全連鑄生產(chǎn)計(jì)算機(jī)調(diào)度管理系統(tǒng)

1、全連鑄生產(chǎn)計(jì)算機(jī)調(diào)度管理系統(tǒng)徐幸天歐陽(yáng)昭 張敏祥(鋼鐵研究總院) (上海第三鋼鐵廠)田乃媛(北京科技大學(xué))摘要運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)學(xué)、運(yùn)籌學(xué)及其有關(guān)的系統(tǒng)工程理論研究分析全連鑄生產(chǎn)中多維物流管制的問題，以調(diào)度方案尋優(yōu)為指導(dǎo)思想，建立了計(jì)算機(jī)仿真全連鑄生產(chǎn)過程的模擬調(diào)度系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)采用主從式小型集散系統(tǒng)(DCS)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)表明，軟件基本覆蓋了全連鑄生產(chǎn)實(shí)況，命中率高，為生產(chǎn)調(diào)度合理化、科學(xué)化、向自動(dòng)化邁進(jìn)提供了一實(shí)用工具。關(guān)鍵詞全連鑄生產(chǎn)物流管制調(diào)度系統(tǒng)COMPUTER-AIDED SCHEDULING MANAGEMENT SYSTEM IN 100 %CONTINUOUS CASTIN

2、G PRODUCTIONXU XingtianOUYANG Zhao(Central Iron and Steel Research Institute)ZHANG Minxiang(Shanghai No.3 Iron and Steel Factory)TIAN Naiyuan(University of Science and Technology Beijing)ABSTRACTThe multiple logistic control system in the 100 % continuous casting production has been investigated wit

3、h network,operations research and system engineering theories.Guided by optimizing the schedule scheme,the computer-aided scheduling system simulation in 100 % CC process has been set up with DCS (host-server Discrete Control System)hardware,which executes stably and reliably.It has been shown by ex

4、periments that the software is generally suited for 100 % CC.The percentage of hits is high.The system can provide a practical tool for automation and optimization of production scheduling.KEY WORDS100 % continuous casting,logistic control system,scheduling system1前言全連鑄生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜的冶金工程系統(tǒng)，需依據(jù)系統(tǒng)工程的理論加

5、以分析研究，逐步使生產(chǎn)調(diào)度管理合理化、科學(xué)化，進(jìn)而運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)來管理生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化。我國(guó)現(xiàn)有三十余個(gè)全連鑄車間目前均處于調(diào)度人員現(xiàn)場(chǎng)指揮操作的局面，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且效率差，調(diào)度水平低。雖然，國(guó)內(nèi)寶鋼在應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度上已取得一定成效，但絕大多數(shù)中小轉(zhuǎn)爐廠，尤其是全連鑄車間如何實(shí)現(xiàn)信息現(xiàn)代化和調(diào)度過程的自動(dòng)化仍屬空白。近年來，我們開展了全連鑄生產(chǎn)物流管制的研究課題，應(yīng)用了網(wǎng)絡(luò)學(xué)、運(yùn)籌學(xué)及有關(guān)系統(tǒng)工程方面的數(shù)理理論研究分析了全連鑄生產(chǎn)中時(shí)間因素、溫度因素、物質(zhì)因素等物流管制問題，以上鋼三廠全連鑄生產(chǎn)實(shí)際為依托，面向國(guó)內(nèi)各連鑄車間中的物流管制現(xiàn)狀，收集了大量的數(shù)據(jù)，制訂出多種調(diào)度方

6、案，基本覆蓋了轉(zhuǎn)爐連鑄車間全連鑄實(shí)況，命中率很高。在此基礎(chǔ)上以調(diào)度方案尋優(yōu)為指導(dǎo)思想，借助計(jì)算機(jī)建立了仿真全連鑄生產(chǎn)過程的調(diào)度模擬系統(tǒng)，并編制出相應(yīng)的調(diào)度方案軟件。本調(diào)度系統(tǒng)采用主從式小型集散系統(tǒng)(DCS)的整套軟、硬件，其中硬件已全部國(guó)產(chǎn)化，各終端采用英特爾(Intel)公司先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)聯(lián)網(wǎng)，經(jīng)多次實(shí)踐表明，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。總之，現(xiàn)開發(fā)出的計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)可迅速轉(zhuǎn)化到生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用。2調(diào)度系統(tǒng)仿真全連鑄車間是鋼鐵冶金企業(yè)大系統(tǒng)中的子系統(tǒng)，它由多工序：混鐵爐(化鐵爐)、轉(zhuǎn)爐、二次精煉裝置、連鑄機(jī)等有機(jī)組成。為分析研究該系統(tǒng)內(nèi)調(diào)度問題，首先要建立其系統(tǒng)模型，然后在模型上試驗(yàn)，此過程稱為系統(tǒng)仿真1。

7、2.1離散事件仿真及其方法系統(tǒng)、模型、計(jì)算機(jī)是仿真三要素。系統(tǒng)是研究的對(duì)象；模型是系統(tǒng)特征的描述，它不僅用來代替系統(tǒng)，而且是系統(tǒng)的簡(jiǎn)化；計(jì)算機(jī)則用來建立模型并開展試驗(yàn)。聯(lián)系三要素的基本活動(dòng)是：建模型、建仿真模型、仿真實(shí)驗(yàn)。三要素和三個(gè)基本活動(dòng)間的關(guān)系如圖1所示。具體的研究步驟可通過圖2中的流程來描述。全連鑄生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)是離散事件系統(tǒng)，該系統(tǒng)狀態(tài)在某些時(shí)刻由于某隨機(jī)事件的驅(qū)動(dòng)會(huì)發(fā)生變化，比如鋼包到達(dá)連鑄機(jī)正值閑期，它可立即由閑變忙；此外，全連鑄生產(chǎn)系統(tǒng)是在高溫狀態(tài)下運(yùn)行的，各工序時(shí)間上的銜接均受溫度條件約束。這兩個(gè)特點(diǎn)使系統(tǒng)對(duì)時(shí)間調(diào)控的要求甚嚴(yán)。通過采用系統(tǒng)仿真的方法，建立調(diào)度仿真模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

8、圖 1要素和活動(dòng)的聯(lián)系Fig.1Relation between activities and elements圖 2仿真框圖Fig.2Simulating flow chart離散事件系統(tǒng)仿真中仿真進(jìn)程的推進(jìn)方法，根據(jù)處理方法不同分三類：事件調(diào)度法、活動(dòng)掃描法、進(jìn)程交互法?；谶M(jìn)程交互法最為直觀，其模型接近實(shí)際系統(tǒng)，特別適用于可預(yù)測(cè)的活動(dòng)及順序易確定的系統(tǒng)，全連鑄生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)中主體活動(dòng)較為規(guī)則，故選用此法來處理2。2.2全連鑄生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)仿真模型為使全連鑄生產(chǎn)車間調(diào)度合理，必須加強(qiáng)時(shí)間參數(shù)的管制，充分考慮生產(chǎn)中各操作環(huán)節(jié)的時(shí)間調(diào)控，開發(fā)該流程的計(jì)算機(jī)調(diào)度系統(tǒng)可快速、安全可靠、按合理時(shí)間節(jié)奏來

9、管理生產(chǎn)。企業(yè)的時(shí)間管制是企業(yè)戰(zhàn)略組成部分，時(shí)間管制的目的是在能源和材料價(jià)格波動(dòng)的情況下，縮短流程時(shí)間、提高設(shè)備的靈活性、縮短反應(yīng)時(shí)間、提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力3。而生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)如能在產(chǎn)量和質(zhì)量方面準(zhǔn)確地按計(jì)劃調(diào)度時(shí)間節(jié)奏工作，必然能夠降低生產(chǎn)成本。比如轉(zhuǎn)爐冶煉時(shí)間按計(jì)劃實(shí)現(xiàn)，就可以縮短鋼水在爐內(nèi)時(shí)間，同樣也縮短精煉時(shí)間和等待時(shí)間。對(duì)調(diào)度人員而言，難以在出現(xiàn)故障的情況下進(jìn)行合理調(diào)度，就是在進(jìn)行正常生產(chǎn)時(shí)，也無法勝任全方位來合理指揮生產(chǎn)，生產(chǎn)中各工序物流和時(shí)間參數(shù)的管制需要一個(gè)有效的中心調(diào)度系統(tǒng)，從而形成輔助決策的調(diào)度系統(tǒng)。(1) 調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)1) 具有現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)、開關(guān)信號(hào)、生產(chǎn)過程的靜動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)

10、的收集和傳送；2) 實(shí)時(shí)性，即必須能實(shí)時(shí)地掌握生產(chǎn)調(diào)度所需的數(shù)據(jù)，程序執(zhí)行不僅有先后次序而且具有時(shí)間限制關(guān)系，因此它能在規(guī)定的時(shí)間之內(nèi)對(duì)外部發(fā)生的異步隨機(jī)事件給予響應(yīng)、處理；3) 動(dòng)態(tài)調(diào)整性，即根據(jù)不同的生產(chǎn)情況對(duì)原計(jì)劃進(jìn)行跟蹤，在與原計(jì)劃不相同時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整以適應(yīng)不同的生產(chǎn)情況。在程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)采用兩層的調(diào)度控制策略；4) 在線性，即在線網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)都在傳送來自各工序的信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)在線定計(jì)劃和對(duì)變化的生產(chǎn)過程進(jìn)行調(diào)整；5) 優(yōu)化性，即系統(tǒng)運(yùn)行必須隨時(shí)處于優(yōu)化運(yùn)行狀態(tài)，使之真正成為調(diào)度人員的輔助生產(chǎn)決策工具；6) 高的反饋性和穩(wěn)定性。(2) 設(shè)計(jì)思想針對(duì)全連鑄生產(chǎn)存在多重并發(fā)和沖突事件，構(gòu)成了一種

11、多任務(wù)多線程的調(diào)度系統(tǒng)，可協(xié)調(diào)或使多處理機(jī)并行運(yùn)行，來滿足實(shí)際生產(chǎn)的實(shí)時(shí)要求。1) 對(duì)計(jì)劃的產(chǎn)生有一個(gè)計(jì)劃模板，控制其過程參數(shù)即可形成一個(gè)實(shí)際規(guī)則；2) 具有各種可實(shí)現(xiàn)計(jì)劃控制的沖突、阻塞、優(yōu)化、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)模型；3) 多任務(wù)多線程的運(yùn)行環(huán)境；4) 反映生產(chǎn)特征的生產(chǎn)規(guī)則、模型規(guī)則；5) 動(dòng)態(tài)刷新計(jì)劃和生產(chǎn)數(shù)據(jù)；6) 具有一個(gè)控制其過程實(shí)現(xiàn)的控制序列。全連鑄生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)涉及到多因素的影響，相當(dāng)復(fù)雜，為簡(jiǎn)化起見，編程時(shí)均需做若干假設(shè)。作為一個(gè)例子結(jié)合上鋼三廠轉(zhuǎn)爐分廠全連鑄生產(chǎn)模擬，選擇三轉(zhuǎn)配三機(jī)的生產(chǎn)模式，根據(jù)用戶產(chǎn)品要求先將開吹時(shí)刻和正在澆鋼的連鑄機(jī)的機(jī)號(hào)輸入程序，通過仿真模型程序運(yùn)算，考慮各種約

12、束條件，最終運(yùn)行結(jié)果就可能得到調(diào)度作業(yè)時(shí)間表和相應(yīng)的調(diào)度方案圖。由調(diào)度作業(yè)時(shí)間表繪出的調(diào)度方案圖則更為直觀，可作為廠方實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的調(diào)度參考依據(jù)。需要指出的一點(diǎn)，在仿真調(diào)度方案制訂后，合理的溫度制度的仿真就迎刃而解?？紤]不可避免的溫度損失，盡量減少等待過程中的溫降，就可決定合理的出鋼溫度。各廠工藝流程不同，溫度損失、等待間隙、所煉鋼種均不同，溫度制度也不盡相同。3計(jì)算機(jī)調(diào)度系統(tǒng)的描述3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3為上鋼三廠轉(zhuǎn)爐分廠調(diào)度系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，該系統(tǒng)是由上位機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通訊卡和若干個(gè)工作站組成，ipcx344網(wǎng)絡(luò)通訊卡插在PC機(jī)內(nèi)，通過雙絞線和各工作站(下位機(jī))連接，網(wǎng)絡(luò)最大通訊長(zhǎng)度為13.2 km，最佳

13、使用距離為1 km，網(wǎng)絡(luò)上可掛255個(gè)工作站，使用1015個(gè)站的效果最好。現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)經(jīng)過各工作站(INS100系列模板)處理后與主機(jī)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通訊，并可通過上位機(jī)配備的INS控制器軟件包實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程過程檢測(cè)點(diǎn)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的監(jiān)控。INS100系列隨時(shí)輸入、輸出現(xiàn)場(chǎng)各種信號(hào)，而在現(xiàn)場(chǎng)各辦公室分設(shè)的若干工作站進(jìn)行終端顯示，如需要還能在轉(zhuǎn)爐分廠廠部辦公室安放終端顯示。調(diào)度人員通過屏幕即可了解生產(chǎn)中各工序?qū)嶋H情況和具體調(diào)度方案及其執(zhí)行情況。因現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)千變?nèi)f化，各工序盡管努力執(zhí)行計(jì)劃在規(guī)定時(shí)間內(nèi)組織生產(chǎn)，偏差仍時(shí)而會(huì)出現(xiàn)，此刻便導(dǎo)致后部工序自動(dòng)延遲，如這一推遲影響了下一工序的運(yùn)行，就產(chǎn)生紅燈報(bào)警，調(diào)度人員可通

14、過調(diào)整時(shí)間來改變調(diào)度方案。3.2計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)(硬件)應(yīng)用國(guó)內(nèi)自行開發(fā)的小型集散系統(tǒng)(DCS)，通過INS100系列產(chǎn)品完成數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、通訊多項(xiàng)任務(wù)，其關(guān)鍵技術(shù)是消化了美國(guó)英特爾公司的位總線(bitbus)通訊技術(shù)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)通訊部分加以改進(jìn)，提高了系統(tǒng)抗干擾能力。DCS系統(tǒng)對(duì)簡(jiǎn)單工藝流程可單級(jí)控制，對(duì)中等以上規(guī)模的流程可分級(jí)控制；系統(tǒng)中下位機(jī)配備了功能強(qiáng)大的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)；上位機(jī)可應(yīng)用PC機(jī)的豐富軟件，同時(shí)開發(fā)了在WINDOWS環(huán)境下的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多任務(wù)實(shí)時(shí)運(yùn)行。DCS系統(tǒng)具有成本低、可靠、使用方便靈活的特點(diǎn)。該系統(tǒng)還包括系列模板和INS控制器軟件包，包內(nèi)含各種工業(yè)控

15、制用的畫面和算法模塊，可供C語言調(diào)用。3.3軟件結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)調(diào)度系統(tǒng)軟件開發(fā)原則是以連鑄為中心，盡量減少鋼包等待時(shí)間來計(jì)算各工序的起始時(shí)間和間隙時(shí)間，從而滿足產(chǎn)量最高的要求。本系統(tǒng)編程采用的是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)Borland C+語言，開發(fā)了WINDOWS 環(huán) 境 下運(yùn)圖 3計(jì)算機(jī)調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.3Network topology on computer-aided scheduling system行的調(diào)度系統(tǒng)軟件。軟件的核心部分采用Borland C+編程，外圍的界面設(shè)計(jì)采用WINDOWS的豐富資源庫(kù)、類和通訊技術(shù)，并結(jié)合其它語言形成軟件實(shí)現(xiàn)環(huán)境，結(jié)構(gòu)如圖4所示。在WINDOWS環(huán)境

16、下可采用多媒體手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控，多個(gè)攝象頭的視頻信號(hào)可進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控畫面；加之相應(yīng)的音頻技術(shù)，使視頻、音頻、過程數(shù)據(jù)一起提供給調(diào)度人員。利用WINDOWS的多任務(wù)、多界面的技術(shù)，解決了各種信號(hào)及消息的傳輸與處理以及中斷的處理。圖 4調(diào)度系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)Fig.4Software system structure of scheduling system軟件的主要功能有：(1) 根據(jù)不同生產(chǎn)計(jì)劃制定出不同的調(diào)度，實(shí)現(xiàn)不同生產(chǎn)規(guī)則；(2) 可采用不同的調(diào)度方案制定出不同的調(diào)度策略，如：有方案1為使一座轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)處于最優(yōu)先的安排序列；方案2為使兩座轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)處于相同的使用序列；方案3為使三座轉(zhuǎn)爐生

17、產(chǎn)處于相同的使用序列，即每班每座轉(zhuǎn)爐有相同的產(chǎn)量；(3) 輸入每班或每天的生產(chǎn)計(jì)劃產(chǎn)量、鋼種、設(shè)備維護(hù)計(jì)劃、連鑄連澆爐數(shù)和更換包時(shí)間等數(shù)據(jù)；(4) 監(jiān)控或接受來自各下位機(jī)的故障數(shù)據(jù)；(5) 計(jì)算以標(biāo)準(zhǔn)的冶煉周期、吊車運(yùn)輸時(shí)間、精煉時(shí)間、鋼包等待時(shí)間為基礎(chǔ)，調(diào)度人員根據(jù)變化了的情況調(diào)整時(shí)間節(jié)奏。當(dāng)輸入基本數(shù)據(jù)后(如開吹、開澆時(shí)刻、連澆爐數(shù)等)，計(jì)算機(jī)模型就自動(dòng)給出合理的調(diào)度方案，利用彩色圖象顯示系統(tǒng)，可直觀地顯示各生產(chǎn)設(shè)備的工作時(shí)間、開始和結(jié)束作業(yè)時(shí)間的畫面，調(diào)度人員就可在輕松、直觀、便利的環(huán)境中指揮生產(chǎn)。應(yīng)指出，計(jì)算機(jī)調(diào)度是幫助人們及時(shí)準(zhǔn)確地作出決定，而決不應(yīng)取消人作決定的權(quán)力，所以說計(jì)算機(jī)調(diào)

18、度系統(tǒng)是煉鋼廠調(diào)度和操作人員決策時(shí)的輔助工具，調(diào)度模型多次使用后，積累較多的經(jīng)驗(yàn)再加以改進(jìn)，軟件就會(huì)更適合生產(chǎn)實(shí)際情況，一定會(huì)受廣大調(diào)度人員的歡迎。3.4上鋼三廠計(jì)算機(jī)調(diào)度系統(tǒng)的運(yùn)行狀況調(diào)度系統(tǒng)是直接面向調(diào)度人員(包括總調(diào)和區(qū)調(diào))，需準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)地獲取各個(gè)工序的各設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀況及生產(chǎn)計(jì)劃的執(zhí)行狀況等數(shù)據(jù)， 因此必須有較好的基礎(chǔ)自動(dòng)化的裝備，使計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。這勢(shì)必對(duì)基本現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)提出了準(zhǔn)確性、在線性、實(shí)時(shí)性和可靠到位的要求，它們是計(jì)算機(jī)調(diào)度系統(tǒng)運(yùn)行的基本環(huán)境。由于計(jì)算機(jī)調(diào)度系統(tǒng)涉及面廣，采集的數(shù)據(jù)多，數(shù)據(jù)要求嚴(yán)格等特點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中能全部滿足有困難，因此我們?cè)谏箱撊龔S采用了各工序的運(yùn)行參數(shù)就地采集，經(jīng)本地工作站的完善處理，使之滿足調(diào)度系統(tǒng)的要求。上鋼三廠轉(zhuǎn)爐分廠是一個(gè)老廠，基礎(chǔ)自動(dòng)化水平不高，給數(shù)據(jù)采集造成了困難和工作量大，與轉(zhuǎn)爐分廠的技術(shù)人員近2年的通力合作，現(xiàn)已基本具備了計(jì)算機(jī)調(diào)度系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)的要求，已投入生產(chǎn)的試運(yùn)行階段，積累經(jīng)驗(yàn)和摸索出轉(zhuǎn)爐分廠生產(chǎn)的規(guī)律，并加以修正，將與實(shí)際生產(chǎn)更加吻合。4結(jié)論計(jì)算機(jī)調(diào)度系統(tǒng)的開發(fā)在國(guó)內(nèi)是首次，雖然近3年進(jìn)行了有關(guān)物流管制方面的科研工作和上鋼三廠全連鑄生產(chǎn)實(shí)際調(diào)查、總結(jié)以及國(guó)