钢铁企业二级计算机系统介绍一、概念的由来二级计算机系统是自动化控制系统的一个概念，指的是自动化控制系统中功能层次 较高的部分，用来实现一些较为复杂的控制功能。通常称为 Leve 2 Process Control System，即二级过程控制系统。从设备上讲，二级系统包括硬件服务器及其在服务器上 运行的系统软件和应用软件，以及HMI （人机界面）和相应的通讯网络设备，组成了二 级计算机系统。那么，既然称之为二级，一级自动化系统指的又是什么呢？一级是指基 础自动化系统（Level 1 Basic Automation System），主要由PLC （可编逻辑控制器）和 DCS （集散控制系统）组成，把现场的仪表数据和设备状态信号采集进来，用于设备的 逻辑控制和回路控制（开关量的控制，以及可连续测量的简单物理参数的回路控制，如 温度、压力和流量），并将数据和信号传送给二级系统。此外，一级系统接收二级系统 的设定数据，根据这些设定数据控制设备达到控制目标。一级和二级系统一起构成了一 条生产线中某道工序设备中较为完备的自动化控制系统。通俗地说，自动化控制系统好 比一个人体，一级是人的肢体，二级是人的大脑，仪表和设备状态信号是人的眼睛和感 觉器官，三者合一，构成了一个可以根据外部环境变化而正确做出人体动作反应的现代 人。可见，二级的概念相对于一级系统，用来实现一级系统无法完成的功能。二、二级计算机系统的功能前面已经说过，二级计算机系统用来实现一些较为复杂的控制功能。什么样的控制 功能较为复杂呢？钢铁生产流程中的成品和半成品制造过程的目标命中控制（一级系统 就无法控制了），像热连轧生产线的卷板厚度控制，炼钢转炉吹炼的终点钢水化学成分 和终点温度控制，都属于较为复杂的控制功能，必须使用二级计算机系统中的数学模型 进行控制，才能够摆脱因人而异的经验的局限，大幅度提高控制目标的命中率。以热连 轧生产线的卷板厚度控制为例，首先收集汇总来料的板坯数据（化学成分、几何尺寸、 轧机机架前的板坯温度等）轧机的设备数据（如辊径、标定数据等）和目标数据（卷板 目标厚度、公差等）等等，经过数学模型加以计算，得出各个机架的辊缝、轧制力、工 作辊转速、机架间冷却水量等等设定数值，将这些设定数值下达到一级基础自动化系统 中，从而实现生产线设备的受控运行和物料的受控加入（物料受控加入对炼钢各工序中 更为明显），使该生产线的产品达到期望的目标值。简言之，钢铁生产流程中的生产工 序无非都是物理化学处理的行进过程，其产品的性能指标也无非是产品的物理化学性 能。产品达到期望的目标值，也就是产品的物理化学性能达到期望的公差范围之内。二 级计算机系统恰恰是实现这一目标的有效工具，以CSP生产线为例（笔者曾经观察过）， 卷板的厚度目标值如果是3.0 （mm）,经过一级、二级自动化系统控制机械设备的运行, 最终产品的厚度是3.001 （mm）、2.999 （mm）或3.000（mm），可见精度之高。如果是 手动控制，一是控制精度低，二是速度慢。手动控制炼钢转炉还可以进行（只是命中率 高低的问题），手动控制高速运转的热连轧，就是不可能的了（手动无法适应高速轧制 的生产过程）。三、二级计算机系统的硬件组成和常见系统软件1、二级计算机系统硬件前面说过，二级计算机系统硬件，一般包括一台或若干台计算机服务器（每台服务 器实现不同的处理功能）、HMI和相应的通讯网络设备及其它辅助设备（如打印机等）， 构成一个小型局域网络，并与一级系统、其它二级系统或三级系统（如果有的话）进行 连接，相互进行数据传输。如下图所示。二级计算机系统硬件的技术要求，一般是可靠性高（故障率低），备件来源充足和 备件受支持的时间长久，易于维护。2、二级计算机系统常见系统软件二级计算机系统常见系统软件，主要是二级计算机系统应用软件的运行平台和开发 平台。一般包括：操作系统（如Windows， VMS，Unix， Linux等），数据库（Oracle， SQL Server等），编程语言（C, C+等）及其运行库。二级计算机系统常见系统软件的技术要求，一般是便于组织，便于开发，便于备份, 便于查找故障和追溯工艺状态。四、二级计算机系统的应用软件二级计算机系统的应用软件是二级计算机系统的核心，是它的生命力所在。 简单 来说，二级计算机系统的应用软件，是工艺过程、设备对象和被处理物件的客观规律的 准确描述。二级计算机系统的应用软件一般由两部分组成，一部分叫做数学模型部分， 另一部分叫做非数学模型部分。1、应用软件的数学模型部分应用软件是工艺过程、设备对象和被处理物件的客观规律的准确描述，指的就是这 部分的功能。它根据工艺过程（物理化学反应）、设备对象（设备在温度、压力条件变 化时的变形等，如轧机机架变形曲线）和被处理物件（如轧件在物理化学处理过程中的 晶格变化）的规律，使用各种数学工具（如微分方程，数学物理方程，有限元法，递推， 逼近等），将各种工艺规律用数学方法加以描述，从而形成数学模型。这种模型，只要 给定各种输入数据，就能够计算出输出数据，这些输出数据，就是对设备，对工艺条件， 对基础自动化系统（一级）的设定数据，进而去控制设备和工艺条件。当然，数学模型 的个数和功能不会是单一的。以前面的热连轧数学模型为例，有机架道次模型，轧制力 模型，轧件温度模型，轧辊热凸度模型等。精轧机的产品的目标，是产生均匀一致符合 精度的轧件几何尺寸和最后一架轧机后的轧件温度，以及良好的板型。热连轧数学模型， 要计算出所有达到这些目标的控制系统的设定值。从而使基础自动化系统（一级）以及 机械工艺设备，按规定的行为动作。在这个过程中，轧件被加工处理趋向产品的期望目 标值。在轧件行进的过程中，一级系统搜集的现场仪表数据，传输给二级系统。二级系统 将轧件的实测值与目标值相互比较，对数学模型进行自学习和自适应，进一步提高数学 模型的控制精度。当然，可能还会包含神经元的功能，离线进行学习，使数学模型更加 符合客观规律。应用软件的数学模型部分的开发，一般需要开发人员具有广泛的知识范围，既要十 分懂得工艺过程、设备对象和被处理物件的性能，也要懂得数学方法，还要懂得计算机 语言。现场计算机维护人员和工艺人员的工作，要为数学模型准备充分的工作条件，保 障数学模型的正常工作。及时处理数学模型生成的数据，为工艺技术人员提供产品性能 分析和产品形成条件（设备状态和被处理物件的状态数据）的强有力工具。此外，要研 究分析应用软件，包括数学模型，向工艺技术人员学习，逐步研究清楚数学模型的原理 和相应的计算机语言程序，争取为今后开发自己的数学模型逐步积蓄知识和奠定基础。当今世界，数学模型的应用越来越广泛，导弹拦截系统，宇宙空间技术，核试验计 算机模拟，都是最高级的数学模型技术应用的体现。那些不信任数学模型技术的观点， 可以想一下，难道钢铁冶炼轧制技术比导弹拦截系统，宇宙空间技术，核试验更为复杂 吗？2、应用软件的非数学模型部分应用软件的非数学模型部分主要有两个作用，一是为数学模型服务，为数学模型组 织数据。二是承上启下，满足自身和周边上下各级自动化系统的数据需求。重点如下： 为数学模型组织数据。数学模型所需的数据主要为三部分：一是目标数据，即最终 产品物理化学性能期望的数据值。如热卷板的几何尺寸（及板型）和力学性能，这 些数据的公差范围。这部分数据一般来自HMI （或三级系统）。二是被处理物件的 数据，如来料的板坯数据（化学成分、几何尺寸、轧机机架前的板坯温度等）。这部 分数据一般来自其它二级系统（或三级系统），也有的数据来自一级系统（如轧机机 架前的板坯温度）。三是设备的数据，如轧机的设备数据（辊径、标定数据等）。这 部分数据一般来自一级系统。这三部分数据形成了数学模型的工作条件，应用软件 的非数学模型部分把他们组织起来，转换成为数学模型所需要的格式，在适当的时 刻提供给数学模型进行计算。 与一级自动化系统的通讯。包括两层含义，一是从一级系统获取仪表数据，获得被 处理物件的状态和设备的状态。二是将二级系统数学模型计算出的设定数据，下传 到一级系统进行设备控制。满足下级系统和自身数据归档的需求。 与其它二级计算机系统的通讯。从上游二级计算机系统中获取来料物件的数据，如 轧机二级计算机系统从连铸二级计算机获取来料的板坯数据。向下游二级计算机系 统传输产品的数据。如平整机二级计算机系统从轧机二级计算机系统获取卷板的数 据。满足前后系统的需求。 与三级自动化系统的通讯（如果有的话）。三级自动化系统的功能一般生产计划处理， 排产，质量跟踪和生产实绩处理。生产计划处理、排产数据一般作为二级计算机系 统的设定值下传到二级系统，作为产品的目标数据。质量跟踪和生产实绩处理一般 作为生产现场数据，从一级系统上传到二级系统，再由二级系统上传到三级系统。如果有四级系统（ERP）,还会从三级系统上传到四级系统。可见，二级计算机系统 的功能，主要是满足上级的需求，数据中转的作用。 被处理物件跟踪功能。跟踪功能永远是面向过程应用软件的主程序，物件被跟踪到 特定的位置和时刻，触发特定的事件，启动相应的处理程序。除了外部其它自动化 设备随时发出请求和HMI手动启动某些处理程序之外，二级系统内部的所有程序的 启动都由跟踪程序来启动。因此，跟踪功能有着全局管理的某种含义。数据归档功能。数据的归档主要是指对从一级系统中采集的数据（一级系统采集现 场仪表和检测元件的数据）加以规范化，分类组合，把相关的数据组织在一起。像 CSP,二级系统采集数据的周期是1秒，以板卷号（板坯号）为数据文件名，在整 个板带长度上采集了板带的状态数据和设备的状态数据，如厚度，宽度，温度等， 存储在一个数据文件内。供评估这条板带的质量，追溯有缺陷板卷的工艺设备条件。 这些数据文件，形成了对工艺技术人员分析产品情况的强力支撑。 有的简单的生产线没有数学模型，这时，二级计算机系统只有非模型部分。并且有 时，这些非模型功能可以合并则一级或三级系统中，所以这些生产线可以在物理上 没有二级系统（如线棒材生产线）。五、公司钢后品质增效战略与二级计算机系统的关系 目前，为了应对钢铁行业严峻的市场形势，为了实现综合效益最大化，公司适时提出“鉄前挖潜，钢后品质增效”的经营战略，强力推进技术进步和新产品开发，开发 X70、X80 和 X100 管线钢，大力开发汽车用钢板。要使这些新产品获得效益，必须提 高所涉及工序的产品合格率（即生产命中率），这样，各生产线的二级计算机系统的作 用明显提升。我们二级计算机系统的维护人员，要为公司创效，就必须保证二级计算机 系统所有功能模块完全投运和正常运行，保障二级计算机系统功能正常运行所需的各种 条件。说到底，二级计算机系统是一个工具，这个工具有两个基本作用，一是支持生产 线的正常生产；二是为工艺技术人员提供了查询和追溯产品异常的手段。简言之，这个 工具就是为了出精品（高质量产品）。如前所述，二级计算机系统的数据归档功能，对每一件产品（如卷板）形成了完备 的数据（一卷产品生成一个数据文件），每个数据文件记录了产品在生产过程中设备、 工艺条件和被处理物件的详细数据。那么，为什么有的产品合格，有的不合格，通过这 些数据分析，就可以查找产品是否合格与工艺条件变化之间的关系。在国外的钢铁企业 中（如新日铁、蒂森），工艺技术人员的日常工作，就是围着二级计算机系统的数据转， 用数据分析工艺条件，优化生产工艺过程，促进数学模型的自身优化能力，从而提高产 品的性能。我们应该从中得到一些启迪，珍惜和用好我们宝贵的生产过程数据。我们的 计算机维护人员，要使这些数据更加直观、方便，将其做成关联的表格、曲线和棒图， 供工艺技术人员使用。六、以更广阔的视角审视自动化控制系统 前面说过，一级、二级系统构成了较为完备的生产线自动化控制系统。那么，如果有三级四级，甚至五级系统呢？一