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(shí),將對(duì)燒結(jié)生產(chǎn)效率造成嚴(yán)重影響。因此,近年來(lái),隨著我國(guó)制造加工行業(yè)自動(dòng)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(shí)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(xiàng)功能得到優(yōu)化和改善,同時(shí),也開辟了人機(jī)交互、智能操控的先河,對(duì)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(shí)意義。
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(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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?;旌狭暇鶆?,混合時(shí)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(shí)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(wú)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(jī)臺(tái)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(zhǎng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的使用壽命。底料鋪設(shè)完畢,沿著臺(tái)車的縱橫方向均勻布料,并保證混合料表面平整。點(diǎn)火溫度控制在1250±50℃,點(diǎn)火時(shí)間介于40s~60s 之間,真空壓力值介于4kpa~6kpa 之間,點(diǎn)火深度約為10mm~20mm。在燒結(jié)生產(chǎn)時(shí),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?;旌狭显跓Y(jié)爐中自上至下熔融灼燒,當(dāng)燃燒至機(jī)尾時(shí)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
與其它軟件系統(tǒng)類似,在設(shè)計(jì)鋼鐵燒結(jié)生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度系統(tǒng)時(shí),首先考慮的是實(shí)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(shí)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(jì)出的調(diào)度系統(tǒng)能夠在整個(gè)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(jì),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(yùn)行故障,能夠在短時(shí)間內(nèi)予以修復(fù)。
該系統(tǒng)的運(yùn)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(jì)系統(tǒng)時(shí),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(jià)值,系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)使用的程序語(yǔ)言為C 語(yǔ)言,并采用微軟開發(fā)平臺(tái)。該系統(tǒng)屬于MES 系統(tǒng)的子系統(tǒng),開發(fā)設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)調(diào)度模塊、靜態(tài)調(diào)度模塊、人機(jī)交互計(jì)劃調(diào)整模塊以及生產(chǎn)原料供應(yīng)皮帶調(diào)度模塊。
2.3.1 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(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)學(xué)模型,能夠?qū)Y(jié)生產(chǎn)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別、分析、計(jì)算,同時(shí),為了保證計(jì)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(chǎng)生產(chǎn)的實(shí)際情況合理選擇算法,另外,為了增強(qiáng)系統(tǒng)的安全可靠性,模塊自帶數(shù)據(jù)運(yùn)算結(jié)果驗(yàn)算程序,這一程序可以對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)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(shí)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(guò)數(shù)學(xué)模型與算法程序編制出調(diào)度預(yù)計(jì)劃,輸出的甘特圖能夠顯示在人機(jī)交互界面,終端操作人員可以及時(shí)了解到各種生產(chǎn)技術(shù)參數(shù)。
2.3.3 動(dòng)態(tài)調(diào)度模塊
動(dòng)態(tài)調(diào)度模塊相當(dāng)于一個(gè)流動(dòng)的監(jiān)測(cè)站,該模塊可以對(duì)燒結(jié)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的干擾信息進(jìn)行識(shí)別處理。尤其在燒結(jié)生產(chǎn)由于內(nèi)因或外因而中斷時(shí),動(dòng)態(tài)調(diào)度模塊能夠快速收集造成生產(chǎn)過(guò)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(jì)劃后,原料供應(yīng)皮帶調(diào)度模塊可以根據(jù)計(jì)劃內(nèi)容,結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況,編制出執(zhí)行生產(chǎn)流程的調(diào)度計(jì)劃,該模塊通過(guò)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(jì)劃。當(dāng)該計(jì)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(jī)交互計(jì)劃調(diào)整模塊
這一模塊是專門為終端技術(shù)人員設(shè)計(jì)的智能化應(yīng)用模式,在系統(tǒng)執(zhí)行調(diào)度計(jì)劃時(shí),由于生產(chǎn)指令臨時(shí)更改或者生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)意外狀況,而影響正常的生產(chǎn)流程時(shí),技術(shù)人員可以借助于該模塊對(duì)相關(guān)的生產(chǎn)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,使調(diào)度計(jì)劃與實(shí)際生產(chǎn)流程相吻合。這一智能化平臺(tái)的搭建,不僅給終端技術(shù)人員提供了一個(gè)人機(jī)互動(dòng)的操作平臺(tái),同時(shí),也為整個(gè)燒結(jié)生產(chǎn)流程提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。
首先,系統(tǒng)根據(jù)各項(xiàng)生產(chǎn)技術(shù)參數(shù),借助于配料優(yōu)化模塊計(jì)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(guò)ERP 系統(tǒng)輸入的計(jì)劃信息,編制出清晰的生產(chǎn)原料供應(yīng)調(diào)度預(yù)計(jì)劃,系統(tǒng)自動(dòng)編制的預(yù)計(jì)劃傳入到人機(jī)交互模塊后,技術(shù)人員可以對(duì)不符合生產(chǎn)實(shí)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(shí)調(diào)整各種生產(chǎn)原料的比例,進(jìn)而編制出用于實(shí)際生產(chǎn)的原料供應(yīng)調(diào)度計(jì)劃。當(dāng)計(jì)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(yùn)輸皮帶調(diào)度模塊當(dāng)中,系統(tǒng)根據(jù)計(jì)劃口令為燒結(jié)工序供應(yīng)生產(chǎn)原料。如果在執(zhí)行計(jì)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(shí),PCS 層將第一時(shí)間將相關(guān)數(shù)據(jù)信息反饋給動(dòng)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(duì)生產(chǎn)調(diào)度過(guò)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。
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(gè)功效是編制調(diào)度計(jì)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(qiáng)了調(diào)度計(jì)劃的可行性。系統(tǒng)在編制調(diào)度計(jì)劃時(shí),通常采用的方法是利用人機(jī)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(cāng)有n 個(gè),系統(tǒng)根據(jù)啟發(fā)式算法構(gòu)建一個(gè)清晰的數(shù)學(xué)模型,模型中涉及的各項(xiàng)參數(shù)如下:下標(biāo)i 代表燒結(jié)配料車間中存儲(chǔ)生產(chǎn)原料料倉(cāng)的編號(hào),編號(hào)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(cāng)的供料序號(hào),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(xiàng)參數(shù)所代表的含義如下:TB時(shí)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(shí)間,bj 代表物料的供應(yīng)速度,cij代表第i 號(hào)料倉(cāng)中裝有的物料j 的使用速度;Pij代表料倉(cāng)i 對(duì)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(shí)的切換時(shí)間;xij (t) 代表被安排在第t 個(gè)開始, 裝有物料j 的i 號(hào)料倉(cāng)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(shí),每一個(gè)料倉(cāng)當(dāng)中存儲(chǔ)的物類種類屬于已知量,同時(shí),需要忽略設(shè)備計(jì)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(jì)劃數(shù)學(xué)模型,通過(guò)對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解運(yùn)算,使調(diào)度計(jì)劃更具可行性。
以國(guó)內(nèi)某鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)為例,對(duì)供應(yīng)調(diào)度系統(tǒng)在實(shí)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(shí)效性,將現(xiàn)場(chǎng)人工調(diào)度方案與其進(jìn)行比對(duì)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(shí)間指標(biāo)是135.0分鐘,綜合評(píng)定指標(biāo)為0.9574?,F(xiàn)場(chǎng)人工調(diào)度方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果為274.830 元/100kg,時(shí)間指標(biāo)是120.3 分鐘,綜合而評(píng)定指標(biāo)為0.9273。通過(guò)上述比對(duì)結(jié)果可以看出,無(wú)論是時(shí)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(cè)試結(jié)果都優(yōu)于現(xiàn)場(chǎng)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。
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(dòng)化水平,同時(shí),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(shì)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(duì)促進(jìn)我國(guó)鋼鐵工業(yè)的健康長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展起到了推波助瀾的作用。