摘要：为了提高五米宽厚板厂剪切与精整工序的自动化控制水平和生产效率，构建三层架构的过程控制系统。该系统通过部署计划管理、物料跟踪、工艺设定、实绩收集、班管理等核心模块，并和制造执行系统、基础自动化、轧线系统实现了深度集成，形成了模型优化和实时跟踪的闭环控制。该系统实现了生产全流程的精确物料追踪与自适应工艺设置，有效地提升了材料利用率以及生产协同效率。研究结论认为，该集成化过程控制系统是保证厚板生产线稳定、高效、智能化运行的重要技术支撑，以供参考。

关键词：轧钢；宽厚板；过程控制；物料跟踪；系统集成

现代化钢铁生产过程中，宽厚板剪切、精整是决定最终产品质量及生产效率的重要后部工序。随着市场需求趋向高端化、定制化，板材的尺寸精度、表面质量、非计划、生产节奏等各方面的要求也越来越高，传统的依靠人工经验、半自动化控制的生产方式，已经不能满足高精度、快节奏的稳定生产要求。因此，应用先进的过程控制技术，实现从计划下达、生产加工到成品入库的全过程自动化、信息化和智能化控制，已经成了厚板生产企业提高核心竞争力的必然选择。本研究主要是阐述一套应用在五米宽厚板厂剪切线、精整线的过程控制系统，重点研究系统的架构、核心功能的设计以及与上下级系统集成的方法，为同类型的产线智能化改造提供参考。

1 系统总体架构与配置

系统使用典型的三层分层控制结构。基础自动化层（L1）主要是由 PLC 等设备组成，完成具体的设备动作以及信号的采集；过程控制层（L2）是本系统的核心，使用双服务器架构方式，以 Windows Server 操作系统为平台，采用 Oracle 数据库、i-Plat、i-XCOM 等中间件，进行物料跟踪、工艺模型计算、实时设定、数据采集等工作。制造执行系统层 L3（MES），处在最上层，其主要工作就是生产计划的安排和全流程的协调。各级系统之间采用标准的快速以太网并用 TCP/IP 协议进行通信，L2 服务器采用双网卡设计，分别实现与 L1 和 MES/L3的安全、高效的数据交换，形成稳定可靠的信息流和控制流闭环[1]。

硬件配置上系统采用两台高性能服务器做为主机系统，保证数据处理的可靠性和冗余性。终端设备（HMI）型号和数量根据现场操作岗位的要求来确定，给操作人员提供计划查看、数据录入、跟踪修正、实绩监控等人机交互界面。软件结构分明，除操作系统、数据库之外，还包含了 Visual Studio .NET 开发环境、KEPServerEX 工业连接软件等，为应用功能的开发、集成、运行提供支撑。分层、模块化的软硬件配置既可以保证系统功能的专精高效，又可以给系统提供良好的可扩展性、可维护性，具体信息如表1 ：

表1 系统软件及层次软件说明

2 系统集成与接口设计

2.1 与制造执行系统（MES）的数据交互

过程控制系统和制造执行系统之间数据的交互，就形成了生产计划和执行反馈的垂直闭环。在计划下达阶段，MES 作为计划源头，在生产开始之前会把包含合同信息、材料规格、工艺路径等重要数据的钢板原始数据电文主动推送给本系统。系统接收到数据之后进行严格的数据校验，保证工艺参数在设备和规范的极限范围内，校验通过后写入本地数据库并更新计划队列，同时向 MES 发送确认应答 [2]。生产执行阶段本系统起实绩收集器的作用。当钢板完成剪切等关键工序之后，系统将剪切产生的实际尺寸、剪切时间、成品标识等数据，按照约定的数据格式和通信协议汇总上传到 MES。双向、同步的数据流保证 MES 生产计划状态和现场实际执行进度保持一致，给全厂范围内的生产调度、物料跟踪、成本核算提供准确、实时的数据基础。

2.2 与一级基础自动化系统（L1）的通信机制

一级基础自动化系统同外界的通信，是实现过程控制指令落地、现场信息采集的重要横向链路。通信依靠以太网和 TCP/IP 协议，采用请求响应和事件触发相结合的方式。指令下发时本系统为设定值的计算和发送方。当物料跟踪模块判断钢板即将进入某设备区域的时候，系统根据工艺模型计算出设定参数，然后将设定电文主动下发到对应设备的 PLC。设定值为剪切位置、剪刃间隙、设备速度等，用以指导 L1 完成准确的物理动作。L1 属于事件和实绩的报告方，即信息采集方。每当钢板触发跟踪区域边界传感器或者设备完成一个工艺动作时，L1 都会马上给本系统发一个包含事件号和钢板号的状态电文，从而驱动跟踪映像更新。工艺完成后 L1 把包含实际测量值的实绩电文发到本系统。紧密、实时、事件驱动的通信机制，是实现二级过程控制和一级设备执行之间精准协同、闭环控制的关键保证。

2.3 与轧线过程控制系统的协调机制

本系统同上游轧线过程控制系统之间的协调，是保证板坯在轧制和剪切精整两个工序之间连续、高效流转的关键环节。协调的关键就是关键生产数据的接力以及工艺状态的衔接。钢板在轧线完成轧制进入快速冷却工序之后，轧线 L2 系统会向本系统发送轧制结果电文。该电文包含了该钢板经过轧制后实际的尺寸、温度等重要的实时数据，是本系统后续所有剪切、精整工艺模型计算的原始输入，取代了仅依靠 MES 计划数据的模式，大大提高了设定计算的准确性、适应性[3]。另外双方系统对于物料交接的边界状态保持通信同步。利用定向的、根据生产事件的数据传输，使得从热轧区到冷区或者精整区的生产信息流能够无缝对接，消除信息孤岛，给全流程一体化优化和精确控制创造条件。

3 核心功能模块关键技术分析

3.1 计划管理功能

计划管理模块是系统运行的逻辑起点，负责和上层制造执行系统的生产指令协同工作，其核心就是接收、校验和管理来自 MES 的钢板原始数据电文。系统设置了严格的接收校验，对数据中的工艺极限值做合规性检查，若发现异常就发出报警并拒绝接收，保证进入生产队列的计划数据完整有效。除常规接收流程外，模块还有计划删除和再请求这两种辅助管理功能。计划删除需在钢板生产确认前由授权操作员发起，由 MES 确认之后才可执行，保证计划数据在全系统内的一致性，再请求功能作为通信中断或者计划延后时的应急冗余机制，允许操作员通过指定钢板号请求数据或者人机界面手动输入，保证生产在极端情况下能够持续进行。此外，系统按照预设规则自动生成唯一的母板号和子板号编码体系，为以后全流程物料精准跟踪和身份标识打下了数据基础。

3.2 物料跟踪功能

物料跟踪模块创建出从冷床入口到成品收集全过程的数字映像，是流程自动化、精准控制的核心。其跟踪范围覆盖冷床区、剪切线和精整线的所有关键工艺设备和辊道。跟踪原理基于区域队列管理，将物理产线划分为逻辑跟踪区，通过接收基础自动化层发送的钢板头部或尾部到达、离开等事件电文，驱动系统内部钢板映像队列按先进先出原则进行状态刷新与位置迁移。该模块不但可以实现钢板的在线顺序跟踪，而且具有动态路径控制功能，根据生产计划中的工艺要求，自动判断并指挥钢板进入不同的剪切线或者精整路径。系统设计了完备的人工干预接口，当检测设备出现故障造成自动跟踪失效的时候，操作员可以在跟踪画面上实施映像修正、手动选取并触发工艺设定，保证生产在异常工况下仍然可以有条不紊地进行，事件驱动、区域管理、人机协同的跟踪机制使生产实物流和信息流高度同步。

3.3 工艺设定功能

工艺设定模块是过程控制系统发挥作用的关键，根据物料跟踪信息和原始工艺数据，通过专用数学模型进行计算，为基础自动化层发出准确的设备控制指令。切头剪设定模型根据轧制后钢板的实际尺寸和目标成品要求，计算出最优的切头、切尾或者分段位置，并考虑温度补偿，输出剪切长度、类型和剪刃间隙等成套参数。双边剪和剖分剪的模型更为复杂，需要考虑目标宽度、公差带、设备能力极限等因素来确定母板的最大成品宽度，还要综合考虑宽度余量优化分配算法，计算出剪切宽度和速度等设定值[4]。定尺剪设定模型负责把母板分成成品板和试样，它的核心是包含随机板优化算法的剪切方案，当母板实际长度和理论需求有差异的时候，模型就对随机板的切割长度进行动态调整，优先保证非随机板按照目标尺寸完成剪切，在约束条件下尽量提高成品率和材料利用率，如图1 ：

图1 母板的最大成品宽度切割示意

3.4 实绩数据收集功能

实绩数据收集模块负责把生产结果反馈、质量数据溯源等工作做好，完成生产过程信息闭环管理。该模块可以自动接收来自切头剪、双边剪、剖分剪、定尺剪等设备基础自动化层上报的剪切实绩电文，电文中既有钢板号、剪切时间这些基本的标识，又包含剪切后实际尺寸、板面朝向这些重要的质量数据。对系统接收到的实绩数据进行处理、转换和存储，工艺节点完成时把规格、尺寸等重要信息用冷态形式汇总上报到制造执行系统。对由于通信异常或者设备故障造成实际数据的缺失，模块给出了一个标准的人工补录界面。授权操作员可以在对应设备的实绩画面上，按照现场实际情况手动录入或确认实绩数据，也可以手动触发向上级系统的数据报送流程，这一机制可以保证生产实绩数据的完整性、准确性、及时性，给生产统计、质量分析、绩效考核提供可靠的数据基础。

3.5 班管理功能

班管理模块属于面向生产组织及绩效统计的标准化管理工具，创建起以班组为单位的周期性生产活动管理体系。系统根据四班三运转的设定，明确定义了白班、中班、夜班三个班次以及甲班、乙班、丙班、丁班四个班组，并且内置了班组循环轮换的逻辑规则。换班过程一般由系统在每天固定时间自动执行，也可以由操作员通过人机界面手动进行班次登入、登出操作来应对生产中的特殊情况[5]。班次结束时模块会自动触发班实绩收集与统计程序。统计内容包含该班次内生产的全部钢板信息，生产时间、产量、规格分布以及系统记录或者操作员标注的停机时间等都包含在内，这些数据经过系统汇总处理后，可以生成结构化的班报，也可以打印输出。同时相关停机实绩数据也会被发送到设备管理系统，为设备的维护、管理提供依据。班管理功能可以实现生产活动的规范化、周期化的记录和评价，是车间、调度室、厂部进行精细化生产管理的重要支撑。

4 结语

综上所述，为了提高五米宽厚板厂剪切、精整工序的自动化控制水平，设计并使用了三层架构的过程控制系统。该系统把计划管理、物料追踪、工艺模型设定、实绩收集这些主要功能融合起来，和制造执行系统、基础自动化系统深度协同，从而达成全流程精准控制和数据闭环。从应用实践可知，该系统可以提高材料利用率、生产节奏稳定性、过程智能化水平，降低人为操作带来的非计划，设备损坏，能源浪费等不利因素，给厚板生产高效、高质运行提供可靠的技术平台。

参考文献：

[1] 肖士伟 , 马玉明 . 轧钢生产及轧钢机械的探究 [J]. 冶金与材料 ,2025,45(10):181-183.

[2] 康欣蕾 , 李家乐 , 王林 , 等 . 基于连铸坯定重的轧钢智能剪切优化 [J]. 冶金自动化 ,2024,48(S1):31-36.

[3] 武佳蕾 . 轧钢高线机械设备优化改造 [J]. 山西冶金 ,2023,46(01):143-145.

[4] 李军国 , 刘禹辉 , 王瑞丰 , 等 . 无头产线的切头剪剪切优化与应用 [J]. 冶金自动化 ,2022,46(S1):409-411.

[5] 余文滔 . 中厚板轧钢跟踪和自动轧钢的研究与应用 [J]. 冶金管理 ,2022,(01):49-51.

作者简介 : 邹欢 (1981.09-)，男，汉族，人，本科，高级工程师，研究方向 :电气自控