面向MES系统的炼钢-连铸协同调度系统

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1 引 言

生产调度管理系统是钢铁企业制造执行系统（MES）的核心，在现代化钢铁工业生产中扮演着重要角色。国内自主开发的调度系统软件并不多见，从国内外研究资料表明，对钢铁生产调度系统研究均局限在主体设备上，很少有人关注辅助设备和运输设备调度问题。在实际生产中容易出现辅助设备上的调度同主体设备上的调度不协调现象。如对于编制好的生产作业计划，钢包不能及时配备到相应的转炉上；行车和台车不能及时到位等，这些现象的出现会影响主体设备生产计划的执行，影响企业的生产效益。

本文在探讨面向MES的炼钢-连铸协同调度系统结构和功能的基础上，提出了基于数据、模型、知识和人机交互四维一体的综合调度方法，利用此方法研发了冶金MES中炼钢-连铸协同调度系统，建立了钢铁生产综合调度的新模式。

2 系统概述

1）炼钢-连铸区域生产工艺流程

空包到转炉接受钢水后，根据钢种要求，有的重包走扒渣工位，有的不走扒渣工位，直接到精炼设备进行精炼处理，精炼处理后重包到大包回转台或模注工位准备浇铸，浇铸结束，空包到相应的倒渣工位倒渣并将其运送到某个倾转台上， 对其吹Ar孔、水口、滑板等进行检查，检查处理后的空包有几个去处，一个直接到转炉接受钢水，另一个到快烘位等待接受钢水，或到烘烤位进行烘烤准备接受钢水，或到修理场进行大、中、小修理。修好的空包若需要接受钢水，需先进入烘烤位烘烤，然后根据出钢时间的要求或直接到转炉前接受钢水或到快烘位等待接受钢水。钢包在周转过程中的运输设备是台车和行车。钢铁企业炼钢-连铸生产工艺流程如图1所示。

图1 炼钢-连铸区域的生产工艺流程图

调度的任务：对生产的产品单元（重包）进行设备指派、制定生产作业计划，针对生产过程中的扰动因素和动态事件及时调整作业计划，更新并下发生产指令，确保生产持续、稳定的进行。

2）系统设计原则

面向MES的炼钢-连铸协同调度系统像其他的软件系统一样，首先应具有实用性，可靠性和易于维护等特点。此外， 面向MES的软件系统在设计和开发过程中，还应考虑与原有系统的集成问题。为此提出如下设计原则：

①实用性和可靠性原则。系统的研发是根据某钢厂对调度实际需求提出的，所以，本系统的设计和开发将实用，好用作为第一准则，调度是生产的指挥中心，调度的好坏直接影响到钢厂的产品的质量和生产效率，所以，系统的可靠性要高。②通用性和专用性原则。钢铁行业的生产流程是相似的，建立一个通用性好的调度软件是非常必要的，面向用户需求开发在确保专用性能好的前提下，要兼顾系统的通用性，避免同行业重复开发所造成的人力财力的浪费。③敏捷性和易维护原则。炼钢现场调度工作状况复杂，对调度的实时性要求极高，这就需要系统具有快速的响应能力；当系统出现故障时应容易判断并迅速排除。④集成与可扩展性原则。面向MES 中炼钢-连铸协同调度系统除了要考虑调度的实时性和可靠性以及主辅设备协同调度等问题，还需要考虑与MES 内部的设备管理模块、质量管理模块、物料管理模块等集成问题及与上层（ERP）和下层（PCS）的信息传递问题。炼钢、连铸、热轧的一体化作业计划的编制是钢铁行业迟早实现的目标，调度系统应考虑与上下游工序的协调和接口的问题，提高系统的扩展能力。

3）面向MES中炼钢-连铸协同调度系统的结构

依据系统设计原则，结合现场对调度功能的需求，将本系统划分为静态调度子系统、动态调度子系统、钢包调度子系统、行车与台车调度子系统及GANTT 编辑器组成，参考国际制造执行系统协会（MESA）提出了MES的11个功能模块和针对钢铁行业提出了MES的10个功能模块，系统结构如图2所示。

图2 MES中的炼钢-连铸协同调度系统结构图

首先调度根据上层EPR传入的计划信息，分别由静态调度系统、钢包调度系统和行台车调度系统分别编制重包作业时刻表、空包作业时刻表、台车和行车运行时刻表，将这些编制好的生产作业计划以指令的形式下达到PCS中进行生产；当正在执行的作业计划受到随机因素干扰而无法按原计划执行时，PCS层将现场执行的实绩信息，设备状态等信息及时反馈到MES层，动态调度系统从中接受可用的信息调整正在执行和未执行的作业计划，并将改变的计划信息反馈到上层ERP中。

3 炼钢-连铸协同调度系统的组成和功能

1）系统内部子系统关系图

炼钢-连铸协同调度系统主要由静态调度子系统、钢包调度子系统、行车和台车调度子系统、动态调度子系统及甘特图仿真编辑器5部分组成。

首先静态调度子系统从ERP中获取计划信息，采用两种不同的方法分别编制出两个生产作业时刻表，并送到甘特图编辑器进行模拟，从中选出一个较优的方案送到钢包子系统进行空包计划编制，编制出空包作业时刻表，行/台车调度系统根据现场提供的行车和台车的状况以及空包作业时刻表编制行车、台车作业时刻表，将编制好的三个作业时刻表以指令的形式发送到执行现场中去执行，当生产作业计划在执行的过程中受到干扰不能按原计划执行时，系统就会启动动态调度子系统，动态调度子系统提取生产过程中的实绩、扰动等数据进行案例推理，从中确定出调整方案。一方面将调整结果送到静态调度子系统中，另一方面将改变的计划提交到ERP中，为erp系统做新的计划提供依据。其内部子系统关系，如图3所示。

图3 炼钢-连铸协同调度系统的内部子系统关系图

2）系统功能

①静态调度系统：主要实现自动编制主体设备（转炉、精炼、连铸）重包作业计划时刻表。首先从ERP层获取计划信息（CC浇铸顺计划、IC浇注计划、设备检修计划、工艺相关标准等）和从PCS层中获取生产实绩信息（设备状况和作业进度等），采用专家系统和规划数学模型两种方法编制重包作业计划时刻表，将两个编制结果分别在甘特图编辑器上显示。由调度人员根据显示结果和系统给出的综合评价指标选定一个较优方案作为预执行的重包作业计划时刻表，并以指令的形式下发到PCS层的各执行系统。②钢包调度系统：主要功能是编制空包作业时刻表。钢包在重包阶段的作业时刻表已由静态系统给出，所以，这里所说的钢包作业计划时刻表是指空包作业时刻表。在编制钢包计划作业时刻表时不仅要考虑钢种对钢包的材质、温度、水口、滑板、出钢时间等要求，还要考虑钢包的位置和运输设备能否为它提供“准时”的服务。结合这几方面的约束条件，编制出空包作业时刻表。③台车和行车调度系统：台车和行车调度系统主要功能是编制空包阶段的台车和行车作业时刻表。由于重包的转运过程是钢厂的生产过程，它直接影响到生产的质量和产量，影响到钢厂的经济效益。所以，在编制台车、行车计划时刻表时要在满足重包阶段载运需求的前提下，采用“见缝插针”的原则编制空包阶段的台车和行车作业时刻表。④动态调度系统：针对生产中执行的作业计划由于生产状况变化所引起的计划变化和物流变化的在线调整，它依据于PCS层跟踪系统采集的现场计划执行情况、设备状态信息等实际数据，确定出扰动状态类别和处理结果。重包作业计划的调整和重排有时会触发空包作业计划、台车作业计划、行车作业计划的调整和重排，直到整个生产物流畅通为止，并将调整的计划信息反馈到ERP层上。⑤甘特图编辑器：为方便调度人员对作业计划进行编辑和修改，实现有效的人机交互，系统提供图形界面编辑功能，它具有增添新设备、删除旧设备和更换新设备的功能，以适应钢厂设备扩充需求；为方便调度人员控制和改变调度方案，提供了重包在同类设备上移动和水平方向上时间的延长和缩短的功能，它可以根据人的意图改变调度方案，从这个意义上说动态编辑器具有一定的智能功能。它不仅为调度人员提供了一个友好、方便的操作平台，也为本系统搭建了一个集成平台。

4 基于四维一体的综合调度方法

1）数据集成的方法

通过中间件的方式实现CIMS内不同层的数据集成，通过“点对点” 方式来实现MES数据的集成，这样做有利于企业信息的整体规划。为便于数据的传输和系统的管理，本系统设置一台专用服务器，主辅设备上的数据信息以及系统所需要的来自上层（ERP）和下层（PCS）的数据信息均在该服务器上进行处理，以提高系统运行的可靠性。

2）基于模型的方法

为编制重包作业计划，根据生产工艺约束条件和优化目标建立了调度优化数学模型，它是一个非线性、难以用常规的方法求解，随着编制的计划数增多， 求解规模会成倍增大，加大了对问题的求解难度，采用计算智能方法虽然能得到近似解，但搜索时间很慢，满足不了现场调度实际的需求。寻求一个合适的求解算法是解决该问题的关键，本文采用经验知识和模型求解相结合技术对其进行求解，并将求解结果转化成主体设备上的作业时刻表。

3）基于知识的方法

在静态调度系统中除了采用建立调度优化数学模型编制重包作业计划外，还提供了采用基于知识专家系统编制重包作业计划的方法；为继承现场调度专家的经验，在动态调度系统中，采用了案例推理方法对现场的异常情况进行在线调整。总之，静态调度、动态调度、钢包调度、台车和行车调度都要用知识推理机制来完成。

4）人机交互的方法

为实现有效的人机交互，系统提供一个显示调度情况的图形界面即甘特图编辑器，允许调度人员通过鼠标控制和改变调度方案；编辑器主要采用了基于中间件理念的DLL调用平台设计，业务流程定义与封装和动态图形显示等技术开发的。

5 应用示例

某钢厂是一个综合自动化水平高、生产规模巨大、品种规格齐全的大型钢铁企业，但炼钢-连铸区域调度仍以人工为主，人工编制作业计划效率低、数量少，信息滞后，难以满足企业生产快速性的需求。也不利于企业内部MES的实现，为此需要研发炼钢-连铸生产调度协同系统，该系统的计划主界面如图4所示。

图4 计划主界面

可见，数字模拟运算效果良好，并获得现场调度专家的好评，系统上线长期稳定运行必将对钢厂信息化水平和生产效率提高发挥着重要作用。

6 结 语

本文建立了面向MES的炼钢-连铸调度系统的体系结构。系统内部采用了数据集成技术、模型技术、基于知识的推理技术和人机交互等多种技术，建立了一个实用灵活的调度系统。纵向它能对上层ERP和下层PCS传入系统的信息及时作出应答，横向预留了与上游工序和下游工序的管理系统集成的接口。速度快，效率高、能为调度人员提供智能的决策支持。系统的研发不仅给企业带来了经济效益，对同行业其他钢厂内部MES的实现具有重要的参考价值。（万方数据）