基于物聯(lián)網(wǎng)的“一罐制”鐵水調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

范 波，蔡樂才，秦小玉

FAN Bo1, CAI Le-cai2, QIN Xiao-yu1

（1.四川理工學院 自動化與電子信息學院，自貢 643000；2.宜賓學院，宜賓 644000）

0 引言

當前，我國制造企業(yè)為解決產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、升級和技術(shù)革新等重大問題，正在快速推進信息化建設(shè)，生產(chǎn)過程的智能化、集約化和全局優(yōu)化也成為了制造企業(yè)發(fā)展的方向[1,2]。在政府“兩化融合”方針引導下，我國鋼鐵企業(yè)規(guī)模也越來越大，但由于鐵礦石等原材料長期受限于國際壟斷寡頭，鋼企產(chǎn)能過剩，污染能耗又高，鋼鐵企業(yè)必須精細化生產(chǎn)管理，降本增效，這也對其本身的信息化建設(shè)提出了更高要求。

鋼鐵企業(yè)信息化建設(shè)涉及產(chǎn)品生產(chǎn)、物流、質(zhì)量、能源、設(shè)備故障診斷以及自動化控制系統(tǒng)安全防護等方面，物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代的信息科學技術(shù)則為傳統(tǒng)的鋼鐵企業(yè)綠色制造所要求的信息化建設(shè)帶來了契機。

鐵水調(diào)度系統(tǒng)是鋼鐵企業(yè)物流系統(tǒng)的重要組成部分，其調(diào)度效率直接影響全廠的生產(chǎn)節(jié)奏。煉鐵一煉鋼區(qū)間的鐵水調(diào)度轉(zhuǎn)運的工藝流程如下：高爐根據(jù)生產(chǎn)計劃安排，將鐵水經(jīng)過預處理送至煉鋼轉(zhuǎn)爐，以滿足煉鋼轉(zhuǎn)爐精煉的需要。主要涉及高爐受鐵、扒渣、脫硫/磷及轉(zhuǎn)爐兌鐵等工序。當前，鐵水的調(diào)度大多都還基于經(jīng)驗豐富的調(diào)度員根據(jù)生產(chǎn)計劃編制調(diào)度計劃。在鐵水調(diào)度過程中，當鐵水的處理及運輸時間、溫度和成分等與原調(diào)度計劃始終保持一致，這就對鐵水調(diào)度的準時性、可靠性和安全性提出了嚴峻考驗[3]。

藉此，基于物聯(lián)網(wǎng)的“一罐制”鐵水調(diào)度跟蹤系統(tǒng)可根據(jù)實際生產(chǎn)情況，在滿足生產(chǎn)工藝約束的條件下，自動編制新的調(diào)度計劃安排，以實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定高效的生產(chǎn)目的。這無疑對縮短鐵水調(diào)度周期、保證運輸流暢和安全穩(wěn)定生產(chǎn)有著重要的意義，同時也進一步推進了鋼鐵企業(yè)的信息化建設(shè)。

1 “一罐制”鐵水轉(zhuǎn)運工藝描述

目前我國鋼企采用的鐵水轉(zhuǎn)運工藝主要有三類：鐵路方式+魚雷罐車、起重行車+鐵水罐和汽車方式+起重行車[4]。其中起重行車+鐵水臺車“一罐制”這種工藝，本身布置緊湊、轉(zhuǎn)運距離較鐵路方式縮短很多、集約用地和一次性成本低，備受冶金工藝專家的重視和推崇。

舉例描述起重行車+鐵水罐“一罐制”鐵水轉(zhuǎn)運工藝：某鋼鐵廠目前一期煉鐵區(qū)域建有2500m3高爐三座，KR脫硫站3座，煉鋼區(qū)域配置210t轉(zhuǎn)爐三座。[5]如圖1所示，轉(zhuǎn)運跨行車始終沿著在轉(zhuǎn)運跨上X軸上行駛，鐵水臺車在Y軸上行駛。

鐵水罐在高爐受鐵完畢后，鐵水車裝載鐵水罐到行車轉(zhuǎn)運跨，由行車起重調(diào)往脫硫站鐵水臺車，脫硫完畢后，再由行車起重調(diào)往鐵水通廊轉(zhuǎn)運跨，由臺車運至煉鋼加料跨或直接進入轉(zhuǎn)爐。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的“一罐制”鐵水調(diào)度跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計方案

本系統(tǒng)設(shè)計采用C/S模式[6]完成客戶端和服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換處理，系統(tǒng)主要配置1臺Stratus FT2510容錯服務(wù)器作為應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫，用于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的存儲、訪問和接受來自前端客戶的業(yè)務(wù)請求，完成應(yīng)用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯處理，向數(shù)據(jù)庫請求數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，并將結(jié)果返回給前端客戶，同時應(yīng)用服務(wù)器負責與L3級之間的通訊。ftServer的特點在于其硬件容錯采用DMR/TMR（雙模冗余／三模冗余）方式，延用Stratus傳統(tǒng)的、獨具特色的硬件容錯技術(shù)造就了它無單點故障、應(yīng)用全透明、零切換時間等[7]。

圖1 起重行車+鐵水臺車“一罐制”鐵水轉(zhuǎn)運工藝示意圖

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1 鐵包無線定位跟蹤子系統(tǒng)

行車放置于轉(zhuǎn)運跨作業(yè)車間頂部，鐵水罐在轉(zhuǎn)運跨被行車起吊沿X軸在距離地面約9米的上空運行，因此可以用行車的位置坐標來代替鐵水罐的位置。在轉(zhuǎn)運跨行車運行的軌道上預放置絕對型編碼器，以確定行車在X軸的準確坐標。

感知層：行車上安裝了位置傳感節(jié)點，行車上的控制終端采集位置信息經(jīng)接口轉(zhuǎn)換，獲取行車的X軸坐標。

網(wǎng)絡(luò)層：完成坐標位置信息的接入和傳送。本系統(tǒng)建立無線局域網(wǎng)，提供有線接入和無線信號的覆蓋，負責與L2級網(wǎng)關(guān)無線通信。

應(yīng)用層：鐵包服務(wù)器與行車之間數(shù)據(jù)通信，取得行車的位置信息，中心控制主機讀取鐵包服務(wù)器數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對行車的定位跟蹤。

圖3 鐵包無線定位跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 鐵包識別跟蹤系統(tǒng)

本設(shè)計在鐵水臺車上安裝RFID TAG，并在出鐵口到轉(zhuǎn)運跨間的各軌道上安裝車號識別（讀取）裝置，如圖4所示。設(shè)計原理如下：當安裝有RFID TAG的鐵水臺車通過安裝有RFID Reader的鐵路（沿Y軸）時，標簽會接收到識別裝置發(fā)出的微波查詢信號，且電子標簽將反射回載有其本身數(shù)據(jù)信息的微波信號；反射回的微波信號經(jīng)調(diào)制解調(diào)處理后，識別裝置再把讀出信息通過光纖傳送到鐵包跟蹤系統(tǒng)服務(wù)器進行處理，系統(tǒng)服務(wù)器經(jīng)匹配處理識別當前經(jīng)過的鐵水車所載鐵包包號及鐵水車位置和行駛方向。鐵水車通過安裝有限位開關(guān)的鐵路時，限位開關(guān)經(jīng)識別裝置主機向系統(tǒng)服務(wù)器再次傳送鐵水車當前位置和行駛方向。

圖4 鐵包識別跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 主程序流程圖

圖6 系統(tǒng)應(yīng)用軟件主界面—鐵水罐運轉(zhuǎn)狀況實時監(jiān)控畫面

2.3 系統(tǒng)的控制軟件設(shè)計

本系統(tǒng)應(yīng)用軟件的前端開發(fā)工具采用Microsoft Visual Studio .Net Professional 2010，數(shù)據(jù)庫為Oracle 10G 標準版。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖5所示。

鐵包跟蹤系統(tǒng)的主要功能有高爐出鐵計劃的生成、鐵包的配包、鐵包調(diào)度計劃的編制。實時動態(tài)顯示鐵包當前位置坐標信息如圖6所示，自動記錄鐵水罐的包次、所處作業(yè)狀態(tài)、接收上位機的控制命令。設(shè)計有良好的人機交互界面，可現(xiàn)場進行鍵入任務(wù)等操作。

在鐵水轉(zhuǎn)運過程中，當生產(chǎn)過程中出現(xiàn)擾動事件而不能按原調(diào)度計劃執(zhí)行時，調(diào)度員只能憑借生產(chǎn)經(jīng)驗進行人工判斷，同時也很難綜合分析各方面的信息，做出最佳決策，進而得到優(yōu)化的動態(tài)調(diào)度方案。而且鐵水生產(chǎn)過程波動較大，存在著多種擾動情況，如生產(chǎn)計劃時間延遲、鐵水重量和溫度不符合煉鋼要求、通信設(shè)備損壞等突發(fā)情況發(fā)生，同時還有多種不確定性因素，如鐵水轉(zhuǎn)運路徑的不可確定性、調(diào)度計劃臨時變更等情況也增加了鐵水調(diào)度問題的復雜度。

基于物聯(lián)網(wǎng)的鐵水調(diào)度系統(tǒng)，作為信息錄入、處理的工具，為鐵水轉(zhuǎn)運車間調(diào)度員編制調(diào)度計劃帶來了極大的便利，再結(jié)合調(diào)度員的經(jīng)驗，使得鐵水的轉(zhuǎn)運更為流暢。本設(shè)計實時跟蹤鐵水罐的全程轉(zhuǎn)運情況，可將調(diào)度過程中遇到的各種擾動信息快速的從生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)中快速地識別出來，再判斷各設(shè)備的作業(yè)時間是否沖突，按照優(yōu)先級的原則得到動態(tài)調(diào)度調(diào)整方案，最后經(jīng)調(diào)度員確認，進一步完善鐵水罐的調(diào)度編制計劃。鐵包計劃編制與查詢畫面實時顯示每條出鐵線上鐵水臺車的要預裝的鐵包數(shù)量和排列順序，以及調(diào)度指令的執(zhí)行情況，如圖7所示。調(diào)度的具體過程如下：系統(tǒng)會每半小時訪問煉鐵MES，在同一個高爐爐次，預算大概出鐵時間，根據(jù)每高爐爐次的出鐵量安排鐵包。編制好鐵包調(diào)度計劃后，通過無線通信傳送鐵包調(diào)度指令給行車，行車依據(jù)指令起吊過跨鐵水臺車進入下一工序。鐵包在整個轉(zhuǎn)運過程中都是按調(diào)度計劃通過“起重行車+鐵水臺車”運輸。

圖7 鐵水罐調(diào)度計劃編制

3 應(yīng)用效果

通過以上對鐵水調(diào)度跟蹤系統(tǒng)的描述，本文以2014年4月22日的生產(chǎn)實際數(shù)據(jù)，對12個鐵包的調(diào)度情況進行離線分析，用以說明調(diào)度系統(tǒng)在編制鐵包生產(chǎn)計劃的實際運行情況以及鐵水調(diào)度本身存在的瓶頸，分析結(jié)果的甘特圖如8所示。甘特圖中的橫軸為調(diào)度作業(yè)時間，縱軸表示工藝流程中的工序環(huán)節(jié)。

甘特圖中的排隊狀況，在離散事件系統(tǒng)中即意味下一工序暫時處于繁忙狀態(tài)，故此，鐵包必須在緩沖區(qū)域排隊等候。一旦出現(xiàn)隊列，則會影響調(diào)度系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)效率，所以排隊的隊長是必須考慮的調(diào)度指標。

表1 鐵水包次編制部分鐵包調(diào)度統(tǒng)計表

表1中，鐵包在受鐵、進入KR脫硫站、進入鐵水通廊、進入煉鋼轉(zhuǎn)爐均出現(xiàn)了不同長度的排隊情況。其中受鐵最長等待時間為53min，最短11min，平均等待時間為34min；在進入的KR脫硫的隊列中，最長等待時間為77分鐘，最短等待時間為28min，平均等待時間為45.4min；KR脫硫處理時間最長38min，最短34分鐘，平均處理時間35.4min；扒渣及進入轉(zhuǎn)爐排隊最長時間60min，最短等待時間17min，平均等待時間37.8min。鐵包在調(diào)度系統(tǒng)中的平均停留時間可以反應(yīng)調(diào)度的流通速度，也是評價調(diào)度效率的重要指標。

圖8 部分鐵水罐調(diào)度計劃甘特圖

從以上甘特圖可看出鐵水調(diào)度跟蹤系統(tǒng)使得各工序的銜接較為流暢，其中脫硫處理與鐵水通廊轉(zhuǎn)運相對穩(wěn)定，作業(yè)時間波動不大，設(shè)備利用率高；脫硫隊列與進入轉(zhuǎn)爐隊列長短不一，波動較大，這是因為在這些環(huán)節(jié)調(diào)度的復雜度高。在正常生產(chǎn)的節(jié)奏下，也可以看出鐵包在整個調(diào)度過程中，在各工序排隊等待就占據(jù)了大部分時間，這極容易在后續(xù)工序流程上造成擁堵，同時這也對整個鐵水調(diào)度系統(tǒng)提出了更高的要求。所以，搜集生產(chǎn)實績數(shù)據(jù)、建立“一罐制”評價指標體系、減少調(diào)度過程的擁堵情況、優(yōu)化調(diào)度算法也成為了筆者亟需解決的重點研究問題。

4 結(jié)束語

鐵水調(diào)度是關(guān)系到鋼鐵生產(chǎn)流程整體優(yōu)化的重要的環(huán)節(jié)，對鐵水轉(zhuǎn)運的一些指標進行優(yōu)化,可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程中溫度、能源和物流等基本參數(shù)的協(xié)調(diào)和穩(wěn)定。本系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)而設(shè)計，集成了分布式計算機控制系統(tǒng)、無線通信和容錯編碼技術(shù)，且可以很好兼容鋼鐵企業(yè)的L1和L3級網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)已投入鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度使用。

本文所取的生產(chǎn)實績統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：鐵包最短調(diào)度運輸時間97min，最長調(diào)度運輸時間195min，平均運輸時間為142.2min。平均調(diào)度時間與文獻8中統(tǒng)計的TPC平均調(diào)度時間520.6min相比較大為減少，這也從側(cè)面印證了“一罐制”鋼鐵界面的生產(chǎn)節(jié)奏較TPC更為快捷。該設(shè)計方案在“一罐制”鋼鐵界面的應(yīng)用，優(yōu)化了鋼鐵物流的調(diào)度計劃，由于調(diào)度剛性的增強，也提高了設(shè)備的利用率，滿足了鋼鐵生產(chǎn)的快節(jié)奏，使得鐵水調(diào)度過程更加智能化。同時，基于物聯(lián)網(wǎng)的鐵水調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計也使鋼鐵企業(yè)獲得啟示：物聯(lián)網(wǎng)集成了計算機互聯(lián)網(wǎng)與無線通信技術(shù)，為鋼鐵企業(yè)的物流運輸實現(xiàn)信息化和工業(yè)化融合提供了方向。

[1] 孫林巖,李剛,江志斌,鄭力,何哲.21世紀的先進制造模式—服務(wù)型制造[J].中國機械工程.2007,18(19)：2307-2313.

[2] 張映鋒,趙曦濱,孫樹棟,王軍強,司書賓.一種基于物聯(lián)技術(shù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)實現(xiàn)方法與關(guān)鍵技術(shù)[J].計算機集成制造系統(tǒng)2012,18(12)：2634-2642.

[3] 韓偉剛,酈秀萍,施一新,等.基于排隊論“一包到底”模式的在線鐵水包數(shù)量[A].鋼鐵2013,48(5)：21-24.

[4] 范新庫.鋼鐵廠鐵水運輸方式與總圖布置[A].建筑與機構(gòu)設(shè)計2010,29(6)：29-34.

[5] 范波,蔡樂才.“一罐制”鐵水調(diào)度優(yōu)化模型的研究 [A].四川理工學院學報(自然科學版)2014,27(1)：49-52.

[6] 楊贊國,高敬惠.基于C/S模式的網(wǎng)絡(luò)信息管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[B].微計算機信息2005,21(7-3)：27-29.

[7] 于斌,劉宏偉,崔剛,楊孝宗.高可用雙機容錯服務(wù)器的研究與設(shè)計[J].計算機工程與設(shè)計2006,27(9)：1524-1525,1570.

[8] 黃輝,柴天佑,鄭秉霖,李子陽,許雯,周維.鐵水調(diào)度仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學報2012,24(6)：1192-1199.