1. 引言
冷轧镀锌线自动化系统可以分为生产管理系统(以下简称L3系统)、过程控制系统(Process Control System，以下简称L2系统)和基础自动化系统(Automation Control System，以下简称L1系统)，L3系统是企业的生产经营决策系统，属于企业的指挥中心，其主要任务是生产计划的制定和下发，生产实绩的上传统计，质量管理，成本管理等 [1]。L1系统主要由PLC、远程I/O、ET柜、现场总线、HMI等组成，其功能主要包括生产线的各种传动控制，现场机械电气设备，传感器和仪表，如电机，现场仪表，传感器，电磁阀等的自动控制，采集生产线的重要状态信息，质量数据和消耗量数据，并报送L2系统，提供HMI画面，方便生产线的操作和维护 [2]。L2将整个生产过程从上游到下游串联起来，实现数据的处理和传递。
L2系统在镀锌线自动化系统起到承上启下的作用 [3]，深入剖析L2系统，优化其各项功能，可以实现质量控制和设备维护的精准控制和智慧决策，进一步提升产品质量，完善数据共享，提高企业自动化水平。
2. 功能总览
L2系统的主要功能包括外部通讯，工艺功能，物料处理和数据管理等，其强大的数据处理能力，使其在整个产线数据分析，数据匹配，专家规则等方面具有很大的优势。L2接收来自L3的计划订单信息，如生产计划、钢卷来料数据、订单成品数据、退火曲线、轧辊信息、涂油信息、切边信息等，将数据分析并存储，根据来料数据计算生产过程所需要的各种工艺参数，如全线带钢张力，机组速度，光整机弯辊力，光整机压下率，切边剪参数等 [4]，该工艺功能可将专家规则，生产经验，最优参数等相结合，减少人工参数的干预，以获取更好的控制效果，将控制参数通过物料跟踪模块MTR传递给L1，实现生产过程中的参数设置；在钢卷上料和下线时，分别实现入口和出口的物料同步功能，精准定位钢卷位置，匹配钢卷对应的信息；接收L1传递的全线质量数据、能源介质消耗数据、过程实际控制参数等，对成品数据进行分析汇总，并发送至L3系统进行成功产出，用于产品的质量管理。同时，L2根据数据库存储的大量数据，提供生产日志和生产报表的生成，打印功能，方面技术人员检索和分析。其功能总框架如图1所示。
3. 通讯接口
L2系统的通讯接口主要包括同L3，L1和部分单体设备(如退火炉，表检仪，取样贴标机器人等)的通讯，上述接口均采用TCP/IP通讯协议，L2配置不同的端口号各自通讯。L2同各通讯接口均采用报文的方式进行，该种通讯方式高效稳定，通讯速率快。
3.1. 同L3系统通讯接口
L2同L3系统通讯的主要功能是接收生产计划信息(包括钢卷原始数据和订单的成品要求数据)，上传生产过程中的工艺数据，成品信息和能耗数据 [5]。同L3的通讯内容是构成L2数据结构的基础。通讯接口如表1，每条报文都有对应的应答电文，以便于监测双方通讯状态。
L2接收和发送的电文分别是在进程mtl3Recv和进程mtl3Send中完成的，电文的数据类型为ASCII码，进程解析完成后分别存于数据表L3_RECV和L3_SEND中，不同的数据处理功能在此表调用参数。
钢卷来料数据(如卷号，钢种，宽度，厚度等)和订单数据(如镀层重量，锌层厚度，延伸率，涂油量，出口宽度，成品重量等)是自动控制系统实现的基础，L2数据处理完成后，将数据发送至L1实现自动控制。钢卷称重完成标志着单个钢卷生产过程完成，L2接收来自L1的生产信息，将生产信息匹配至正确的钢卷上，完成数据的收集与处理后发送至L3。
Table 1. L2-L3 communication interface list
表1. L2-L3通讯接口列表
3.2. 同L1系统通讯接口
L2同L1系统通讯的主要功能有两个，一是接受产线的生产信号，如钢卷进线信号，焊缝信号，出口跟踪信号，现场测量值，能耗数据等 [6]，实现带钢的入口跟踪，出口跟踪和现场运行数据的采集与处理；二是将钢卷数据和设定值下发至L1，如张力设定值，直头机插入量，光整机延伸率插入量，涂油量，切边量等 [7]。
L2同L1信息交互是通过MT进程来完成的，由L1事件触发，PLC是由MTR负责同L2通讯的。主要事件及电文流程图如图2所示。
Figure 2. L1-L2 message signal trigger flow chart
图2. L1-L2电文触发流程图
4. 数据管理
数据管理是L2系统的核心功能，该系统采用Oracle数据库进行数据存储和处理，其主要数据类型有生产指导数据，工艺数据，生产结果数据，轧辊数据四种类型，分别建立数据表结构，相关联的数据通过建立大量视图来进行调用 [8]。
1) 生产指导数据
L2通过与L3的接口接收主要生产数据(以下简称PDI)，所有原始数据保存在数据库里，接收到的原始数据可以通过HMI画面手动修改，这些数据一部分可以直接下发至L1系统供生产使用，一部分由数据库PACKAGE进行程序处理，间接计算设定值。
2) 工艺数据
该部分工艺数据主要由PDI数据计算得来，主要包括焊机代码，张力表，直头机插入量，退火曲线代码，光整机延伸率，轧制力，压下量，拉矫机延伸率，切边剪GAP，LAP值等，主要计算设定值类型见图3。钢卷的设定值主要由原料宽度，厚度，钢种，延伸率确定，为使程序标准化，模块化，不同设定值的计算过程在不同的PACKAGE里进行，工艺数据表可结合专家经验，不断优化计算逻辑和控制参数，形成最优参数表 [9]。
Figure 3. L2 calculation process data item
图3. L2计算工艺数据项
L2根据下发的带钢规格和钢种，分成不同的材料组，匹配至对应的焊机代码，供焊机使用。以全线张力和轧制力为例，以下为计算公式。
张力：Fz = fz × h × b。
Fz：张力设定值[N]。
fz：单位张力[N/mm2]，来自轧制计划数据库。
h：厚度[mm]，来自原始数据或计算数据。
b：宽度[mm]，来自原始数据。
轧制力：Fw = fw × b。
Fw：轧制力设定值[N]。
fw：单位轧制力[N/mm]，来自轧制计划数据库。
b：宽度[mm]，来自原始数据。
1) 生产结果数据
当钢卷称重完成，标志着单个钢卷生产过程的结束，此时触发L2处理从L1发送过来的成品卷数据和测量值数据，全线测量值L1每2 s触发一次，生产完成后，L2在MVA进程将成品卷数据和测量值数据匹配至对应的钢卷上，且更新每项工艺数据的最大值，最小值，平均值和方差，以反映整个生产过程参数的整体分布趋势和偏离程度 [10]。此外，还包括全线的能源计量数据和停机数据等，L1发送至L2后，均由L2进行数据处理，L2自动记录停车的开始和结束的时间，最终生成生产报表，能耗报表和停机报表。
2) 轧辊数据
光整机的轧辊运行状态是监控光整机功能的主要信息，操作工在停车换辊时，经HMI可操作换辊流程，确定辊号，辊径，轧辊类型和安装位置，每次焊缝过平整机时，L1的MTR向L2发送辊号，轧制时间，轧制里程和轧制吨数，L2数据表存储后，会以辊号为ID累计计算每根轧辊的运行数据。最终形成轧辊数据的运行报表，并上传至L3实现数据共享。
5. 物料跟踪
物料跟踪主要分为入口跟踪，线跟踪和出口跟踪，其主要目的是确定带钢在产线的具体位置，触发相应设备的控制功能并协调不同设备之间的连锁和数据通讯。其中，入出口跟踪由L2完成，线跟踪由L1完成 [11]。带钢焊接完成后，进入L1系统线跟踪阶段，线跟踪是由L1根据产线速度，设备的物理位置，活套套量计算完成，同时根据产线安装的焊缝检测器WPD来实时进行修正。
5.1. 入口跟踪
入口跟踪区域主要是天车上卷，入口步进梁，上卷小车，开卷机，直至焊接完成，入口区域位置流程如图4。L2根据L1发送的入口镜像电文，实时更新钢卷的位置。入口每个位置都有一个固定的Location ID，该值具有唯一性，天车吊卷放入入口鞍座以后，L1生成该卷的Coil ID号，该值同样具有唯一性，镜像电文每2 s触发一次。L2接受到电文后，更新系统数据表EntryCoil，该数据表用于存储各个钢卷的位置及状态，入口鞍座上的钢卷共有四种状态，分别用四个不同标志位表示，根据Coil ID匹配相应卷的钢卷信息。不同的钢卷状态在HMI画面上显示不同的颜色，方便操作人员查看 [12]。
Figure 4. Flow chart of entry area location
图4. 入口区域位置流程图
5.2. 出口跟踪
钢卷剪切后进入出口跟踪区域，主要是卷取机，运卷小车，出口步进梁鞍座，称重，直至被天车吊走。L2根据L1发送的出口镜像电文，实时更新钢卷的位置。带钢剪切完成后，L2生成成品卷号，同入口区域类似，出口每个位置都有一个固定的Location ID，该值具有唯一性，L2收到出口镜像电文后，更新系统数据表ExitCoil，在7#鞍座安装有称重台，称重完成后，L2收到L1的称重电文，对相应的钢卷重量赋值，更新钢卷信息和钢卷状态，代表生产过程的结束，整个入口和出口的同步镜像电文见表2。
Table 2. Entry and exit image message
表2. 入出口镜像电文
6. 结论
本文研究了冷轧镀锌线L2系统的主要原理及功能，针对整体框架，通讯连接，数据管理，物料跟踪等方面进行了研究，L2系统贯穿镀锌线整个自动化生产流程，承接上下游的数据传递，专家类型技术参数可有效存储，增加了专家人员对控制过程的人工干预，强大的数据处理功能提高了生产的高度灵活性，实现了全流程的生产管理和监控，为进一步优化控制参数，提高产品质量提供了数据支撑，同时，提高了钢铁企业的过程控制自动化水平，实现了生产的全流程数据共享。