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

劉玉富，張忠軍

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司型鋼煉鐵廠，山東 濟(jì)南 271104）

鋼鐵燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度是鋼鐵生產(chǎn)加工工序中的重要一環(huán)，如果生產(chǎn)原料供應(yīng)不及時，將對燒結(jié)生產(chǎn)效率造成嚴(yán)重影響。因此，近年來，隨著我國制造加工行業(yè)自動化、智能化水平的不斷提升，MES 信息化管理系統(tǒng)迅速在鋼鐵制造行業(yè)得到推廣應(yīng)用。該系統(tǒng)的實際應(yīng)用，使得燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度系統(tǒng)的各項功能得到優(yōu)化和改善，同時，也開辟了人機交互、智能操控的先河，對提高生產(chǎn)效率，促進(jìn)鋼鐵企業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

1 鋼鐵燒結(jié)生產(chǎn)工藝流程概述

燒結(jié)主要是將各種粉狀含鐵原料按照一定的配合比，添加一定劑量的燒結(jié)熔劑與燃料，借助于燒結(jié)設(shè)備，使混合原料發(fā)生一系列物理、化學(xué)反應(yīng)，將松散的混合料黏結(jié)成塊。目前，鐵礦粉是鋼鐵燒結(jié)過程中的主要原料，燒結(jié)燃料一般選擇含碳量高、硫化物含量低、成分相對穩(wěn)定的煤粉或者焦粉，其中粒徑小于3mm 的燃料比率應(yīng)達(dá)到95%以上。燒結(jié)熔劑一般選擇氧化鈣含量高、雜質(zhì)少、成分相對穩(wěn)定的白云石或者生石灰，其中粒徑小于3mm 的溶劑比率應(yīng)達(dá)到90%以上。

在燒結(jié)生產(chǎn)開始之前，需要對各種原料、熔劑用水進(jìn)行充分混合，并將混合料制成球體，混合流程分為一次混合與二次混合，一次混合主要是確保混合料均勻，混合時間以50s 為宜。二次混合是為了改善燒結(jié)料層的透氣性，混合時間不得少于2.5 分鐘。由于一次混合的造球質(zhì)量差，燒結(jié)料層的透氣性無法滿足生產(chǎn)需要，因此，在鋼鐵燒結(jié)生產(chǎn)中，通常采用二次混合的方法[1]。

進(jìn)入燒結(jié)工序后，首先在燒結(jié)機臺車上鋪置底料與混合料，鋪置層底料選擇粒徑在10mm～25mm 之間，厚度介于20mm～25mm 之間的小塊燒結(jié)礦，這樣，能夠有效延長風(fēng)機轉(zhuǎn)子的使用壽命。底料鋪設(shè)完畢，沿著臺車的縱橫方向均勻布料，并保證混合料表面平整。點火溫度控制在1250±50℃，點火時間介于40s～60s 之間，真空壓力值介于4kpa～6kpa 之間，點火深度約為10mm～20mm。在燒結(jié)生產(chǎn)時，應(yīng)當(dāng)合理控制好燒結(jié)風(fēng)量，一般情況下，每噸燒結(jié)礦的需風(fēng)量為3200m3，燒結(jié)料層厚度介于250mm～500mm 之間。混合料在燒結(jié)爐中自上至下熔融灼燒，當(dāng)燃燒至機尾時自由落下，在單輥的作用力下，燒結(jié)料被擊碎，最后，成品燒結(jié)礦進(jìn)入到高爐當(dāng)中。鋼鐵燒結(jié)生產(chǎn)工藝流程示意圖如圖1 所示。

圖1 鋼鐵燒結(jié)生產(chǎn)工藝流程示意圖

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

2.1 遵循的原則

與其它軟件系統(tǒng)類似，在設(shè)計鋼鐵燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度系統(tǒng)時，首先考慮的是實用性與安全可靠性，保證原料供應(yīng)調(diào)度管理井然有序，同時使燒結(jié)礦質(zhì)量能夠滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。其次考慮的是通用性與專用性，通用性是設(shè)計出的調(diào)度系統(tǒng)能夠在整個鋼鐵燒結(jié)領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用，專用性是避免同行業(yè)技術(shù)研發(fā)人員的重復(fù)開發(fā)與設(shè)計，做到同一系統(tǒng)，行業(yè)共享。最后要考慮系統(tǒng)的集成性與可擴(kuò)展性，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)運行故障，能夠在短時間內(nèi)予以修復(fù)。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)造原理

該系統(tǒng)的運行環(huán)境只適用于鋼鐵燒結(jié)廠的生產(chǎn)調(diào)度指揮室內(nèi)，出于多方面、多角度考慮，在設(shè)計系統(tǒng)時，采用C/S 結(jié)構(gòu)，這樣更利于建立數(shù)學(xué)模型，以體現(xiàn)系統(tǒng)的功能價值，系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計使用的程序語言為C 語言，并采用微軟開發(fā)平臺。該系統(tǒng)屬于MES 系統(tǒng)的子系統(tǒng)，開發(fā)設(shè)計的主要目的是為了提高燒結(jié)生產(chǎn)效率。內(nèi)部結(jié)構(gòu)模塊結(jié)構(gòu)主要包括配料優(yōu)化模塊、動態(tài)調(diào)度模塊、靜態(tài)調(diào)度模塊、人機交互計劃調(diào)整模塊以及生產(chǎn)原料供應(yīng)皮帶調(diào)度模塊。

2.3 功能模塊介紹

2.3.1 配料優(yōu)化模塊

配料是燒結(jié)生產(chǎn)的第一道工序，生產(chǎn)原料的配合比與燒結(jié)礦質(zhì)量有著直接關(guān)聯(lián)，因此，這一模塊在所有系統(tǒng)模塊當(dāng)中發(fā)揮著不可替代的決定性作用。配料優(yōu)化模塊中建立了一個標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)學(xué)模型，能夠?qū)Y(jié)生產(chǎn)的各項技術(shù)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確識別、分析、計算，同時，為了保證計算精準(zhǔn)度，這一模塊采用了兩種算法，系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)的實際情況合理選擇算法，另外，為了增強系統(tǒng)的安全可靠性，模塊自帶數(shù)據(jù)運算結(jié)果驗算程序，這一程序可以對計算結(jié)果進(jìn)行驗證，使結(jié)果的精準(zhǔn)度更高[2]。

2.3.2 靜態(tài)調(diào)度模塊

這一模塊主要從ERP 系統(tǒng)中獲取各種生產(chǎn)技術(shù)參數(shù)，在PCS 系統(tǒng)中獲取實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，在配料優(yōu)化模塊當(dāng)中獲取燒結(jié)生產(chǎn)所需原料的配合比信息，然后通過數(shù)學(xué)模型與算法程序編制出調(diào)度預(yù)計劃，輸出的甘特圖能夠顯示在人機交互界面，終端操作人員可以及時了解到各種生產(chǎn)技術(shù)參數(shù)。

2.3.3 動態(tài)調(diào)度模塊

動態(tài)調(diào)度模塊相當(dāng)于一個流動的監(jiān)測站，該模塊可以對燒結(jié)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的干擾信息進(jìn)行識別處理。尤其在燒結(jié)生產(chǎn)由于內(nèi)因或外因而中斷時，動態(tài)調(diào)度模塊能夠快速收集造成生產(chǎn)過程中斷的原因，并準(zhǔn)確判斷出干擾類型。

2.3.4 原料供應(yīng)皮帶調(diào)度模塊

當(dāng)靜態(tài)調(diào)度模塊編制出生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度預(yù)計劃后，原料供應(yīng)皮帶調(diào)度模塊可以根據(jù)計劃內(nèi)容，結(jié)合實際生產(chǎn)情況，編制出執(zhí)行生產(chǎn)流程的調(diào)度計劃，該模塊通過接收PCS 層的原料供應(yīng)信息，利用啟發(fā)式算法編制出原料輸送皮帶調(diào)度計劃。當(dāng)該計劃傳輸?shù)紼RP 系統(tǒng)后，以指令的形式迅速傳導(dǎo)至PCS 層，使生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度工作能夠順利完成。

2.3.5 人機交互計劃調(diào)整模塊

這一模塊是專門為終端技術(shù)人員設(shè)計的智能化應(yīng)用模式，在系統(tǒng)執(zhí)行調(diào)度計劃時，由于生產(chǎn)指令臨時更改或者生產(chǎn)過程出現(xiàn)意外狀況，而影響正常的生產(chǎn)流程時，技術(shù)人員可以借助于該模塊對相關(guān)的生產(chǎn)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使調(diào)度計劃與實際生產(chǎn)流程相吻合。這一智能化平臺的搭建，不僅給終端技術(shù)人員提供了一個人機互動的操作平臺，同時，也為整個燒結(jié)生產(chǎn)流程提供了堅實的技術(shù)保障。

2.4 系統(tǒng)工作流程

首先，系統(tǒng)根據(jù)各項生產(chǎn)技術(shù)參數(shù)，借助于配料優(yōu)化模塊計算燒結(jié)生產(chǎn)原料的配合比，當(dāng)配合比確定后，靜態(tài)調(diào)度模塊可以結(jié)合配合比信息與通過ERP 系統(tǒng)輸入的計劃信息，編制出清晰的生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度預(yù)計劃，系統(tǒng)自動編制的預(yù)計劃傳入到人機交互模塊后，技術(shù)人員可以對不符合生產(chǎn)實際的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，比如原料配合比失衡，可以及時調(diào)整各種生產(chǎn)原料的比例，進(jìn)而編制出用于實際生產(chǎn)的原料供應(yīng)調(diào)度計劃。當(dāng)計劃內(nèi)容確認(rèn)后，相關(guān)數(shù)據(jù)信息被傳輸至生產(chǎn)原料運輸皮帶調(diào)度模塊當(dāng)中，系統(tǒng)根據(jù)計劃口令為燒結(jié)工序供應(yīng)生產(chǎn)原料。如果在執(zhí)行計劃階段受到外界因素或者人為因素干擾，導(dǎo)致調(diào)度指令失效時，PCS 層將第一時間將相關(guān)數(shù)據(jù)信息反饋給動態(tài)調(diào)度模塊，系統(tǒng)ERP 操作終端根據(jù)反饋數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)調(diào)度過程進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以保障正常的生產(chǎn)進(jìn)度不受影響。面向MES 的鋼鐵燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度系統(tǒng)工作流程示意圖如圖2 所示。

2.5 調(diào)度計劃編制方法

面向MES 的鋼鐵燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度系統(tǒng)最為顯著的一個功效是編制調(diào)度計劃功能，智能化的編制流程不僅節(jié)省了大量的人力資源成本，而且也增強了調(diào)度計劃的可行性。系統(tǒng)在編制調(diào)度計劃時，通常采用的方法是利用人機交互與啟發(fā)式算法相結(jié)合的方式。比如假設(shè)燒結(jié)生產(chǎn)原料有m 種，盛裝原料的料倉有n 個，系統(tǒng)根據(jù)啟發(fā)式算法構(gòu)建一個清晰的數(shù)學(xué)模型，模型中涉及的各項參數(shù)如下：下標(biāo)i 代表燒結(jié)配料車間中存儲生產(chǎn)原料料倉的編號，編號以阿拉伯?dāng)?shù)字代替。j 代表燒結(jié)生產(chǎn)中所需的生產(chǎn)原料種類，用阿拉伯?dāng)?shù)字代替。t 則代表生產(chǎn)原料料倉的供料序號，用阿拉伯?dāng)?shù)字代替。

圖2 面向MES 的鋼鐵燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度系統(tǒng)工作流程示意圖

各項參數(shù)所代表的含義如下：TB時間內(nèi)燒結(jié)生產(chǎn)所需的原料總量用Wout表示，TW 代表物料供應(yīng)理想使用時間，bj 代表物料的供應(yīng)速度，cij代表第i 號料倉中裝有的物料j 的使用速度；Pij代表料倉i 對物料j 的承重上限；Tj，j*代表第j 種物料和第j*種物料相鄰供料時的切換時間；xij (t) 代表被安排在第t 個開始， 裝有物料j 的i 號料倉的物料初始值，其中xij(t)、Yij(t)、Zjt，j*(t+1)屬于變量。在構(gòu)建數(shù)學(xué)模型時，每一個料倉當(dāng)中存儲的物類種類屬于已知量，同時，需要忽略設(shè)備計劃維修情況。根據(jù)上述設(shè)定的參數(shù)值，系統(tǒng)能夠快速建立生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度計劃數(shù)學(xué)模型，通過對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解運算，使調(diào)度計劃更具可行性。

3 面向MES的鋼鐵燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果

以國內(nèi)某鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)為例，對供應(yīng)調(diào)度系統(tǒng)在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用效果進(jìn)行闡述，為了體現(xiàn)該系統(tǒng)的先進(jìn)性與實效性，將現(xiàn)場人工調(diào)度方案與其進(jìn)行比對分析，分析結(jié)果如下：應(yīng)用供應(yīng)調(diào)度系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是274.866 元/100kg，時間指標(biāo)是135.0分鐘，綜合評定指標(biāo)為0.9574。現(xiàn)場人工調(diào)度方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)測試結(jié)果為274.830 元/100kg，時間指標(biāo)是120.3 分鐘，綜合而評定指標(biāo)為0.9273。通過上述比對結(jié)果可以看出，無論是時間指標(biāo)還是經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，應(yīng)用供應(yīng)調(diào)度系統(tǒng)的測試結(jié)果都優(yōu)于現(xiàn)場人工調(diào)度方案。因此，可以得出結(jié)論，面向MES 的鋼鐵燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度系統(tǒng)不僅提高了鋼鐵燒結(jié)生產(chǎn)效率，而且也為企業(yè)創(chuàng)造了更多的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語

將基于MES 的鋼鐵燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度系統(tǒng)引入到燒結(jié)生產(chǎn)流程當(dāng)中，既提升了燒結(jié)生產(chǎn)的自動化水平，同時，也提升了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。隨著鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度工作的重要性也日漸突顯，在這種形勢之下，智能化調(diào)度系統(tǒng)開啟了鋼鐵燒結(jié)生產(chǎn)的嶄新格局，對促進(jìn)我國鋼鐵工業(yè)的健康長遠(yuǎn)發(fā)展起到了推波助瀾的作用。