基于工业互联网平台的数字钢卷设计与实现

曹培　刘安平　李路

关键词：数字钢卷；数字交付；智能制造；数据仓库；物料数字化

0 前言

随着钢企智能制造的发展，传统信息化系统已不能满足新的智能化需求，大量企业开始从信息化向数字化转型。数字化是钢企实现智慧制造的基础，为提高钢铁生产的效率和质量创造新的机会。数字钢卷是带钢的物料数字化模型，是钢厂进行全流程一体化质量管控的基础，可以随着实物钢卷进行数字交付帮助下游钢材用户跨行业对钢材品质进行掌控。本文描述一种在数个大型钢厂单工序数字钢卷实施基础上进一步打造的适用于热轧、冷轧至后处理工序的数字钢卷实现方法，對其原理、实现方法与产品形态进行了描述和解释。

1 概念与原理

数字钢卷是一个与钢卷实物伴生产出的物料数字化模型，实现带钢物料的数据数字化、资产化、可视化。数字钢卷围绕钢铁物料生命周期和产品加工过程，从产品视角将带钢在热轧、冷轧至后处理工序生产过程的质量、成本、能源等工艺数据进行整合和归集，并以钢卷为载体进行建模，将模型实例化形成钢卷的物料数字化。

工业互联网平台是企业级的叠加物联网、大数据、人工智能等新兴技术，构建精准、实时、高效地包括数据采集、存储、管理等功能的工业平台。平台采集和存储各单元生产产生的数据，数字钢卷从平台读取相关数据进行跟踪、关联和处理。数字钢卷的数据主要包含三类信号（表1）：（1）控制系统中的钢卷一旦产生便不再变化的静态特征数据，如钢卷号规格等基本信息、原料成分信息、离线检测等；（2）在生产过程中实时产生的实时时序数据，如工艺过程数据、设备运行数据、质量数据、能耗计量、在线检测数据等；（3）跨机组、跨工序的重要数据，以物料为基础的不同产线的关联。

系统获取数据后进行跟踪，按单个钢卷从数据仓库提取数据，将时序数据转换成按带钢长度方向对齐的数据并匹配到钢卷每一段长度上，实现钢卷数据时序、物料长度多维度的整合，并以钢卷号为主键进行建模，形成以钢卷产品为核心的数据模型，生成数字钢卷。

2 数字钢卷实现方法

数字钢卷按照针对机组差异化配置的数据项从工业互联网平台读取数据，通过建立跟踪进行数据整理与物料建模，以关系数据库和文件两种格式进行数据存储，建立基于工业互联网平台标准的数据接口，并构建基于B/S架构的可视化平台进行钢卷管理和数据展示。

2.1 硬件系统构建

数字钢卷系统硬件由数字钢卷服务器和工业互联网平台组成。工业互联网平台硬件包含数据采集服务器、数据仓库和网络设备，由全厂智能制造统一实施。系统的硬件架构如图1所示，最终实现数字钢卷服务器与PLC、数据仓库、炼钢连铸数据仓库的通信。

不同类型数据获取主要有3种方式：（1）当前生产的钢卷号等静态信息，通过数采服务器从产线生产控制系统实时获取；（2）机组实时生产数据，通过数采服务器实时从PLC采集数据。采集的数据按时间先后保存在数据仓库，数字钢卷系统需要时通过时间划片方式从数据仓库读取数据，其中跟踪所需要的速度、焊缝检测等数据实时发送到数据钢卷服务器；（3）炼钢连铸的跨厂级数据通过全厂网络从炼钢连铸的数据平台读取。

2.2 数据配置方法

数字钢卷的数据项采用文件的方式进行编辑和管理。整理数字钢卷所需要的工艺数据项，统计每个数据项在机组的位置参数。将数据项的变量名称、注释、变量类型、跟踪类型、数据物理位置所在的跟踪区域编号、数据点位置距离跟踪区域起点的距离，按照表格方式填写到CSV文件中，生成独立的配置文件，供数字钢卷系统读取。数字钢卷系统应用到不同的工厂或机组时，配置文件需要根据机组差异化布置和需求重新配置。

2.3 物料跟踪方法

数字钢卷系统采用从PLC实时读取的带钢速度、焊接信号、焊缝检测信号或热检信号，建立一套简单的跟踪。在机组从入口到卷取之间确立几个关键设备位置作为跟踪分区点：热轧机组；粗轧入口高温计、R1轧机、R2轧机、飞剪、精轧F7轧机、层冷辊道中间位；冷轧连续生产机组；焊机、各焊缝检测仪，连退镀锌机组热处理区前后张力辊；冷轧单卷生产机组。全线作为一个跟踪分区，以穿带信号作为跟踪起点。

带头带尾到达某个跟踪分区点，启动该分区的跟踪计算。以固定采样周期读取带钢速度，计算单个周期内带钢移动距离，并累加得出带头带尾过该跟踪分区点长度。当带头跟踪位置L不小于跟踪分区的总长度时，标志着带头已进入下一段，L保持不变，当下一个钢卷带头位置到来时，将带头位置信息L清零，重新进行下一个钢卷的计算，计算公式见式（1）。有活套位置的跟踪区域，计算跟踪位置时需减去实时套量对应的带钢长度。带尾跟踪计算方式同带头。

（1）

式中：L为带头带尾跟踪的位置，mm；vi为第i次采样段内的线速度，mm/s；T为速度采样周期，s。

划片时间计算：跟踪带头Ls和带尾位置Le，在数据配置文件中对应跟踪区域的不同数据检测点距离跟踪分区点的距离L1，L2，…进行比较，当Ls＞L1…的上升沿时间时，即带头经过该数据点的时间Ts，当Le＞L1…的上升沿时间时，即带尾经过该数据点的时间Te。每个数据点检测到带头带尾的时间Ts和Te即为该数据点的划片时间。记录划片时间和当前的钢卷号，生成钢卷的所有数据检测点的划片时间Ts和Te的关系表，保存到关系数据库。

2.4 物料长度对齐

采用时间划片方式进行数据提取：将生产期间按自然时间维度产生的时序生产数据，通过时间划片的方式将带钢经过单个数据点时间段内的数据提取出来，根据物料跟踪计算的钢卷对应数据点的起始时间Ts和结束时间Te，从数据仓库中按时间划片的方式提取Ts和Te之间的所有数据，将所有Ts点作为起点，所有Te的数据作为终点，组成新的数据集。图2所示为数据提取的过程。

将数据集从时间坐标变换成长度坐标：根据每个周期的带钢速度和周期，按照式（2）将横坐标从时间变换为带钢的长度，将工艺过程数据对时间的曲线转换拟合成工艺过程数据对长度的曲线。

（2）

式中：S为带钢在第n个采样周期的长度位置，mm；vi为第n次采样周期的当前段带钢线速度，mm/s；T为速度采样周期，s。

将带头带尾数据对齐：将带头位置的所有数据对齐，带尾位置的所有数据对齐，中间按长度百分比進行拟合，生成按带钢长度对齐的高频数字钢卷数据集。

2.5 跨机组数据关联

轧钢厂内下游机组生成数字钢卷时，自动将上游机组数字钢卷的关键数据例如厚度、板形、终轧温度，去掉头尾剪切长度内数据后按长度百分比关联到下游机组的数据钢卷。同时，数字钢卷长度数据中部分重要质量数据按相对较低频率抽取保存到关系数据库中，主要关联流程如图3所示。炼钢和连铸工序质量相关数据关联，从数据仓库读取成分、检验信息等重要信息，以静态特征数据的方式保存到数字钢卷的关系数据库。

2.6 数字钢卷存储与管理

静态特征数据、划片时间与按10个点采样一个的长度对齐数据集一起建模生成轻量级的数字钢卷，保存在关系数据库中，按照智慧制造平台统一标准对外提供标准接口，供其他应用进行质量管控和数字交付以及模型优化等功能使用。长度对齐的高频数字钢卷数据转换成离线分析工具支持的DAT文件格式存储在服务器，主要用于人工进行离线的数据分析、过程诊断、质量追溯等。建立基于B/S架构的可视化管理平台，可以对数字钢卷进行管理，提供完善的数据查询、管理、主要质量曲线展示功能。

3 应用实例

图4所示为某钢企数字钢卷系统可视化管理平台的钢卷数据预览页面，左边是钢卷列表，可以查询或选择需要预览的钢卷号，右边展示选中数字钢卷的关系数据库中的主要质量曲线。可视化页面可直接跳转到离线分析工具打开对应数字钢卷的DAT文件进行离线分析，提供多种标准基于数学的、统计学的分析。

图5所示为一个钢卷进行离线分析的曲线，图中坐标数据依次为平直度、凸度、各机架轧制力、各机架辊缝的曲线，子窗口为板形和凸度断面柱状图。由图中显示内容可知，数字钢卷系统实现了按长度统计每段带钢的生产数据，并具备丰富的分析功能。

4 结语

带钢生产作为工业制造领域生产流程最长、最复杂的产品之一，工序匹配复杂，跨生产机组数据传递不畅，数字钢卷方便地解决了这些缺点，为一体化质量管控系统提供了基础，为钢卷进行生产全流程数据分析、质量追溯、过程诊断、生产工艺优化提供了较大便利，满足从热轧、冷轧到后处理机组的物料数字化需求，使得上下游产业之间联系更加紧密。

本课题预留数字交付功能接口，钢企向用户交付钢材同时提供包含生产和质量信息的数字钢卷，增强了产业间无缝协同。随着数字交付在钢铁行业的推进，数字钢卷必将对钢铁行业的发展发挥重要作用。

本文摘自《冶金自动化》2022年第S1期