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摘要：近年來，現代冶金行業信息化迅速發展，對冶金產品過程質量要求越來越高，特別是對于附加值較大的上游產品，生產過程中就要對其質量數據進行收集和監管，對于鋼管企業熱軋區生產監督就顯得特別重要。描述了鋼管熱軋區域過程控制系統設計和應用，通過對制造執行系統（MES）生產計劃接收、控制系統生產過程質量數據收集、物料跟蹤和生產過程管理等功能，實現了對鋼管從短坯到成品生產過程追溯，采用“軟”跟蹤模式實現對鋼管信息進行逐支跟蹤。
關鍵詞：制造執行系統；過程控制系統；可編程控制器；數據采集
過程控制系統（簡稱PCS系統，冶金行業一般稱為L2系統），作為制造執行系統（MES）和基礎自動化系統（L1系統）之間信息溝通的橋梁，主要完成MES系統生產合同／計劃信息接收和生產實績上傳、L1系統生產過程狀態信息和實績收集、模型參數設定／計算以及下發L1進行工藝參數調節，并根據收集的數據生成設備運行實績、打印生產報表等功能，為決策系統提供基礎數據。近年來過程控制系統不僅在冶金行業得到快速發展，在有色金屬冶煉、鋼管生產、離散制造行業也占有越來越重要的位置。本次過程控制系統在湖南某鋼管企業無縫鋼管熱軋區域逐支跟蹤、過程管理中的應用，為企業API認證提供了強有力的數據支持。
1無縫軋管工藝流程
無縫鋼管生產工藝一般分為冷拔和熱軋兩種，由整支圓鋼穿孔而成的，表面上沒有焊縫的鋼管，因此被稱為無縫鋼管。本次項目應用是大口徑熱軋管工藝，成品鋼管外徑范圍為Φ273mm～Φ720mm，壁厚范圍為8mm～120mm。工藝流程圖如1所示：
為了實現鋼管熱軋各工序的生產數據和重要過程數據的自動收集及保存，盡量減少人工記錄的工作量，配合產銷一體化系統的實施，根據實際狀況建立過程控制系統。過程控制系統是MES系統與基礎自動化的連接橋梁，采用標準成熟的工業通訊接口，自動采集生產線的各類數據，監視生產情況，從而實時掌握生產節拍、設備運轉概況等，為MES系統提供數據源，也將MES系統與基礎自動化系統數據進行整合，發揮集群效應。鋼管過程控制系統主要功能是接收MES系統下發的生產合同和生產計劃信息，并按照合同標準組織實物信息進行生產，實現對熱軋區域自環形爐工序到冷床工序物料跟蹤，按照“支”為單位進行物料跟蹤，在每個工序加工過程中，自動綁定加工參數信息，達到逐支跟蹤的目的，實現API要求的過程生產數據。本次過程控制系統架構如圖2所示：過程控制系統采用三層架構進行構建，關系數據庫采用微軟SQLServer數據庫，采用C／S方式實現HMI展示和操作；與MES系統通信采用寶信軟件自主開發的iXcom電文通信中間件；為了保證與L1控制系統通信穩定性和及時性，采用第三方OPC通信組件KepwareOPCServer軟件，直接與L1系統PLC進行數據交換。應用功能圖設計如圖3所示。
3業務邏輯設計
本次項目實施的鋼管熱軋產線覆蓋環形爐工序至定徑機后的冷床工序，MES系統編制好生產計劃后按照管捆為單位下發至L2系統，管捆計劃中包含眾多屬性，如管捆號、合同號、軋批號、鋼級、材質、合同用戶名稱、管坯規格、成品規格、熱處理方式等等，這些屬性組成了管捆生產要素，L2系統根據此計劃進行組織生產，系統提供了多種生產組織方式，確保生產信息按照現場實物實際生產順序進行生產。正常組織生產時，操作人員按照實物實際入爐順序進行入爐準備操作，選擇管捆信息進行入爐準備操作之后系統根據計劃信息生成每一支鋼管的詳細信息，并為每一支鋼管賦予唯一的管號進行跟蹤。L2系統跟蹤模式采用“軟”跟蹤方式，即采用軟件方式實現逐支跟蹤，其關鍵之處就是根據L1系統的數字量信號觸發L2系統跟蹤邏輯，實現各工序的投料、產出功能，并綁定生產過程中的加工參數。
3．1環形爐跟蹤邏輯設計
環形爐是數據采集和物料跟蹤的第一個工位，該工位投料時產生物料號，并開始跟蹤；投料前L2系統中生產計劃必須是排序之后的計劃，計劃跟實際物料一致。系統提供兩種投料方式，一種是操作工在系統中進行逐支投料，另外一種是L2系統根據控制系統的入爐觸發信號進行自動投料；L2系統對每支入爐管坯進行實時跟蹤，并自動匹配好生產工藝數據和過程數據，如入爐時刻、環形爐各段溫度、出爐時刻、出爐溫度等；管坯出爐時，操作工可以采用手動方式在系統中進行手工出爐操作，或數據采集系統根據控制系統提供的出爐信號進行自動出爐，物料進入爐后緩沖區，此時如果管坯存在質量或其他問題需要下線或回爐，則需要手工操作，并填寫原因，系統會將這些下線實績發送給MES。業務邏輯如圖4所示：
3．2穿孔機跟蹤邏輯設計
管坯在環形爐出爐后進入穿孔機生產隊列，管坯等待投料，操作工通過在系統內操作投料按鈕或系統根據控制系統開始穿孔作業，系統開始進行物料跟蹤，并實時采集相關設定參數和實測數據，把綁定好的數據存入數據庫中；鋼管在穿孔或脫棒中出現異常，需要下線的鋼管，必須需要人工干預操作，并填寫下線原因，隨后L2系統把此類信息發送給MES系統，業務邏輯如圖5所示：軋機跟蹤邏輯與穿孔機跟蹤邏輯相似，過程不再贅述。
3．3熱處理及定徑機跟蹤邏輯設計
軋機其后的跟蹤邏輯由于處理方式和生產工藝不同，相對來說比較復雜，特別是再加熱爐既可以在正常生產工序中進行在線熱處理（管坯從環形爐開始至成管冷床產出），也可以在作為離線工序進行處理（直接利用其進行鋼管的正火、淬火或回火處理），其跟蹤邏輯如圖6所示：
4物料跟蹤算法設計
過程控制系統主要的一項功能是就是物料跟蹤，特別是對于類似鋼管生產企業來說更顯得重要。近年來由于客戶不但對于產品質量越來越看重，對于產品生產過程中的質量監管也越來越注重，尤其是用于核電、石油鉆探、高壓鍋爐等特殊行業的無縫鋼管，不僅國外用戶，國內用戶也開始要求生產企業建立逐支跟蹤系統，實現對鋼管過程質量的收集，能夠隨時追溯鋼管生產數據，個別用戶還特定要求交貨時提供產品生產過程質量數據，因此為了保證物料跟蹤的準確性，需要設計特定的跟蹤算法滿足項目需求。穿孔機工序、軋機工序和定徑機工序機組占地范圍較小，生產加工對象是單支物料，跟蹤邏輯相對簡單，對于環形爐工序和再加熱爐工序其跟蹤物料是幾十支，特別是對于環形爐工序，加工管坯直徑較小的物料時有時能達到上百支，對于其物料跟蹤就比較復雜，對控制系統要求更高，不僅要求控制系統提供的進出爐信號要精準、穩定，對爐內各運轉信號也有較高的要求。L2系統結合這些過程控制信號結合自己的跟蹤算法進行容錯處理，實現爐內穩定的物料跟蹤。
4．1環形爐跟蹤算法
環形加熱爐是一種坯料在環形的旋轉爐底上邊移動邊加熱的連續加熱爐，沿爐長可分為熱回收段、預熱段、加熱段、均熱段，本系統覆蓋的環形爐加熱區又可分為四個區域，每段（區域）可以按照角度進行劃分，詳細劃分角度如表1所示。環形爐跟蹤要求：1）自動記錄管坯進出爐時刻、進出爐溫度。2）跟蹤過每一支管坯在爐內料位，不同爐號之間通過空料位進行為區分。3）記錄每一支管坯進入每一加熱區段的時刻，并自動計算每一管坯在各個加熱區段加熱時間。4）自動記錄每一支鋼管在爐內加熱數據，并繪制加熱曲線。由于環形爐是加熱設備，爐內溫度相當高，加熱段4區的最高溫度可達到1300℃，因此爐內無法安裝料位傳感器，管坯上也無法安裝身份識別元件（如RFID卡、噴碼等手段），目前較為可靠的方式采用軟件算法的方式實現跟蹤和位置定位。針對以上需要和信息設計跟蹤算法如下：1）管坯入爐時，L1系統發送入爐信號給L2系統，此入爐信號需要進行處理，不能單單以某一傳感器作為入爐信號，現場生產情況較為復雜，有的管坯入爐時爐鉗夾不緊導致管坯跌落，有的爐門打開后由于管坯位置不對碰撞爐門無法入爐等，需要利用綜合信號進行觸發；L2系統接收到信號后觸發管坯入爐邏輯。2）管坯入爐后進入跟蹤，要求L1系統提供環形爐轉動開始信號、轉動結束信號，以及每次轉動的角度等信息發送給L2，供L2系統進行位置計算。3）L2系統根據L1發送的環形爐轉動信息對信號處理，記錄每一次轉動信號和角度，并進行累計計算，根據角度累計邏輯計算鋼管在爐內的位置信息，并記錄每一段的時刻、停留時間，綁定溫度信息。4）L2系統處理環形爐轉動信息時，需同時計算環形爐正轉、反轉信息，并利用跟蹤算法及時進行退步處理。5）一般情況下，L1系統也會對管坯信息進行跟蹤，不同的是它只記錄位置有料還是沒料，不會記錄當前物料信息，因此跟蹤過程中L2系統需要對L1系統跟蹤信息與系統內的跟蹤信息進行容錯處理，及時對系統自動糾偏，如果差異較大，則發出報警信息，供操作員人員進行介入處理，如進行手工調整處理。
4．2再加熱爐跟蹤算法
步進式加熱爐采用步進梁方式對爐內加熱處理的管料進行移動，它屬于長方形結構，與環形爐處理方式不同，本系統覆蓋的步進爐加熱區域主要分為預熱I／II段、加熱I～V段、保溫I～VI-II段，再加熱爐跟蹤要求基本上與環形爐要求大體一致，跟蹤算法設計是以步進梁前進步數作為計算依據：1）步進梁動作主要分為自動步模式、手動模式、點動模式，一般情況下自動步在PLC控制下進行正循環，每一次正循環使得步進梁上的鋼管前進一個料位；爐內管料出現異常進行退爐操作時，還會出現反向循環，即管料退一料位，該情況一般采用手動模式；點動模式主要出現在緊急情況下使用。2）L2系統跟蹤是主要以自動和手動方式為主，自動根據前進或后退方式計算物料位置，并結合L1系統給出的各料位信號（同樣由于爐內溫度較高，設計最高溫度為1030℃，自動采用邏輯信號進行跟蹤）和跟蹤物料信息進行容錯處理。3）進行步數累計計算時，根據步數判定管料到達的各個加熱段，并記錄到達時刻、熱處理時長等等。4）點動模式較為復雜，系統無法進行區分具體的信號含義，因此不進行處理，出現此情況由通知操作工進行手動調整處理。
5結束語
本文設計的鋼管熱軋過程控制系統把物料跟蹤和過程質量數據收集作為重要的出發點，實現以“支”為單位物料跟蹤，實現了過程質量數據和加工參數的收集、綁定，自動生成用于API標準審核的記錄報表，滿足用戶對鋼管生產過程監管和對鋼管質量的追溯需求。目前系統運行穩定、可靠，達到了項目要求的設計目標。
作者：孟憲磊 單位：寶信軟件（南京）有限公司自動化部
