中厚板轧制制造执行系统的设计与实现

中厚板轧制制造执行系统的设计与实现中厚板轧制过程计算机控制系统通常采用三级结构设计。一级为基础自动化级，二级为过程控制级，三级为生产管理级。过程控制级(二级机)系统，亦即中厚板轧制制造执行系统MES，处于厂级生产管理控制系统(三级机)和电气与仪表基础自动化系统(一级机)之间。中厚板轧制MES是连接一级和三级系统的重要环节，它们一起协同工作实现对中厚板整个轧制过程的自动化控制。本文建立了中厚板轧制过程MES系统的过程处理模型，分析和构建了系统的体系结构，对其中的数据管理、信息处理和稳定的数据通信技术进行了研究。

1 过程处理模型

中厚板轧制MES系统连接基础自动化级系统、人机界面(Human Machine Interface，HMI)、生产管理级系统。系统主要包括以下以下几个功能模块：轧制规程计算模块、冷却控制计算模块、模型自学习模块、过程跟踪调度模块以及数据管理模块等等。该系统的过程处理模型如图1所示。

图1 中厚板轧制MES系统过程处理模型

轧制规程计算模块根据生产调度人员输入的原料数据和轧制目标等信息计算出对应的轧制规程，包括轧制总道次数、每道次相对辊缝、每道次轧制力(矩)、每道次出口厚度等等，这些数据为理论数据或经验数据。该模块同时根据实际轧制过程中产生的数据对轧制规程进行修正。

冷却控制计算模块根据轧制参数以及控冷需求等信息计算出对应的冷却方式，包括集管开启方式、开启数量、喷水量等，这些数据为理论数据或经验数据。该模块同时根据轧制结束后实际的辊道速度信息及轧件温度信息等来对冷却方式进行修正。数据管理模块对生产原料数据、轧制过程数据以及轧制规程数据等等一系列数据进行管理，实现对数据库的操作。过程跟踪调度模块则主要是负责与数据通讯模块之间进行数据交换，对中厚板的轧制现场传回的数据(包括热

金属检测仪的信号、测厚仪的信号以及轧制过程的实时数据等等)以及人机界面系统中的信号进行过滤和处理，获取MES系统可以识别的信号和数据，以此驱动各模块协同工作。

2 系统体系结构

2.1 系统网络结构

中厚板轧制MES系统基于工业以太网与PLC和HMI进行数据通讯，采集实际生产中的数据并进行计算，然后将计算的结果传递给基础自动化级，参与中厚板轧制过程的控制。系统的主要设备组成如下：加热炉过程控制服务器、轧机过程控制服务器、精整过程控制服务器以及工作站数台。图2为该系统的网络结构图。

图2 系统网络结构图

该网络结构中，服务器与前端客户机通过网上交换机进行连接，保证了系统的可扩充性和快速性。系统通过以太网与电气和仪表

基础自动化系统相连接并采用TCP／IP协议与之通讯，该系统也通过以太网与厂级生产管理控制系统连接。2.2 软件功能结构

中厚板轧制MES系统的管理范围从板坯切割完成一直到生成出合格中厚板，其中包括如下处理段：上料跨、加热炉、高压水除鳞、轧机、快速冷却、热矫直机矫直、冷床冷却、钢板翻版检查、圆盘剪纵剪修边、定尺剪定尺、标记、收集。整个中厚板轧制MES系统分成两个层级：全线协调级和设备控制级。

全线协调级完成如下功能：①实现与生产管理计算机之间的通讯，生产管理级向MES系统传递所有原料数据、生产计划数据、生产要求数据，MES系统则将产品生产实绩数据、生产进度完成数据等回馈给生产管理级；②实现全线物料跟踪，包括加热炉段钢坯跟踪、轧机段轧件跟踪和精整段钢坯跟踪，目的是准追踪轧件在生产线上的实际位置，以便完成相应的设定或设备控制功能，提高产品的控制精度；③向各设备发送轧件原料数据和轧件跟踪数据；④收集各设备的处理结果数据；⑤维护和管理生成计划数据。

图3 中厚板轧制MES系统功能结构图

各设备控制级部分完成如下功能：①设备的内部轧件微跟踪，定位轧件在各设备内部的准确位置；②设定值计算，轧件上线后MES 根据该轧件的主数据和生产要求，计算该轧件的生产设定值；③过程数据收集，过程数据是轧制过程中基础自动化级实测并传回给MES的实际数据，过程数据的收集目的是对轧制规程、模型参数等等进行修正；④上报生产过程数据和生产结果数据；⑤数学模型自学习。

3 关键技术

3.1 数据管理

系统的数据管理采用的是Oracle数据库管理系统。数据库编程接1：3采用ADO．NET，并通过LingToOracle或类型化的数据集，封装对数据库的操作。数据库按照功能以及管理范围，被分成多个部分：全线数据管理部分、加热炉部分、轧机部分、快速冷却部分、矫

直以及出口段部分。这几个部分的数据分别存放在不同的表空间中，本系统数据库表空间包括：

COMMON：存放全线共用数据。

FURNACE：存放加热炉段相关数据

MILL：存放轧机段相关数据。

FAST_COOLING：存放控冷段相关数据。

EXIT．-sESSION：存放出口段相关数据。

例如，在MILL表空间中，即轧机段主要的数据表如表1所示。

表1 轧机段主要数据表及其说明

3.2 报文通讯

在中厚板轧制过程自动化控制中，MES系统主要与基础自动化级、生产管理控制级发生通讯。

基础自动化级和生产管理级与过程控制级之间通过以太网相联，网络通讯协议采用TCP／IP协议，网络连接采用TCP／IP自带的应答报文机制和心跳检查机制(由中厚板轧制MES系统在建立网络连接时设置连接的属性)，以保证数据进行可靠传输，并保证网络连接的状态被正确检测。所有数据以报文的方式传送，每个数据报文均由

报文头和报文数据部分组成．如表2是原料数据报文的格式，该报文的发送方是基础自动化级，接收方为中厚板轧制MES系统，发送时机是当有原料钢坯被堆入加热炉时。

表2 原料数据报文格式

基础自动化级的数据都是PLC通过报文的方式主动发送到中厚板轧制MES系统中。发送给基础自动化级的数据报文为生产设定数据报文，如：原料数据报文、加热炉设定报文、出炉报文、轧机每道次设定报文和冷却要求报文、快速冷却设定报文、矫直机设定报文、冷床设定报文、翻板机设定报文、圆盘剪设定报文、定尺剪设定报文

等等。基础自动化PLC上传的报文需要被分解成数值报文和信号报文，然后再由中厚板轧制MES系统的核心程序处理。

数值报文部分：基础自动化PLC上传报文中，数值数据是以原始的二进制格式表示，数值有2字节整数型和4字节的浮点型，在提取数值数据时，首先需要进行字节码转换。同样，在中厚板轧制MES系统在将含有数值的报文发送到PLC中时。也需要进行字节码顺序的转换。

信号报文部分：基础自动化PLC上传的报文中，事件或设备状态以字节中的二进制位(bit)表示，判断事件发生或设备状态发生变化需要将各状态位解析出来。在判断设备状态发生变化时，需要将当前状态和前一次的状态进行比较。解析出来的事件或设备状态变化需要被转换成事件报文，传送给中厚板轧制MES的核心程序。

3.3 远程过程调用与共享内存

远程过程调用(RPC)是进程问通信技术之一，在ISO网络通信模式中RPC跨越了传输层和应用层。共享内存是指多个进程可以把一段内存映射到自己的进程空间，以此来实现数据共享和传输的一种机制。中厚板轧制MES系统的开发结合并利用了远程过程调用技术和共享内存机制的特点，大大提高了系统的开发效率和运行效率。

4 结束语

中厚板的轧制是一个复杂的过程，开发中厚板轧制MES系统是一项复杂的任务，不仅要保证系统的控制精度、计算精度，同时要

协调好基础自动化级、人机界面与过程控制系统之间的通讯关系。中厚板轧制MES系统提升了企业中厚板生产过程控制的自动化程度，大大提高了企业中厚板生产的精度和效率。本文设计完成的MES系统已经成功在天津某钢厂投入运行，取得了良好的实际效果，图4为系统部分运行画面。

图4 钢坯温降数据曲线管理画面