(chǎn)成本，連鑄機在其中間包壽命之內(nèi)為連續(xù)作業(yè)方式。生產(chǎn)的總流程為鐵水預處理-煉鋼-精煉-連鑄。包括多個生產(chǎn)工序，各工序又存在著多個生產(chǎn)設備，生產(chǎn)過程為多階段混合流程式。
(2)物流銜接緊密，具有準時制要求。連鑄生產(chǎn)工藝要求在一個連續(xù)生產(chǎn)周期內(nèi)澆鑄的鋼水成分和溫度滿足一定的工藝限制條件。必須協(xié)調(diào)間歇式和連續(xù)式作業(yè)工序的生產(chǎn)節(jié)奏，使工序間物流傳遞滿足正確成分、溫度和時刻的要求，保證生產(chǎn)的持續(xù)性。
(3)產(chǎn)品種類規(guī)格繁多，結(jié)構(gòu)復雜。鑄坯產(chǎn)品鋼種規(guī)格繁多，決定了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復雜性。
(4)生產(chǎn)管理與控制多種信息、多種功能集成。煉鋼-連鑄生產(chǎn)過程調(diào)度管理要求實時監(jiān)視各設備作業(yè)狀態(tài)、跟蹤各工序物流狀態(tài)。在此基礎上在線編制和調(diào)整調(diào)度計劃。實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的動態(tài)管理和控制。來源于管理級、過程自動化級、基礎自動化級的多種性質(zhì)、頻度、用途及響應時間的不同信息在系統(tǒng)中有機集成，滿足生產(chǎn)過程監(jiān)視、調(diào)度計劃編制、設備管理、數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計報表等功能需求。
1.2 過程參數(shù)
煉鋼-連鑄工序具有高溫連續(xù)的特點，生產(chǎn)流程復雜。參數(shù)眾多，其中最主要的參數(shù)有時間、溫度和成分。
1.2.1 時間
時間主要包括工序時間和運輸時間。
工序時間是鋼鐵制造系統(tǒng)中的一個重要參數(shù)。它在鋼鐵制造流程中是以時間點、工序位、時間序、周期等形式表現(xiàn)出來。包括組罐、脫硫、提釩、轉(zhuǎn)爐煉鋼、吹氬喂絲、LF精煉、RH精煉、方坯或板坯連鑄工序的作業(yè)開始、結(jié)束/離開時間點、冶煉、精煉、澆注時間的長短(時間域)，各個工序日、班出鋼爐數(shù)、連澆爐數(shù)等時間節(jié)奏(時間頻)，相鄰工序間的關(guān)系和時間序的安排和調(diào)控等。
運輸時間同樣也是鋼鐵生產(chǎn)過程中的一種重要的時間參數(shù)。各工序間的運輸環(huán)節(jié)主要包括脫硫工序、提釩工序、轉(zhuǎn)爐煉鋼工序、爐后吹氬喂絲、LF處理、連鑄等工序。其中精煉到板坯連鑄采用軌道運輸。其他工序采用天車吊運。
1.2.2 溫度
溫度是鋼鐵制造流程多維物流管制的重要工藝參數(shù)之一。通過對煉鋼廠生產(chǎn)流程的主要溫度參數(shù)進行解析，在結(jié)合時間參數(shù)優(yōu)化的基礎之上，建立合理的溫度制度。以保障全廠物流的順行。結(jié)合煉鋼廠的實際情況。實測溫度有轉(zhuǎn)爐溫度、氬前溫度、氬后溫度、大包到連鑄平臺溫度和中間包溫度等。
1.2.3 成分
成分是鋼鐵制造流程中的一個重要工藝參數(shù)。它不僅影響工藝流程，而且影響鋼材的特性。在鐵水預處理過程中需要進行脫硫、脫磷；轉(zhuǎn)爐煉鋼流程中要進行脫碳：精煉過程中要伴隨著脫氧、脫氮、脫氫以及合金化操作。實際生產(chǎn)中，我們需要對鋼水中的C、Si、Mn、P、S、O等元素的含量進行監(jiān)測。
2 系統(tǒng)設計方案
煉鋼-連鑄仿真系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，分別模擬生產(chǎn)過程的不同環(huán)節(jié)，通過信息交換整體協(xié)調(diào)，共同模擬整個鋼廠的生產(chǎn)活動過程。煉鋼-連鑄生產(chǎn)過程包括煉鋼、精煉、連鑄3個階段。來自高爐的鐵水經(jīng)冶煉加工后轉(zhuǎn)變?yōu)殇撍ㄟ^精煉處理保證所需要的化學成分和溫度，然后在連鑄機澆注成規(guī)定規(guī)格板坯供軋制工序使用。因此系統(tǒng)共包括3個模塊，即煉鋼模塊、精煉模塊和連鑄模塊。整個監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
監(jiān)控系統(tǒng)要求完成下面的工作：
(1)信號采集：對現(xiàn)場的溫度、液位、流量、熔煉時間等信號進行采集。并進行處理和運算。這些信號由生產(chǎn)現(xiàn)場經(jīng)檢測變送環(huán)節(jié)變成標準信號反饋至ControlLogix系統(tǒng)中。RSView組態(tài)軟件需從ControlLogix控制器中獲取數(shù)據(jù)。兩者之間要采用OPC通信方式。
(2)監(jiān)控操作：完成系統(tǒng)操作控制、參數(shù)設定和系統(tǒng)的啟動和停止。
(3)動態(tài)顯示：以圖形和曲線等形式顯示煉鋼-連鑄流程的動態(tài)畫面、趨勢圖、報警等。
(4)操作畫面：通過操作畫面查詢實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并打印實時報表和歷史報表。
(5)系統(tǒng)具備可擴展性。
2.1 仿真流程
仿真的流程如圖2所示，系統(tǒng)啟動后，首先初始化仿真參數(shù)，如仿真開始時刻、仿真時間等，然后輸入生產(chǎn)計劃并放行后，開始進行生產(chǎn)流程仿真，同時收集工藝參數(shù)以進行計劃的動態(tài)調(diào)整。
圖2 系統(tǒng)仿真流程
2.2 硬件配置
煉鋼-連鑄生產(chǎn)過程仿真系統(tǒng)是一個集合了冶金工藝技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)的有機整體。系統(tǒng)軟硬件平臺的選用。必須能最大限度地描述生產(chǎn)過程的實際情況且能滿足系統(tǒng)的總體建設目標和應用需求。系統(tǒng)的硬件設備主要分為3個部分：上位機系統(tǒng)、下位機系統(tǒng)和網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。
(1)上位機系統(tǒng)。上位機系統(tǒng)負責數(shù)據(jù)的顯示和處理，包括1臺運行FaetoryTalk Directory的計算機、2臺安裝了RSView SE Server軟件的冗余計算機、2臺運行數(shù)據(jù)服務器的冗余計算機、1臺運行RSView Studio的開發(fā)計算機、1臺運行RSViewSEClient的客戶端計算機以及1臺運行RSView Administration Console的管理計算機。
(2)下位機系統(tǒng)。下位機系統(tǒng)負責數(shù)據(jù)的采集，采用AB公司的ControlLogix控制系統(tǒng)，執(zhí)行用戶控制程序，完成數(shù)據(jù)采集、輸出控制、與上位機進行通訊等任務。
(3)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。由于煉鋼-連鑄生產(chǎn)系統(tǒng)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集具有實時性的要求，因此系統(tǒng)對于計算機網(wǎng)絡傳輸性能有較高的要求。因此，系統(tǒng)采用總線型工業(yè)以太網(wǎng)(10M/100M)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。在這種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，各個節(jié)點之間是平等的，任意兩個節(jié)點之間的通信可以直接通過網(wǎng)絡進行。而不需要通過其他節(jié)點的介入。
2.3 軟件配置
在此系統(tǒng)中主要對上位機進行軟件配置。上位機系統(tǒng)安裝了Windows 2003操作系統(tǒng)，組態(tài)軟件為ROCKWELL公司的RSView SE。此外，上位機還裝有RSLinx通信軟件和RSLogix5000編程軟件。
3 系統(tǒng)實現(xiàn)
3.1 監(jiān)控界面
根據(jù)系統(tǒng)的要求，要求對煉鋼連鑄流程中關(guān)鍵過程參數(shù)進行在線監(jiān)視，過程監(jiān)視包括轉(zhuǎn)爐煉鋼、爐外精煉、連鑄中關(guān)鍵過程參數(shù)。本系統(tǒng)建立在C/S網(wǎng)絡的基礎上。在各環(huán)節(jié)都安裝有數(shù)據(jù)采集站，因此可以實現(xiàn)煉鋼連鑄各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)監(jiān)控。
(1)煉鋼數(shù)據(jù)監(jiān)控界面。界面的中央是轉(zhuǎn)爐本體，在轉(zhuǎn)爐的上方是各原料的現(xiàn)有量和已加入的量；左側(cè)顯示的是溫度參數(shù)，包括氬前溫度、氬后溫度、終點溫度。右側(cè)顯示耗氧龜和供氧強度的數(shù)值。所有的參數(shù)均由數(shù)據(jù)站采集，反映了實際生產(chǎn)的數(shù)據(jù)。
(2)精煉數(shù)據(jù)監(jiān)控界面。主要用于監(jiān)控精煉過程中的一些參數(shù)，包括S、O、H、N的成分含量以及鋼水溫度。由于這些元素直接影響到鋼產(chǎn)品的質(zhì)量，因此需要對這些參數(shù)設置報警，當各參數(shù)的含雖超過警戒值時，系統(tǒng)就會報警。
(3)連鑄數(shù)據(jù)監(jiān)控界面。能夠清晰地反映出連鑄中鋼水經(jīng)鋼包、中間包、結(jié)晶器、二冷等設備的流程，并進行相應數(shù)據(jù)的采集。系統(tǒng)為二流連鑄系統(tǒng)，監(jiān)控參數(shù)包括溫度、壓力、水流量、溫差等參數(shù)，并對連鑄過程進行了動態(tài)模擬，模擬動作與設備現(xiàn)場流程保持一致，可以達到很好的監(jiān)控效果。
3.2 趨勢圖
在鋼鐵生產(chǎn)中，有許多參數(shù)會影響鋼材質(zhì)量和性能，如溫度、鋼水中的成分等，因此需要對各參數(shù)進行實時跟蹤。趨勢圖是實時數(shù)據(jù)或歷史標簽數(shù)據(jù)的一種可視化表示，可以幫助操作員跟蹤工廠中正在發(fā)生的活動，通過對主要參數(shù)變化趨勢的描述，反映出整個系統(tǒng)運行的好壞。
3.3 報警
在煉鋼連鑄生產(chǎn)流程中，因為系統(tǒng)復雜，考慮的因素很多，所以需要設置故障報警的位置也較多，比如精煉爐中S、O、H、N的含量，出鋼鋼水的溫度等。利用界面報警符號來監(jiān)視報警信息，有助于避免由于生產(chǎn)停工帶來的巨大損失。為了最大限度地減少損失并便于追在損失的原因，在整個生產(chǎn)過程中，要始終觀察和跟蹤系統(tǒng)中出現(xiàn)的事件。
4 通訊設置
通訊在組態(tài)軟件中起著非常重要的作用，網(wǎng)絡中計算機之間的訪問、上位機和下位機直接的數(shù)據(jù)交換都離不開通訊，它將整個系統(tǒng)連成一個統(tǒng)一的有機整體。一般來說，通訊需要設置FactoryTalk Directory、OPC服務器等。
4.1 FactoryTalk Directory
FaetoryTalk Directory能夠幫助應用項目的各個組成部分在單臺計算機或者網(wǎng)絡上找到對方。用戶也可以設置網(wǎng)絡。以便多個應用項日共享一臺FactoryTalk Directory計算機。或者多個應用項目使用多臺FactoryTalkDirectory計算機。本系統(tǒng)使用一臺FactoryTalk Directory計算機。
4.2 OPC通訊
OPC是OLEforProcess Control的簡稱，可以通過不同廠商特定的OPC服務器將RSViewSE連接到通訊設備。由于本系統(tǒng)采用的是AB公司的ControlLogix控制系統(tǒng)，而RSLinx是ROCKWELL公司專門為其產(chǎn)品生產(chǎn)的OPC服務器，且支持OPC-DA 2.0，因此系統(tǒng)使用RSLinx作為OPC服務器，使RSViewSE能夠從Contml Logix控制器設備獲取標簽數(shù)值。
為了提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)還提供數(shù)據(jù)訪問冗余。在另一臺計算機上建立另一個OPC服務器，然后在主數(shù)據(jù)服務器上進行冗余設置，使得在主數(shù)據(jù)服務器失效時客戶端能夠指向從服務器。
5 結(jié)束語
由于煉鋼-連鑄工序具有高溫連續(xù)、生產(chǎn)環(huán)境高度動態(tài)化的特點，如何對其進行實時有效的監(jiān)控是鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)管理中的重要問題。本文分析了煉鋼-連鑄生產(chǎn)過程的工藝流程，在歸納其工藝特點的基礎上，確定了仿真系統(tǒng)參數(shù)；從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、仿真流程、系統(tǒng)硬件和軟件配置等方面提出系統(tǒng)設計方案，運用RSViewSE軟件，建立包括數(shù)據(jù)采集、各類參數(shù)控制、報警控制以及設備起停控制等功能的煉鋼-連鑄過程監(jiān)控仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)導入實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)后，運行正常。達到預期效果。
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本文標題：基于RSView SE的煉鋼-連鑄過程監(jiān)控仿真系統(tǒng)
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