L2系统在天钢电炉车间的应用

王楠，杨宏乔

（天津钢铁集团有限公司，天津300301）

L2系统在天钢电炉车间的应用

王楠，杨宏乔

（天津钢铁集团有限公司，天津300301）

介绍了CONCAST公司L2系统在天津钢铁集团有限公司电炉车间的应用情况。分析了L2系统的构架及网络布局、系统硬件及软件组成，以及L2系统的优势。根据现场实际使用情况，对系统进行了适当优化，满足了电炉炼钢生产的需求，提高了生产效率和产品质量。

电炉；L2系统；模型；机制

1　引言

大型钢铁企业的信息化系统是分四层实现的，最上层是面向商务和计划的ERP系统，中间层是面向生产和执行过程的MES制造执行系统，底层是过程控制系统L2和面向生产过程的基础自动化系统L1［1］。

在企业ERP的实施过程中，最困难的就是数据准备，数据准备成功与否，是ERP实施能否成功的关键因素。“三分技术、七分管理、十二分数据”，充分表达了数据在ERP系统实施中的重要地位。数据的来源正是由L2作为纽带将底层基础自动化与MES这个L3系统连接起来的。因此L2系统在钢铁企业L1/L2/L3/L4四级结构中起着至关重要的作用［2］。

天津钢铁集团有限公司电炉车间主体是由CONCAST公司进行工艺、机械及自动化系统整体设计，经过电炉、精炼炉、VD炉及连铸的生产过程，用于生产板坯及大尺寸圆坯。电炉车间主要设计有2个电炉工位，2个精炼工位，1个VD炉工位，3台连铸机。除1#板坯连铸机由中冶京诚公司设计并提供设备及调试外，其他主体设备均由CONCAST公司设计，并提供设备及调试。

2　L2系统架构

2.1简介

电炉车间采用了CONCAST公司设计的L2过程控制系统。其主要作用就是将既独立，但又是一个整体的车间各生产工位，通过L2系统连接在一起并将车间的整体运行情况整合后呈现给用户，优化生产节奏，使各工序生产操作人员及时全面地了解生产状况，从而进行预判及生产调度。同时L2系统另一个重要作用是，能够参与到生产过程控制当中，通过系统内置的数学模型，对生产工艺参数进行实时调整，进而优化提高产品质量。

L2系统是负责采集生产车间所有基础生产数据，并进行整合、优化控制的重要环节。其向下与车间L1系统进行连接，通过L2系统工作站读取PLC中数据，通过强大的Oracle 10g关系型数据库对基础数据进行计算并整合，及时调整各工序生产动态参数及生产过程状态，并通过L2系统工作站及客户端的HMI画面及时反馈给各工位操作人员及用户。L2还是一线生产方和管理方之间的纽带，作为收集信息的重要渠道和某些重要信息的补充渠道，向上负责对上一级L3系统提供相应数据以保证信息的完整性和准确性［3］，以期为整个公司生产与调度及时提供炼钢车间的生产动态，为天钢产销一体化系统MES提供帮助。

通过与CONCAST公司设计人员的交流，结合电炉炼钢车间的实际情况，并针对软件应用的实际需求，L2系统采用了客户端/服务器的主从式架构（见图1），这种结构能够显著降低网络流量，可以直接回答用户查询，提升查询响应速度，对于24 h都在实时运转的车间环境来说，及时对工作站及客户端的数据请求做出反馈及响应是尤为重要的。

图1　电炉L2系统主从结构示意图

2.2L2系统网络布局

电炉车间L2系统采用的是环网结构见图2。

图2　电炉L2系统网络结构图

其优点在于当网络中有一个连接点出现问题而断开时，整条L2网络系统还是一条通路，工作不受影响，不会因此造成工作站、客户端与服务器之间通讯中断，避免对生产造成影响。

3　系统构成

根据不同的功能及作用，本套L2系统中使用的计算机可分为3类：服务器、工作站及客户端。其中服务器作为整个L2网络的数据交换中心，对所有生产数据进行收集并整合，工作站位于每一个操作工位，其作用是实时跟踪现场生产状态，通过采集L1的基础数据上报服务器，并根据生产的动态变化对生产参数适时调整，以达到优化生产的目的，客户端主要是对生产状况的反应，并不直接参与到系统控制中。

3.1L2硬件系统

传统的以一台服务器主机作为整套L2系统中心的配置存在一定缺陷。尽管一台服务器主机的几块硬盘之间可以进行RAID配置，当出现其中一块硬盘故障时，服务器仍能保持正常运行。但若出现硬盘故障以外的问题时，整台服务器将无法工作，即L2系统将整体瘫痪，这对于有24 h连续生产作业的炼钢生产车间是极为不便且危险的，严重时可能造成连铸拉钢过程中动态配水、轻压下等参数失控，对铸坯质量造成不可逆的影响。

为了能够使L2系统更加稳定的运行，本套L2系统采用一用一备的服务器组策略，配备两套L2服务器组。每组由2台戴尔Poweredge 2950服务器主机构成，2台主机通过QLogic fibre channel adapters进行连接配置，2台主机作为互备同时在线运行。当其中一个主机出现故障时，可以自动切换到另一台主机工作，切换时间只有2min，由此保证了L2系统的正常运行；配备一个EMC Clarion AX150存储系统，作为收集现场大量数据的存储介质；配备一个EMC UPS设备，作为临时断电期间备用电源使用。

现场生产的主要操作工位都配备有2台工作站，工作站作为过程控制计算机参与到生产控制当中。结合天钢炼钢车间的现场情况，电炉车间L2系统对废钢加料系统进行了改进，针对天车操作室空间狭小，不便于摆放计算机，有线网络接入困难等缺点，最终采用了先进的无线发射、接收数据的方式。在车间适当位置安装无线发射装置，天车操作室配备具有无线接收功能的触摸屏计算机设备，使天车操作工能够在操作室内通过HMI人机交互界面实时掌握当前的生产状态，通过预览近几炉有冶炼需求计划的炉次，及时进行废钢配包操作。相比以往只能通过电话、对讲告知天车人员生产情况及加料需求等情况，人机交互界面的直观性及操作的便利性，极大缩短了生产准备的等待时间，优化了生产流程。

L2系统客户端使用者为现场生产调度，系统维护工程师、冶金工程师、钢包维护人员等。客户端只需连接至L2网络，与L2数据库之间进行数据交换，不需参与到实际生产中。

3.2L2软件系统

L2又被称为过程控制系统，其重要性就在于能够及时采集各个点位参数的变化，根据内建模型的计算得出最优数据，最终再反馈回最前端，对生产动态进行实时响应及动态调整。其优势在于通过对生产工艺参数、调度系统的实时优化，使各工序产品质量达到最优，生产节奏更加紧凑。

L2所有计算机均采用了微软的XP Professional系统，数据库采用了Oracle 10g Standard Edition版本，L2工作站通过Siemens Softnet S7软件与L1进行通讯来对现场数据进行采集。

3.2.1软件构成

CONCAST公司的L2系统经过多年现场实践，已经拥有了一套完整的程序结构，根据不同工位的生产特点，都配备有不同的控制参数与模型。各工序都分别有其独立的应用模块与之匹配，来满足不同工序的过程控制要求，如生产计划的接收、化验室试样分析结果、本工位过程控制参数设定等。电炉、精炼炉、VD炉、连铸等各工作站分别运行有EAF.EXE、LMF.EXE、VTD.EXE、CCM.EXE模块；调度系统、废钢加料区域、冶金工程师分别运行有PROD.EXE，YARD.EXE，METAL.EXE模块；额外还有报表模块REPORT.EXE、设备寿命跟踪模块EQUIP.EXE模块、负责与L1系统通讯的模块GATE. EXE、数据库定期清理与备份模块SENTRY1.EXE、BACKUP.EXE等。各种不同的应用模块结合在一起组成了一套完整的电炉L2过程控制系统。

3.2.2连铸动态凝固模型简介

L2系统最重要的核心技术是过程控制中对于工艺技术的各种模型理论，这些都是经过长期的摸索及现场实践得出的，对提升产品质量起到了极其重要的作用。而在各生产工序中，连铸工序是将液态钢水转换为固态钢坯的最终环节，为了提高炼钢设备的生产率，同时提高产品总体质量，减少缺陷的再次发生，优化连铸工序生产过程是重要的环节。一些性能的控制如铸流表面温度和凝固长度是非常重要的。为防止在工艺过程中形成裂纹和引起其它缺陷，表面和内部质量问题受结晶器和二冷区中的热能传导的影响较大。

由于连铸工艺的复杂性，变量的数量较多，收集有用的测量值较困难。由于工艺过程控制硬件技术的进步，越来越广泛应用数学方法解决导热数学模型、机器的机械性能。数学模型可用于监视、控制和优化工艺。

CONCAST L2系统连铸模型能够对钢水温度进行实时监测，对钢水凝固过程和相变的瞬间传热过程用有限元法进行计算。在浇铸时，连铸机的机械参数和钢种相关的物化性能被正确输入到数据库中，经过L2系统数学模型（见图3）进行计算，实时监控动态二冷的设定点。L2工作站则从L1自动读取主要数据，所有铸流会在线形成热分析并通过L2工作站的人机交互界面展现出来。

模型的结果是沿着浇铸长度方向横断面的温度图形。这个图形决定了表面温度、坯壳厚度及冶金长度的模型，即铸流完全凝固后凝固液芯（见图4）。在线测试时测量温度和水流的调节模型参数，并达到与实际工艺性能相一致。

图4显示出了铸坯断面和在x轴方向连铸长度的预定点，在这个图上显示的变量为：温度、坯壳厚度、在中心线的凝固系数、热通量、二冷喷淋水流量、二冷喷淋水热传递系数。

4　数据的整合及优化

4.1外部系统数据的整合

图3　模型优化结构图

图4　冷却过程HMI画面

L2系统并非封闭于外部网络而独立运行，因此涉及到与外部系统进行数据交换。结合电炉车间的实际情况，电炉L2系统包含内建的事件广播机制，允许所有运行的L2模块之间互相发送生产过程中发生的各种类型事件的信号。此内建机制同样可以用来支持将外部系统数据整合到本地L2系统中，如化学实验室数据，中冶京诚公司设计的1#板坯连铸机L2系统，以及致力于工厂生产控制的天钢中厚板产销一体化的L3系统。这些外部系统相当于电炉L2系统的伙伴，有事件发生时，内建广播机制向合作伙伴广播一组与生产过程和生产事件相关的事件，以及与事件相关的一些额外必需的详细事件数据。参与事件广播的各方，是基于相互访问各系统公共接口路径的关系数据库表而获取相关事件发生的数据。

此事件广播机制是基于一个共同的数据库表，命名为ENV_EVENT，它有以下的逻辑结构（见图5），各合作伙伴之间通过定期循环读取此公共结构数据库表，便能得知是否有新的事件发生并及时更新系统状态。

图5　与外部系统数据交换逻辑图

如前所述，相对于电炉车间，外部系统是由不同的三方组成，由于1#板坯连铸系统与L3系统都有比较系统的数据库架构，因此适用于上面介绍的方法。而化学实验室的数据交换只对应于实验室的分析仪器，因此针对文件传输、串口传输及数据库直接读取3种不同的数据获取方式，经过与CONCAST L2工程师共同分析及讨论3种数据传输方式的可行性及便利性，最终确定数据传输采取通过文件传输的方式。在化学实验室配备一台L2客户端，化验室分析仪生成的数据文件写入此客户端一个事先定义好的路径，在L2服务器端，通过专有的SENTRY1程序对此路径下文件进行定期读取，以达到接收化验室成分的目的。

4.2结合生产实际的优化

CONCAST L2系统是一套成型的结构，照搬整套系统会与电炉车间生产实际情况不符，软件中有些数据及逻辑结构无法满足电炉生产的实际需求，因此需要对软件的设计进行更贴合实际的优化及改动，这样才能使生产节奏最紧凑，产品质量最优化，人员匹配合理化，最终才能体现L2系统的高效利用率，因此需要对本套L2系统进行设计上的优化及精简。

为了有一个完整的生产计划和报表，将非CONCAST公司设计的1#板坯连铸机的数据整合到CONCAST L2中；为板坯L2系统提供一个公共路径用来获取生产及计划所需的必备数据；将中包连续测温数据整合到CCM炉次报表中；大包寿命跟踪功能增添2个以分钟为单位的数据，从前一炉浇铸结束到本炉出钢开始的时间及从本炉出钢开始到本炉浇铸结束的时间；对在线报表的保存时间进行了调整，详细报表改为保存5周，标准报表保存时间修改为1年。

5　结束语

对于钢铁企业来说，产品质量好坏、生产节奏快慢、人员使用是否合理这些都是市场竞争的重要因素。CONCAST公司L2系统具备先进的设计理念及模型优化技术，能够满足电炉炼钢生产的需求，并且提高了产品质量。同时，经过符合现场实际的系统功能优化后，通过运行一段时间，经过现场操作人员的反馈看出，系统优化提升了人员操作的熟练性，系统使用的便利性，优化后的系统很好地提高了生产节奏和效率，使人员配置得到了更加高效的利用，为提高企业的竞争力起到了重要作用。

［1］曹江辉，王宁生，解放.制造执行系统现状与发展趋势［J］.高技术通讯，2003（6）：100-105.

［2］吴凡.钢铁行业实施ERP的产品结构设计［J］.计算机集成制造系统CIMS，2002，8（6）：500-504.

［3］漆永新.钢铁企业信息化新技术（上）［J］.冶金自动化，2005，29（3）：124.

Application of L2 System at Tiangang EAFMeltshop

WANG Nan and YANG Hong-qiao
（Tianjin Iron and Steel Group Co.，Ltd.，Tianjin 300301，China）

The paper introduces the application of CONCAST L2 system to EAF meltshop of Tianjin Iron and Steel Group Co.，Ltd.and analyzes the architecture and network layout，system hardware and software constitution and advantages of L2 system.The system was optimized according to the actual situation on site tomeet the requirementby EAFmelting production，improving productivity and productquality.

EAF；L2 system；model；mechanism

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.04.012

2016-03-07

2016-04-07

王楠（1982—），女，辽宁鞍山人，硕士，工程师，主要从事二级系统网络及软件维护管理工作。