攀鋼1450熱連軋數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

摘要介紹了攀鋼1450熱連軋數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)以及實施過程。敘述了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)軟件設(shè)計、系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)流程。采集系統(tǒng)改善了原系統(tǒng)中部分?jǐn)?shù)據(jù)不完整、缺少相關(guān)的設(shè)備運行參數(shù)及質(zhì)量控制參數(shù)等不足。該系統(tǒng)投入使用后，運行穩(wěn)定、可靠，具有很高的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞 數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；數(shù)據(jù)流程；熱連軋

攀枝花新鋼釩股份有限公司熱軋廠1450基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)（u）通過PLC采集各個檢測設(shè)備的實時數(shù)據(jù)，采集周期短，可以實現(xiàn)對軋制過程的快速響應(yīng)。但由于PLC本身無法存儲大量的實時數(shù)據(jù)，不能滿足數(shù)據(jù)存儲和分析的需要，東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室和攀鋼熱軋板廠于2006年初聯(lián)合開發(fā)攀鋼1450數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集PIE實時檢測數(shù)據(jù)和過程控制計算機(jī)（L2）實時控制數(shù)據(jù)，為后續(xù)開發(fā)的基于人工智能新技術(shù)數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)平臺。

l 系統(tǒng)描述

系統(tǒng)主要由基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)、過程自動化系統(tǒng)、生產(chǎn)控制計算機(jī)系統(tǒng)（IJ3）、數(shù)據(jù)中心機(jī)服務(wù)器和質(zhì)量分析終端組成。其中，基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)包括1臺粗軋R1區(qū)域PLC R1、1臺粗軋R2區(qū)域PLCR2、1臺熱卷箱精軋及層流冷卻區(qū)域PLC302和1臺卷取區(qū)域PLCA08?；A(chǔ)自動化系統(tǒng)通過以太網(wǎng)將實時數(shù)據(jù)采集到兩個前端數(shù)據(jù)采集服務(wù)器中，而這兩臺服務(wù)器又將實時采集到的實時數(shù)據(jù)存儲到另外兩臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，其中海量歷史數(shù)據(jù)會定期保存到磁盤陣列中。過程自動化系統(tǒng)由1臺加熱爐過程機(jī)服務(wù)器、1臺粗軋機(jī)過程機(jī)服務(wù)器和1臺精軋與層流冷卻過程機(jī)服務(wù)器組成。數(shù)據(jù)中心機(jī)服務(wù)器通過以太網(wǎng)將各個服務(wù)器中的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和保存。

由于設(shè)計的數(shù)據(jù)采樣速率較快（20～100 ms采樣1次，僅為與基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)通信時），每塊帶鋼的采樣信號較多（約2 KB），因此為避免對該廠現(xiàn)有一、二級自動化系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，在物理上和邏輯上采用與現(xiàn)有的一、二級自動化系統(tǒng)相對獨立的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。同時，為了保證快速的實時數(shù)據(jù)采集，在系統(tǒng)內(nèi)又劃分了相對獨立的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)段和實時數(shù)據(jù)網(wǎng)段，通過在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和前端數(shù)據(jù)采集服務(wù)器安裝雙網(wǎng)卡（10/100 Mb/s自適應(yīng)）來實現(xiàn)網(wǎng)段劃分。數(shù)據(jù)采集PLC連接到前端數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的一塊網(wǎng)卡上，該網(wǎng)段作為數(shù)據(jù)采集網(wǎng)段；前端數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的另一塊網(wǎng)卡連接到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和客戶端，該網(wǎng)段為實時數(shù)據(jù)網(wǎng)段。系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)主要由一級自動化系統(tǒng)的PLC和二級自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心機(jī)服務(wù)器提供。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

熱連軋數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件分為前端數(shù)據(jù)采集服務(wù)器軟件和客戶端軟件兩部分，前端數(shù)據(jù)采集服務(wù)器軟件包含熱軋應(yīng)用程序服務(wù)器進(jìn)程、服務(wù)器診斷和切換進(jìn)程、映射內(nèi)存生成進(jìn)程、數(shù)據(jù)采集與發(fā)送進(jìn)程和TCP/IP通信控制及軋件跟蹤進(jìn)程等。其中，熱軋應(yīng)用程序服務(wù)器進(jìn)程用于實現(xiàn)熱軋過程各種數(shù)據(jù)的讀取，并通過數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)維護(hù)工具將所有的實時數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中；數(shù)據(jù)采集與發(fā)送進(jìn)程通過PLC通信驅(qū)動程序來實現(xiàn)現(xiàn)場控制器群的實時數(shù)據(jù)讀取。與此同時，系統(tǒng)也通過這些進(jìn)程實現(xiàn)和共享映射內(nèi)存的數(shù)據(jù)讀寫?？蛻舳塑浖粋€熱軋過程離線分析器和一個熱軋過程在線分析工具等，這些分析工具的數(shù)據(jù)源于映射內(nèi)存生成進(jìn)程所映射的共享內(nèi)存區(qū)當(dāng)中的數(shù)據(jù)。

該系統(tǒng)構(gòu)建在Microsoft Windows 2000平臺上，采用MS VC++開發(fā)，其軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用內(nèi)存共享數(shù)據(jù)區(qū)存放現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)，它的目標(biāo)首先是緩解實時性要求高但快速的數(shù)據(jù)通信、軋線跟蹤等子系統(tǒng)與實時性要求低但比較耗時的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)（數(shù)據(jù)庫和文件）間的矛盾，保證系統(tǒng)的實時性；其次提供快速、大數(shù)據(jù)量的進(jìn)程問通信。

內(nèi)存共享數(shù)據(jù)區(qū)實際上是一個信息頭加上實時數(shù)據(jù)緩沖池的結(jié)構(gòu)。其中信息頭中主要包括信息頭長度、數(shù)據(jù)區(qū)長度、當(dāng)前采樣周期和相關(guān)數(shù)據(jù)區(qū)指針等內(nèi)容。實時數(shù)據(jù)緩沖池是一個結(jié)構(gòu)數(shù)組，數(shù)組的每個元素對應(yīng)現(xiàn)場來的一個數(shù)據(jù)幀。

每個數(shù)據(jù)幀對應(yīng)于一個采樣時刻采集的數(shù)據(jù)，并且這些數(shù)據(jù)按照主軋線軋制區(qū)域管理。內(nèi)存共享數(shù)據(jù)區(qū)的實時數(shù)據(jù)緩沖池按循環(huán)緩沖區(qū)方式保存最近幾塊軋件的采集數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)采集到一個完整的數(shù)據(jù)幀后，先將數(shù)據(jù)寫入由信息頭中當(dāng)前幀號指示的數(shù)組位置，接著將當(dāng)前幀號加1（當(dāng)前幀號超過上限后置0），數(shù)據(jù)幀長度加1，然

后發(fā)送SM—DATACHANGE消息通知網(wǎng)絡(luò)通信及數(shù)據(jù)處理進(jìn)程有“新數(shù)據(jù)”到來。

網(wǎng)絡(luò)通信及數(shù)據(jù)處理進(jìn)程在完成啟動后總是在等SMDATACHANGE消息，一旦收到該消息，網(wǎng)絡(luò)通信及數(shù)據(jù)處理進(jìn)程立即讀取內(nèi)存共享

數(shù)據(jù)區(qū)中的“新數(shù)據(jù)”進(jìn)行處理，完成處理后將信息頭中數(shù)據(jù)幀長度減1。

2.3 數(shù)據(jù)流程

熱軋過程實時采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)分布在主軋線基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)和過程自動化系統(tǒng)中，這些數(shù)據(jù)通過基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)集中到粗軋基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)的第1架粗軋機(jī)的PLC R1和第2架粗軋機(jī)的PLC R2、精軋基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)的PLC302、卷取基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)的PLC408和過程自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心機(jī)服務(wù)器中?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)按軋制區(qū)域管理，包括加熱爐、粗軋、熱卷箱、精軋和卷取4個區(qū)域，另外還有板坯及軋制計劃數(shù)據(jù)

系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)采用內(nèi)存共享數(shù)據(jù)區(qū)提供各進(jìn)程問的數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)緩沖，使用消息和事件對象實現(xiàn)進(jìn)程問調(diào)度和同步，使用通信報文完成客戶服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信。

主要的內(nèi)存共享數(shù)據(jù)區(qū)有：前端數(shù)據(jù)采集服務(wù)共享數(shù)據(jù)區(qū)ServerCom、客戶端數(shù)據(jù)采集服務(wù)共享數(shù)據(jù)區(qū)ClientCom、報警信息內(nèi)存共享數(shù)據(jù)區(qū)AlarmCom、歷史報警內(nèi)存共享數(shù)據(jù)區(qū)AlarmRec—Com、特征值內(nèi)存共享數(shù)據(jù)區(qū)CharacterCom、跟蹤數(shù)據(jù)內(nèi)存共享數(shù)據(jù)區(qū)TrackCom、歷史數(shù)據(jù)內(nèi)存共享數(shù)據(jù)區(qū)HisDataCom、特征值數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)區(qū)Char.acterHisCom、信號表內(nèi)存共享數(shù)據(jù)區(qū)SignalCom、設(shè)備常數(shù)內(nèi)存共享數(shù)據(jù)區(qū)DeviceConstCom和人工干預(yù)內(nèi)存共享數(shù)據(jù)區(qū)OperatorCom。

歷史數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)文件和數(shù)據(jù)庫的形式存儲，其中實時數(shù)據(jù)由于數(shù)據(jù)量非常大，根據(jù)鋼卷不同存放在不同的實時數(shù)據(jù)文件中；而統(tǒng)計特征值則按一個鋼卷一條記錄的形式保存在數(shù)據(jù)庫的相應(yīng)表中，以方便統(tǒng)計和查詢。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)流如圖3所示。前端數(shù)據(jù)采集服務(wù)器實時數(shù)據(jù)采集進(jìn)程SDCP負(fù)責(zé)與連接到系統(tǒng)中的PLC建立通信鏈接，將數(shù)據(jù)采集并發(fā)送到共享內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)供數(shù)據(jù)通信和處理進(jìn)程使用，該進(jìn)程具有正常和動態(tài)特性測試兩種工作方式；前端數(shù)據(jù)采集服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)處理進(jìn)程SNCP包含軋線跟蹤和控制邏輯、與客戶端計算機(jī)的rCP/IP數(shù)據(jù)通信、特征值計算、工序質(zhì)量判定（自動和目視）、特征值和實時數(shù)據(jù)存儲、二級設(shè)定數(shù)據(jù)接收、動態(tài)特性測試管理、通信管理等主要功能。前端數(shù)據(jù)采集服務(wù)器顯示及管理界面進(jìn)程SDAP主要供系統(tǒng)開發(fā)和系統(tǒng)維護(hù)人員使用；客戶機(jī)數(shù)據(jù)通信進(jìn)程CDTP負(fù)責(zé)客戶機(jī)實時數(shù)據(jù)的讀取以及數(shù)據(jù)庫中歷史數(shù)據(jù)的讀??；客戶機(jī)數(shù)據(jù)處理進(jìn)程CDMP負(fù)責(zé)對CDTP進(jìn)程讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；客戶機(jī)用戶界面進(jìn)程CDAP用于實現(xiàn)人機(jī)交互。

基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)和過程自動化系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)由前端數(shù)據(jù)采集服務(wù)器實時數(shù)據(jù)采集進(jìn)程采集進(jìn)入前端數(shù)據(jù)采集服務(wù)器中，完成數(shù)據(jù)拼裝后，寫人共享數(shù)據(jù)區(qū)，并更新共享數(shù)據(jù)區(qū)的相關(guān)指針。之后，前端數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的實時數(shù)據(jù)采集進(jìn)程發(fā)送消息通知網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)處理進(jìn)程，網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)處理進(jìn)程首先對共享數(shù)據(jù)區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；接著激活跟蹤線程，根據(jù)現(xiàn)場跟蹤傳感器反饋來的跟蹤信息，更新跟蹤數(shù)據(jù)區(qū)的相關(guān)列表；查詢保持連接狀態(tài)的客戶機(jī)列表，向連接到前端數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的客戶機(jī)發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)；然后激活數(shù)據(jù)處理線程進(jìn)行特征值計算、質(zhì)量分布計算和判定；最后激活數(shù)據(jù)存儲線程，將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)文件。同時通知前端數(shù)據(jù)采集服務(wù)器顯示及管理界面進(jìn)程，以驅(qū)動顯示及管理界面進(jìn)程更新顯示。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集到的實時數(shù)據(jù)存儲到Oracle數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，為數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)的Web發(fā)布以及正在開發(fā)的數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)提供了穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)平臺。攀鋼1450熱連軋數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用，改善了原系統(tǒng)中部分?jǐn)?shù)據(jù)不完整、缺少相關(guān)的設(shè)備運行參數(shù)及質(zhì)量控制參數(shù)等不足。系統(tǒng)自2006年投用以來，運行十分穩(wěn)定，具有很強(qiáng)的魯棒性，并基于該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成功開發(fā)出人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)高精度軋制力預(yù)報的在線應(yīng)用系統(tǒng)和層流冷卻系統(tǒng)卷取溫度自學(xué)習(xí)系數(shù)的自整定功能，將原二級過程控制計算機(jī)系統(tǒng)的軋制力預(yù)報精度由原來的92%提高到現(xiàn)在的93.5%以上，將原層流冷卻二級控制系統(tǒng)在換規(guī)格軋制時的卷取溫度命中率由以前的86.35%提高到現(xiàn)在的94.18%。