范 波，蔡樂(lè)才，秦小玉

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

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

0 引言

當(dāng)前，我國(guó)制造企業(yè)為解決產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、升級(jí)和技術(shù)革新等重大問(wèn)題，正在快速推進(jìn)信息化建設(shè)，生產(chǎn)過(guò)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(dǎo)下，我國(guó)鋼鐵企業(yè)規(guī)模也越來(lái)越大，但由于鐵礦石等原材料長(zhǎng)期受限于國(guó)際壟斷寡頭，鋼企產(chǎn)能過(guò)剩，污染能耗又高，鋼鐵企業(yè)必須精細(xì)化生產(chǎn)管理，降本增效，這也對(duì)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(dòng)化控制系統(tǒng)安全防護(hù)等方面，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新一代的信息科學(xué)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(lái)了契機(jī)。

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(yùn)的工藝流程如下：高爐根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃安排，將鐵水經(jīng)過(guò)預(yù)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(dāng)前，鐵水的調(diào)度大多都還基于經(jīng)驗(yàn)豐富的調(diào)度員根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃編制調(diào)度計(jì)劃。在鐵水調(diào)度過(guò)程中，當(dāng)鐵水的處理及運(yùn)輸時(shí)間、溫度和成分等與原調(diào)度計(jì)劃始終保持一致，這就對(duì)鐵水調(diào)度的準(zhǔn)時(shí)性、可靠性和安全性提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)[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(shí)際生產(chǎn)情況，在滿足生產(chǎn)工藝約束的條件下，自動(dòng)編制新的調(diào)度計(jì)劃安排，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定高效的生產(chǎn)目的。這無(wú)疑對(duì)縮短鐵水調(diào)度周期、保證運(yùn)輸流暢和安全穩(wěn)定生產(chǎn)有著重要的意義，同時(shí)也進(jìn)一步推進(jìn)了鋼鐵企業(yè)的信息化建設(shè)。

1 “一罐制”鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)工藝描述

目前我國(guó)鋼企采用的鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)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(tái)車“一罐制”這種工藝，本身布置緊湊、轉(zhuǎn)運(yùn)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(yùn)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(yùn)跨行車始終沿著在轉(zhuǎn)運(yùn)跨上X軸上行駛，鐵水臺(tái)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(yùn)跨，由行車起重調(diào)往脫硫站鐵水臺(tái)車，脫硫完畢后，再由行車起重調(diào)往鐵水通廊轉(zhuǎn)運(yùn)跨，由臺(tái)車運(yùn)至煉鋼加料跨或直接進(jìn)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(jì)方案

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tái)Stratus FT2510容錯(cuò)服務(wù)器作為應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)，用于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、訪問(wèn)和接受來(lái)自前端客戶的業(yè)務(wù)請(qǐng)求，完成應(yīng)用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯處理，向數(shù)據(jù)庫(kù)請(qǐng)求數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)，并將結(jié)果返回給前端客戶，同時(shí)應(yīng)用服務(wù)器負(fù)責(zé)與L3級(jí)之間的通訊。ftServer的特點(diǎn)在于其硬件容錯(cuò)采用DMR/TMR（雙模冗余／三模冗余）方式，延用Stratus傳統(tǒng)的、獨(dú)具特色的硬件容錯(cuò)技術(shù)造就了它無(wú)單點(diǎn)故障、應(yīng)用全透明、零切換時(shí)間等[7]。

圖1 起重行車+鐵水臺(tái)車“一罐制”鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)工藝示意圖

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1 鐵包無(wú)線定位跟蹤子系統(tǒng)

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

感知層：行車上安裝了位置傳感節(jié)點(diǎn)，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(biāo)。

網(wǎng)絡(luò)層：完成坐標(biāo)位置信息的接入和傳送。本系統(tǒng)建立無(wú)線局域網(wǎng)，提供有線接入和無(wú)線信號(hào)的覆蓋，負(fù)責(zé)與L2級(jí)網(wǎng)關(guān)無(wú)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(jī)讀取鐵包服務(wù)器數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)行車的定位跟蹤。

圖3 鐵包無(wú)線定位跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 鐵包識(shí)別跟蹤系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)在鐵水臺(tái)車上安裝RFID TAG，并在出鐵口到轉(zhuǎn)運(yùn)跨間的各軌道上安裝車號(hào)識(shí)別（讀取）裝置，如圖4所示。設(shè)計(jì)原理如下：當(dāng)安裝有RFID TAG的鐵水臺(tái)車通過(guò)安裝有RFID Reader的鐵路（沿Y軸）時(shí)，標(biāo)簽會(huì)接收到識(shí)別裝置發(fā)出的微波查詢信號(hào)，且電子標(biāo)簽將反射回載有其本身數(shù)據(jù)信息的微波信號(hào)；反射回的微波信號(hào)經(jīng)調(diào)制解調(diào)處理后，識(shí)別裝置再把讀出信息通過(guò)光纖傳送到鐵包跟蹤系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行處理，系統(tǒng)服務(wù)器經(jīng)匹配處理識(shí)別當(dāng)前經(jīng)過(guò)的鐵水車所載鐵包包號(hào)及鐵水車位置和行駛方向。鐵水車通過(guò)安裝有限位開(kāi)關(guān)的鐵路時(shí)，限位開(kāi)關(guān)經(jīng)識(shí)別裝置主機(jī)向系統(tǒng)服務(wù)器再次傳送鐵水車當(dāng)前位置和行駛方向。

圖4 鐵包識(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面

2.3 系統(tǒng)的控制軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)應(yīng)用軟件的前端開(kāi)發(fā)工具采用Microsoft Visual Studio .Net Professional 2010，數(shù)據(jù)庫(kù)為Oracle 10G 標(biāo)準(zhǔn)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(jì)劃的生成、鐵包的配包、鐵包調(diào)度計(jì)劃的編制。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示鐵包當(dāng)前位置坐標(biāo)信息如圖6所示，自動(dòng)記錄鐵水罐的包次、所處作業(yè)狀態(tài)、接收上位機(jī)的控制命令。設(shè)計(jì)有良好的人機(jī)交互界面，可現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行鍵入任務(wù)等操作。

在鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)擾動(dòng)事件而不能按原調(diào)度計(jì)劃執(zhí)行時(shí)，調(diào)度員只能憑借生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工判斷，同時(shí)也很難綜合分析各方面的信息，做出最佳決策，進(jìn)而得到優(yōu)化的動(dòng)態(tài)調(diào)度方案。而且鐵水生產(chǎn)過(guò)程波動(dòng)較大，存在著多種擾動(dòng)情況，如生產(chǎn)計(jì)劃時(shí)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(shí)還有多種不確定性因素，如鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)路徑的不可確定性、調(diào)度計(jì)劃臨時(shí)變更等情況也增加了鐵水調(diào)度問(wèn)題的復(fù)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(yùn)車間調(diào)度員編制調(diào)度計(jì)劃帶來(lái)了極大的便利，再結(jié)合調(diào)度員的經(jīng)驗(yàn)，使得鐵水的轉(zhuǎn)運(yùn)更為流暢。本設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)跟蹤鐵水罐的全程轉(zhuǎn)運(yùn)情況，可將調(diào)度過(guò)程中遇到的各種擾動(dòng)信息快速的從生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中快速地識(shí)別出來(lái)，再判斷各設(shè)備的作業(yè)時(shí)間是否沖突，按照優(yōu)先級(jí)的原則得到動(dòng)態(tài)調(diào)度調(diào)整方案，最后經(jīng)調(diào)度員確認(rèn)，進(jìn)一步完善鐵水罐的調(diào)度編制計(jì)劃。鐵包計(jì)劃編制與查詢畫面實(shí)時(shí)顯示每條出鐵線上鐵水臺(tái)車的要預(yù)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(guò)程如下：系統(tǒng)會(huì)每半小時(shí)訪問(wèn)煉鐵MES，在同一個(gè)高爐爐次，預(yù)算大概出鐵時(shí)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(jì)劃后，通過(guò)無(wú)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(guò)跨鐵水臺(tái)車進(jìn)入下一工序。鐵包在整個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中都是按調(diào)度計(jì)劃通過(guò)“起重行車+鐵水臺(tái)車”運(yùn)輸。

圖7 鐵水罐調(diào)度計(jì)劃編制

3 應(yīng)用效果

通過(guò)以上對(duì)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(shí)際數(shù)據(jù)，對(duì)12個(gè)鐵包的調(diào)度情況進(jìn)行離線分析，用以說(shuō)明調(diào)度系統(tǒng)在編制鐵包生產(chǎn)計(jì)劃的實(shí)際運(yùn)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(shí)間，縱軸表示工藝流程中的工序環(huán)節(jié)。

甘特圖中的排隊(duì)狀況，在離散事件系統(tǒng)中即意味下一工序暫時(shí)處于繁忙狀態(tài)，故此，鐵包必須在緩沖區(qū)域排隊(duì)等候。一旦出現(xiàn)隊(duì)列，則會(huì)影響調(diào)度系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，所以排隊(duì)的隊(duì)長(zhǎng)是必須考慮的調(diào)度指標(biāo)。

表1 鐵水包次編制部分鐵包調(diào)度統(tǒng)計(jì)表

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

圖8 部分鐵水罐調(diào)度計(jì)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(yùn)相對(duì)穩(wěn)定，作業(yè)時(shí)間波動(dòng)不大，設(shè)備利用率高；脫硫隊(duì)列與進(jìn)入轉(zhuǎn)爐隊(duì)列長(zhǎng)短不一，波動(dòng)較大，這是因?yàn)樵谶@些環(huán)節(jié)調(diào)度的復(fù)雜度高。在正常生產(chǎn)的節(jié)奏下，也可以看出鐵包在整個(gè)調(diào)度過(guò)程中，在各工序排隊(duì)等待就占據(jù)了大部分時(shí)間，這極容易在后續(xù)工序流程上造成擁堵，同時(shí)這也對(duì)整個(gè)鐵水調(diào)度系統(tǒng)提出了更高的要求。所以，搜集生產(chǎn)實(shí)績(jī)數(shù)據(jù)、建立“一罐制”評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、減少調(diào)度過(guò)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(diǎn)研究問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(duì)鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)的一些指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化,可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)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(jì)，集成了分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、無(wú)線通信和容錯(cuò)編碼技術(shù)，且可以很好兼容鋼鐵企業(yè)的L1和L3級(jí)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(shí)績(jī)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：鐵包最短調(diào)度運(yùn)輸時(shí)間97min，最長(zhǎng)調(diào)度運(yùn)輸時(shí)間195min，平均運(yùn)輸時(shí)間為142.2min。平均調(diào)度時(shí)間與文獻(xiàn)8中統(tǒng)計(jì)的TPC平均調(diào)度時(shí)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(jì)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(jì)劃，由于調(diào)度剛性的增強(qiáng)，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(guò)程更加智能化。同時(shí)，基于物聯(lián)網(wǎng)的鐵水調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也使鋼鐵企業(yè)獲得啟示：物聯(lián)網(wǎng)集成了計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)與無(wú)線通信技術(shù)，為鋼鐵企業(yè)的物流運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)信息化和工業(yè)化融合提供了方向。

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