王永昌

（太原重工股份有限公司， 山西 太原 030024）

太原重工股份有限公司（全文簡(jiǎn)稱太重）冶煉系統(tǒng)現(xiàn)有電爐2 臺(tái)、精煉爐5 臺(tái)及配套的加料、真空澆注系統(tǒng)，在生產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)品工藝、生產(chǎn)計(jì)劃、配料、冶煉、真空、澆注等各環(huán)節(jié)均為獨(dú)立操作，相互之間的聯(lián)系基本依靠人工及聯(lián)系單等進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，并未形成統(tǒng)一的、可集中控制的信息化管理系統(tǒng)，容易造成各環(huán)節(jié)之間產(chǎn)生誤差、滯后，直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量、成本控制。為徹底解決公司冶煉系統(tǒng)的困擾與問(wèn)題，提升太重整體生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管控水平，急需建立完整的冶煉系統(tǒng)信息化平臺(tái)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及功能架構(gòu)

1.1 指導(dǎo)思想

此次冶煉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與改造主要針對(duì)80 t 電爐生產(chǎn)線，生產(chǎn)線主要設(shè)備包括1 臺(tái)80 t 電爐和2 臺(tái)120 t LF+VD 精煉爐具。通過(guò)MES 系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)煉鋼生產(chǎn)計(jì)劃、質(zhì)量管理、成本管理、物流管理、設(shè)備管理、能源管理等全方位的數(shù)字化管理，實(shí)現(xiàn)以下游加工板塊和外部市場(chǎng)為導(dǎo)向的、面向內(nèi)部精益管理的產(chǎn)銷質(zhì)一體化的精益生產(chǎn)管控模式。通過(guò)對(duì)一級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)的改造，實(shí)現(xiàn)MES、二級(jí)系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)的提取及過(guò)程的管控，同時(shí)利用二級(jí)系統(tǒng)工藝模型的計(jì)算，帶動(dòng)一級(jí)主要設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)控制過(guò)程的協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)。

1.2 總體功能構(gòu)架

冶煉系統(tǒng)信息化項(xiàng)目建設(shè)包括：ERP 系統(tǒng)、MES系統(tǒng)（生產(chǎn)管理系統(tǒng)）、二級(jí)過(guò)程控制管理系統(tǒng)以及一級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)的改造。涵蓋的工藝流程范圍主要是80 t 電爐生產(chǎn)線，自廢鋼原料庫(kù)開(kāi)始，到電爐冶煉，精煉爐，VD 爐，VOD 爐，VC 爐，澆注等工序，系統(tǒng)總體功能構(gòu)架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體功能構(gòu)架圖

ERP 系統(tǒng)的功能主要有財(cái)務(wù)管理、銷售管理、生產(chǎn)管理、質(zhì)量管理、采購(gòu)管理、設(shè)備管理、主數(shù)據(jù)及編碼管理。其中以ERP 的主數(shù)據(jù)管理為主，ERP 與MES 的功能分擔(dān)原則是盡量通過(guò)ERP 的標(biāo)準(zhǔn)功能實(shí)現(xiàn)管理功能，根據(jù)業(yè)務(wù)職能劃分，具體功能分擔(dān)略有調(diào)整。

MES 功能除包括常規(guī)的原料管理、生產(chǎn)計(jì)劃管理、質(zhì)量管理、作業(yè)計(jì)劃管理、生產(chǎn)實(shí)績(jī)管理、庫(kù)存管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、發(fā)運(yùn)管理、工器具管理、接口管理等功能，還包括精細(xì)化質(zhì)量管理、精細(xì)化成本管理、模具標(biāo)識(shí)及跟蹤功能。同時(shí)包括能源管理、設(shè)備點(diǎn)檢管理和智能檢化驗(yàn)系統(tǒng)LIMS。

二級(jí)過(guò)程控制管理系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)二級(jí)模型計(jì)算和作業(yè)指令執(zhí)行管理，承接MES 的作業(yè)指令，模型計(jì)算并向PLC 下達(dá)指令。

一級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)包含集成的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，PLC 系統(tǒng)集成改造，包括自動(dòng)化系統(tǒng)全面升級(jí)和關(guān)鍵計(jì)量設(shè)備改造，熔煉、精煉手動(dòng)/半自動(dòng)/全自動(dòng)化控制等，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)控制層面的協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)。

2 各系統(tǒng)功能及分擔(dān)

根據(jù)信息化系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能區(qū)分，冶煉信息化系統(tǒng)各子系統(tǒng)功能及分擔(dān)如圖2 所示。

圖2 ERP 系統(tǒng)功能及分擔(dān)示意圖

2.1 ERP 系統(tǒng)功能

ERP 系統(tǒng)是太重管理層的主系統(tǒng)，它以財(cái)務(wù)為核心，集成了銷售、生產(chǎn)、質(zhì)量、采購(gòu)和設(shè)備管理，以銷售為龍頭，通過(guò)質(zhì)量設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)銷轉(zhuǎn)換、公司級(jí)生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)訂單管理。通過(guò)物料需求計(jì)劃生成采購(gòu)計(jì)劃并負(fù)責(zé)采購(gòu)業(yè)務(wù)管理。質(zhì)量管理主要負(fù)責(zé)質(zhì)量主數(shù)據(jù)管理和質(zhì)量判定結(jié)果的管理及質(zhì)量成本分析。成本管理負(fù)責(zé)定義成本中心BOM 和成本差異的分析。設(shè)備管理負(fù)責(zé)資產(chǎn)、運(yùn)維和檢修的管理。

2.2 MES 系統(tǒng)功能

MES 系統(tǒng)根據(jù)ERP 的生產(chǎn)訂單，負(fù)責(zé)煉鋼計(jì)劃排產(chǎn)、作業(yè)指令、生產(chǎn)實(shí)績(jī)、生產(chǎn)過(guò)程動(dòng)態(tài)管理等。質(zhì)量管理方面，MES 具有產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、工藝路徑、制造規(guī)范和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的錄入和界面維護(hù)，與ERP 共享映像質(zhì)量主數(shù)據(jù)，同時(shí)執(zhí)行分品種的廢鋼配料制度、工藝質(zhì)量控制措施、質(zhì)量判定流程、LIMS 功能以及質(zhì)量控制點(diǎn)的采集等功能。成本管理方面，負(fù)責(zé)工序成本中心計(jì)量數(shù)據(jù)的收集和管理。采購(gòu)管理方面，負(fù)責(zé)進(jìn)場(chǎng)物流以及煉鋼庫(kù)存管理、生產(chǎn)發(fā)料等，與ERP 采購(gòu)管理集成。煉鋼廠能源管理實(shí)現(xiàn)能源數(shù)據(jù)展示、報(bào)表生成、能源成本管理等功能。設(shè)備管理方面，實(shí)現(xiàn)大型工器具管理和設(shè)備點(diǎn)檢管理、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控等功能。

2.2.1 MES 系統(tǒng)功能架構(gòu)

建立MES 系統(tǒng)的目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)管理和生產(chǎn)控制的銜接，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量可控，滿足交期的產(chǎn)品。為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，必須有可行的生產(chǎn)計(jì)劃，質(zhì)量控制計(jì)劃，并實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)督執(zhí)行，整個(gè)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)規(guī)劃如圖3 所示。

2.2.2 MES 系統(tǒng)運(yùn)行架構(gòu)

MES 系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，其重點(diǎn)在于生產(chǎn)計(jì)劃制定、動(dòng)態(tài)調(diào)度和質(zhì)量跟蹤。系統(tǒng)通過(guò)獲取訂單的信息，根據(jù)訂單需求信息及產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)制定生產(chǎn)過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)，并下發(fā)檢化驗(yàn)系統(tǒng)，制定檢化驗(yàn)計(jì)劃。生產(chǎn)計(jì)劃根據(jù)訂單信息和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，工藝標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備產(chǎn)能信息及余材信息，制定冶煉的組爐計(jì)劃，并根據(jù)工藝約束信息，順排生產(chǎn)計(jì)劃，計(jì)算交貨期，如果交貨期不滿足，則進(jìn)行重新排產(chǎn)，如果交貨期嚴(yán)重超期，則通知銷售，對(duì)交貨期進(jìn)行重新核定，直到所有生產(chǎn)計(jì)劃都滿足交貨期為止。然后作業(yè)計(jì)劃，并將作業(yè)計(jì)劃交動(dòng)態(tài)調(diào)度進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)行仿真，看能否滿足生產(chǎn)實(shí)績(jī)運(yùn)行情況。動(dòng)態(tài)仿真結(jié)束后，將作業(yè)計(jì)劃交給二級(jí)進(jìn)行執(zhí)行。在二級(jí)執(zhí)行過(guò)程中，收取二級(jí)實(shí)績(jī)執(zhí)行的結(jié)果、設(shè)備狀態(tài)和物流信息，利用這些信息對(duì)作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行實(shí)時(shí)更新核對(duì)。根據(jù)作業(yè)計(jì)劃制定檢化驗(yàn)計(jì)劃，按照檢化驗(yàn)的計(jì)劃在工段作業(yè)過(guò)程中進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，并反饋質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果。作業(yè)計(jì)劃制定完成之后，除了提交給二級(jí)，還需要提交給原料管理，原料管理根據(jù)作業(yè)計(jì)劃制定采購(gòu)計(jì)劃，并根據(jù)二級(jí)制定配料計(jì)劃執(zhí)行配料。各工序按照作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行生產(chǎn)管理，等澆鑄結(jié)束后，鋼錠入庫(kù)，跟蹤鋼錠發(fā)運(yùn)后，關(guān)閉與之相關(guān)的訂單。系統(tǒng)按照作業(yè)計(jì)劃和成本中心歸并各種成本統(tǒng)計(jì)信息，并將歸并后的成本反饋給ERP。

圖3 MES 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

2.2.3 系統(tǒng)應(yīng)用功能

根據(jù)項(xiàng)目需求和項(xiàng)目建設(shè)范圍，結(jié)合項(xiàng)目總體方案的分析，該項(xiàng)目的系統(tǒng)架構(gòu)如下頁(yè)圖4 所示。

預(yù)留ERP 接口，需要ERP 系統(tǒng)下發(fā)的銷售訂單、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、發(fā)運(yùn)計(jì)劃等數(shù)據(jù)，在MES 系統(tǒng)中做錄入界面，保證系統(tǒng)的完整性和全流程的閉環(huán)。建立以生產(chǎn)管理為主的數(shù)字化平臺(tái)，包含MES 全部功能，設(shè)備點(diǎn)檢和監(jiān)控，能源管理，澆注管理專項(xiàng)，模具管理，廢鋼天車定位等功能；預(yù)留二級(jí)接口，并開(kāi)發(fā)以工藝規(guī)程管理、數(shù)據(jù)收集為主的二級(jí)管理系統(tǒng)，保證數(shù)據(jù)流程的貫通，保證生產(chǎn)管理系統(tǒng)和一級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)的銜接；一級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)的改造和儀表改造。

圖4 MES 系統(tǒng)架構(gòu)

2.3 二級(jí)過(guò)程控制管理系統(tǒng)功能

主要用于管控80 t 電爐、120 t LF 及VD 產(chǎn)線鋼水的冶煉，通過(guò)模型的計(jì)算實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)冶煉信息，并全過(guò)程指導(dǎo)煉鋼，產(chǎn)出工藝要求的合格鋼水。同時(shí)根據(jù)鋼種通過(guò)模型的計(jì)算自動(dòng)生產(chǎn)配料單。工藝模型系統(tǒng)主要有：

2.3.1 電爐工藝模型系統(tǒng)

基于全廢鋼冶煉的實(shí)際，對(duì)電爐生產(chǎn)全過(guò)程進(jìn)行工藝模型計(jì)算，并通過(guò)工藝計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)一級(jí)系統(tǒng)的有效控制，達(dá)到自動(dòng)化煉鋼的水平。電爐工藝模型分兩階段進(jìn)行模型過(guò)程計(jì)算，階段一是廢鋼熔化期，要求按照裝料模型定義的裝料要求結(jié)合裝料實(shí)績(jī)，進(jìn)行模型過(guò)程計(jì)算，計(jì)算過(guò)程主要目的是指導(dǎo)冶煉過(guò)程送電制度、預(yù)報(bào)各種參數(shù)。階段二是熔化完成，試驗(yàn)室完成第一次鋼水化驗(yàn)后，各模型需針對(duì)化驗(yàn)成分實(shí)績(jī)進(jìn)行全過(guò)程指導(dǎo)冶煉，包括送電制度、各種材料加入量等。

2.3.2 LF 工藝模型系統(tǒng)

基于不同鋼種情況，對(duì)LF 全過(guò)程進(jìn)行工藝模型計(jì)算，并通過(guò)工藝計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)一級(jí)系統(tǒng)的有效控制，達(dá)到自動(dòng)化煉鋼的水平。工藝模型要針對(duì)LF 合金化、脫氧、脫硫、造渣、加熱、冷卻、吹氬攪拌等的物理化學(xué)反應(yīng)及熱能全過(guò)程進(jìn)行跟蹤、計(jì)算，配套相應(yīng)的工藝模型種類,實(shí)現(xiàn)出鋼鋼水質(zhì)量，滿足不同鋼種的精煉爐鋼水質(zhì)量要求。

2.3.3 VD 工藝模型系統(tǒng)

基于不同鋼種情況，對(duì)VD 全過(guò)程進(jìn)行工藝模型計(jì)算，并通過(guò)工藝計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)一級(jí)系統(tǒng)的有效控制，達(dá)到自動(dòng)化煉鋼的水平。工藝模型要針對(duì)VD 真空狀態(tài)下脫氣、冷卻、吹氬攪拌等的物理化學(xué)反應(yīng)及熱能全過(guò)程進(jìn)行跟蹤、計(jì)算，配套相應(yīng)的工藝模型種類實(shí)現(xiàn)VD 后鋼水質(zhì)量，滿足不同鋼種的精煉爐VD質(zhì)量要求。

3 一級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化改造

3.1 電爐、精煉爐產(chǎn)線基礎(chǔ)自動(dòng)化改造

主要目的為通過(guò)對(duì)現(xiàn)有80 t 電爐產(chǎn)線基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)的整合，完成對(duì)二級(jí)系統(tǒng)工藝計(jì)算模型下達(dá)的操作指令的自動(dòng)接收、自動(dòng)及人工實(shí)現(xiàn)、信息反饋，以達(dá)到產(chǎn)線綜合運(yùn)行的目的，最終達(dá)到可自動(dòng)化煉鋼的基礎(chǔ)水平。

電爐本體系統(tǒng)改造，采用S7-400PLC 下掛ET200M 遠(yuǎn) 程IO 的 結(jié) 構(gòu)，CPU 為412-2DP，配CP443-1 以太網(wǎng)通訊卡，與電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)、HMI 操作站采用以太網(wǎng)通訊方式。

電爐電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用研華PC 機(jī)控制，與電爐本體PLC 之間采用以太網(wǎng)通訊方式，本次改造增加通訊接口及軟件功能。

氧槍控制系統(tǒng)采用S7-300PLC 控制，與HMI 操作站之間采用以太網(wǎng)通訊方式，本次改造僅增加通訊接口及軟件功能。

上投料系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)電爐與LF 爐的合金及輔料上料與投料。系統(tǒng)共設(shè)置12 套料倉(cāng)，采用S7-300PLC 下掛ET200M 遠(yuǎn)程IO 的結(jié)構(gòu)，CPU 為315-2DP，無(wú)以太網(wǎng)通訊卡，與HMI、遠(yuǎn)程IO 站采用Profibus-DP 的通訊方式。

LF 爐本體系統(tǒng)采用S7-400PLC 下掛ET200M遠(yuǎn)程IO 的結(jié)構(gòu)，CPU 為414-2DP，配CP443-1 以太網(wǎng)通訊卡，與電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)、HMI 操作站采用以太網(wǎng)通訊方式。

網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)改造，在一級(jí)系統(tǒng)與二級(jí)系統(tǒng)之間增加1 套網(wǎng)關(guān)PLC，用于隔離一級(jí)系統(tǒng)與二級(jí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，提升一二級(jí)系統(tǒng)各自獨(dú)立運(yùn)行的可靠性，保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。

3.2 檢測(cè)儀表改造

檢測(cè)儀表改造主要目的是為MES、二級(jí)系統(tǒng)提供有效的數(shù)據(jù)支持，主要分為爐前新增儀器儀表部分、稱重儀器儀表部分以及能源儀表改造三個(gè)部分，具體參數(shù)不再詳述。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)和改造后，冶煉系統(tǒng)信息化平臺(tái)平均無(wú)故障時(shí)間不低于99%。所有應(yīng)用功能正常運(yùn)行，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)確定的應(yīng)用功能考核，功能投入率100%，穩(wěn)定性大于99%，定位準(zhǔn)確率大于99%。信息系統(tǒng)功能界面響應(yīng)時(shí)間，單一信息顯示、操作等在線實(shí)時(shí)畫(huà)面的響應(yīng)時(shí)間不大于5 s。調(diào)度室監(jiān)控界面實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)刷新時(shí)間小于1 s，報(bào)表準(zhǔn)確率及庫(kù)存準(zhǔn)確率達(dá)到100%。

冶煉系統(tǒng)信息化平臺(tái)的設(shè)計(jì)與改造，不僅能滿足太重80 t 電爐生產(chǎn)線的實(shí)際生產(chǎn)需要，而且為同行業(yè)的冶煉系統(tǒng)信息化平臺(tái)建設(shè)提供思路參考，具有積極的指導(dǎo)意義。