面向MES系統(tǒng)的煉鋼-連鑄協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)

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1 引 言

生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)是鋼鐵企業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的核心，在現(xiàn)代化鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)中扮演著重要角色。國(guó)內(nèi)自主開發(fā)的調(diào)度系統(tǒng)軟件并不多見，從國(guó)內(nèi)外研究資料表明，對(duì)鋼鐵生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)研究均局限在主體設(shè)備上，很少有人關(guān)注輔助設(shè)備和運(yùn)輸設(shè)備調(diào)度問(wèn)題。在實(shí)際生產(chǎn)中容易出現(xiàn)輔助設(shè)備上的調(diào)度同主體設(shè)備上的調(diào)度不協(xié)調(diào)現(xiàn)象。如對(duì)于編制好的生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃，鋼包不能及時(shí)配備到相應(yīng)的轉(zhuǎn)爐上；行車和臺(tái)車不能及時(shí)到位等，這些現(xiàn)象的出現(xiàn)會(huì)影響主體設(shè)備生產(chǎn)計(jì)劃的執(zhí)行，影響企業(yè)的生產(chǎn)效益。

本文在探討面向MES的煉鋼-連鑄協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上，提出了基于數(shù)據(jù)、模型、知識(shí)和人機(jī)交互四維一體的綜合調(diào)度方法，利用此方法研發(fā)了冶金MES中煉鋼-連鑄協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)，建立了鋼鐵生產(chǎn)綜合調(diào)度的新模式。

2 系統(tǒng)概述

1）煉鋼-連鑄區(qū)域生產(chǎn)工藝流程

空包到轉(zhuǎn)爐接受鋼水后，根據(jù)鋼種要求，有的重包走扒渣工位，有的不走扒渣工位，直接到精煉設(shè)備進(jìn)行精煉處理，精煉處理后重包到大包回轉(zhuǎn)臺(tái)或模注工位準(zhǔn)備澆鑄，澆鑄結(jié)束，空包到相應(yīng)的倒渣工位倒渣并將其運(yùn)送到某個(gè)傾轉(zhuǎn)臺(tái)上， 對(duì)其吹A(chǔ)r孔、水口、滑板等進(jìn)行檢查，檢查處理后的空包有幾個(gè)去處，一個(gè)直接到轉(zhuǎn)爐接受鋼水，另一個(gè)到快烘位等待接受鋼水，或到烘烤位進(jìn)行烘烤準(zhǔn)備接受鋼水，或到修理場(chǎng)進(jìn)行大、中、小修理。修好的空包若需要接受鋼水，需先進(jìn)入烘烤位烘烤，然后根據(jù)出鋼時(shí)間的要求或直接到轉(zhuǎn)爐前接受鋼水或到快烘位等待接受鋼水。鋼包在周轉(zhuǎn)過(guò)程中的運(yùn)輸設(shè)備是臺(tái)車和行車。鋼鐵企業(yè)煉鋼-連鑄生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 煉鋼-連鑄區(qū)域的生產(chǎn)工藝流程圖

調(diào)度的任務(wù)：對(duì)生產(chǎn)的產(chǎn)品單元（重包）進(jìn)行設(shè)備指派、制定生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃，針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的擾動(dòng)因素和動(dòng)態(tài)事件及時(shí)調(diào)整作業(yè)計(jì)劃，更新并下發(fā)生產(chǎn)指令，確保生產(chǎn)持續(xù)、穩(wěn)定的進(jìn)行。

2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

面向MES的煉鋼-連鑄協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)像其他的軟件系統(tǒng)一樣，首先應(yīng)具有實(shí)用性，可靠性和易于維護(hù)等特點(diǎn)。此外， 面向MES的軟件系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和開發(fā)過(guò)程中，還應(yīng)考慮與原有系統(tǒng)的集成問(wèn)題。為此提出如下設(shè)計(jì)原則：

①實(shí)用性和可靠性原則。系統(tǒng)的研發(fā)是根據(jù)某鋼廠對(duì)調(diào)度實(shí)際需求提出的，所以，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)將實(shí)用，好用作為第一準(zhǔn)則，調(diào)度是生產(chǎn)的指揮中心，調(diào)度的好壞直接影響到鋼廠的產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，所以，系統(tǒng)的可靠性要高。②通用性和專用性原則。鋼鐵行業(yè)的生產(chǎn)流程是相似的，建立一個(gè)通用性好的調(diào)度軟件是非常必要的，面向用戶需求開發(fā)在確保專用性能好的前提下，要兼顧系統(tǒng)的通用性，避免同行業(yè)重復(fù)開發(fā)所造成的人力財(cái)力的浪費(fèi)。③敏捷性和易維護(hù)原則。煉鋼現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度工作狀況復(fù)雜，對(duì)調(diào)度的實(shí)時(shí)性要求極高，這就需要系統(tǒng)具有快速的響應(yīng)能力；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)應(yīng)容易判斷并迅速排除。④集成與可擴(kuò)展性原則。面向MES 中煉鋼-連鑄協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)除了要考慮調(diào)度的實(shí)時(shí)性和可靠性以及主輔設(shè)備協(xié)同調(diào)度等問(wèn)題，還需要考慮與MES 內(nèi)部的設(shè)備管理模塊、質(zhì)量管理模塊、物料管理模塊等集成問(wèn)題及與上層（ERP）和下層（PCS）的信息傳遞問(wèn)題。煉鋼、連鑄、熱軋的一體化作業(yè)計(jì)劃的編制是鋼鐵行業(yè)遲早實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)考慮與上下游工序的協(xié)調(diào)和接口的問(wèn)題，提高系統(tǒng)的擴(kuò)展能力。

3）面向MES中煉鋼-連鑄協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)對(duì)調(diào)度功能的需求，將本系統(tǒng)劃分為靜態(tài)調(diào)度子系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)調(diào)度子系統(tǒng)、鋼包調(diào)度子系統(tǒng)、行車與臺(tái)車調(diào)度子系統(tǒng)及GANTT 編輯器組成，參考國(guó)際制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會(huì)（MESA）提出了MES的11個(gè)功能模塊和針對(duì)鋼鐵行業(yè)提出了MES的10個(gè)功能模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 MES中的煉鋼-連鑄協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

首先調(diào)度根據(jù)上層EPR傳入的計(jì)劃信息，分別由靜態(tài)調(diào)度系統(tǒng)、鋼包調(diào)度系統(tǒng)和行臺(tái)車調(diào)度系統(tǒng)分別編制重包作業(yè)時(shí)刻表、空包作業(yè)時(shí)刻表、臺(tái)車和行車運(yùn)行時(shí)刻表，將這些編制好的生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃以指令的形式下達(dá)到PCS中進(jìn)行生產(chǎn)；當(dāng)正在執(zhí)行的作業(yè)計(jì)劃受到隨機(jī)因素干擾而無(wú)法按原計(jì)劃執(zhí)行時(shí)，PCS層將現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行的實(shí)績(jī)信息，設(shè)備狀態(tài)等信息及時(shí)反饋到MES層，動(dòng)態(tài)調(diào)度系統(tǒng)從中接受可用的信息調(diào)整正在執(zhí)行和未執(zhí)行的作業(yè)計(jì)劃，并將改變的計(jì)劃信息反饋到上層ERP中。

3 煉鋼-連鑄協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)的組成和功能

1）系統(tǒng)內(nèi)部子系統(tǒng)關(guān)系圖

煉鋼-連鑄協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)主要由靜態(tài)調(diào)度子系統(tǒng)、鋼包調(diào)度子系統(tǒng)、行車和臺(tái)車調(diào)度子系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)調(diào)度子系統(tǒng)及甘特圖仿真編輯器5部分組成。

首先靜態(tài)調(diào)度子系統(tǒng)從ERP中獲取計(jì)劃信息，采用兩種不同的方法分別編制出兩個(gè)生產(chǎn)作業(yè)時(shí)刻表，并送到甘特圖編輯器進(jìn)行模擬，從中選出一個(gè)較優(yōu)的方案送到鋼包子系統(tǒng)進(jìn)行空包計(jì)劃編制，編制出空包作業(yè)時(shí)刻表，行/臺(tái)車調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的行車和臺(tái)車的狀況以及空包作業(yè)時(shí)刻表編制行車、臺(tái)車作業(yè)時(shí)刻表，將編制好的三個(gè)作業(yè)時(shí)刻表以指令的形式發(fā)送到執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)中去執(zhí)行，當(dāng)生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃在執(zhí)行的過(guò)程中受到干擾不能按原計(jì)劃執(zhí)行時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)度子系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)調(diào)度子系統(tǒng)提取生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)績(jī)、擾動(dòng)等數(shù)據(jù)進(jìn)行案例推理，從中確定出調(diào)整方案。一方面將調(diào)整結(jié)果送到靜態(tài)調(diào)度子系統(tǒng)中，另一方面將改變的計(jì)劃提交到ERP中，為erp系統(tǒng)做新的計(jì)劃提供依據(jù)。其內(nèi)部子系統(tǒng)關(guān)系，如圖3所示。

圖3 煉鋼-連鑄協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)的內(nèi)部子系統(tǒng)關(guān)系圖

2）系統(tǒng)功能

①靜態(tài)調(diào)度系統(tǒng)：主要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編制主體設(shè)備（轉(zhuǎn)爐、精煉、連鑄）重包作業(yè)計(jì)劃時(shí)刻表。首先從ERP層獲取計(jì)劃信息（CC澆鑄順計(jì)劃、IC澆注計(jì)劃、設(shè)備檢修計(jì)劃、工藝相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等）和從PCS層中獲取生產(chǎn)實(shí)績(jī)信息（設(shè)備狀況和作業(yè)進(jìn)度等），采用專家系統(tǒng)和規(guī)劃數(shù)學(xué)模型兩種方法編制重包作業(yè)計(jì)劃時(shí)刻表，將兩個(gè)編制結(jié)果分別在甘特圖編輯器上顯示。由調(diào)度人員根據(jù)顯示結(jié)果和系統(tǒng)給出的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)選定一個(gè)較優(yōu)方案作為預(yù)執(zhí)行的重包作業(yè)計(jì)劃時(shí)刻表，并以指令的形式下發(fā)到PCS層的各執(zhí)行系統(tǒng)。②鋼包調(diào)度系統(tǒng)：主要功能是編制空包作業(yè)時(shí)刻表。鋼包在重包階段的作業(yè)時(shí)刻表已由靜態(tài)系統(tǒng)給出，所以，這里所說(shuō)的鋼包作業(yè)計(jì)劃時(shí)刻表是指空包作業(yè)時(shí)刻表。在編制鋼包計(jì)劃作業(yè)時(shí)刻表時(shí)不僅要考慮鋼種對(duì)鋼包的材質(zhì)、溫度、水口、滑板、出鋼時(shí)間等要求，還要考慮鋼包的位置和運(yùn)輸設(shè)備能否為它提供“準(zhǔn)時(shí)”的服務(wù)。結(jié)合這幾方面的約束條件，編制出空包作業(yè)時(shí)刻表。③臺(tái)車和行車調(diào)度系統(tǒng)：臺(tái)車和行車調(diào)度系統(tǒng)主要功能是編制空包階段的臺(tái)車和行車作業(yè)時(shí)刻表。由于重包的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程是鋼廠的生產(chǎn)過(guò)程，它直接影響到生產(chǎn)的質(zhì)量和產(chǎn)量，影響到鋼廠的經(jīng)濟(jì)效益。所以，在編制臺(tái)車、行車計(jì)劃時(shí)刻表時(shí)要在滿足重包階段載運(yùn)需求的前提下，采用“見縫插針”的原則編制空包階段的臺(tái)車和行車作業(yè)時(shí)刻表。④動(dòng)態(tài)調(diào)度系統(tǒng)：針對(duì)生產(chǎn)中執(zhí)行的作業(yè)計(jì)劃由于生產(chǎn)狀況變化所引起的計(jì)劃變化和物流變化的在線調(diào)整，它依據(jù)于PCS層跟蹤系統(tǒng)采集的現(xiàn)場(chǎng)計(jì)劃執(zhí)行情況、設(shè)備狀態(tài)信息等實(shí)際數(shù)據(jù)，確定出擾動(dòng)狀態(tài)類別和處理結(jié)果。重包作業(yè)計(jì)劃的調(diào)整和重排有時(shí)會(huì)觸發(fā)空包作業(yè)計(jì)劃、臺(tái)車作業(yè)計(jì)劃、行車作業(yè)計(jì)劃的調(diào)整和重排，直到整個(gè)生產(chǎn)物流暢通為止，并將調(diào)整的計(jì)劃信息反饋到ERP層上。⑤甘特圖編輯器：為方便調(diào)度人員對(duì)作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行編輯和修改，實(shí)現(xiàn)有效的人機(jī)交互，系統(tǒng)提供圖形界面編輯功能，它具有增添新設(shè)備、刪除舊設(shè)備和更換新設(shè)備的功能，以適應(yīng)鋼廠設(shè)備擴(kuò)充需求；為方便調(diào)度人員控制和改變調(diào)度方案，提供了重包在同類設(shè)備上移動(dòng)和水平方向上時(shí)間的延長(zhǎng)和縮短的功能，它可以根據(jù)人的意圖改變調(diào)度方案，從這個(gè)意義上說(shuō)動(dòng)態(tài)編輯器具有一定的智能功能。它不僅為調(diào)度人員提供了一個(gè)友好、方便的操作平臺(tái)，也為本系統(tǒng)搭建了一個(gè)集成平臺(tái)。

4 基于四維一體的綜合調(diào)度方法

1）數(shù)據(jù)集成的方法

通過(guò)中間件的方式實(shí)現(xiàn)CIMS內(nèi)不同層的數(shù)據(jù)集成，通過(guò)“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)” 方式來(lái)實(shí)現(xiàn)MES數(shù)據(jù)的集成，這樣做有利于企業(yè)信息的整體規(guī)劃。為便于數(shù)據(jù)的傳輸和系統(tǒng)的管理，本系統(tǒng)設(shè)置一臺(tái)專用服務(wù)器，主輔設(shè)備上的數(shù)據(jù)信息以及系統(tǒng)所需要的來(lái)自上層（ERP）和下層（PCS）的數(shù)據(jù)信息均在該服務(wù)器上進(jìn)行處理，以提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

2）基于模型的方法

為編制重包作業(yè)計(jì)劃，根據(jù)生產(chǎn)工藝約束條件和優(yōu)化目標(biāo)建立了調(diào)度優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，它是一個(gè)非線性、難以用常規(guī)的方法求解，隨著編制的計(jì)劃數(shù)增多， 求解規(guī)模會(huì)成倍增大，加大了對(duì)問(wèn)題的求解難度，采用計(jì)算智能方法雖然能得到近似解，但搜索時(shí)間很慢，滿足不了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度實(shí)際的需求。尋求一個(gè)合適的求解算法是解決該問(wèn)題的關(guān)鍵，本文采用經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和模型求解相結(jié)合技術(shù)對(duì)其進(jìn)行求解，并將求解結(jié)果轉(zhuǎn)化成主體設(shè)備上的作業(yè)時(shí)刻表。

3）基于知識(shí)的方法

在靜態(tài)調(diào)度系統(tǒng)中除了采用建立調(diào)度優(yōu)化數(shù)學(xué)模型編制重包作業(yè)計(jì)劃外，還提供了采用基于知識(shí)專家系統(tǒng)編制重包作業(yè)計(jì)劃的方法；為繼承現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度專家的經(jīng)驗(yàn)，在動(dòng)態(tài)調(diào)度系統(tǒng)中，采用了案例推理方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的異常情況進(jìn)行在線調(diào)整?？傊?，靜態(tài)調(diào)度、動(dòng)態(tài)調(diào)度、鋼包調(diào)度、臺(tái)車和行車調(diào)度都要用知識(shí)推理機(jī)制來(lái)完成。

4）人機(jī)交互的方法

為實(shí)現(xiàn)有效的人機(jī)交互，系統(tǒng)提供一個(gè)顯示調(diào)度情況的圖形界面即甘特圖編輯器，允許調(diào)度人員通過(guò)鼠標(biāo)控制和改變調(diào)度方案；編輯器主要采用了基于中間件理念的DLL調(diào)用平臺(tái)設(shè)計(jì)，業(yè)務(wù)流程定義與封裝和動(dòng)態(tài)圖形顯示等技術(shù)開發(fā)的。

5 應(yīng)用示例

某鋼廠是一個(gè)綜合自動(dòng)化水平高、生產(chǎn)規(guī)模巨大、品種規(guī)格齊全的大型鋼鐵企業(yè)，但煉鋼-連鑄區(qū)域調(diào)度仍以人工為主，人工編制作業(yè)計(jì)劃效率低、數(shù)量少，信息滯后，難以滿足企業(yè)生產(chǎn)快速性的需求。也不利于企業(yè)內(nèi)部MES的實(shí)現(xiàn)，為此需要研發(fā)煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度協(xié)同系統(tǒng)，該系統(tǒng)的計(jì)劃主界面如圖4所示。

圖4 計(jì)劃主界面

可見，數(shù)字模擬運(yùn)算效果良好，并獲得現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度專家的好評(píng)，系統(tǒng)上線長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行必將對(duì)鋼廠信息化水平和生產(chǎn)效率提高發(fā)揮著重要作用。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文建立了面向MES的煉鋼-連鑄調(diào)度系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)內(nèi)部采用了數(shù)據(jù)集成技術(shù)、模型技術(shù)、基于知識(shí)的推理技術(shù)和人機(jī)交互等多種技術(shù)，建立了一個(gè)實(shí)用靈活的調(diào)度系統(tǒng)?？v向它能對(duì)上層ERP和下層PCS傳入系統(tǒng)的信息及時(shí)作出應(yīng)答，橫向預(yù)留了與上游工序和下游工序的管理系統(tǒng)集成的接口。速度快，效率高、能為調(diào)度人員提供智能的決策支持。系統(tǒng)的研發(fā)不僅給企業(yè)帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)同行業(yè)其他鋼廠內(nèi)部MES的實(shí)現(xiàn)具有重要的參考價(jià)值。（萬(wàn)方數(shù)據(jù)）