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摘要：近年来，现代冶金行业信息化迅速发展，对冶金产品过程质量要求越来越高，特别是对于附加值较大的上游产品，生产过程中就要对其质量数据进行收集和监管，对于钢管企业热轧区生产监督就显得特别重要。描述了钢管热轧区域过程控制系统设计和应用，通过对制造执行系统（MES）生产计划接收、控制系统生产过程质量数据收集、物料跟踪和生产过程管理等功能，实现了对钢管从短坯到成品生产过程追溯，采用“软”跟踪模式实现对钢管信息进行逐支跟踪。
关键词：制造执行系统；过程控制系统；可编程控制器；数据采集
过程控制系统（简称PCS系统，冶金行业一般称为L2系统），作为制造执行系统（MES）和基础自动化系统（L1系统）之间信息沟通的桥梁，主要完成MES系统生产合同／计划信息接收和生产实绩上传、L1系统生产过程状态信息和实绩收集、模型参数设定／计算以及下发L1进行工艺参数调节，并根据收集的数据生成设备运行实绩、打印生产报表等功能，为决策系统提供基础数据。近年来过程控制系统不仅在冶金行业得到快速发展，在有色金属冶炼、钢管生产、离散制造行业也占有越来越重要的位置。本次过程控制系统在湖南某钢管企业无缝钢管热轧区域逐支跟踪、过程管理中的应用，为企业API认证提供了强有力的数据支持。
1无缝轧管工艺流程
无缝钢管生产工艺一般分为冷拔和热轧两种，由整支圆钢穿孔而成的，表面上没有焊缝的钢管，因此被称为无缝钢管。本次项目应用是大口径热轧管工艺，成品钢管外径范围为Φ273mm～Φ720mm，壁厚范围为8mm～120mm。工艺流程图如1所示：
为了实现钢管热轧各工序的生产数据和重要过程数据的自动收集及保存，尽量减少人工记录的工作量，配合产销一体化系统的实施，根据实际状况建立过程控制系统。过程控制系统是MES系统与基础自动化的连接桥梁，采用标准成熟的工业通讯接口，自动采集生产线的各类数据，监视生产情况，从而实时掌握生产节拍、设备运转概况等，为MES系统提供数据源，也将MES系统与基础自动化系统数据进行整合，发挥集群效应。钢管过程控制系统主要功能是接收MES系统下发的生产合同和生产计划信息，并按照合同标准组织实物信息进行生产，实现对热轧区域自环形炉工序到冷床工序物料跟踪，按照“支”为单位进行物料跟踪，在每个工序加工过程中，自动绑定加工参数信息，达到逐支跟踪的目的，实现API要求的过程生产数据。本次过程控制系统架构如图2所示：过程控制系统采用三层架构进行构建，关系数据库采用微软SQLServer数据库，采用C／S方式实现HMI展示和操作；与MES系统通信采用宝信软件自主开发的iXcom电文通信中间件；为了保证与L1控制系统通信稳定性和及时性，采用第三方OPC通信组件KepwareOPCServer软件，直接与L1系统PLC进行数据交换。应用功能图设计如图3所示。
3业务逻辑设计
本次项目实施的钢管热轧产线覆盖环形炉工序至定径机后的冷床工序，MES系统编制好生产计划后按照管捆为单位下发至L2系统，管捆计划中包含众多属性，如管捆号、合同号、轧批号、钢级、材质、合同用户名称、管坯规格、成品规格、热处理方式等等，这些属性组成了管捆生产要素，L2系统根据此计划进行组织生产，系统提供了多种生产组织方式，确保生产信息按照现场实物实际生产顺序进行生产。正常组织生产时，操作人员按照实物实际入炉顺序进行入炉准备操作，选择管捆信息进行入炉准备操作之后系统根据计划信息生成每一支钢管的详细信息，并为每一支钢管赋予唯一的管号进行跟踪。L2系统跟踪模式采用“软”跟踪方式，即采用软件方式实现逐支跟踪，其关键之处就是根据L1系统的数字量信号触发L2系统跟踪逻辑，实现各工序的投料、产出功能，并绑定生产过程中的加工参数。
3．1环形炉跟踪逻辑设计
环形炉是数据采集和物料跟踪的第一个工位，该工位投料时产生物料号，并开始跟踪；投料前L2系统中生产计划必须是排序之后的计划，计划跟实际物料一致。系统提供两种投料方式，一种是操作工在系统中进行逐支投料，另外一种是L2系统根据控制系统的入炉触发信号进行自动投料；L2系统对每支入炉管坯进行实时跟踪，并自动匹配好生产工艺数据和过程数据，如入炉时刻、环形炉各段温度、出炉时刻、出炉温度等；管坯出炉时，操作工可以采用手动方式在系统中进行手工出炉操作，或数据采集系统根据控制系统提供的出炉信号进行自动出炉，物料进入炉后缓冲区，此时如果管坯存在质量或其他问题需要下线或回炉，则需要手工操作，并填写原因，系统会将这些下线实绩发送给MES。业务逻辑如图4所示：
3．2穿孔机跟踪逻辑设计
管坯在环形炉出炉后进入穿孔机生产队列，管坯等待投料，操作工通过在系统内操作投料按钮或系统根据控制系统开始穿孔作业，系统开始进行物料跟踪，并实时采集相关设定参数和实测数据，把绑定好的数据存入数据库中；钢管在穿孔或脱棒中出现异常，需要下线的钢管，必须需要人工干预操作，并填写下线原因，随后L2系统把此类信息发送给MES系统，业务逻辑如图5所示：轧机跟踪逻辑与穿孔机跟踪逻辑相似，过程不再赘述。
3．3热处理及定径机跟踪逻辑设计
轧机其后的跟踪逻辑由于处理方式和生产工艺不同，相对来说比较复杂，特别是再加热炉既可以在正常生产工序中进行在线热处理（管坯从环形炉开始至成管冷床产出），也可以在作为离线工序进行处理（直接利用其进行钢管的正火、淬火或回火处理），其跟踪逻辑如图6所示：
4物料跟踪算法设计
过程控制系统主要的一项功能是就是物料跟踪，特别是对于类似钢管生产企业来说更显得重要。近年来由于客户不但对于产品质量越来越看重，对于产品生产过程中的质量监管也越来越注重，尤其是用于核电、石油钻探、高压锅炉等特殊行业的无缝钢管，不仅国外用户，国内用户也开始要求生产企业建立逐支跟踪系统，实现对钢管过程质量的收集，能够随时追溯钢管生产数据，个别用户还特定要求交货时提供产品生产过程质量数据，因此为了保证物料跟踪的准确性，需要设计特定的跟踪算法满足项目需求。穿孔机工序、轧机工序和定径机工序机组占地范围较小，生产加工对象是单支物料，跟踪逻辑相对简单，对于环形炉工序和再加热炉工序其跟踪物料是几十支，特别是对于环形炉工序，加工管坯直径较小的物料时有时能达到上百支，对于其物料跟踪就比较复杂，对控制系统要求更高，不仅要求控制系统提供的进出炉信号要精准、稳定，对炉内各运转信号也有较高的要求。L2系统结合这些过程控制信号结合自己的跟踪算法进行容错处理，实现炉内稳定的物料跟踪。
4．1环形炉跟踪算法
环形加热炉是一种坯料在环形的旋转炉底上边移动边加热的连续加热炉，沿炉长可分为热回收段、预热段、加热段、均热段，本系统覆盖的环形炉加热区又可分为四个区域，每段（区域）可以按照角度进行划分，详细划分角度如表1所示。环形炉跟踪要求：1）自动记录管坯进出炉时刻、进出炉温度。2）跟踪过每一支管坯在炉内料位，不同炉号之间通过空料位进行为区分。3）记录每一支管坯进入每一加热区段的时刻，并自动计算每一管坯在各个加热区段加热时间。4）自动记录每一支钢管在炉内加热数据，并绘制加热曲线。由于环形炉是加热设备，炉内温度相当高，加热段4区的最高温度可达到1300℃，因此炉内无法安装料位传感器，管坯上也无法安装身份识别元件（如RFID卡、喷码等手段），目前较为可靠的方式采用软件算法的方式实现跟踪和位置定位。针对以上需要和信息设计跟踪算法如下：1）管坯入炉时，L1系统发送入炉信号给L2系统，此入炉信号需要进行处理，不能单单以某一传感器作为入炉信号，现场生产情况较为复杂，有的管坯入炉时炉钳夹不紧导致管坯跌落，有的炉门打开后由于管坯位置不对碰撞炉门无法入炉等，需要利用综合信号进行触发；L2系统接收到信号后触发管坯入炉逻辑。2）管坯入炉后进入跟踪，要求L1系统提供环形炉转动开始信号、转动结束信号，以及每次转动的角度等信息发送给L2，供L2系统进行位置计算。3）L2系统根据L1发送的环形炉转动信息对信号处理，记录每一次转动信号和角度，并进行累计计算，根据角度累计逻辑计算钢管在炉内的位置信息，并记录每一段的时刻、停留时间，绑定温度信息。4）L2系统处理环形炉转动信息时，需同时计算环形炉正转、反转信息，并利用跟踪算法及时进行退步处理。5）一般情况下，L1系统也会对管坯信息进行跟踪，不同的是它只记录位置有料还是没料，不会记录当前物料信息，因此跟踪过程中L2系统需要对L1系统跟踪信息与系统内的跟踪信息进行容错处理，及时对系统自动纠偏，如果差异较大，则发出报警信息，供操作员人员进行介入处理，如进行手工调整处理。
4．2再加热炉跟踪算法
步进式加热炉采用步进梁方式对炉内加热处理的管料进行移动，它属于长方形结构，与环形炉处理方式不同，本系统覆盖的步进炉加热区域主要分为预热I／II段、加热I～V段、保温I～VI-II段，再加热炉跟踪要求基本上与环形炉要求大体一致，跟踪算法设计是以步进梁前进步数作为计算依据：1）步进梁动作主要分为自动步模式、手动模式、点动模式，一般情况下自动步在PLC控制下进行正循环，每一次正循环使得步进梁上的钢管前进一个料位；炉内管料出现异常进行退炉操作时，还会出现反向循环，即管料退一料位，该情况一般采用手动模式；点动模式主要出现在紧急情况下使用。2）L2系统跟踪是主要以自动和手动方式为主，自动根据前进或后退方式计算物料位置，并结合L1系统给出的各料位信号（同样由于炉内温度较高，设计最高温度为1030℃，自动采用逻辑信号进行跟踪）和跟踪物料信息进行容错处理。3）进行步数累计计算时，根据步数判定管料到达的各个加热段，并记录到达时刻、热处理时长等等。4）点动模式较为复杂，系统无法进行区分具体的信号含义，因此不进行处理，出现此情况由通知操作工进行手动调整处理。
5结束语
本文设计的钢管热轧过程控制系统把物料跟踪和过程质量数据收集作为重要的出发点，实现以“支”为单位物料跟踪，实现了过程质量数据和加工参数的收集、绑定，自动生成用于API标准审核的记录报表，满足用户对钢管生产过程监管和对钢管质量的追溯需求。目前系统运行稳定、可靠，达到了项目要求的设计目标。
作者：孟宪磊 单位：宝信软件（南京）有限公司自动化部
