CN115016424B - 一种无缝钢管生产线实时监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种无缝钢管生产线实时监控系统，包括依次通过网络连接的企业端、云平台和用户终端，企业端采用可配置的无缝钢管数据采集方法进行数据采集；云平台接收企业端发送的无缝钢管生产线的数据后，根据各用户终端的数据请求命令，通过网络向用户终端发送所需数据；并且云平台接收来自各用户终端的控制指令，根据用户终端和指令优先级，对指令综合优化后发送至无缝钢管生产线；用户终端安装有无缝钢管生产线远程实时监控模块，模块包含无缝钢管生产线3D虚拟孪生模型，无缝钢管生产线3D虚拟孪生模型包含静态模型和生产运行动态模型。本发明采用三维动态显示与交互技术，实时了解无缝钢管生产现场，从而提高生产管理效率和企业效益。
Description
技术领域
本发明涉及钢管生产控制系统，具体地说，涉及一种无缝钢管生产线实时监控系统。
背景技术
无缝钢管加工工艺复杂，至少涉及长尺坯锯切、环形炉、穿孔机、轧机、定减径机、冷床、管排锯切、矫直机、吹吸灰、探伤机、测长称重机、打包机等相关设备，通常各设备由不同厂家提供，各设备有其独立的PLC控制工作，并各设备的PLC与MES（生产执行系统）连接，由MES进行各设备之间的流程化控制，并实施获取相关生产信息等。一根长尺坯在经过各设备加工期间，物料运动路径多变，且又涉及一根长尺坯变为多根定尺坯，定尺坯经轧制为钢管后，钢管又锯切为多根钢管的工艺过程。
三维虚拟场景技术作为一项综合技术，涉及计算机图形学、工业设计、仿真技术、网络技术等多个学科技术，已在教育、培训、娱乐、军事等有广泛应用。
目前，流程工业实时监控系统一般采用二维可视化方式进行开发，不够直观、生动，而且无法通过互联网随时随地对生产实时地、全面地进行监控，从而无法及时调整生产策略，影响企业效益。近年来，随着智能制造和云技术的发展，采用三维虚拟仿真技术将生产情况实时呈现给生产组织者、管理者和决策者，从而提高生产管理效率和企业效益。
发明内容
为解决现有技术中的以上问题，本发明提供一种无缝钢管生产线实时监控系统，包括依次通过网络连接的企业端、云平台和用户终端，
所述企业端采用可配置的无缝钢管数据采集方法为加热区、轧管区和精整区的各个数据采集点配置通讯协议，采用现场通讯总线通过通讯协议与远程I/O接口连接进行数据采集；
所述云平台接收企业端发送的无缝钢管生产线的数据后，根据各用户终端的数据请求命令，通过网络向用户终端发送所需数据；并且云平台接收来自各用户终端的控制指令，根据用户终端和指令优先级，对指令综合优化后发送至无缝钢管生产线；
所述用户终端安装有无缝钢管生产线远程实时监控模块，用于监控无缝钢管生产线运行情况，并发出控制指令，包含无缝钢管生产线3D虚拟孪生模型，无缝钢管生产线3D虚拟孪生模型包含静态模型和生产运行动态模型，所述静态模型是将无缝钢管生产线的各个设备的空间结构进行三维建模，再按照生产线空间布置建立而成，生产运行动态模型是对所述静态模型应用基础自动化系统、过程自动化系统和生产执行系统的实时生产数据实现无缝钢管轧件状态、设备运动状态与生产现场实时同步，
其中，所述云平台将检测时间和无缝钢管生产线的数据对应存储；
所述无缝钢管生产线远程实时监控模块上以行排列显示钢管检测结果为不合格的无缝钢管生产线的数据；
当选择其中的一行不合格钢管的无缝钢管生产线的数据时，在无缝钢管生产线远程实时监控模块上排列显示生产时间与该不合格钢管前后邻近的多个无缝钢管生产线的数据和被选择的不合格钢管的无缝钢管生产线的数据、以及与所显示的各钢管检测数据对应的无缝钢管轧件状态，
其中，所述采用可配置的无缝钢管数据采集方法，包括将无缝钢管生产线按照工序划分为多个边缘节点，并在每个边缘节点下配置数据采集引擎和数据采集网关；
在各边缘节点的数据采集引擎下关联生产设备，并将数据采集点关联到各生产设备下，数据采集点是无缝钢管生产中的控制、运行参数量；
根据各边缘节点下对应的数据采集点，对数据采集网关进行划分网关并分别配置相应的通讯协议，通过与数据采集点的远程I/O 接口建立数据采集的通讯链路，实现数据采集，
其中，针对不同工业场景数据采集网关采用不同的通讯协议，对于基础自动化控制系统，采用OPCUA通讯协议实现与不同PLC的多协议转换；对于检测仪表数据，采用TCP/IP数据库接口形式的通讯协议；对于生产过程控制系统，采用TCP/IP数据库接口形式的通讯协议；对于生产执行系统，通过基于ODBC接口形式的通讯协议。
可选地，所述企业端采用可配置的无缝钢管数据采集方法为加热区、轧管区和精整区的各个数据采集点配置通讯协议，采用现场通讯总线通过通讯协议与远程I/O接口连接进行数据采集，包括：
从基础自动化系统实时采集时间序列数据，该时间序列数据是钢管生产设备实时运行数据和仪表检测数据，每个数值由采样时间戳和数值组成；
从过程自动化系统采集每个钢管的生产工艺参数设定值，该生产工艺参数设定值是为了满足钢管尺寸、质量、性能要求而给钢管生产设备运行参数下达的目标值；
从生产执行系统采集每个钢管生产计划单中各钢管的订单、来料和成品信息，至少包括订单的编号、质量要求，来料的管坯号、钢种、长度、直径，成品的长度、内径、外径、表面质量。
可选地，无缝钢管轧件状态同步中，根据从基础自动化系统采集的轧件头部和尾部位置信息，实时移动所述静态模型中轧件的位置，实现轧件位置状态的实时同步。
可选地，无缝钢管轧件状态与生产现场实时同步，是根据无缝钢管生产工艺和过程自动化系统的工艺设定数据，对钢管不同生产阶段的形状状态进行实时同步，包括：
在穿孔机处将实心的管坯轧制成空心的毛管；在轧机处将厚壁的毛管轧制成荒管；在定减径机处消除荒管外径不一的缺陷制成的无缝钢管，根据从基础自动化系统采集的位于生产线各处的钢管温度检测仪表数据，以及不同温度下钢材温度颜色变化关系，对在无缝钢管生产过程中的钢管温度实时变化在所述静态模型中实时同步展示。
可选地，设备运动状态与生产现场实时同步，是根据从基础自动化系统采集的设备实时运行状态数据，结合设备生产时执行部件的运动特点，对所述静态模型中各设备运动进行实时同步。
可选地，在环形加热炉中，设备运动状态包含上料台架升降运动、装炉辊道旋转运动、装钢机升降和平移运动、出钢辊道旋转运动、出钢机升降和平移运动、出钢台架运动；
在穿孔机中，设备运动状态包含热送辊道旋转运动、推钢机运动、穿孔机轧辊旋转运动、主传动旋转运动、顶杆随设备的运动、横移车升降和平移运动；
在轧管机中，设备运动状态包含机前辊道旋转运动、轧管机轧辊旋转运动、轧管机传动装置旋转运动、机后辊道旋转运动；
在定减径机中，设备运动实时同步包含入口辊道旋转运动、除鳞装置喷射运动、轧辊旋转运动、传动装置旋转运动、出口辊道旋转运动、运输辊道旋转运动；
在精整区域，设备运动实时同步包含冷床步进运动、下料臂回转运动、出料辊道旋转运动，矫直前横移链运动、矫直辊旋转运动，管排锯运输辊道旋转运动、对齐挡板升降运动、锯切旋转运动、出口定尺挡板平移和升降运动。
可选地，所述无缝钢管生产线远程实时监控模块还包括人机交互界面，所述人机交互界面包含用户登录、生产线总览和设备监控界面，以及界面中的人机互动功能，所述人机互动功能包含监控视角调整和生产控制指令交互。
可选地，所述无缝钢管生产线包括加热区、轧管区、精整区，所述加热区包含管坯切断、环形加热炉，所述轧管区包含穿孔机、轧管机、脱管机、定减径机，所述精整区包含冷床、管排锯、矫直机、探伤机。
可选地，所有采集的数据均以钢管的标识为关键值对应存储，并在使用时按照钢管的标识和相应提取数据进行读取后传输至云平台。
可选地，所述根据用户终端和指令优先级，对指令综合优化后发送至无缝钢管生产线，包括：云平台按照设备实时控制、工艺参数设定和生产计划的优先级顺序将来自各用户终端的控制指令分别发送给生产线的基础自动化、过程自动化和生产执行系统。
本发明和现有技术相比所具有的有益效果在于：
本发明是一种无缝钢管生产线实时监控系统，该系统从无缝钢管生产线采集生产设备、检测仪表、基础自动化系统、过程自动化控制系统、生产执行系统的实时生产数据并发送至数据服务器，数据服务器对数据进行分析与挖掘后发送至云平台，通过网络中的用户终端实时监控无缝钢管生产线的运行情况。其中，用户终端包含连接在网络中的智能手机、平板电脑、电脑笔记本或台式计算机，以及实时监控软件平台。这样，采用三维动态显示与交互技术，实时了解无缝钢管生产现场，方便管理人员随时随地监控无缝钢管生产线运行情况，从而提高生产管理效率和企业效益。
附图说明
通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。
图1是表示本发明实施例的无缝钢管生产线实时监控系统结构图。
图2是表示本发明实施例的实施例的无缝钢管生产线布置图。
图3是表示本发明实施例的可配置的无缝钢管数据采集方法的流程图。
图4是表示本发明实施例的不同工业场景下的设备数据接入与适配管理的示意图。
图5是表示本发明实施例的无缝钢管生产线数据采集的某一边缘节点的连接示意图。
图6是表示本发明实施例的无缝钢管生产线数据显示的示意图。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
如图1所示，本实施例的无缝钢管生产线实时监控系统包括企业端、云平台和用户终端。企业端通过网络与云平台连接，云平台通过网络与用户终端连接。
图2是无缝钢管生产线布置图，包括加热区（包含管坯切断机1、环形加热炉2）、轧管区（包含穿孔机3、轧管机4、脱管机5、定减径机7）、精整区（包含冷床8、管排锯9、矫直机10、探伤机11、测长称重设备17、打包设备22）。
在企业端，采用可配置的无缝钢管数据采集方法为加热区、轧管区和精整区的各个数据采集点配置通讯协议，采用工业以太网、OPC、Profibus等现场通讯总线通过通讯协议与远程I/O接口连接进行数据采集，例如ODBC、API接口。
具体的，从各区域设备的基础自动化系统实时采集时间序列数据，并存储在实时数据库中，该类数据主要是钢管生产设备实时运行数据和仪表检测数据，每个数值由采样时间戳和具体数值组成，如轧件的头部、尾部位置信息，加热炉各加热段温度、煤气和空气流量等，穿孔机电机电流、转矩等，轧管机各轧辊速度、电机电流、轧制力等，矫直机各矫直辊速度、矫直力矩等。例如壁厚、直径、直线度等检测数据。
从过程自动化系统采集每个钢管的生产工艺参数设定值，并存储在关系数据库中，该类数据是为了满足钢管产品尺寸、质量、性能等要求而给钢管生产设备关键运行参数下达目标值，通常每个钢管生产时的关键运行参数会有一个设定值，如加热炉各加热段的目标加热温度，穿孔机的设定辊缝，轧管机的设定辊缝和速度等。
从生产执行系统采集每个钢管生产计划单中各钢管的订单、来料和成品信息，并存储在管理数据库中，该类数据是每支钢管的合同订单信息，如订单的编号、质量要求等，来料的管坯号、钢种、长度、直径等，成品的长度、内径、外径、表面质量等。
所有从钢管生产线中各系统采集和存储在各数据库中的数据均以钢管的标识为关键值进行组织，并在使用时按照钢管标识和相应变量名进行读取，再将其传输至云平台，供后续使用。
其中，所述云平台将检测时间和无缝钢管生产线的数据对应存储，所述无缝钢管生产线远程实时监控模块上以行排列显示钢管检测结果为不合格的无缝钢管生产线的数据；当选择其中的一行不合格钢管的无缝钢管生产线的数据时，在无缝钢管生产线远程实时监控模块上排列显示生产时间与该不合格钢管前后邻近的规定数量的多个无缝钢管生产线的数据和所述被选择的不合格钢管的无缝钢管生产线的数据、以及与所显示的各钢管检测数据对应的无缝钢管轧件状态。如图6中，下方每一行是一条无缝钢管生产线的数据，这对应着一根无缝钢管的标识。例如当点击不合格钢管5-003时，在上方的空白区域显示与该不合格钢管5-003前后邻近的3个无缝钢管生产线的数据，更进一步的，还可以显示该无缝钢管在锯切前所属母管所包含的其他无缝钢管的无缝钢管生产线的数据。例如不合格钢管5-003是从母管5中锯切下来的三根钢管中的一根，其余两根是5-001、5-002，则在点击5-003时，不仅会把其前后邻近的3个无缝钢管生产线的数据显示出来，还会把其同一母管的5-001、5-002的数据显示出来。通过这种方式，可以快捷的将不合格钢管的相邻钢管的数据迅速调出，以便于分析钢管生产情况，例如，如果单根钢管不合格，其邻近钢管质量完好，则判断为偶发事故，如果邻近钢管的某一质量水平逐级降低（邻近钢管直径虽然合格，但钢管直径距离上下限偏差越来越近），则可能是生产设备或工艺参数不合理，需要调整。
企业端通过网络与云平台连接，云平台接收来自无缝钢管生产线的数据后，根据各用户终端的数据请求命令，通过互联网向用户发送所需数据；同时，云平台接收来自各用户终端的控制指令，根据用户和指令优先级，对指令综合优化后再发送至无缝钢管生产线。云平台按照设备实时控制、工艺参数设定和生产计划的优先级顺序将来自各用户终端的控制指令分别发送给生产线的基础自动化、过程自动化和生产执行系统。
用户终端可以是连接在互联网中的智能手机、平板电脑、电脑笔记本或台式计算机，其上安装有无缝钢管生产线远程实时监控模块。使用人员通过用户终端的屏幕和交互操作监控无缝钢管生产线运行情况，并发出控制指令。
无缝钢管生产线远程实时监控模块包含数据通讯接口、无缝钢管生产线3D虚拟孪生模型和人机交互界面。
数据通讯接口用于无缝钢管生产线远程实时监控模块从云平台读取数据，并将用户数据或请求发送给云平台。
无缝钢管生产线3D虚拟孪生模型包含静态模型和生产运行动态模型。静态模型将无缝钢管生产线的各个设备的部件、装配关系、外观特征等空间结构与外观涂装信息进行三维建模，再按照生产线空间布置建立无缝钢管产线三维模型。生产运行动态模型在无缝钢管生产线三维静态模型基础上，采用基础自动化系统、过程自动化系统和生产执行系统的实时生产数据实现生产中无缝钢管轧件状态、设备运动状态与生产现场实时同步。
在轧件状态同步中，根据从基础自动化系统采集的轧件头部和尾部位置信息，实时移动无缝钢管产线三维模型中轧件的位置，实现轧件位置状态的实时同步。
根据无缝钢管生产工艺原理和过程自动化系统的工艺设定数据，对钢管不同生产阶段的形状状态进行实时同步，包含在穿孔机处，将实心的管坯轧制成空心的毛管；在轧机处，将厚壁的毛管轧制成薄壁（接近成品壁厚）的荒管；再在定减径机处，消除前道工序轧制过程中造成的荒管外径不一，以提高成品管的外径精度和真圆度。根据从基础自动化系统采集的位于生产线各处的钢管温度检测仪表数据，以及不同温度下钢材温度颜色变化关系，对在无缝钢管生产过程中，钢管经过冷坯、加热炉的再加热和生产过程中的温降，其温度实时发生变化，轧件的颜色也随着温度变化而发生变化，将该变化在三维模型中相应的钢管模型进行实时同步。
在设备运动状态中，根据从基础自动化系统采集的设备实时运行状态数据，结合设备生产时执行部件的运动特点，对无缝钢管生产线三维模型中各设备运动进行实时同步。在环形加热炉中，设备运动实时同步包含上料台架升降运动、装炉辊道旋转运动、装钢机升降和平移运动、出钢辊道旋转运动、出钢机升降和平移运动、出钢台架运动。在穿孔机中，设备运动实时同步包含热送辊道旋转运动、推钢机运动、穿孔机轧辊旋转运动、主传动旋转运动、顶杆随设备的运动、横移车升降和平移运动。在轧管机中，设备运动实时同步包含机前辊道旋转运动、轧管机轧辊旋转运动、轧管机传动装置旋转运动、机后辊道旋转运动。在定减径机中，设备运动实时同步包含入口辊道旋转运动、除鳞装置喷射运动、轧辊旋转运动、传动装置旋转运动、出口辊道旋转运动、运输辊道旋转运动。在精整区域，设备运动实时同步包含冷床步进运动、下料臂回转运动、出料辊道旋转运动，矫直前横移链运动、矫直辊旋转运动，管排锯运输辊道旋转运动、对齐挡板升降运动、锯切旋转运动、出口定尺挡板平移和升降运动等。
人机交互界面包含用户登录、产线总览和设备监控界面，以及界面中的人机互动功能。人机互动功能包含监控视角调整和生产控制指令交互。监控视角调整包括放大缩小、视角旋转和移动；在监控过程中，可以通过放大缩小操作调整监控范围；可以通过视角旋转从不同角度进行监控；可以通过移动视角以便监控生产线的不同位置或设备。
无缝钢管生产线3D虚拟孪生模型按照生产现场生产线建立，通过用户终端，使用人员能够实时地、直观地监控无缝钢管生产现场的设备运行、产品质量等信息。
数据通讯接口、无缝钢管生产线3D虚拟孪生模型和人机交互界面安装在同一用户终端中。
其中，如图3所示，可配置的无缝钢管生产线数据采集方法，包括以下步骤：
步骤S1，将无缝钢管生产线按照工序划分为多个边缘节点，并在每个边缘节点下配置数据采集引擎和数据采集网关。划分边缘节点可以是例如划分为加热区边缘节点、穿孔机区边缘节点、轧机区边缘节点、定减径机区边缘节点、冷床区边缘节点、管排锯区边缘节点、精整区边缘节点，所述精整区边缘节点包括矫直机区工序、探伤机区工序、测长称重区工序。
其中，数据采集引擎用于为数据采集分配物理资源，所述物理资源包括多台边缘计算服务器，物理资源的配置参数至少包括边缘计算服务器名称、用户名、密码、存储标志位、采集周期这些信息，这些都是常规的设置参数，在此不做详述。
其中，数据采集引擎通过数据采集网关与各生产设备连接。数据采集网关配置为实现数据采集链路打通提供了配置方法和参数，数据采集网关的配置包括网关名称（如IOT1、IOT2等）、类型、端口号、活动状态、安全模式等，这些都是常规的设置参数，在此不做详述。
步骤S2，在各边缘节点的数据采集引擎下关联生产设备，例如，加热区边缘节点对应入炉辊道、管坯锯、加热炉进出料控制设备、燃烧控制设备，穿孔机区边缘节点对应穿孔机，轧机区边缘节点对应轧机，定减径机区边缘节点对应减径机，管排锯区边缘节点对应管排锯，冷床区边缘节点对应高压水除鳞设备、冷床，精整区边缘节点对应精整辊道控制、矫直机、漏磁探伤、测长称重设备。
步骤S3，将数据采集点关联到各生产设备下，数据采集点是所有无缝钢管生产中大量的控制、运行参数量，例如包括顶杆车位置、顶杆车电流、顶杆车转矩等顶杆车信息，上（下）辊电机电流实际值、上（下）辊速度实际值等上（下）辊数据，导板数据、斜送辊道数据等等相关数据。所述数据采集点可能是不同的设备包含有相同的数据采集点，例如，加热区边缘节点可能有斜送辊道数据采集点，定减径机区边缘节点可能也有斜送辊道数据采集点，只要按照各设备所需求的数据采集点来分配即可。具体的，例如穿孔机区边缘节点的各数据采集点如表1所示。
数据采集点的配置包括数采点名称、备注、设备编号、数据类型、数采地址、偏移量等信息。其中数据采集点数据类型包括布尔类型、整数类型、浮点数类型、字符类型等。
表1 穿孔工序部分数据采集点
步骤S4，根据各边缘节点下对应的数据采集点，对数据采集网关进行划分网关并分别配置相应的通讯协议，采用工业以太网、OPC、Profibus等现场通讯总线通过通讯协议与远程I/O接口连接进行数据采集，例如ODBC、API接口。与数据采集点的远程I/O 接口建立数据采集的通讯链路，实现数据采集。例如，入炉辊道其控制系统是西门子/S7-1500，为其划分网关（即从数据采集网关的IP地址段中划分网关IP地址给该数据采集点），将数据采集点与数据采集网关之间建立连接。数据采集配置表如表2所示，包含无缝钢管生产不同生产区域对应的不同设备、控制系统、数据采集内容、通讯协议等。
数据采集网关可实现不同类型的数据采集，针对设备传感数据，提供不同工业场景下的设备数据接入与适配管理，如图4所示，包括基础自动化系统管理（L1级），大型仪表适配管理，过程控制系统（L2级）数据采集适配管理，以及生产执行系统（L3级）采集适配管理。
L1级是基础自动化系统，包括例如管坯区PLC、加热区PLC、穿孔机区PLC、轧机区PLC、定减径机区PLC、冷床区PLC、管排锯区PLC、矫直机区PLC、探伤机区PLC、测长称重区PLC等，各生产设备的PLC分别与对应设备的例如位置开关、仪表、变频器等连接，用以控制对应的设备动作，进行跟踪逻辑控制，实现对设备的直接控制，例如钢管轧制、穿孔及运送控制、顺序控制和逻辑控制。基础自动化系统的数据采集是面向设备和机构，对于实时数据数据采集，其数据存储在实时数据库中。可采用通讯网关与一级基础自动化系统通讯，或ibaPDA通讯，数据采集网关提供OPCUA技术实现了多协议转换，支持国内外主流PLC协议，如：西门子S7、TEMIC公司EGD、ModBusTCP、OPCDA、Profibus、ABCIP等各类工业通信协议和软件通信接口，实现可靠的高性能的实时数据采集。
基础自动化系统还包括通过大型仪表对钢管数据的采集，例如壁厚仪、测径仪等，其数据存储在实时数据库中，也可通过访问数据库或接口方式进行通讯，例如TCP/IP数据库接口。
L2级是过程自动化系统，处于基础自动化系统和生产执行系统（MES）之间，从MES系统中获取PDI数据（生产计划、产品信息等）后，进行模型参数的设定计算并下发给L1级。从该系统可以采集每个钢管的生产工艺参数设定值，该类数据是为了满足钢管产品尺寸、质量（有相关质量报告）、性能等要求而给钢管生产设备关键运行参数下达目标值，通常每个钢管生产时的关键运行参数会有一个设定值，如加热炉各加热段的目标加热温度，穿孔机的设定辊缝，轧管机的设定辊缝和速度等。对于过程控制系统数据采集，可通过访问数据库或数据接口方式，例如TCP/IP数据库接口，并存储在关系数据库中。L2级例如包括智能燃烧控制系统，钢管智能燃烧系统旨在提高管坯的加热质量，获取管坯装入炉温度、钢种、规格、出炉目标温度等初始数据后，根据燃烧控制模型，计算加热炉各段炉温、钢管在炉时间等设定值。
L3级是生产执行系统，用于无缝钢管生产计划的编制及其执行，其中包含有每个钢管生产计划单中各钢管的订单、来料和成品信息，并存储在管理数据库中，该类数据是每支钢管的合同订单信息，如订单的编号、质量要求等，来料的管坯号、钢种、长度、直径等，成品的长度、内径、外径、表面质量等。数据可通过基于ODBC接口将相应数据存储在管理数据库中，具体的，例如MQTT，数据库接口。
数据采集点部署完成后，根据数据采集点的通讯协议等配置信息，启动数据采集引擎，将生产现场产生的大量数据存储到边缘计算服务器的数据库中，并通过API接口为应用层提供实时数据访问服务。
表2 通讯协议配置表
进一步的，在步骤S1之前还包括步骤S0，根据无缝钢管生产规格范围不同，建立无缝钢管生产线集群，生产线集群中包括多个无缝钢管生产线，每个生产线用于生产对应规格范围的无缝钢管，例如某一无缝钢管生产线，其可生产直径114mm-273.1mm，壁厚4mm-31.8mm的无缝钢管。
进一步的，如图5所示，还包括数据采集交换机和服务器集群，数据采集交换机和服务器集群构成数据中心，所述数据采集交换机依次与边缘计算服务器、数据采集网关连接， 数据采集网关与与基础自动化系统以及大型仪表的表检数据库的实时数据库连接，与过程自动化系统的关系数据库连接，与生产执行系统的管理数据库连接。边缘计算服务器可以将各生产区域的生产实时数据保存在边缘计算服务器中（可保留7天的实时数据），同时也起到数据缓冲的作用，当网络不可用的时候缓冲现场的实时采集的数据，当网络恢复正常的时候将缓冲的数据上传至数据中心的服务器集群中。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种无缝钢管生产线实时监控系统，其特征在于，包括依次通过网络连接的企业端、云平台和用户终端，
所述企业端采用可配置的无缝钢管数据采集方法为加热区、轧管区和精整区的各个数据采集点配置通讯协议，采用现场通讯总线通过通讯协议与远程I/O接口连接进行数据采集；
所述云平台接收企业端发送的无缝钢管生产线的数据后，根据各用户终端的数据请求命令，通过网络向用户终端发送所需数据；并且云平台接收来自各用户终端的控制指令，根据用户终端和指令优先级，对指令综合优化后发送至无缝钢管生产线；
所述用户终端安装有无缝钢管生产线远程实时监控模块，用于监控无缝钢管生产线运行情况，并发出控制指令，包含无缝钢管生产线3D虚拟孪生模型，无缝钢管生产线3D虚拟孪生模型包含静态模型和生产运行动态模型，所述静态模型是将无缝钢管生产线的各个设备的空间结构进行三维建模，再按照生产线空间布置建立而成，生产运行动态模型是对所述静态模型应用基础自动化系统、过程自动化系统和生产执行系统的实时生产数据实现无缝钢管轧件状态、设备运动状态与生产现场实时同步，
其中，所述云平台将检测时间和无缝钢管生产线的数据对应存储；
所述无缝钢管生产线远程实时监控模块上以行排列显示钢管检测结果为不合格的无缝钢管生产线的数据；
当选择其中的一行不合格钢管的无缝钢管生产线的数据时，在无缝钢管生产线远程实时监控模块上排列显示生产时间与该不合格钢管前后邻近的多个无缝钢管生产线的数据和被选择的不合格钢管的无缝钢管生产线的数据、以及与所显示的各钢管检测数据对应的无缝钢管轧件状态，
其中，所述采用可配置的无缝钢管数据采集方法，包括将无缝钢管生产线按照工序划分为多个边缘节点，并在每个边缘节点下配置数据采集引擎和数据采集网关；
在各边缘节点的数据采集引擎下关联生产设备，并将数据采集点关联到各生产设备下，数据采集点是无缝钢管生产中的控制、运行参数量；
根据各边缘节点下对应的数据采集点，对数据采集网关进行划分网关并分别配置相应的通讯协议，通过与数据采集点的远程I/O 接口建立数据采集的通讯链路，实现数据采集，
其中，针对不同工业场景数据采集网关采用不同的通讯协议，对于基础自动化控制系统，采用OPCUA通讯协议实现与不同PLC的多协议转换；对于检测仪表数据，采用TCP/IP数据库接口形式的通讯协议；对于生产过程控制系统，采用TCP/IP数据库接口形式的通讯协议；对于生产执行系统，通过基于ODBC接口形式的通讯协议，
数据采集网关针对设备传感数据，提供不同工业场景下的设备数据接入与适配管理，包括基础自动化系统管理，仪表适配管理，过程控制系统数据采集适配管理，以及生产执行系统采集适配管理，
其中，基础自动化系统包括管坯区PLC、加热区PLC、穿孔机区PLC、轧机区PLC、定减径机区PLC、冷床区PLC、管排锯区PLC、矫直机区PLC、探伤机区PLC、测长称重区PLC，各生产设备的PLC分别与对应设备的位置开关、仪表、变频器连接，用以控制对应的设备动作，进行跟踪逻辑控制，实现对设备的直接控制；
基础自动化系统还包括通过仪表对钢管数据的采集；
过程自动化系统从生产执行系统中获取PDI数据，进行模型参数的设定计算并下发给基础自动化系统；
生产执行系统用于无缝钢管生产计划的编制及其执行。
2.根据权利要求1所述的无缝钢管生产线实时监控系统，其特征在于，所述企业端采用可配置的无缝钢管数据采集方法为加热区、轧管区和精整区的各个数据采集点配置通讯协议，采用现场通讯总线通过通讯协议与远程I/O接口连接进行数据采集，包括：
从基础自动化系统实时采集时间序列数据，该时间序列数据是钢管生产设备实时运行数据和仪表检测数据，每个数值由采样时间戳和数值组成；
从过程自动化系统采集每个钢管的生产工艺参数设定值，该生产工艺参数设定值是为了满足钢管尺寸、质量、性能要求而给钢管生产设备运行参数下达的目标值；
从生产执行系统采集每个钢管生产计划单中各钢管的订单、来料和成品信息，至少包括订单的编号、质量要求，来料的管坯号、钢种、长度、直径，成品的长度、内径、外径、表面质量。
3.根据权利要求2所述的无缝钢管生产线实时监控系统，其特征在于，无缝钢管轧件状态同步中，根据从基础自动化系统采集的轧件头部和尾部位置信息，实时移动所述静态模型中轧件的位置，实现轧件位置状态的实时同步。
4.根据权利要求3所述的无缝钢管生产线实时监控系统，其特征在于，无缝钢管轧件状态与生产现场实时同步，是根据无缝钢管生产工艺和过程自动化系统的工艺设定数据，对钢管不同生产阶段的形状状态进行实时同步，包括：
在穿孔机处将实心的管坯轧制成空心的毛管；在轧机处将厚壁的毛管轧制成荒管；在定减径机处消除荒管外径不一的缺陷制成的无缝钢管，根据从基础自动化系统采集的位于生产线各处的钢管温度检测仪表数据，以及不同温度下钢材温度颜色变化关系，对在无缝钢管生产过程中的钢管温度实时变化在所述静态模型中实时同步展示。
5.根据权利要求2所述的无缝钢管生产线实时监控系统，其特征在于，设备运动状态与生产现场实时同步，是根据从基础自动化系统采集的设备实时运行状态数据，结合设备生产时执行部件的运动特点，对所述静态模型中各设备运动进行实时同步。
6.根据权利要求5所述的无缝钢管生产线实时监控系统，其特征在于，在环形加热炉中，设备运动状态包含上料台架升降运动、装炉辊道旋转运动、装钢机升降和平移运动、出钢辊道旋转运动、出钢机升降和平移运动、出钢台架运动；
在穿孔机中，设备运动状态包含热送辊道旋转运动、推钢机运动、穿孔机轧辊旋转运动、主传动旋转运动、顶杆随设备的运动、横移车升降和平移运动；
在轧管机中，设备运动状态包含机前辊道旋转运动、轧管机轧辊旋转运动、轧管机传动装置旋转运动、机后辊道旋转运动；
在定减径机中，设备运动实时同步包含入口辊道旋转运动、除鳞装置喷射运动、轧辊旋转运动、传动装置旋转运动、出口辊道旋转运动、运输辊道旋转运动；
在精整区域，设备运动实时同步包含冷床步进运动、下料臂回转运动、出料辊道旋转运动，矫直前横移链运动、矫直辊旋转运动，管排锯运输辊道旋转运动、对齐挡板升降运动、锯切旋转运动、出口定尺挡板平移和升降运动。
7.根据权利要求5所述的无缝钢管生产线实时监控系统，其特征在于，所述无缝钢管生产线远程实时监控模块还包括人机交互界面，所述人机交互界面包含用户登录、生产线总览和设备监控界面，以及界面中的人机互动功能，所述人机互动功能包含监控视角调整和生产控制指令交互。
8.根据权利要求2所述的无缝钢管生产线实时监控系统，其特征在于，所述无缝钢管生产线包括加热区、轧管区、精整区，所述加热区包含管坯切断、环形加热炉，所述轧管区包含穿孔机、轧管机、脱管机、定减径机，所述精整区包含冷床、管排锯、矫直机、探伤机。
9.根据权利要求2所述的无缝钢管生产线实时监控系统，其特征在于，所有采集的数据均以钢管的标识为关键值对应存储，并在使用时按照钢管的标识和相应提取数据进行读取后传输至云平台。
10.根据权利要求2所述的无缝钢管生产线实时监控系统，其特征在于，所述根据用户终端和指令优先级，对指令综合优化后发送至无缝钢管生产线，包括：
云平台按照设备实时控制、工艺参数设定和生产计划的优先级顺序将来自各用户终端的控制指令分别发送给生产线的基础自动化、过程自动化和生产执行系统。
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