概述
济钢1700热连轧厂建于2005年，2006年3月正式投产。这条热轧生产线上的工艺设备先进、自动化程度高，广泛采用了现代轧钢工业中的先进的控制技术，比如立辊AWC自动宽度控制技术、AGC自动厚度控制、卷曲助卷辊AJC自动跳步控制技术等等。传动系统普遍使用高动态响应的液压伺服控制器。在调试以及投产试运行阶段经常出现液压传动设备故障和产品质量问题，在解决实际问题中，数据采集、分析和处理的快速性和准确性问题就突出的表现出来。为了掌握设备运行的数据和工艺参数，及时发现问题，保证生产的顺利进行，热连轧厂投资数万美元，联合北京科技大学上了一套德国IBA公司的PDA(过程数据采集)系统。
1、系统数据采集
济钢1700热连轧自动化系统的配置由三层通讯网络构成，第一层为光纤内存映象网，这是整个自动化系统主干网，负责完成各功能控制器之间的高速的通讯任务;第二层是基于TCP/IP协议的工业以太网，负责完成控制器间的中速通信及操作员站HMI、部分仪表与控制器间通信任务;第三层为目前流行的工业现场总线Profibus DP网，主要负责完成各区域控制器与主、辅传动设备的通信任务。
图1 济钢1700通讯网络拓扑结构图
主干网内存映象网是一种基于环状的，高速复制的共享内存网络。它支持不同总线结构的多计算机系统，并且可以使用不同的操作系统来分享高速的，稳定速率的实时数据。所有挂在同一内存映象网上的计算机均有一定的内存空间被所有的机器共享，并且进行统一的编址，当其中的任何一台计算机向其共享内存中写入数据时，其他在线计算机的共享内存区域中的相应的地址中都会写入相同的内容。它具有实时高速的特点，最大通讯速率可达2Gb/s，在小于100个节点的网络配置中，各站数据刷新时间小于1ms。
这套PDA数据采集系统是一种基于安装了PCI总线的数据采集卡及其驱动程序的PC个人计算机的软件系统。它通过安装专用的PCI总线的数据采集卡VMIC5565连接到高速内存映像网中，采集生产过程中设备运行的实时数据和工艺参数。该软件系统支持自由创建通道数为32个，每个通道又可以分别创建32个模拟量和32个开关量的采集通道。也就是说在无任何扩展的情况下就可以同时采集1024个模拟量信号和1024个数字量信号。在一般情况下，这种数据采集量足可以满足轧钢生产工艺分析的需要。PDA系统的同步采样周期可以达到1ms[1]，这给高速的、大容量数据处理工作提供了很好的平台。热连轧厂使用的这套PDA系统共设置2个采集工作站，它们的硬件配置相同。采集工作站从内存映像网上获得所要记录的数据，并将数据存储在硬盘上。
图2 PDA系统网络示意图
PDA系统除了可以实现高速的数据采集、存储、在线或离线分析外，还可以直接在采集器上观察设备的当前运行状态。热连轧的生产工艺非常复杂，工艺流程上经过加热炉、粗轧、精轧、卷曲。每个区域的控制系统均采用高速度、高精度的传动、位置控制、压力控制以及快速连锁控制，针对这些控制系统及其在运行过程中的状态参数进行毫秒级监视，对分析生产工艺过程和事故都起到很大的帮助作用，同时也能为今后对系统、设备的维护和分析提供原始的数据资料。
考虑到设备运行状态监视，并结合热连轧工艺生产线上的特点，设置了一系列相关数据监视通道，比如轧机主电机的实际速度、实际电流、实际转矩和功率;轧机实际辊缝值、轧制力反馈值;液压传动的伺服阀芯位置反馈、压力反馈;生产线上各个编码器反馈值、高温计的温度显示值等模拟量数据采集通道，除此之外，还设置了大量开关量的采集通道，比如高压水除鳞喷射阀状态显示、热金属检测器(HMD) 状态显示、变频器启动/停止状态显示、伺服阀使能命令等等。
2、系统组成及配置
2.1 控制器硬件配置
济钢1700热连轧基础自动化控制系统是由GE FANUC公司的PAC RX7i系列PLC控制器组成。该控制系统中配备有VME公司生产的基于VME总线(VME总线是一种开放式系统结构，支持多处理器系统，地址总线32位，数据总线32位(最高64位—J1+J2);能处理7级中断，具有总线仲裁能力)的5565内存映像网卡，通过该网卡可以将生产过程中的设备运行数据和工艺参数信息传到内存映像网上。网卡的安装简便，可直接安装在PAC系统的机架中，安装位置没有特殊要求，安装固定好后，只需对网卡的安装槽位，内存地址，中断方式和电源供电方式进行定义，无需进行初始化编程。
2.2 PDA硬件配置
PDA采集工作站采用较高的配置：
中央处理器：Intel(R) Pentium(R) 4 CPU 2.80GHZ
显卡：Adaptec SCSI Card 29320A-Ultra320 SCSI
内存：512MB RAM
硬盘：MAXTOR ATLAS10K4_73SCA SCSI Disk Device
数据采集卡：FOB-4i-PCI和Reflective Memory VMIC 5565
另配19寸CRT显示器方便数据的实时监控。其余若干PDA分析工作站为研华工控机。
3、系统组态
数据采集的主要流程如下：首先在建立好PLC到RFM内存映像网的连接后，PLC控制器将PDA需要采集的数据发送到内存映像网相应的地址中，PDA采集工作站在建立与RM的连接后，扫描对应地址中的数据，记录和采集实时数据。
3.1 控制器组态
下位机控制器PAC系统采用GE Fanuc公司的Cimplicity Machine Edition编程软件进行组态，建立与内存映象的连接。此系统主要通过PLC编程软件中提供的BUS WRT功能块传送数据，将数据直接传送到内存映像网中。该功能块可以反复调用用于发送不同的信息。传送数据是以字为单位，对于模拟量来说一个数据通道需要占用1个字的内存空间，而对于开关量来说的十六个通道数据可以共同占用1个字的内存空间。系统调用的程序如下：
SWAP_WORD 1 R1T_SP_REF,G **;//进行高低字节的转换
BUS_WRT_WORD 1 ** 0 17 0 1 16#894000 WRT_PDA_ST1,G; R+; C+1; C+1; //定义传送数据所需的参数，槽号，基地址和偏移量，并发送数据到相应的地址
END//结束
3.2 PDA组态
PDA采集工作站安装PDA Vision5.20.1软件实现数据的高速采集。
在安装了PDA Vision5.20.1软件后，需要对PDA系统使用的数据采集卡进行定义，内存映象网应选择RM5565网卡，并设置读取内存地址的范围。在诊断网络通讯成功后，分别定义32个数据采集通道的数据接口和数据类型。内存映象网选择RM接口，数据类型依据采集数据的不同有RM_INT(整型)、RM_FLOAT(浮点)和RM_Dig512(512位开关量)提供选择。在32个数据采集通道中每个通道中32个模拟量和32个开关量的采集通道的在Module Setup中设置，设置的参数有参数名、参数范围、单位和采集数据在内存映象网中的偏移地址。
在数据采集通道建立完成后，该系统将为每个通道单独建立一个数据点，用于数据的存储和监视。数据点存储的信息经过转换后，以*.dat的文件的形式存放在电脑硬盘上。这种过程数据采集系统的优点是可以进行灵活的触发设置和文件记录设置，其历史记录的保存时间完全取决于硬盘的容量，此外还可根据硬盘的容量自动删除之前保存的最老的文件;文件的存储方式也可以根据用户需要进行配置，可以按时、天、月存储，文件名可以自动生成，方便了对历史数据的分析[2]。
此外该软件提供的实时在线显示功能可以灵活的设置数据通道，分别有四显示窗口可同时显示，每个窗口最大容量为12个数据。在完成PDA系统的组态后，会生产2个组态文件，分别以*.pda和*.pdr的件形式保存在电脑硬盘上。
4、数据分析系统
数据分析器采用的是IBA公司提供的免费的分析工具软件IBA Analyzer3.54。分析器除了放在采集工作站上之外，还分设了几个分析工作站。采集工作站和分析工作站由以太网的方式连接起来组成局域网。将采集工作站作为服务器，在其上安装PDA采集软件，然后将采集的数据文件放到共享文件夹下。分析工作站安装PDA分析软件IBA Analyzer, 不仅可
以在采集工作站在线分析，还可以从采集工作站的共享文件下取出数据进行离线分析。
IBA Analyzer可对存放在硬盘上的*.dat文件进行分析，分析功能齐全，能够满足不同的需求，其功能包括：将打开的数据文件进行拆分和组合;察看数据FFT模式及进行X-Y轴分析;丰富的数据工具，如算术、函数、处理集合等功能;信号滤波、统计、比较和极值处理功能;数据格式转换输出等功能。在此软件中还可以观看3D瀑布图和2D顶观图，大大方便了技术人员的分析，以下两例是通过采集到轧制工艺参数的分析比较，发现系统存在的问题，及时进行了调整，效果明显。
图3 粗轧机轧机电流与轧制力波形图
图3所示为粗轧机主电机电流与轧制力波形图，从图中可以分析出轧机电流波动是由于轧制力的原因引起电流波动。这样可以尽快调整工艺参数，减小轧制力的波动，改善板形。
图4 AWC自动宽度控制波形图
图4所示为第三道次粗轧立辊AWC自动宽度控制液压缸位置反馈波形图。从图中可以看出液压缸位置调节出现明显的超调和振荡，在及时的调整控制参数后，系统的稳定性得到明显的改善。
与此同时，分析系统IBA Analyzer还可以将采集数据转换成毫秒级SQL, MySQL, ACCESS,ORACLE等数据库文件及Matlab的可读数据文件，以扩展分析功能。
5、结束语
该系统投入使用一年多的时间里，系统运行稳定。通过数据分析，找出了许多故障原因，解决了许多工艺技术问题，为生产的顺利提供了可靠的保障。
参考文献
[1] The Flight Recorder Company, Process Data Acquisition Operating Manual (Version PDA_m21e)，1998，5
[2] 鲁哨廷，王磊，杨小健，唐云辉. 转炉PDA系统的设计及数据分析[J]. 冶金自动化，2006，30 (4)： 58-60. LU Shao-ting，WANG Lei，YANG Xiao-jian，TANG Yun-hui. Design of converter PDA system and its data analysis [J]. Metallurgical Industry Automation，2006，30 (4)： 58-60.
