0 引言
鋼鐵燒結生產原料供應調度是燒結生產管理的重要環節，其調度的好壞將直接影響到燒結生產的效率。因此燒結生產原料供應調度系統在現代化燒結生產管理中扮演著重要的角色。國內自主研發的此類調度系統并不多見，國內外的研究資料表明，對于燒結生產原料供應管理還只局限在原料場內部含鐵原料的管理上，并且沒有和燒結生產實際過程相結合。在實際生產過程中很容易出現原料運輸設備調度不協調等問題，影響燒結生產的效率。因此研究并開發出一套實時性好、實用性強的燒結生產原料供應調度管理系統，實現燒結生產原料供應調度的信息化，對鋼鐵企業燒結生產來說具有重大的實際意義。
本文在探討了面向MES的鋼鐵燒結生產原料供應調度系統體系結構和功能的基礎上，以提高燒結生產原料供應調度效率為主要目標，采用了模型加啟發式算法和人際交互相結合的燒結生產原料供應調度計劃編制方法和原料運輸皮帶流程調度計劃編制方法，并利用此方法設計和開發了面向MES的燒結生產原料供應調度系統軟件，建立了燒結生產原料供應調度的新模式，并采用現場實際數據對系統進行了仿真實驗，實驗結果表明了系統的有效性和可行性。
1 現狀及問題描述
1.1 鋼鐵燒結生產工藝流程
鋼鐵燒結生產是將鐵礦粉、燃料(煤粉或焦粉)、熔劑(生石灰、白云石等)、生產中產生的返礦按照一定的比例進行加水混合制粒。通過皮帶運輸機運送到混合料倉，然后由圓輥布料器鋪到燒結機臺車上，通過點火爐點火，將混合料中的燃料點燃。煙氣由抽風機自上而下抽走，在臺車移動過程中，混合料自上而下的熔融燃燒，當燒結礦燃燒至機尾時落下，經過單輥的破碎。運送至成品整粒系統，除產出的鋪底料和返礦供燒結使用外，其余的部分作為成品燒結礦進入高爐。流程如圖1所示。
圖1 燒結工藝流程
1.2 現狀描述
本文所描述的系統主要是針對燒結生產中的配料過程。在二號燒結廠的配科室內有存儲原料的料倉26座，每座料倉都配有相應的稱重設備和圓盤切料機。并有相應的DCS系統對其實行監控。從原料場向燒結配料車間供應原料的輸送皮帶有81條，可組成86個模式(一個起點到一個終點)，570余條流程(一個模式中的不同路徑)的龐大皮帶網絡。雖然二號燒結廠實現了生產過程自動化控制，但在信息化方面卻十分落后，其原料配比計算過程采用的是EXCEL軟件實現的成分驗算方法。原料供應調度計劃編制也是采取人工編制的方式。其配料結果精度差、原料供應效率低已經很大程度上影響了二號燒結廠的生產效率。
1.3 問題與難點分析
本文以某鋼鐵企業二號燒結廠為實際背景，通過對現場實際生產過程的調研分析發現：
1)二號燒結廠燒結生產原料供應調度過程由人工管理，無法對現場生產指標的變化做出及時的反應，效率低下，已無法滿足現場實際生產過程的需求；現場原料供應管理混亂，缺乏原料的跟蹤管理，要了解物料供應的實時情況只能靠分廠調度員通過電話或去工作現場實地察看的方式獲得現場實際生產數據，并根據這些臨時了解的信息進行原料供應調度。缺乏統籌考慮，從而影響車間的生產協調和廠級計劃的編制。
2)鋼鐵燒結生產是一個連續不間斷過程，原料準備是燒結生產的開端。由于燒結生產所需的物科種類多激量大，怎樣保證燒結生產所用各種物料能夠，及時、保質、保量的供應。是燒結生產原科供應調度管理必須要面對的一個難點。但是由原料場通往繞結廠的物料運輸主皮帶模式數量有限，而燒結生產過程所需的物料種類又多，所需數量也大，因此安排物料的供應計劃成為了燒結生產過程當中最為繁重的工作，如何編制出實時性好實用性強的燒結生產原料供應調度計劃，實現燒結生產原料供應調度的信息化，是現場的工作人員急需解決的問題。
3)燒結生產過程當中，所使用的物料種類多、數量大。所用到的設備也同樣種類繁多。并且在燒結生產過程當中極易產生各種各樣的突發事件，如原料種類的更換、原料配比變化、設備故障等，這就給燒結生產原料供應調度計劃的編制增加了難度及復雜性。如何針對現場出現的這些突發事件做出快速響應，并給出有效的解決方法，已成為燒結生產原料供應調度管理中最難解決的問題。
4)燒結生產原料輸送是保證燒結生產不間斷運行的重要環節。為二號燒結廠提供原料的原料場有81條皮帶，可組成86個模式(一個起點到一個終點)．570余條流程(一個模式中的不同路徑)。由這81條皮帶組成的皮帶網絡擔負著混勻礦生產和燒結生產原料供應工作。因此怎樣能夠針對這一龐大的皮帶網絡，迅速的編制出優化的實用性強的原料供應皮帶調度計劃也是燒結生產原料供應調度系統要面臨的又一難點。
2 面向MES的鋼鐵燒結生產原料供應調度系統的設計
2.1 系統設計原則
面向MES的鋼鐵燒結生產原料供應調度系統像其他的軟件系統一樣，首先應具有實用性，可靠性和易于維護等特點。此外，面向MES的軟件系統在設計和開發過程中，還應考慮與原有系統的集成問題，為此提出如下設計原則：
1)實用性和可靠性原則 系統的研發是根據某鋼鐵企業二號燒結廠原料供應調度管理的實際需求提出的。所以，本系統的設計和開發將實用、好用作為第一準則，原料供應調度管理是燒結生產管理的重要環節，調度管理的好壞將直接影響到燒結礦的質量和生產效率。因此，系統的可靠性要高。
2)通用性和專用性原則 鋼鐵燒結生產的工藝流程是相似的，建立一個通用性好的原料供應調度系統軟件是非常必要的。面向用戶需求開發在確保專用性能好的前提下，要兼顧系統的通用性，避免同行業重復開發所造成的人力財力的浪費。
3)集成與可擴展性原則 面向MES的鋼鐵燒結生產原料供應調度系統除了要考慮系統的實用性和可靠性等問題，還需要考慮與MES內部其他模塊的集成問題及與上層(ERP)和下層(PCS)的信息傳遞問題。
2.2 系統開發及運行環境
鑒于系統只應用于燒結廠的生產調度指揮室內，因此系統采用Client/Server(簡稱C/S)結構，這樣有利于在客戶端上開發一些復雜的算法和模型，以增加系統的功能應用效果。系統采用Oracle 10g EntERPrise關系數據庫，數據庫運行環境為Win 2003 Server。開發環境采用當前最為廣泛使用的Microsoft.net平臺，開發語言為C#。
2.3 系統結構
系統結構如圖2所示。
圖2 系統結構
作為燒結廠MES系統的一個重要子系統，面向MES的鋼鐵燒結生產原料供應調度系統的主要功能是，為燒結生產原料供應調度提供符合現場情況、滿足工藝要求、高效的燒結生產原料供應調度計劃與之匹配的原料運輸皮帶流程調度計劃。依據系統設計原則，結合現場對調度功能的需求，將系統劃分為配料優化模塊、靜態調度模塊、動態調度模塊、人機交互計劃調整模塊、原料供應皮帶調度模塊。
2.4 系統內部流程
鋼鐵燒結生產原料供應調度系統由配料優化模塊、靜態調度模塊、動態調度模塊、人機交互計劃調整模塊、原料供應皮帶調度模塊5個模塊組合。系統內部流程如圖3所示。
圖3 系統內部流程圖
首先，系統根據生產參數由配料優化模塊對燒結生產原料配比進行優化運算。
其次，依據上層ERP傳入的計劃信息和配料優化模塊傳入的燒結生產原料配比信息，靜態調度模塊進行人工經驗修正，最后得到可實際運行的原料供應調度計劃。
再次，經確認的原料供應調度計劃將被發送給原料供應皮帶調度模塊，由該模塊編制出與原料供應調度計劃相匹配的原料運輸皮帶網絡調度計劃。并將這些編制好的計劃以指令的形式下達到PCS層，同時這些計劃也將被反饋到上層的ERP系統。
最后，如果正在執行的作業計劃受到隨機因素干擾而無法按原計劃執行，PCS層會將擾動信息和現場實際數據及時反饋到動態調度模塊，模塊從中接收可用的信息調度作業計劃，并將調整后的計劃信息從新下放到PCS層和反饋到上層ERP系統中。
2.5 系統功能描述
1)配料優化模塊 配料是燒結生產的起點，原料配比的好壞將直接影響到燒結礦的質量，因此配料過程對燒結生產起著決定性的作用。配料優化模塊利用數學模型對燒結原料配比進行了優化計算。為了保證計算的可靠性，模塊給出了兩種算法以供選擇。并且可根據現場情況按模塊提供的原則自行設置模型和算法參數。此外模塊還提供了配料優化計算結果的驗算功能，對優化結果進行驗算，以增加系統的可靠性。
2)靜態調度模塊 靜態調度模塊主要實現二號燒結廠生產車間中原料倉的原料供應調度計劃的編制。模塊從ERP系統獲取生產計劃信息及相關工藝參數、從PCS系統獲取生產實際信息、從配料優化模塊獲取燒結生產原料配比信息，采用模型與啟發式算法相結合的方式編制出燒結生產原料供應調度預計劃，并以甘特圖的形式顯示在人機交互計劃調度整模塊上，同時將計劃反饋給ERP系統，并以指令的形式下放到PCS層。
3)原料供應皮帶調度模塊 原料供應皮帶調度模塊主要功能是編制與燒結生產原料供應調度計劃相匹配的原料輸送皮帶流程調度計劃。模塊接收經人機交互計劃調整模塊確認的燒結生產原料供應調度計劃、從PCS層接收原料廠皮帶模式及流程狀態信息，采用啟發式算法編制原料輸送皮帶調度計劃，然后將計劃反饋給ERP系統并以指令的形式下放到PCS層，配合燒結生產原料供應調度計劃完成燒結生產原料供應調度工作。
4)動態調度模塊 動態調度的主要功能是對實際生產過程中所遇到的一些擾動因素進行處理。在實際生產過程中生產調度計劃會由于生產狀況的改變而無法順利執行，這時動態調式模塊根據PCS層提供的現場計劃執行情況、設備運行狀態及ERP層的計劃信息等生產實際數據，判斷擾動的類型給出處理結果。
5)人機交互計劃調整模塊 為了能夠充分發揮現場調度人員豐富的管理經驗，以及方便調度人員對作業計劃進行編輯和修改，系統提供了甘特圖界面編輯功能，實現了有效的人機交互。現場調度人員可根據自身的經驗對調度計劃進行修正，從而使調度計劃更適應現場的實際生產狀況，從這個意義上說系統具有一定的智能性。系統不僅為調度人員提供了一個友好、方便的人機交互操作平臺，也為本系統搭建了一個集成平臺系統的人機交互界面。
2.6 燒結生產原料供應調度計劃編制方法
燒結生產原料供應調度計劃編制時原料供應調度系統最中意的功能，其結果為燒結配料車間中存儲原料料倉的供料計劃。本文通過對現場實際工作的調研，建立了燒結生產原料供應調度計劃編制模型，并采用一種啟發式算法和人機交互想結合的計劃編制方法。
燒結生產原料供應調度，即為燒結生產車間中裝有m種物料的n個料倉安排原料供應計劃。本文建立的模型如下：
1)符號說明
(1)下標 i為燒結配料車間中存儲物料料倉的編號，i＝1,2，...，n；j為燒結生產所用的物料種類，j＝1,2，...，m；t為料倉供料序數，t＝1,2，...，n；
(2)參數 TS時間內燒結生產所需各種原料的總量為Wour；TW：物料供應理想使用時間，TW＜TS；aj：第j種物料的配料比例；bj：第j種物料的供料速度；cij：第i號料倉中裝有的物料j的使用速度；Pij：料倉i對物料j的承重上限；Tij：第j種物料和第j*種物料相鄰供料時的切換時間；xij(t)：被安排在第t個開始，裝有物料j的i號料倉的物料初始值。
為準確建立解決描繪問題的數學模型，除上述所作的定義外，本文進一步做出如下假設：(1)燒結車間中每個料倉中存放何種物料為已知；(2)計劃時段暫不考慮設備計劃維修情況。
2)數學模型
根據問題描述以及上文定義的符號，建立如下數學模型：
模型為實數范圍內的規劃問題，其中，式(1)目標函數中包括物料運輸時間和物料種類切換時間；式(2)、式(3)、式(4)為取值約束；式(5)為料倉供料上限約束；式(6)為物料供應滿足需求量約束；式(7)為物料供應總時間約束；式(8)約束為一次最多只能給一個料倉進行供料；式(9)約束為在供料計劃中每個料倉最多只能安排一次供料；式(10)料倉不能為空。
3)模型求解
本文中所描述的燒結生產原料供應調度計劃編制模型為一個實數范圍內的規劃模型，和混合“0—1”規劃問題極為相似。為了能夠給求解帶來方便，在一定的條件下，系統將模型轉換成了混合“0—1”規劃模型，并采用了一種啟發式算法與人機交互相結合的計劃編制方法，保證了計劃編制的有效性和可行性，并且該方法也充分利用了現場調度人員豐富的經驗。從某種方面說，系統的求解具有一定的智能性。
3 仿真實驗
某鋼鐵廠是一個綜合自動化水平較高，生產規模為中等水平的中型鋼鐵企業。但其燒結生產原料供應調度仍是以人工為主，人工編制原料供應調度作業計劃效率低，難以滿足現場實際生產狀況的需求。同時也不利于企業內部MES的實現、不利于企業整體管理水平的提高。本文所描述的面向MES的燒結生產原料供應調度系統可幫助企業解決本文中敘述的企業所遇到的問題。
在燒結生產原料供應調度管理中，現場最為關心的兩項指標為：在滿足燒結礦化學成分要求的前提下其原料成本及一次原料供應所用的時間。基于以上兩個指標應用現場實際數據對系統進行了離線仿真實驗，并與現場最優方案進行了對比，同時采用歸一化加權求和的方式對兩項指標進行了綜合指標評價。本文結果和現場最優方案的對比結果如表1所示。
表1 系統指標評價
結語
本文建立了面向MES的鋼鐵燒結生產原料供應調度系統的體系結構。系統內部采用了數據集成技術、模型技術和人機交互等多種技術，建立了一個實用靈活的調度系統。縱向它能對上層ERP和下層PCS傳入系統的信息及時做出應答，橫向預留了與上游工序和下游工序的管理系統集成的接口。速度快、效率高，能為調度人員提供智能的決策支持。系統的研發不僅給企業帶來了經濟效益，對同行業其他燒結廠內部MES系統的實現具有重要的參考價值。
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本文標題：面向MES的鋼鐵燒結生產原料供應調度系統
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