生产数据记录分析系统软件在轧机上的应用

贾 涛，安利娟，曹永恒，焦 悦，区兴华

(中国重型机械研究院有限公司，陕西 西安 710032)

1 前言

近年来随着我国汽车产业和家电等行业的高速发展，市场对冷轧板需求也急剧上涨，带动整个冷轧行业的飞速发展，同时也对冷轧板质量提出了更高的要求。冷轧机组生产数据记录分析系统软件在轧机生产过程中起着非常重要的作用，它为轧机生产过程提供数据的实时采集、记录、分析和打印等功能。为产品质量控制提供检测手段，使生产决策者不断优化轧制生产过程，提高生产效率;同时也为设备设计者优化设备配置提供数据支持。

2 数据采集系统结构组成

2.1 可行性分析

一般的数据采集系统是通过数据采集卡来实现数据的采集。这种结构的采集频率高，但是系统结构复杂，不光采集端需要配置数据采集卡，而且被采集端还要加入相应的硬件点以适配采集卡;采集的数据范围小，一般只能采集同一类型的几个数据;维护难;而且成本高。通过HMI数据采集方式存在采集速度慢的缺点，最快在250 ms且间隔时间不确定。

随着通讯技术的发展，很多自动控制系统硬件产品的制造厂家(如提供PLC、变频传动器、直流电机驱动器等产品的西门子、AB、三菱等公司)，将以太网作为标准化的通讯接口。以太网的通讯特点是速度很高，达到10M、100M bps，通讯距离单线普遍在100 m左右，且通讯协议具有面向用户的开放性。轧机控制系统的数据来源包括PLC控制系统和AGC控制系统。基于这两种控制系统的硬件配置，使以太网作为通讯手段来采集数据成为可能，这种采集方式结构简单，采集频率快，使用方便灵活，而且成本低。

2.2 硬件配置

轧机生产数据记录分析系统的硬件配置简单，主要包含PC机(windows操作系统，奔腾4以上处理器、1G以上内存)，网卡(10/100M自适应)、以太网交换机(8口)。PC机、PLC系统和AGC系统通过以太网连接到交换机，实现多种数据的交换。

2.3 软件结构

采集系统通过以太网接口采用TCP底层协议连接轧机控制系统;应用层采用通讯规约。数据采集应用系统采用定时发送请求方式，轧机控制系统响应通讯规约返回数据，并存入已配置好的数据库中，完成数据的采集。

数据的查看应用，根据用户要求，查询数据库中的数据，数据库根据条件返回所需数据供用户离线查看、分析。

对于AGC控制系统，由于采用的是高级语言编程实现，所以只要事先规定好通讯规约即可完成数据的采集。对于PLC控制系统，具有自己的通讯规约，通过其通讯规约可以来寻址读取数据;还可以在PLC中编程实现通讯规约。然而PLC自己的通讯规约往往是透明的，在生产数据记录分析系统软件开发与设计时，通过查阅资料和大量实验分析后，整理出了西门子PLC的通讯规约，定义为 S7Connection。通过S7Connection规约就可以不用在PLC中编程来实现PLC数据的采集。数据采集应用分析系统结构如图1所示。

3 轧机生产数据采集及分析软件的实现

轧机生产数据记录分析软件分为两个子系统，采集系统和分析系统;软件基于Windows系统下的.net环境，使用C#高级语言编程实现;数据的保存和查询采用数据库存储技术。

图1 数据采集应用分析系统结构Fig.1 Structure of date acquisition and application analysis system

3.1 数据库的建立

数据的保存和查询是建立在数据库基础上的，所以建立一个合理有效的数据库是必须的。软件对轧机数据依据不同的功能、时段及其它要求进行数据类型分类，以便轧机数据分析处理，主要包括以下几类:来料数据，包含一些基本生产信息，如每卷厚度、宽度等;道次工艺数据，包含每个道次基本信息，如压下量设定值等;生产时，每个道次的生产实绩，即包含每个道次生产过程中的详细工艺、能耗及产能的数据。由于各个道次的生产实绩数据量非常的大，所以建立了一个单独数据表，便于数据库优化查询。

3.2 通讯规约

根据轧机数据类型、数据源的不同建立通用、有效的通讯规约，实现数据的采集。通讯规约定义相同的格式，包括电文头和电文内容。电文头描述本电文的长度、类型、发送者和接收者;电文内容是根据电文类型而定，可能是一组数据，也可能为空。通讯者双方根据通讯规约来处理接收的电文，根据电文的内容做出相应的回应。

3.3 采集程序

采集程序完成数据的采集和存储。它建立两个TCP连接;根据轧机生产的状态，使用高优先级多线程定时触发，使用通讯规约的采集数据过程。对于AGC系统使用已定义的通讯规约，接收返回的数据;对于PLC系统使用S7Connection通讯规约读取所需数据，或者使用已定义的通讯规约。采集程序把接收到的数据按通讯规约分析出来，然后按相应的数据格式存入数据库对应的表中。数据按其在数据库中的分类存储，包括生产信息、来料信息、成品信息、设置信息、能耗信息、生产过程实绩(所有的电机转速、电流，带材厚度等)等。

多线程的定时设置根据采集数据对象的不同设置为多个频率范围，完成不同类型数据的采集。经过测试，最快稳定采集频率设置为20 ms，满足生产数据分析要求。

3.4 分析程序

分析程序用于离线查询、分析轧机生产数据和报表的打印，根据条件查询数据库返回所需数据。查询功能分为生产计划的查询及报表打印、钢卷轧制数据的查询及报表打印、钢卷轧制过程中详细数据的查看(分PLC、AGC两种)。通过这个功能，用户可以查看生产计划，及生产的状态信息，具体到每一个道次的详细数据。如图2所示。

图2 查询及打印页面Fig.2 Inquiring interface and data printing

数据分析共分为两个方面，一个是厚度偏差统计，另一个是生产数据的曲线分析。用户可以按条件查询所需生产数据，以每道次的数据来显示和分析。厚度偏差统计功能为产品提供数据支持，判别产品品质。统计每一道次的厚度数据，计算出厚度分布统计值，以棒状图和曲线的方式直观显示出来，并且提供厚度偏差统计的报表打印功能，给产品质量提供数据支持。

数据曲线分析功能具有数据查询功能，方便用户查询所需数据;而且可添加多条曲线，编辑曲线效果。数据曲线的显示采用专业的图表绘制控件，支持上百种2D和3D图表风格，并提供40多个数学和统计函数、无限制的轴;还集成打印预览，图表可导出到 JPEG，EPS，PDF，PNG，PCX，GIF，Bitmap和Metafile文件。对于曲线显示，还具有多种操作功能方便用户查看，如放大、缩小、平移、改变颜色等。

4 结论

轧机生产数据记录分析系统软件已经在多套轧机安装使用，能够很好的完成生产过程中工艺、能耗等数据的实时记录与采集，同时通过应用软件对所采集数据进行分析处理，自动生成各种图表，对生产过程管理，管理分析决策提供了有力保障，有效的提高了设备生产效率，保证产品质量，提高经济效益受到了用户的好评。生产数据记录分析系统软件具有很好的兼容性和可扩展性，操作界面简洁使用方便不仅可在轧机系统应用，同时可以在其它生产线使用。

［1］ 沃森(Watson，K.)．C#入门经典(3版)［M］．北京:清华大学出版社，2006，5．

［2］ 多纳霍(Michael J．Donahoo)．TCP/IPSockets编程［M］．北京:清华大学出版社，2009，11．

［3］ 西门子工业网络通讯指南/崔坚［M］．北京:机械工业出版社，2005．

［4］ 柴瑞娟．西门子PLC编程技术及工程应用［M］．北京:机械工业出版社，2005．