鋼廠原料仿真排產(chǎn)系統(tǒng)研究

文 / 徐林偉 何 洪

一、 引言

鋼鐵企業(yè)原料系統(tǒng)是一個(gè)接受、貯存、加工處理和混勻鋼鐵冶金原料的場地，具有貯存原料、加工原料、配礦和混勻的功能。其系統(tǒng)作業(yè)流程復(fù)雜，各個(gè)系統(tǒng)相互協(xié)同作業(yè)操作的影響因素多，尤其當(dāng)物料品種、生產(chǎn)能力、物料配比等各生產(chǎn)需求發(fā)生變化時(shí)，決策層很難準(zhǔn)確做出應(yīng)對系統(tǒng)變化的有效實(shí)施方案。傳統(tǒng)生產(chǎn)模式人工判斷決策比重較大，易出現(xiàn)因崗位工經(jīng)驗(yàn)不足、誤判斷等不必要的損失。為解決上述問題，需要開發(fā)相應(yīng)的排產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)解決現(xiàn)場依靠經(jīng)驗(yàn)的問題。對于這樣的排產(chǎn)系統(tǒng)，不僅僅要考慮各種設(shè)備、物料批次、產(chǎn)能等影響因素，還需要考慮現(xiàn)場調(diào)度隨機(jī)性的因素。傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)規(guī)劃法方法實(shí)現(xiàn)這樣的排產(chǎn)計(jì)劃，往往假設(shè)條件較多，理論上能獲得最優(yōu)解，但是因無法描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化，而且計(jì)算量極大，無法實(shí)現(xiàn)對需求變化的快速響應(yīng)，因此缺乏實(shí)用性。而采用離散系統(tǒng)仿真引擎搭建完整的原料場全三維仿真模型，包含全工藝流程與生產(chǎn)管理相關(guān)調(diào)度控制算法邏輯，能考慮系統(tǒng)復(fù)雜約束關(guān)系，同時(shí)能考慮系統(tǒng)動(dòng)態(tài)隨機(jī)復(fù)雜性，所以可以真實(shí)反映系統(tǒng)的變化性和隨機(jī)性。同時(shí)仿真模型可通過動(dòng)畫演示，能直觀的反映實(shí)際系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)營問題。

綜上，利用計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)日課作業(yè)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時(shí)料場信息及用戶槽消耗等情況，嵌入現(xiàn)場生產(chǎn)控制邏輯模擬未來料場生產(chǎn)運(yùn)營情況，自動(dòng)生成用戶槽作業(yè)流程指導(dǎo)，可使崗位工人更加科學(xué)合理地安排各項(xiàng)物料輸送，減少目前人工排產(chǎn)帶來的各種失誤決策，能降低堆取料機(jī)走行距離、原料噸公里運(yùn)行總里程，以及更好地提高原料輸送產(chǎn)能。

二、鋼廠原料仿真排產(chǎn)系統(tǒng)模塊組成

鋼廠原料仿真排產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及主要模塊如圖1所示。

1.三維可視化設(shè)計(jì)

三維可視化設(shè)計(jì)包括：轉(zhuǎn)運(yùn)站、碼頭、道路以及CAD工藝布局圖等三維導(dǎo)入到仿真模型，可以增加仿真的可視化效果，但是這些模型在整個(gè)仿真模型中屬于靜態(tài)圖形，不參與仿真計(jì)算。整個(gè)模塊采用層次化建模方法，有利于控制這些靜態(tài)圖形是否顯示。在模型調(diào)試階段這些靜態(tài)圖形可以關(guān)閉，加快仿真模型的運(yùn)行速度，從而提高仿真模型調(diào)試效率。

2.數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)仿真模型和生產(chǎn)計(jì)劃的要求，數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)包含：用戶槽數(shù)據(jù)、卸船計(jì)劃數(shù)據(jù)、要料變更計(jì)劃數(shù)據(jù)、堆場輸入數(shù)據(jù)、膠帶機(jī)檢修計(jì)劃數(shù)據(jù)、混勻班報(bào)計(jì)劃數(shù)據(jù)、混勻大堆計(jì)劃數(shù)據(jù)、膠帶機(jī)傳遞狀態(tài)數(shù)據(jù)、堆取料機(jī)傳遞狀態(tài)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)主要用于仿真模型的初始化、仿真計(jì)算以及仿真調(diào)度。

3.數(shù)據(jù)交互模塊設(shè)計(jì)

主要通過OPC相關(guān)軟件獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)庫構(gòu)建現(xiàn)場數(shù)據(jù)與模型之間通訊橋梁，從而實(shí)現(xiàn)模型與生產(chǎn)的結(jié)合，如圖2?，F(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)來源主要分為兩大部分，其中一部分為從原料場現(xiàn)有基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)L1獲取生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、皮帶稱等實(shí)時(shí)重量以及相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)。在大型控制系統(tǒng)中，有多個(gè)實(shí)現(xiàn)各種功能的監(jiān)控子系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)對這些子系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控，所有子系統(tǒng)中設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)都集中在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中統(tǒng)一存儲(chǔ)管理。OPC是目前通用的軟件互操作標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序一般都以O(shè)PC Server的形式提供，但OPC Server不能直接與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫（如SQL Server）進(jìn)行通信?？赏ㄟ^第三方軟件（如OPC Client for SQL）作為連接OPC Server 與數(shù)據(jù)庫的中間件，獲取到現(xiàn)場層數(shù)據(jù)并作為模型輸入數(shù)據(jù)來源之一。另一部分則來自過程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)L2獲取相關(guān)作業(yè)計(jì)劃等相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，此類數(shù)據(jù)依照特定模板存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。最后，仿真軟件直接與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取交互，實(shí)現(xiàn)模型與現(xiàn)場數(shù)據(jù)交互。

圖1 原料系統(tǒng)仿真排產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 原料系統(tǒng)仿真排產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口

圖3 原料系統(tǒng)仿真排產(chǎn)系統(tǒng)混勻模塊

4.混勻算法模塊設(shè)計(jì)

智能混勻算法模塊用于響應(yīng)仿真過程中混勻槽選料策略和切槽速度的計(jì)算需求，實(shí)現(xiàn)滿足于仿真要求的動(dòng)態(tài)排產(chǎn)工作。算法模塊以工藝需求和設(shè)備限制為約束條件，以仿真模型運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)為輸入條件，根據(jù)優(yōu)化需求建立數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)學(xué)規(guī)劃和組合優(yōu)化相關(guān)算法完成對模型的求解。根據(jù)仿真與實(shí)際緊密聯(lián)系的要求，算法在設(shè)計(jì)過程中著重分析了生產(chǎn)一線專家的經(jīng)驗(yàn)，采用了基于專家思想的“貪心”策略求解方案，在保證優(yōu)化效果的前提下提升算法的指導(dǎo)功能。

智能混勻算法模塊集成到仿真子系統(tǒng)之中，數(shù)據(jù)交互在內(nèi)存中進(jìn)行。算法模塊以被動(dòng)觸發(fā)方式與仿真子系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，仿真子系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行狀況發(fā)送排產(chǎn)需求并傳遞仿真狀態(tài)數(shù)據(jù)，算法模塊被調(diào)用接收數(shù)據(jù)并完成計(jì)算，結(jié)果以動(dòng)態(tài)排產(chǎn)計(jì)劃的形式向仿真子系統(tǒng)發(fā)送，完成整個(gè)聯(lián)動(dòng)過程，如圖3所示。

5.計(jì)劃輸出模塊設(shè)計(jì)

通過仿真模型提前預(yù)演下一班次作業(yè)，記錄各項(xiàng)作業(yè)流程執(zhí)行順序、作業(yè)流程執(zhí)行時(shí)關(guān)聯(lián)使用設(shè)備、作業(yè)流程執(zhí)行關(guān)聯(lián)運(yùn)輸物料（包括其品種、堆存地址、輸送量）、作業(yè)流程執(zhí)行所需時(shí)長等相關(guān)信息，最終以表格方式輸出各項(xiàng)作業(yè)流程。

6.仿真模型設(shè)計(jì)

仿真模型設(shè)計(jì)搭建包括受料系統(tǒng)、料場系統(tǒng)、供料系統(tǒng)等。受料系統(tǒng)包括海運(yùn)受料系統(tǒng)和膠帶機(jī)受料系統(tǒng)；料場系統(tǒng)包括煤場、礦石料場以及混勻料場；供料系統(tǒng)包括原料場內(nèi)部轉(zhuǎn)運(yùn)供料、煤輸出系統(tǒng)及礦石輸出系統(tǒng)。

三、鋼廠原料系統(tǒng)仿真排產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)勢

與現(xiàn)有技術(shù)相比，仿真排產(chǎn)系統(tǒng)主要的優(yōu)勢體現(xiàn)在：

1.應(yīng)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)建立鋼鐵原料系統(tǒng)各部分模型，為每一個(gè)實(shí)體提供了豐富的消息通訊接口，仿真模型在調(diào)度控制上的實(shí)時(shí)性、靈活性、豐富性都具有明顯優(yōu)勢。

2.模型相關(guān)模塊和代碼進(jìn)行封裝，為相似系統(tǒng)的仿真建模提供了模塊化支持，其可移植性、可重復(fù)性、可擴(kuò)展性上都具有明顯優(yōu)勢?？梢造`活組建成各個(gè)鋼廠的原料系統(tǒng)仿真模型。

3.用仿真生成排產(chǎn)計(jì)劃，比傳統(tǒng)數(shù)學(xué)方法生成排產(chǎn)考慮的因素更充分，排產(chǎn)計(jì)劃實(shí)施性更具操作性。

4.可以統(tǒng)計(jì)更多的指標(biāo)信息：如設(shè)備利用率，各個(gè)系統(tǒng)的產(chǎn)能，流程沖突次數(shù)等。

5.可視化效果更好，仿真排產(chǎn)系統(tǒng)有非常直觀的三維顯示效果，仿真生成排產(chǎn)的同時(shí)，操作人員可直觀地看到系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，可直觀判斷生成排產(chǎn)過程是否存在不合理的情況。

四、鋼廠原料系統(tǒng)仿真排產(chǎn)系統(tǒng)案例

以某鋼廠原料布局設(shè)計(jì)圖為布置方案建立仿真模型，同時(shí)連接各個(gè)系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)，原料排產(chǎn)系統(tǒng)如圖4。

圖4 原料系統(tǒng)仿真排產(chǎn)系統(tǒng)混勻模塊

圖5 排產(chǎn)計(jì)劃

通過運(yùn)行仿真模型就可以得到鋼廠中控工人可以使用的排產(chǎn)計(jì)劃，如圖5所示，排產(chǎn)計(jì)劃包含原料的輸送起點(diǎn)（相應(yīng)的物料堆）、計(jì)劃啟動(dòng)時(shí)刻、輸送物料的品種、輸送物料的總量、輸送物料的終點(diǎn)（客戶槽）以及使用的膠帶機(jī)路線，該排產(chǎn)計(jì)劃可用于實(shí)際生產(chǎn)。通過現(xiàn)場使用該排產(chǎn)計(jì)劃可減少堆取料機(jī)走行距離，以及物料總噸公里運(yùn)輸距離，可降低企業(yè)運(yùn)營成本。

五、結(jié)論

采用離散系統(tǒng)仿真引擎及混勻算法建立鋼廠原料排產(chǎn)系統(tǒng)模型獲取現(xiàn)場實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)提前生成輸送計(jì)劃，有利于鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)管理，減少目前人工排產(chǎn)帶來的各種失誤決策，能更好地提高原料輸送產(chǎn)能。目前國內(nèi)各大鋼廠正在做智能化轉(zhuǎn)型，原料排產(chǎn)系統(tǒng)是智能系統(tǒng)的重要組成部分，排產(chǎn)決策系統(tǒng)可以減輕原料中控人員工作量，同時(shí)能給企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。