1 引言
現(xiàn)階段多數(shù)鋼鐵企業(yè)采用面向庫存和面向訂單的混合生產(chǎn)模式，而鋼軋一體化的DHCR(Direct Hot Charge Rolling，簡稱DHCR)生產(chǎn)工藝特征采用DHCR/DR(Direct Hot Charging Rolling and Direct Rolling，簡稱DHCR/DR)兩種先進(jìn)制造工藝的鋼軋一體化生產(chǎn)方式將傳統(tǒng)鋼鐵生產(chǎn)中的煉鋼、連鑄和熱軋三大工序緊密地耦合成一個高溫連續(xù)的生產(chǎn)系統(tǒng)，這對鋼軋銜接生產(chǎn)調(diào)度提出了更高的要求。作為鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)的重要組成部分，一體化計劃與動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)的建模必須充分考慮企業(yè)的生產(chǎn)模式和工藝特征。鋼軋銜接生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)是以生產(chǎn)計劃和動態(tài)生產(chǎn)實(shí)績?yōu)檩斎�，利用連鑄與熱軋之間的板坯庫和加熱爐的緩沖能力，動態(tài)協(xié)調(diào)煉鋼、連鑄和熱軋工序之間的生產(chǎn)節(jié)奏，確保各工序之間的緊湊性和連續(xù)性，以提高生產(chǎn)效率。
本文通過分析混合生產(chǎn)環(huán)境下鋼軋銜接生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)（ERP系統(tǒng)）的功能和影響銜接的關(guān)鍵因素，給出了動態(tài)協(xié)調(diào)策略，并基于UML建立了系統(tǒng)用例模型、靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型和動態(tài)行為模型。動態(tài)行為模型中對象的活動圖展現(xiàn)了隨機(jī)擾動事件發(fā)生時的動態(tài)協(xié)調(diào)策略，系統(tǒng)能夠基于緩沖能力協(xié)調(diào)各工序環(huán)節(jié)，以減少工序間的等待時間和提高設(shè)備利用率。
2 系統(tǒng)分析
2.1 功能需求
鋼軋銜接生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)是處于上層作業(yè)計劃系統(tǒng)和下層過程控制系統(tǒng)的中間執(zhí)行層，強(qiáng)調(diào)煉鋼、連鑄與熱軋工序之間生產(chǎn)調(diào)度的銜接，對信息的實(shí)時性要求較高，需要及時地處理生產(chǎn)過程中的設(shè)備故障、質(zhì)量問題等動態(tài)擾動，維持生產(chǎn)過程的穩(wěn)定與平衡。因此，系統(tǒng)的主要功能包括：
(1)生產(chǎn)指令下達(dá)。接收作業(yè)計劃管理系統(tǒng)制定的生產(chǎn)計劃。把澆次計劃和爐次計劃轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)指令，并下達(dá)給煉鋼廠過程控制系統(tǒng)；根據(jù)軋制計劃和連鑄生產(chǎn)實(shí)績生成軋制指令，并下達(dá)給軋鋼廠過程控制系統(tǒng)。
(2)生產(chǎn)實(shí)績收集。在生產(chǎn)過程中實(shí)時收集各種生產(chǎn)實(shí)績信息，主要包括生產(chǎn)作業(yè)執(zhí)行時間信息、產(chǎn)品質(zhì)量信息、物流量信息、產(chǎn)品溫度信息、設(shè)備狀態(tài)信息等。
(3)動態(tài)擾動識別。對收集的生產(chǎn)實(shí)績信息進(jìn)行分析，識別生產(chǎn)過程中的動態(tài)因素，如機(jī)器故障、在制品質(zhì)量異常等，并通過系統(tǒng)報警通知調(diào)度人員進(jìn)行控制。
(4)銜接區(qū)域控制。分析生產(chǎn)過程中的動態(tài)擾動因素，并根據(jù)擾動類型制定合理的調(diào)整策略，保持生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和連續(xù)性。①根據(jù)某種算法計算加熱爐的緩沖能力，當(dāng)連鑄和熱軋工序出現(xiàn)生產(chǎn)波動或不匹配時，可以由加熱工序進(jìn)行一定程度的緩沖和調(diào)節(jié)。②對到達(dá)順序混亂的DHCR板坯進(jìn)行板坯排序優(yōu)化，保證最大限度的直裝比，減少板坯下線和板坯庫的吊車作業(yè)量。③連鑄機(jī)故障時，可以臨時插入CCR板坯計劃。軋機(jī)故障時，把DHCR板坯計劃改為HCR或CCR板坯計劃。
2.2 用例建模
統(tǒng)一建模語言(Unified Modeling Language，簡稱UML)是一種定義良好、富于表達(dá)、功能強(qiáng)大且普遍適用的建模語言。用例建模是從用戶的角度來描述系統(tǒng)需求，用例圖描述用例、參與者及它們之間的關(guān)系。根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，分析系統(tǒng)的參與者和用例，給出系統(tǒng)用例圖，如圖1所示。
圖1 鋼軋銜接生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)用例圖
圖1中，生產(chǎn)指令下達(dá)、生產(chǎn)實(shí)績收集、動態(tài)擾動識別和銜接區(qū)域控制是鋼軋銜接生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的主要用例；生產(chǎn)調(diào)度人員是鋼軋銜接生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的主要參與者，他們參與系統(tǒng)對生產(chǎn)過程的控制；作業(yè)計劃管理系統(tǒng)、工藝管理系統(tǒng)和設(shè)備管理系統(tǒng)是內(nèi)部參與者，分別提供軋制計劃、澆次和爐次計劃，工藝規(guī)則以及設(shè)備狀態(tài)信息；煉鋼廠和軋鋼廠過程控制系統(tǒng)是外部參與者，接收鋼軋銜接生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)提供的生產(chǎn)指令并反饋生產(chǎn)實(shí)績信息。
3 系統(tǒng)設(shè)計
3.1 靜態(tài)結(jié)構(gòu)建模
在鋼鐵生產(chǎn)流程中，往往出現(xiàn)在制品質(zhì)量異常、工序產(chǎn)能節(jié)奏不匹配和設(shè)備故障等動態(tài)因素導(dǎo)致生產(chǎn)過程的中斷，所以系統(tǒng)要針對連鑄到熱軋工序之間的動態(tài)事件進(jìn)行及時處理，保證生產(chǎn)過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性。根據(jù)系統(tǒng)的用例圖，提取出生產(chǎn)指令、生產(chǎn)實(shí)績、動態(tài)擾動、工序產(chǎn)能匹配、板坯控制和故障處理六個主要的類，其中工序產(chǎn)能匹配、板坯控制和故障處理是由銜接區(qū)域控制這一用例提取出來的類，如圖2所示。
圖2 鋼軋銜接生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)類圖
圖2以類圖的形式給出了系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型，描述了系統(tǒng)中的類以及各個類之間的關(guān)系，其中六個核心類的主要功能如下：
(1)生產(chǎn)指令。根據(jù)作業(yè)計劃系統(tǒng)制定的軋制計劃、板坯需求計劃、澆次計劃和爐次計劃，結(jié)合設(shè)備的產(chǎn)能信息生成生產(chǎn)指令下達(dá)到過程控制計算機(jī)。
(2)生產(chǎn)實(shí)績。從過程控制計算機(jī)上采集生產(chǎn)過程中的實(shí)時數(shù)據(jù)，并反饋給動態(tài)擾動類。
(3)動態(tài)擾動。對生產(chǎn)實(shí)績進(jìn)行分析，識別可能發(fā)生的動態(tài)因素，以便在出現(xiàn)異常時及時進(jìn)行系統(tǒng)報警。
(4)工序產(chǎn)能匹配。根據(jù)設(shè)備產(chǎn)能信息，調(diào)節(jié)各工序的生產(chǎn)節(jié)奏。保持板坯在各工序間流動的一致性和連續(xù)性，如果出現(xiàn)生產(chǎn)節(jié)奏不平衡，則通過工序可緩沖時間和生產(chǎn)速度進(jìn)行協(xié)調(diào)。
(5)板坯控制。根據(jù)板坯跟蹤信息．針對熱軋工序的需求對板坯進(jìn)行處理，包括板坯質(zhì)量判定、DHCR板坯排序、DHCR板坯下線等操作。
(6)故障處理。針對生產(chǎn)過程中的設(shè)備故障，預(yù)計故障處理的時間和相鄰工序的可緩沖時間，通過對故障所在工序的工藝約束條件或是工序相鄰的柔性緩沖環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)整來保持生產(chǎn)的連續(xù)性；如果無法協(xié)調(diào)，則系統(tǒng)進(jìn)行報警處理，由生產(chǎn)調(diào)度員進(jìn)行調(diào)整。
3.2 動態(tài)行為建模
動態(tài)模型描述了系統(tǒng)隨時間變化的行為，UML提供了時序圖、交互圖、狀態(tài)圖和活動圖四種圖來描述系統(tǒng)的動態(tài)模型。根據(jù)系統(tǒng)對信息實(shí)時性和動態(tài)性的要求，使用時序圖和活動圖來進(jìn)行系統(tǒng)的動態(tài)行為建模。時序圖描述了對象之間傳遞消息的時間順序，向用戶提供了事件流隨時間推移的、可視化的過程。本文給出了鋼軋銜接生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的時序圖，如圖3所示。
圖3 鋼軋銜接生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)時序圖
圖3中各個類之間的交互過程可以描述為以下三個階段：
(1)生產(chǎn)調(diào)度人員根據(jù)作業(yè)計劃管理系統(tǒng)提供的軋制計劃、澆次和爐次計劃，進(jìn)行任務(wù)指派和機(jī)器沖突消除，生成生產(chǎn)指令，把澆次和爐次指令下達(dá)給煉鋼廠過程控制系統(tǒng)，軋制指令下達(dá)給熱軋廠過程控制系統(tǒng)。
(2)生產(chǎn)實(shí)績收集生產(chǎn)過程中的連鑄出坯和板坯軋制信息，獲取連鑄和熱軋的生產(chǎn)時刻表，并將生產(chǎn)實(shí)績信息反饋給作業(yè)計劃管理系統(tǒng)。對生產(chǎn)實(shí)績進(jìn)行分析，識別動態(tài)擾動因素，由銜接區(qū)域控制進(jìn)行協(xié)調(diào)，保持生產(chǎn)的連續(xù)性；若出現(xiàn)嚴(yán)重不匹配，則進(jìn)行系統(tǒng)報警，由調(diào)度人員采取相應(yīng)的策略進(jìn)行指令的變更。
(3)銜接區(qū)域控制對連鑄到熱軋之間工序的生產(chǎn)節(jié)奏進(jìn)行協(xié)調(diào)，當(dāng)出現(xiàn)機(jī)器故障時計算相應(yīng)工序的可緩沖時間，并對故障修復(fù)時間進(jìn)行預(yù)測，如果修復(fù)時間小于可緩沖時間則進(jìn)行動態(tài)調(diào)整；否則，系統(tǒng)超時報警，由調(diào)度人員進(jìn)行煉鋼或是軋制指令的變更。
時序圖強(qiáng)調(diào)了對象之間消息交互的時間順序，滿足了系統(tǒng)對信息處理的實(shí)時性和交互性要求，而活動圖則描述了對象隨時間變化的動態(tài)行為。
圖4給出了銜接區(qū)域控制的活動圖，主要分析了生產(chǎn)過程中出現(xiàn)連鑄故障和軋線故障時系統(tǒng)的處理流程：
圖4 銜接區(qū)域控制活動圖
(1)連鑄故障時，生產(chǎn)調(diào)度人員根據(jù)過程控制系統(tǒng)提供的連鑄機(jī)澆注流數(shù)和拉坯速度等參數(shù)計算連鑄與熱軋工序間的物流平衡情況，并估計故障處理時間，判斷放慢加熱爐節(jié)奏后能否實(shí)現(xiàn)物流平衡，如果可以就調(diào)整工序的生產(chǎn)節(jié)奏；如果調(diào)節(jié)生產(chǎn)節(jié)奏不能消除故障影響，則要將板坯暫時放入保溫坑中并將該澆次中未完成板坯計劃向后延遲，然后從板坯庫中查找與該軋制計劃同類型的板坯進(jìn)行替代，進(jìn)行冷熱混裝加熱軋制；否則取消原來的軋制計劃，根據(jù)故障處理時間臨時插入CCR軋制計劃。
(2)軋線故障時。生產(chǎn)調(diào)度人員根據(jù)過程控制系統(tǒng)提供的加熱爐運(yùn)作參數(shù)計算工序間物流平衡情況，并估計故障處理時間，判斷放慢連鑄節(jié)奏能否實(shí)現(xiàn)物流平衡，如果可以就調(diào)整工序的生產(chǎn)節(jié)奏；后續(xù)的處理流程與連鑄故障處理流程相同，這里不再贅述。
4 應(yīng)用實(shí)例
我們將UML建模應(yīng)用于鋼軋生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，在上述模型的基礎(chǔ)上，使用C#語言和Oracle數(shù)據(jù)庫技術(shù)開發(fā)出了鋼鐵企業(yè)高級計劃與排程系統(tǒng)APS。以系統(tǒng)中的熱軋動態(tài)調(diào)度管理模塊為例進(jìn)行說明，熱軋動態(tài)調(diào)度管理接收軋次調(diào)度以及板坯調(diào)度信息，并根據(jù)生產(chǎn)實(shí)績中發(fā)生的擾動信息對板坯調(diào)度和熱軋調(diào)度進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，保證調(diào)度方案變動最小。
圖5是熱軋動態(tài)調(diào)度管理的功能界面，調(diào)度人員可以實(shí)時查看熱軋調(diào)度和板坯調(diào)度，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)績情況修改或終止某個軋次調(diào)度。
圖5 熱軋動態(tài)調(diào)度功能界面
圖6是熱軋動態(tài)調(diào)度甘特圖，通過甘特圖動態(tài)地展示軋次調(diào)度和軋次實(shí)績的對比情況，以便于以人機(jī)交互的方式進(jìn)行實(shí)時調(diào)度。
圖6 熱軋動態(tài)調(diào)式甘特圖
5 結(jié)束語
在鋼鐵生產(chǎn)MES系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)施的實(shí)踐中遇到的困難往往不是一個最優(yōu)靜態(tài)調(diào)度方案的生成，而是當(dāng)靜態(tài)調(diào)度方案在執(zhí)行過程中遇到動態(tài)隨機(jī)擾動因素后的人機(jī)交互實(shí)時動態(tài)調(diào)度方案決策問題，為了最大限度減少重調(diào)度方案對后續(xù)工序作業(yè)計劃的影響，協(xié)調(diào)兩者之間的動態(tài)關(guān)系一直是制約鋼鐵生產(chǎn)MES系統(tǒng)實(shí)用性的難點(diǎn)所在。本文通過分析鋼軋銜接生產(chǎn)調(diào)度的特點(diǎn)，使用統(tǒng)一建模語言建立了鋼軋銜接生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)（ERP系統(tǒng)）的一系列模型，從靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)行為方面對系統(tǒng)進(jìn)行了描述，該模型的建立為鋼鐵制造執(zhí)行系統(tǒng)的開發(fā)提供了一定的理論指導(dǎo)。
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本文標(biāo)題：基于UML的鋼軋銜接生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)建模
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