攀钢1450热连轧数据采集系统

攀枝花新钢钒股份有限公司热轧厂1450基础自动化系统（u）通过PLC采集各个检测设备的实时数据，采集周期短，可以实现对轧制过程的快速响应。但由于PLC本身无法存储大量的实时数据，不能满足数据存储和分析的需要，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室和攀钢热轧板厂于2006年初联合开发攀钢1450数据采集系统，采集PIE实时检测数据和过程控制计算机（L2）实时控制数据，为后续开发的基于人工智能新技术数据挖掘系统提供稳定可靠的数据平台。

l 系统描述

系统主要由基础自动化系统、过程自动化系统、生产控制计算机系统（IJ3）、数据中心机服务器和质量分析终端组成。其中，基础自动化系统包括1台粗轧R1区域PLC R1、1台粗轧R2区域PLCR2、1台热卷箱精轧及层流冷却区域PLC302和1台卷取区域PLCA08。基础自动化系统通过以太网将实时数据采集到两个前端数据采集服务器中，而这两台服务器又将实时采集到的实时数据存储到另外两台数据库服务器中，其中海量历史数据会定期保存到磁盘阵列中。过程自动化系统由1台加热炉过程机服务器、1台粗轧机过程机服务器和1台精轧与层流冷却过程机服务器组成。数据中心机服务器通过以太网将各个服务器中的各类数据进行汇总和保存。

由于设计的数据采样速率较快（20～100 ms采样1次，仅为与基础自动化系统通信时），每块带钢的采样信号较多（约2 KB），因此为避免对该厂现有一、二级自动化系统产生不利影响，在物理上和逻辑上采用与现有的一、二级自动化系统相对独立的网络结构。同时，为了保证快速的实时数据采集，在系统内又划分了相对独立的数据采集网段和实时数据网段，通过在数据库服务器和前端数据采集服务器安装双网卡（10/100 Mb/s自适应）来实现网段划分。数据采集PLC连接到前端数据采集服务器的一块网卡上，该网段作为数据采集网段；前端数据采集服务器的另一块网卡连接到数据库服务器和客户端，该网段为实时数据网段。系统采集的数据主要由一级自动化系统的PLC和二级自动化系统的数据中心机服务器提供。

系统网络结构如图1所示。

2 系统软件设计

2.1 系统软件结构

热连轧数据采集系统软件分为前端数据采集服务器软件和客户端软件两部分，前端数据采集服务器软件包含热轧应用程序服务器进程、服务器诊断和切换进程、映射内存生成进程、数据采集与发送进程和TCP/IP通信控制及轧件跟踪进程等。其中，热轧应用程序服务器进程用于实现热轧过程各种数据的读取，并通过数据库数据维护工具将所有的实时数据存储到数据库服务器中；数据采集与发送进程通过PLC通信驱动程序来实现现场控制器群的实时数据读取。与此同时，系统也通过这些进程实现和共享映射内存的数据读写。客户端软件包含一个热轧过程离线分析器和一个热轧过程在线分析工具等，这些分析工具的数据源于映射内存生成进程所映射的共享内存区当中的数据。

该系统构建在Microsoft Windows 2000平台上，采用MS VC++开发，其软件结构如图2所示。

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2.2 系统数据结构

系统采用内存共享数据区存放现场实时数据，它的目标首先是缓解实时性要求高但快速的数据通信、轧线跟踪等子系统与实时性要求低但比较耗时的数据存储系统（数据库和文件）间的矛盾，保证系统的实时性；其次提供快速、大数据量的进程问通信。

内存共享数据区实际上是一个信息头加上实时数据缓冲池的结构。其中信息头中主要包括信息头长度、数据区长度、当前采样周期和相关数据区指针等内容。实时数据缓冲池是一个结构数组，数组的每个元素对应现场来的一个数据帧。

每个数据帧对应于一个采样时刻采集的数据，并且这些数据按照主轧线轧制区域管理。内存共享数据区的实时数据缓冲池按循环缓冲区方式保存最近几块轧件的采集数据。当数据通信系统采集到一个完整的数据帧后，先将数据写入由信息头中当前帧号指示的数组位置，接着将当前帧号加1（当前帧号超过上限后置0），数据帧长度加1，然

后发送SM—DATACHANGE消息通知网络通信及数据处理进程有“新数据”到来。

网络通信及数据处理进程在完成启动后总是在等SMDATACHANGE消息，一旦收到该消息，网络通信及数据处理进程立即读取内存共享

数据区中的“新数据”进行处理，完成处理后将信息头中数据帧长度减1。

2.3 数据流程

热轧过程实时采集系统采集的数据分布在主轧线基础自动化系统和过程自动化系统中，这些数据通过基础自动化系统区域网络集中到粗轧基础自动化系统的第1架粗轧机的PLC R1和第2架粗轧机的PLC R2、精轧基础自动化系统的PLC302、卷取基础自动化系统的PLC408和过程自动化系统的数据中心机服务器中。现场数据按轧制区域管理，包括加热炉、粗轧、热卷箱、精轧和卷取4个区域，另外还有板坯及轧制计划数据

系统实时数据采用内存共享数据区提供各进程问的数据通信和数据缓冲，使用消息和事件对象实现进程问调度和同步，使用通信报文完成客户服务器之间的数据通信。

主要的内存共享数据区有：前端数据采集服务共享数据区ServerCom、客户端数据采集服务共享数据区ClientCom、报警信息内存共享数据区AlarmCom、历史报警内存共享数据区AlarmRec—Com、特征值内存共享数据区CharacterCom、跟踪数据内存共享数据区TrackCom、历史数据内存共享数据区HisDataCom、特征值数据文件数据区Char.acterHisCom、信号表内存共享数据区SignalCom、设备常数内存共享数据区DeviceConstCom和人工干预内存共享数据区OperatorCom。

历史数据采用数据文件和数据库的形式存储，其中实时数据由于数据量非常大，根据钢卷不同存放在不同的实时数据文件中；而统计特征值则按一个钢卷一条记录的形式保存在数据库的相应表中，以方便统计和查询。

系统数据流如图3所示。前端数据采集服务器实时数据采集进程SDCP负责与连接到系统中的PLC建立通信链接，将数据采集并发送到共享内存数据区供数据通信和处理进程使用，该进程具有正常和动态特性测试两种工作方式；前端数据采集服务器网络通信与数据处理进程SNCP包含轧线跟踪和控制逻辑、与客户端计算机的rCP/IP数据通信、特征值计算、工序质量判定（自动和目视）、特征值和实时数据存储、二级设定数据接收、动态特性测试管理、通信管理等主要功能。前端数据采集服务器显示及管理界面进程SDAP主要供系统开发和系统维护人员使用；客户机数据通信进程CDTP负责客户机实时数据的读取以及数据库中历史数据的读取；客户机数据处理进程CDMP负责对CDTP进程读取的数据进行处理；客户机用户界面进程CDAP用于实现人机交互。

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基础自动化系统和过程自动化系统产生的数据由前端数据采集服务器实时数据采集进程采集进入前端数据采集服务器中，完成数据拼装后，写人共享数据区，并更新共享数据区的相关指针。之后，前端数据采集服务器的实时数据采集进程发送消息通知网络通信与数据处理进程，网络通信与数据处理进程首先对共享数据区中的数据进行预处理；接着激活跟踪线程，根据现场跟踪传感器反馈来的跟踪信息，更新跟踪数据区的相关列表；查询保持连接状态的客户机列表，向连接到前端数据采集服务器的客户机发送采集到的数据；然后激活数据处理线程进行特征值计算、质量分布计算和判定；最后激活数据存储线程，将数据写入数据库和数据文件。同时通知前端数据采集服务器显示及管理界面进程，以驱动显示及管理界面进程更新显示。

3 系统应用

该数据采集系统将采集到的实时数据存储到Oracle数据库服务器中，为数据查询、数据统计分析、数据的Web发布以及正在开发的数据挖掘系统提供了稳定可靠的数据平台。攀钢1450热连轧数据采集系统的应用，改善了原系统中部分数据不完整、缺少相关的设备运行参数及质量控制参数等不足。系统自2006年投用以来，运行十分稳定，具有很强的鲁棒性，并基于该数据采集系统成功开发出人工神经元网络高精度轧制力预报的在线应用系统和层流冷却系统卷取温度自学习系数的自整定功能，将原二级过程控制计算机系统的轧制力预报精度由原来的92%提高到现在的93.5%以上，将原层流冷却二级控制系统在换规格轧制时的卷取温度命中率由以前的86.35%提高到现在的94.18%。