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基于RSView SE的炼钢-连铸过程监控仿真系统 |
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作者：施灿涛 李铁克 张鸿 |
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在钢铁企业的生产过程中，炼钢和连铸是两个关键工序。其生产流程复杂、生产设备多、物流纵横交错，影响着生产过程的顺利进行，以及产品质量的稳定和提高。作为钢铁企业生产管理的核心内容，炼钢-连铸生产调度不仅需要考虑钢水到达时间偏差、设备故障。而且还需要考虑钢水成分不合格、钢水温度补偿等动态扰动事件。炼钢-连铸工序所具有的高温连续和生产环境高度动态化的特点使得生产计划与实际结果往往难以吻合，从而导致不必要的浪费甚至重大损失。为了确保安全生产、减少能源损失、降低原料消耗以及保证钢铁质量，建立炼钢-连铸生产流程仿真系统是十分必要的。
RSviewSE是一套专业的HMI仿真软件，与其他组态软件相比，RSviewSE增加了安全保护、图形显示、全局报警、活动及报警记录、TrendX趋势图等功能。其核心部分RSviewStudio用来创建图形显示面面，能生动形象地反映生产过程。方便操作人员直接对生产过程进行操作。并能极大地节省工程设计和开发时间。此外，RSviewSE可以与其他支持FactoryTalk的软件共享数据，并且可以与ROCKWELL公司的硬件PLC等快速实现通讯，更加方便从现场读取实时数据。
本文建立的炼钢-连铸过程监控仿真系统在导入已编制生产计划的基础上，对生产计划的执行情况进行监控。为炼钢-连铸生产过程的稳定运行提供保证。
1 炼钢-连铸生产工艺及仿真参数
炼钢-连铸生产过程主要是通过转炉，把从高炉来的铁水冶炼成钢水，倒入转炉下台车上的钢包内。通过台车和吊车的作业。把钢水包运送到精炼设备处，再通过精炼设备精炼钢水。以使其达到下道工序要求的钢水成分和温度，按工艺要求的精炼作业全部完成后。再通过台车和吊车，把钢水包运送到连铸机实施浇铸，形成连铸板坯。
1.1 生产工艺特点
炼钢-连铸生产工艺特点可以归纳如下：
(1)间歇与连续方式相混杂的多阶段混合流程式生产过程。转炉、精炼设备为间歇作业方式，为提高作业效率、降低机器设置次数和生产成本，连铸机在其中间包寿命之内为连续作业方式。生产的总流程为铁水预处理-炼钢-精炼-连铸。包括多个生产工序，各工序又存在着多个生产设备，生产过程为多阶段混合流程式。
(2)物流衔接紧密，具有准时制要求。连铸生产工艺要求在一个连续生产周期内浇铸的钢水成分和温度满足一定的工艺限制条件。必须协调间歇式和连续式作业工序的生产节奏，使工序间物流传递满足正确成分、温度和时刻的要求，保证生产的持续性。
(3)产品种类规格繁多，结构复杂。铸坯产品钢种规格繁多，决定了产品结构的复杂性。
(4)生产管理与控制多种信息、多种功能集成。炼钢-连铸生产过程调度管理要求实时监视各设备作业状态、跟踪各工序物流状态。在此基础上在线编制和调整调度计划。实现整个生产过程的动态管理和控制。来源于管理级、过程自动化级、基础自动化级的多种性质、频度、用途及响应时间的不同信息在系统中有机集成，满足生产过程监视、调度计划编制、设备管理、数据查询统计报表等功能需求。
1.2 过程参数
炼钢-连铸工序具有高温连续的特点，生产流程复杂。参数众多，其中最主要的参数有时间、温度和成分。
1.2.1 时间
时间主要包括工序时间和运输时间。
工序时间是钢铁制造系统中的一个重要参数。它在钢铁制造流程中是以时间点、工序位、时间序、周期等形式表现出来。包括组罐、脱硫、提钒、转炉炼钢、吹氩喂丝、LF精炼、RH精炼、方坯或板坯连铸工序的作业开始、结束/离开时间点、冶炼、精炼、浇注时间的长短(时间域)，各个工序日、班出钢炉数、连浇炉数等时间节奏(时间频)，相邻工序间的关系和时间序的安排和调控等。
运输时间同样也是钢铁生产过程中的一种重要的时间参数。各工序间的运输环节主要包括脱硫工序、提钒工序、转炉炼钢工序、炉后吹氩喂丝、LF处理、连铸等工序。其中精炼到板坯连铸采用轨道运输。其他工序采用天车吊运。
1.2.2 温度
温度是钢铁制造流程多维物流管制的重要工艺参数之一。通过对炼钢厂生产流程的主要温度参数进行解析，在结合时间参数优化的基础之上，建立合理的温度制度。以保障全厂物流的顺行。结合炼钢厂的实际情况。实测温度有转炉温度、氩前温度、氩后温度、大包到连铸平台温度和中间包温度等。
1.2.3 成分
成分是钢铁制造流程中的一个重要工艺参数。它不仅影响工艺流程，而且影响钢材的特性。在铁水预处理过程中需要进行脱硫、脱磷；转炉炼钢流程中要进行脱碳：精炼过程中要伴随着脱氧、脱氮、脱氢以及合金化操作。实际生产中，我们需要对钢水中的C、Si、Mn、P、S、O等元素的含量进行监测。
2 系统设计方案
炼钢-连铸仿真系统采用分布式结构，分别模拟生产过程的不同环节，通过信息交换整体协调，共同模拟整个钢厂的生产活动过程。炼钢-连铸生产过程包括炼钢、精炼、连铸3个阶段。来自高炉的铁水经冶炼加工后转变为钢水，通过精炼处理保证所需要的化学成分和温度，然后在连铸机浇注成规定规格板坯供轧制工序使用。因此系统共包括3个模块，即炼钢模块、精炼模块和连铸模块。整个监控系统的结构如图1所示。
监控系统要求完成下面的工作：
(1)信号采集：对现场的温度、液位、流量、熔炼时间等信号进行采集。并进行处理和运算。这些信号由生产现场经检测变送环节变成标准信号反馈至ControlLogix系统中。RSView组态软件需从ControlLogix控制器中获取数据。两者之间要采用OPC通信方式。
(2)监控操作：完成系统操作控制、参数设定和系统的启动和停止。
(3)动态显示：以图形和曲线等形式显示炼钢-连铸流程的动态画面、趋势图、报警等。
(4)操作画面：通过操作画面查询实时数据和历史数据，并打印实时报表和历史报表。
(5)系统具备可扩展性。
2.1 仿真流程
仿真的流程如图2所示，系统启动后，首先初始化仿真参数，如仿真开始时刻、仿真时间等，然后输入生产计划并放行后，开始进行生产流程仿真，同时收集工艺参数以进行计划的动态调整。
系统仿真流程
2.2 硬件配置
炼钢-连铸生产过程仿真系统是一个集合了冶金工艺技术、计算机技术、网络技术、数据库管理技术的有机整体。系统软硬件平台的选用。必须能最大限度地描述生产过程的实际情况且能满足系统的总体建设目标和应用需求。系统的硬件设备主要分为3个部分：上位机系统、下位机系统和网络结构。
(1)上位机系统。上位机系统负责数据的显示和处理，包括1台运行FaetoryTalk Directory的计算机、2台安装了RSView SE Server软件的冗余计算机、2台运行数据服务器的冗余计算机、1台运行RSView Studio的开发计算机、1台运行RSViewSEClient的客户端计算机以及1台运行RSView Administration Console的管理计算机。
(2)下位机系统。下位机系统负责数据的采集，采用AB公司的ControlLogix控制系统，执行用户控制程序，完成数据采集、输出控制、与上位机进行通讯等任务。
(3)网络结构。由于炼钢-连铸生产系统的监控和数据采集具有实时性的要求，因此系统对于计算机网络传输性能有较高的要求。因此，系统采用总线型工业以太网(10M/100M)网络拓扑结构。在这种网络结构中，各个节点之间是平等的，任意两个节点之间的通信可以直接通过网络进行。而不需要通过其他节点的介入。
2.3 软件配置
在此系统中主要对上位机进行软件配置。上位机系统安装了Windows 2003操作系统，组态软件为ROCKWELL公司的RSView SE。此外，上位机还装有RSLinx通信软件和RSLogix5000编程软件。
3 系统实现
3.1 监控界面
根据系统的要求，要求对炼钢连铸流程中关键过程参数进行在线监视，过程监视包括转炉炼钢、炉外精炼、连铸中关键过程参数。本系统建立在C/S网络的基础上。在各环节都安装有数据采集站，因此可以实现炼钢连铸各环节的数据监控。
(1)炼钢数据监控界面。界面的中央是转炉本体，在转炉的上方是各原料的现有量和已加入的量；左侧显示的是温度参数，包括氩前温度、氩后温度、终点温度。右侧显示耗氧龟和供氧强度的数值。所有的参数均由数据站采集，反映了实际生产的数据。
(2)精炼数据监控界面。主要用于监控精炼过程中的一些参数，包括S、O、H、N的成分含量以及钢水温度。由于这些元素直接影响到钢产品的质量，因此需要对这些参数设置报警，当各参数的含虽超过警戒值时，系统就会报警。
(3)连铸数据监控界面。能够清晰地反映出连铸中钢水经钢包、中间包、结晶器、二冷等设备的流程，并进行相应数据的采集。系统为二流连铸系统，监控参数包括温度、压力、水流量、温差等参数，并对连铸过程进行了动态模拟，模拟动作与设备现场流程保持一致，可以达到很好的监控效果。
3.2 趋势图
在钢铁生产中，有许多参数会影响钢材质量和性能，如温度、钢水中的成分等，因此需要对各参数进行实时跟踪。趋势图是实时数据或历史标签数据的一种可视化表示，可以帮助操作员跟踪工厂中正在发生的活动，通过对主要参数变化趋势的描述，反映出整个系统运行的好坏。
3.3 报警
在炼钢连铸生产流程中，因为系统复杂，考虑的因素很多，所以需要设置故障报警的位置也较多，比如精炼炉中S、O、H、N的含量，出钢钢水的温度等。利用界面报警符号来监视报警信息，有助于避免由于生产停工带来的巨大损失。为了最大限度地减少损失并便于追在损失的原因，在整个生产过程中，要始终观察和跟踪系统中出现的事件。
4 通讯设置
通讯在组态软件中起着非常重要的作用，网络中计算机之间的访问、上位机和下位机直接的数据交换都离不开通讯，它将整个系统连成一个统一的有机整体。一般来说，通讯需要设置FactoryTalk Directory、OPC服务器等。
4.1 FactoryTalk Directory
FaetoryTalk Directory能够帮助应用项目的各个组成部分在单台计算机或者网络上找到对方。用户也可以设置网络。以便多个应用项日共享一台FactoryTalk Directory计算机。或者多个应用项目使用多台FactoryTalkDirectory计算机。本系统使用一台FactoryTalk Directory计算机。
4.2 OPC通讯
OPC是OLEforProcess Control的简称，可以通过不同厂商特定的OPC服务器将RSViewSE连接到通讯设备。由于本系统采用的是AB公司的ControlLogix控制系统，而RSLinx是ROCKWELL公司专门为其产品生产的OPC服务器，且支持OPC-DA 2.0，因此系统使用RSLinx作为OPC服务器，使RSViewSE能够从Contml Logix控制器设备获取标签数值。
为了提高系统的安全性和稳定性，系统还提供数据访问冗余。在另一台计算机上建立另一个OPC服务器，然后在主数据服务器上进行冗余设置，使得在主数据服务器失效时客户端能够指向从服务器。
5 结束语
由于炼钢-连铸工序具有高温连续、生产环境高度动态化的特点，如何对其进行实时有效的监控是钢铁企业生产管理中的重要问题。本文分析了炼钢-连铸生产过程的工艺流程，在归纳其工艺特点的基础上，确定了仿真系统参数；从系统结构、仿真流程、系统硬件和软件配置等方面提出系统设计方案，运用RSViewSE软件，建立包括数据采集、各类参数控制、报警控制以及设备起停控制等功能的炼钢-连铸过程监控仿真系统。系统导入实际生产数据后，运行正常。达到预期效果。(end)
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(5/19/2012) |
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