0 引言

    鋼鐵燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度是燒結(jié)生產(chǎn)管理的重要環(huán)節(jié)，其調(diào)度的好壞將直接影響到燒結(jié)生產(chǎn)的效率。因此燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度系統(tǒng)在現(xiàn)代化燒結(jié)生產(chǎn)管理中扮演著重要的角色。國內(nèi)自主研發(fā)的此類調(diào)度系統(tǒng)并不多見，國內(nèi)外的研究資料表明，對于燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)管理還只局限在原料場內(nèi)部含鐵原料的管理上，并且沒有和燒結(jié)生產(chǎn)實際過程相結(jié)合。在實際生產(chǎn)過程中很容易出現(xiàn)原料運輸設(shè)備調(diào)度不協(xié)調(diào)等問題，影響燒結(jié)生產(chǎn)的效率。因此研究并開發(fā)出一套實時性好、實用性強(qiáng)的燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度管理系統(tǒng)，實現(xiàn)燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度的信息化，對鋼鐵企業(yè)燒結(jié)生產(chǎn)來說具有重大的實際意義。

    本文在探討了面向MES的鋼鐵燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上，以提高燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度效率為主要目標(biāo)，采用了模型加啟發(fā)式算法和人際交互相結(jié)合的燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度計劃編制方法和原料運輸皮帶流程調(diào)度計劃編制方法，并利用此方法設(shè)計和開發(fā)了面向MES的燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度系統(tǒng)軟件，建立了燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度的新模式，并采用現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實驗，實驗結(jié)果表明了系統(tǒng)的有效性和可行性。

1 現(xiàn)狀及問題描述

    1.1 鋼鐵燒結(jié)生產(chǎn)工藝流程

    鋼鐵燒結(jié)生產(chǎn)是將鐵礦粉、燃料(煤粉或焦粉)、熔劑(生石灰、白云石等)、生產(chǎn)中產(chǎn)生的返礦按照一定的比例進(jìn)行加水混合制粒。通過皮帶運輸機(jī)運送到混合料倉，然后由圓輥布料器鋪到燒結(jié)機(jī)臺車上，通過點火爐點火，將混合料中的燃料點燃。煙氣由抽風(fēng)機(jī)自上而下抽走，在臺車移動過程中，混合料自上而下的熔融燃燒，當(dāng)燒結(jié)礦燃燒至機(jī)尾時落下，經(jīng)過單輥的破碎。運送至成品整粒系統(tǒng)，除產(chǎn)出的鋪底料和返礦供燒結(jié)使用外，其余的部分作為成品燒結(jié)礦進(jìn)入高爐。流程如圖1所示。

圖1 燒結(jié)工藝流程

    1.2 現(xiàn)狀描述

    本文所描述的系統(tǒng)主要是針對燒結(jié)生產(chǎn)中的配料過程。在二號燒結(jié)廠的配科室內(nèi)有存儲原料的料倉26座，每座料倉都配有相應(yīng)的稱重設(shè)備和圓盤切料機(jī)。并有相應(yīng)的DCS系統(tǒng)對其實行監(jiān)控。從原料場向燒結(jié)配料車間供應(yīng)原料的輸送皮帶有81條，可組成86個模式(一個起點到一個終點)，570余條流程(一個模式中的不同路徑)的龐大皮帶網(wǎng)絡(luò)。雖然二號燒結(jié)廠實現(xiàn)了生產(chǎn)過程自動化控制，但在信息化方面卻十分落后，其原料配比計算過程采用的是EXCEL軟件實現(xiàn)的成分驗算方法。原料供應(yīng)調(diào)度計劃編制也是采取人工編制的方式。其配料結(jié)果精度差、原料供應(yīng)效率低已經(jīng)很大程度上影響了二號燒結(jié)廠的生產(chǎn)效率。

    1.3 問題與難點分析

    本文以某鋼鐵企業(yè)二號燒結(jié)廠為實際背景，通過對現(xiàn)場實際生產(chǎn)過程的調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)：

    1)二號燒結(jié)廠燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度過程由人工管理，無法對現(xiàn)場生產(chǎn)指標(biāo)的變化做出及時的反應(yīng)，效率低下，已無法滿足現(xiàn)場實際生產(chǎn)過程的需求；現(xiàn)場原料供應(yīng)管理混亂，缺乏原料的跟蹤管理，要了解物料供應(yīng)的實時情況只能靠分廠調(diào)度員通過電話或去工作現(xiàn)場實地察看的方式獲得現(xiàn)場實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些臨時了解的信息進(jìn)行原料供應(yīng)調(diào)度。缺乏統(tǒng)籌考慮，從而影響車間的生產(chǎn)協(xié)調(diào)和廠級計劃的編制。

    2)鋼鐵燒結(jié)生產(chǎn)是一個連續(xù)不間斷過程，原料準(zhǔn)備是燒結(jié)生產(chǎn)的開端。由于燒結(jié)生產(chǎn)所需的物科種類多激量大，怎樣保證燒結(jié)生產(chǎn)所用各種物料能夠，及時、保質(zhì)、保量的供應(yīng)。是燒結(jié)生產(chǎn)原科供應(yīng)調(diào)度管理必須要面對的一個難點。但是由原料場通往繞結(jié)廠的物料運輸主皮帶模式數(shù)量有限，而燒結(jié)生產(chǎn)過程所需的物料種類又多，所需數(shù)量也大，因此安排物料的供應(yīng)計劃成為了燒結(jié)生產(chǎn)過程當(dāng)中最為繁重的工作，如何編制出實時性好實用性強(qiáng)的燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度計劃，實現(xiàn)燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度的信息化，是現(xiàn)場的工作人員急需解決的問題。

    3)燒結(jié)生產(chǎn)過程當(dāng)中，所使用的物料種類多、數(shù)量大。所用到的設(shè)備也同樣種類繁多。并且在燒結(jié)生產(chǎn)過程當(dāng)中極易產(chǎn)生各種各樣的突發(fā)事件，如原料種類的更換、原料配比變化、設(shè)備故障等，這就給燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度計劃的編制增加了難度及復(fù)雜性。如何針對現(xiàn)場出現(xiàn)的這些突發(fā)事件做出快速響應(yīng)，并給出有效的解決方法，已成為燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度管理中最難解決的問題。

    4)燒結(jié)生產(chǎn)原料輸送是保證燒結(jié)生產(chǎn)不間斷運行的重要環(huán)節(jié)。為二號燒結(jié)廠提供原料的原料場有81條皮帶，可組成86個模式(一個起點到一個終點)．570余條流程(一個模式中的不同路徑)。由這81條皮帶組成的皮帶網(wǎng)絡(luò)擔(dān)負(fù)著混勻礦生產(chǎn)和燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)工作。因此怎樣能夠針對這一龐大的皮帶網(wǎng)絡(luò)，迅速的編制出優(yōu)化的實用性強(qiáng)的原料供應(yīng)皮帶調(diào)度計劃也是燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度系統(tǒng)要面臨的又一難點。

2 面向MES的鋼鐵燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計

    2.1 系統(tǒng)設(shè)計原則

    面向MES的鋼鐵燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度系統(tǒng)像其他的軟件系統(tǒng)一樣，首先應(yīng)具有實用性，可靠性和易于維護(hù)等特點。此外，面向MES的軟件系統(tǒng)在設(shè)計和開發(fā)過程中，還應(yīng)考慮與原有系統(tǒng)的集成問題，為此提出如下設(shè)計原則：

    1)實用性和可靠性原則 系統(tǒng)的研發(fā)是根據(jù)某鋼鐵企業(yè)二號燒結(jié)廠原料供應(yīng)調(diào)度管理的實際需求提出的。所以，本系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)將實用、好用作為第一準(zhǔn)則，原料供應(yīng)調(diào)度管理是燒結(jié)生產(chǎn)管理的重要環(huán)節(jié)，調(diào)度管理的好壞將直接影響到燒結(jié)礦的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。因此，系統(tǒng)的可靠性要高。

    2)通用性和專用性原則 鋼鐵燒結(jié)生產(chǎn)的工藝流程是相似的，建立一個通用性好的原料供應(yīng)調(diào)度系統(tǒng)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)所造成的人力財力的浪費。

    3)集成與可擴(kuò)展性原則 面向MES的鋼鐵燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度系統(tǒng)除了要考慮系統(tǒng)的實用性和可靠性等問題，還需要考慮與MES內(nèi)部其他模塊的集成問題及與上層(ERP)和下層(PCS)的信息傳遞問題。

    2.2 系統(tǒng)開發(fā)及運行環(huán)境

    鑒于系統(tǒng)只應(yīng)用于燒結(jié)廠的生產(chǎn)調(diào)度指揮室內(nèi)，因此系統(tǒng)采用Client/Server(簡稱C/S)結(jié)構(gòu)，這樣有利于在客戶端上開發(fā)一些復(fù)雜的算法和模型，以增加系統(tǒng)的功能應(yīng)用效果。系統(tǒng)采用Oracle 10g EntERPrise關(guān)系數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫運行環(huán)境為Win 2003 Server。開發(fā)環(huán)境采用當(dāng)前最為廣泛使用的Microsoft.net平臺，開發(fā)語言為C#。

    2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    作為燒結(jié)廠MES系統(tǒng)的一個重要子系統(tǒng)，面向MES的鋼鐵燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度系統(tǒng)的主要功能是，為燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度提供符合現(xiàn)場情況、滿足工藝要求、高效的燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度計劃與之匹配的原料運輸皮帶流程調(diào)度計劃。依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計原則，結(jié)合現(xiàn)場對調(diào)度功能的需求，將系統(tǒng)劃分為配料優(yōu)化模塊、靜態(tài)調(diào)度模塊、動態(tài)調(diào)度模塊、人機(jī)交互計劃調(diào)整模塊、原料供應(yīng)皮帶調(diào)度模塊。

    2.4 系統(tǒng)內(nèi)部流程

    鋼鐵燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度系統(tǒng)由配料優(yōu)化模塊、靜態(tài)調(diào)度模塊、動態(tài)調(diào)度模塊、人機(jī)交互計劃調(diào)整模塊、原料供應(yīng)皮帶調(diào)度模塊5個模塊組合。系統(tǒng)內(nèi)部流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)內(nèi)部流程圖

    首先，系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)參數(shù)由配料優(yōu)化模塊對燒結(jié)生產(chǎn)原料配比進(jìn)行優(yōu)化運算。

    其次，依據(jù)上層ERP傳入的計劃信息和配料優(yōu)化模塊傳入的燒結(jié)生產(chǎn)原料配比信息，靜態(tài)調(diào)度模塊進(jìn)行人工經(jīng)驗修正，最后得到可實際運行的原料供應(yīng)調(diào)度計劃。

    再次，經(jīng)確認(rèn)的原料供應(yīng)調(diào)度計劃將被發(fā)送給原料供應(yīng)皮帶調(diào)度模塊，由該模塊編制出與原料供應(yīng)調(diào)度計劃相匹配的原料運輸皮帶網(wǎng)絡(luò)調(diào)度計劃。并將這些編制好的計劃以指令的形式下達(dá)到PCS層，同時這些計劃也將被反饋到上層的ERP系統(tǒng)。

    最后，如果正在執(zhí)行的作業(yè)計劃受到隨機(jī)因素干擾而無法按原計劃執(zhí)行，PCS層會將擾動信息和現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)及時反饋到動態(tài)調(diào)度模塊，模塊從中接收可用的信息調(diào)度作業(yè)計劃，并將調(diào)整后的計劃信息從新下放到PCS層和反饋到上層ERP系統(tǒng)中。

    2.5 系統(tǒng)功能描述

    1)配料優(yōu)化模塊 配料是燒結(jié)生產(chǎn)的起點，原料配比的好壞將直接影響到燒結(jié)礦的質(zhì)量，因此配料過程對燒結(jié)生產(chǎn)起著決定性的作用。配料優(yōu)化模塊利用數(shù)學(xué)模型對燒結(jié)原料配比進(jìn)行了優(yōu)化計算。為了保證計算的可靠性，模塊給出了兩種算法以供選擇。并且可根據(jù)現(xiàn)場情況按模塊提供的原則自行設(shè)置模型和算法參數(shù)。此外模塊還提供了配料優(yōu)化計算結(jié)果的驗算功能，對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗算，以增加系統(tǒng)的可靠性。

    2)靜態(tài)調(diào)度模塊 靜態(tài)調(diào)度模塊主要實現(xiàn)二號燒結(jié)廠生產(chǎn)車間中原料倉的原料供應(yīng)調(diào)度計劃的編制。模塊從ERP系統(tǒng)獲取生產(chǎn)計劃信息及相關(guān)工藝參數(shù)、從PCS系統(tǒng)獲取生產(chǎn)實際信息、從配料優(yōu)化模塊獲取燒結(jié)生產(chǎn)原料配比信息，采用模型與啟發(fā)式算法相結(jié)合的方式編制出燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度預(yù)計劃，并以甘特圖的形式顯示在人機(jī)交互計劃調(diào)度整模塊上，同時將計劃反饋給ERP系統(tǒng)，并以指令的形式下放到PCS層。

    3)原料供應(yīng)皮帶調(diào)度模塊 原料供應(yīng)皮帶調(diào)度模塊主要功能是編制與燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度計劃相匹配的原料輸送皮帶流程調(diào)度計劃。模塊接收經(jīng)人機(jī)交互計劃調(diào)整模塊確認(rèn)的燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度計劃、從PCS層接收原料廠皮帶模式及流程狀態(tài)信息，采用啟發(fā)式算法編制原料輸送皮帶調(diào)度計劃，然后將計劃反饋給ERP系統(tǒng)并以指令的形式下放到PCS層，配合燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度計劃完成燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度工作。

    4)動態(tài)調(diào)度模塊 動態(tài)調(diào)度的主要功能是對實際生產(chǎn)過程中所遇到的一些擾動因素進(jìn)行處理。在實際生產(chǎn)過程中生產(chǎn)調(diào)度計劃會由于生產(chǎn)狀況的改變而無法順利執(zhí)行，這時動態(tài)調(diào)式模塊根據(jù)PCS層提供的現(xiàn)場計劃執(zhí)行情況、設(shè)備運行狀態(tài)及ERP層的計劃信息等生產(chǎn)實際數(shù)據(jù)，判斷擾動的類型給出處理結(jié)果。

    5)人機(jī)交互計劃調(diào)整模塊 為了能夠充分發(fā)揮現(xiàn)場調(diào)度人員豐富的管理經(jīng)驗，以及方便調(diào)度人員對作業(yè)計劃進(jìn)行編輯和修改，系統(tǒng)提供了甘特圖界面編輯功能，實現(xiàn)了有效的人機(jī)交互�，F(xiàn)場調(diào)度人員可根據(jù)自身的經(jīng)驗對調(diào)度計劃進(jìn)行修正，從而使調(diào)度計劃更適應(yīng)現(xiàn)場的實際生產(chǎn)狀況，從這個意義上說系統(tǒng)具有一定的智能性。系統(tǒng)不僅為調(diào)度人員提供了一個友好、方便的人機(jī)交互操作平臺，也為本系統(tǒng)搭建了一個集成平臺系統(tǒng)的人機(jī)交互界面。

    2.6 燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度計劃編制方法

    燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度計劃編制時原料供應(yīng)調(diào)度系統(tǒng)最中意的功能，其結(jié)果為燒結(jié)配料車間中存儲原料料倉的供料計劃。本文通過對現(xiàn)場實際工作的調(diào)研，建立了燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度計劃編制模型，并采用一種啟發(fā)式算法和人機(jī)交互想結(jié)合的計劃編制方法。

    燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度，即為燒結(jié)生產(chǎn)車間中裝有m種物料的n個料倉安排原料供應(yīng)計劃。本文建立的模型如下：

    1)符號說明

    (1)下標(biāo) i為燒結(jié)配料車間中存儲物料料倉的編號，i＝1,2，...，n；j為燒結(jié)生產(chǎn)所用的物料種類，j＝1,2，...，m；t為料倉供料序數(shù)，t＝1,2，...，n；

    (2)參數(shù) T_S時間內(nèi)燒結(jié)生產(chǎn)所需各種原料的總量為W_our；T_W：物料供應(yīng)理想使用時間，T_W＜T_S；a_j：第j種物料的配料比例；b_j：第j種物料的供料速度；c_ij：第i號料倉中裝有的物料j的使用速度；P_ij：料倉i對物料j的承重上限；T_ij：第j種物料和第j^*種物料相鄰供料時的切換時間；x_ij(t)：被安排在第t個開始，裝有物料j的i號料倉的物料初始值。

    為準(zhǔn)確建立解決描繪問題的數(shù)學(xué)模型，除上述所作的定義外，本文進(jìn)一步做出如下假設(shè)：(1)燒結(jié)車間中每個料倉中存放何種物料為已知；(2)計劃時段暫不考慮設(shè)備計劃維修情況。

    2)數(shù)學(xué)模型

    根據(jù)問題描述以及上文定義的符號，建立如下數(shù)學(xué)模型：

    模型為實數(shù)范圍內(nèi)的規(guī)劃問題，其中，式(1)目標(biāo)函數(shù)中包括物料運輸時間和物料種類切換時間；式(2)、式(3)、式(4)為取值約束；式(5)為料倉供料上限約束；式(6)為物料供應(yīng)滿足需求量約束；式(7)為物料供應(yīng)總時間約束；式(8)約束為一次最多只能給一個料倉進(jìn)行供料；式(9)約束為在供料計劃中每個料倉最多只能安排一次供料；式(10)料倉不能為空。

    3)模型求解

    本文中所描述的燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度計劃編制模型為一個實數(shù)范圍內(nèi)的規(guī)劃模型，和混合“0—1”規(guī)劃問題極為相似。為了能夠給求解帶來方便，在一定的條件下，系統(tǒng)將模型轉(zhuǎn)換成了混合“0—1”規(guī)劃模型，并采用了一種啟發(fā)式算法與人機(jī)交互相結(jié)合的計劃編制方法，保證了計劃編制的有效性和可行性，并且該方法也充分利用了現(xiàn)場調(diào)度人員豐富的經(jīng)驗。從某種方面說，系統(tǒng)的求解具有一定的智能性。

3 仿真實驗

    某鋼鐵廠是一個綜合自動化水平較高，生產(chǎn)規(guī)模為中等水平的中型鋼鐵企業(yè)。但其燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度仍是以人工為主，人工編制原料供應(yīng)調(diào)度作業(yè)計劃效率低，難以滿足現(xiàn)場實際生產(chǎn)狀況的需求。同時也不利于企業(yè)內(nèi)部MES的實現(xiàn)、不利于企業(yè)整體管理水平的提高。本文所描述的面向MES的燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度系統(tǒng)可幫助企業(yè)解決本文中敘述的企業(yè)所遇到的問題。

    在燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度管理中，現(xiàn)場最為關(guān)心的兩項指標(biāo)為：在滿足燒結(jié)礦化學(xué)成分要求的前提下其原料成本及一次原料供應(yīng)所用的時間�；�于以上兩個指標(biāo)應(yīng)用現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進(jìn)行了離線仿真實驗，并與現(xiàn)場最優(yōu)方案進(jìn)行了對比，同時采用歸一化加權(quán)求和的方式對兩項指標(biāo)進(jìn)行了綜合指標(biāo)評價。本文結(jié)果和現(xiàn)場最優(yōu)方案的對比結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)指標(biāo)評價

結(jié)語

    本文建立了面向MES的鋼鐵燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)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)和人機(jī)交互等多種技術(shù)，建立了一個實用靈活的調(diào)度系統(tǒng)。縱向它能對上層ERP和下層PCS傳入系統(tǒng)的信息及時做出應(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)帶來了經(jīng)濟(jì)效益，對同行業(yè)其他燒結(jié)廠內(nèi)部MES系統(tǒng)的實現(xiàn)具有重要的參考價值。

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本文標(biāo)題：面向MES的鋼鐵燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度系統(tǒng)

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