马钢冷轧总厂数字钢卷系统研发及应用

曾德智

（马鞍山钢铁股份有限公司冷轧总厂，安徽马鞍山 243000）

引言

马钢冷轧总厂为钢卷赋予数字化特征，将原材料、生产过程、成本以及用户信息等一系列数据集中统一收集，形成数据集合。通过数字化，精准描述某一钢卷特性，建立钢卷的数字化档案。

1 数字钢卷概述

马钢冷轧总厂现有与钢卷有关的数据分散在各个系统或者单体设备中（例如，缺陷数据在缺陷检测仪中、能耗数据在能源计量系统中、工艺数据在L1/L2、带钢厚度数据在测厚仪中等），数据的名称也不统一，没有一个统一的数据平台，基于数据的综合应用带来了很大的困难；各个系统之间数据没有融通，系统之间只有存在必要的通信才连接，单体设备的数据“孤岛”和数据重复问题严重，数据复用性低，而且没有标准的数据服务，数据使用成本高。数字钢卷通过底层数采装置，实现直接与采集装置通信的硬件结构，其通信速度最快能够达到20ms，带钢长度方向的数据间隔可以减少到米级，大大提高了通过数据还原生产过程异常点的能力。收集机组生产过程中的质量及工艺数据并将其匹配到带钢长度位置上，其计算和匹配的依据是来自数字钢卷跟踪相关信息，其准确性直接影响到数据收集和匹配的精度和有效性。

数字钢卷主要实现以下功能：

（1）从各机组L2 或MES 系统获取钢卷信息、工艺设定信息等；

（2）从各机组PLC 中获取机组跟踪数据、控制数据、生产数据、设备状态等信息；

（3）按时间维度（高频数据按照时间周期存入iHyperDB）或按卷（高频采集的数据匹配到钢卷的长度位置上）；

（4）实时数据的展示；

(5)数字钢卷的综合展示。

2 数字钢卷系统硬件配置与设计

硬件构架分为主干网、边缘服务器、汇聚网和设备终端,见图1。将在设备终端采集到的数据进入汇聚网，再到主干网络，最终传输到服务器中心进行数据处理。数字钢卷主机系统由6 套高性能PC服务器组成超融合架构，分布式存储间使用光纤万兆网络进行数据副本同步，确保服务器的高可用性。

图1 硬件构架示意图

2.1 数字钢卷实时性设计

(1)核心交换机采用硬件冗余方式，任何一台设备出现故障，均不影响系统的运行。

(2)汇聚交换机及产线接入交换机采用环网设计，环网中任何一条物理链路出现问题，环网的自愈时间小于50 ms，保证网络的稳定可靠运行。

(3)产线环网与汇聚环网采用双耦合技术，在物理链路上进行了冗余，其中一条链路故障，会进行链路的主备切换，不影响系统的运行。同时由于耦合到不同产线的汇聚交换机，任何一条产线的汇聚交换机故障，不影响产线接入交换机的数据上传，提升了网络的稳定性。

(4)提供足够的网络带宽,主干网络的设计均采用千兆网络设计。

(5)交换机支持流量控制功能，广播风暴抑制功能，端口的优先级划分和VLAN 划分，端口和MAC地址的绑定等，提高系统安全性。

(6)交换机可以存储并支持双固件系统（Firmware），避免某一个固件出现故障，导致整台设备无法使用。

(7)运维简单方便；配置网管软件，可以实时监控网络状态，并以可视化界面展现出来。同时管理软件支持批量化配置功能，还可以管理、监控第三方设备。

2.2 服务器数据采集和通讯方式

数据采集包含三部分。

（1）FDAA 数据采集

把FDAA 数据通过TCP/IP 方式上传到数据采集服务器，将数据进行解析，按照周期实时存储，以及通过计算把数据匹配到长度位置上。

（2）L2 数据采集

把L2 数据通过电文或数据库访问方式读入到数据采集服务器。

（3）能源数据采集

从能源数据从能源管理系统读入到数据采集服务器。

服务器与机组的通信采用两种方式：一种是通过 DP 网络连接 PLC；一种是通过 TCP 网络接入，采用UDP 方式收取数据。

3 数字钢卷系统软件架构

软件架构示意图如图2。

图2 软件构架示意图

软件架构自下而上分为数据集成层、平台层、应用层。数据集成层负责对各个系统的数据采集。平台层负责平台的管理、接口转换以及数据总线工作，同时数据中心也作为平台层的一部分。应用层包括全线跟踪、异常数据报警历史、基因链、工艺监控、可视化工具、离线数据导出、辊系管理。

（1）全线跟踪页面显示的是当前机组重要的工艺实时数据，以图形的方式展示。

（2）异常数据报警功能是对机组重要的数据进行实时监控，按照监控规则对于特殊指标超出规则的进行报警并保存。

（3）基因链是机组的每个钢卷信息，可以得到机组的出口与入口的信息。

（4）工艺监控页面显示的是当前机组重要的工艺实时数据，以图形的方式展示，并对工艺数据进行实时监控，并报警显示超标的工艺数据。

（5）可视化工具包括长度维度、时间维度和定制分析。

①长度维度：当钢卷生产完成后，处理钢卷全程采集数据，以图形的方式展示。

②时间维度：通过改功能查看某一时间机组采集的过程数据，并以图形方式展示。

③定制分析：通过选定钢卷全程采集特定数据项，与时间维度相关联，组合展示工艺相关参数，定制分析曲线模板，为生产提供可视化工艺生产参考。可以根据不同规格的钢卷，定制保存特定的分析模板。

（6）通过界面选择指定的钢卷，以及需要做分析使用的工艺数据，进行自定义导出，导出的数据用做其他应用分析的数据源，

（7）棍系管理界面显示机组数据的设备号的详细信息。

4 数字钢卷系数据存储

随着数字钢卷数采频度的提高，数采的难度和数据量急剧加大，带来了相关数据处理和存储的技术难题，也成为项目至关重要的技术核心。针对高频数据按照不同维度进行数据存储。

（1）按时间维度存储。将高频采集的数据按照时间周期存入具备高性能、高可靠、高容量、跨平台、可扩展等特点的实时数据库iHyperDB，可以实时或离线查询所有数据采集点分布在时间坐标上值的变化状态。

（2）按空间纬度存储。将高频采集的数据匹配到钢卷的长度位置上，并记录当前钢卷号，以钢卷号及长度为主键，把长度位置上的数据写入建立好的钢卷内存表中。当钢卷长度方向上需要修正时，直接修改内存表中的数据，可以大大提高程序执行效率，减少对IO 设备访问的次数，也提升了系统的性能。为了保证系统在意外死机或关机的情况下不丢失数据，后台进程将定时把内存表中的数据写入文件系统，作为内存表的备份文件。当系统重启后，将读取备份文件到内存表中。当钢卷在出口剪切完成后，统计好钢卷的数据，比如工艺数据、基本数据PDO 等，存入关系数据库DB2，并将当前卷在内存表中的数据写入文件系统，同时清除当前卷在内存表中的数据。

（3）按照时间和空间纬度的两种数据存储方式，可以方便地将数据上传到大数据平台，为将来的数据迁移奠定了基础。

5 应用

数字钢卷提供一个标准的服务数据平台，通过对各个系统多源数据进行整合、匹配以及数据转换，实现数据对外格式统一、接口统一、规范一致性，向外部系统提供标准化和开放式接口，实现跨平台、跨语言、跨系统的多样性数据服务。

（1）系统采用了功能强大的HMI 过程视窗，使得操作人员和设备人员能够全线跟踪生产过程，优化调整工艺参数，实现产品质量的提升。

（2）在数据完成过滤、统计、匹配后形成数字钢卷的基础数据。基础数据包括：机组实时数据和异常数据报警信息。

（3）根据钢卷的基础实时数据，可以监控钢卷的工艺信息。根据钢卷的报错信息来对每个钢卷进行评分，并根据判定的上下限形成工艺数据曲线。

（4）当钢卷生产完成后，服务器处理钢卷全程采集来的数据，根据特定的分析模板对每个钢卷进行特定的分析。针对分析的结果和工艺数据曲线图可以进行生产工艺的优化以及调整特定的分析模板，形成一个闭环，逐步对工艺参数形成逐步优化的过程，提高产品质量。

6 结语

数字钢卷将实物转化成数据实体，将定性或者宽泛的定量转化为精准定量数据。通过数字钢卷信息，为差异化营销提供支撑。在发生质量异议时，可以及时追溯分析钢卷哪一环节问题。另外，有了这么多钢卷数据信息，可以进一步通过数字孪生仿真技术模拟现场，远程监控等，以“数字钢卷”的形式来实现冷轧产品的“全程可视化”和“数字化”，为后续的大数据分析与挖掘，提供完善、准确、可靠的数据基础，实现智能工厂最关键的一步。