浅析钢铁生产线的动态调度

吴苓王德云

摘要：文章结合钢铁生产线的特点，从自动化信息集成的角度进行了探讨研究，对提高生产线自动化动态调度有积极意义。

关键词：三层集成模型、信息流、监控管理

我国钢铁产业的产量低，质量差，效率低的特点，严重的制约的国家经济的发展。造成这种局面的原因，宏观上讲是我国的独特历史原因，从微观上讲是我国的技术落后，自动化程度低等。提高钢铁生产线的动态调度，实现高自动化率是解决钢铁行业现状的有效途径。

1.自动化生产线信息管理的结构模型

针对钢铁自动化生产线的特点，参照美国先进制造研究机构“AMR”提出的制造企业三层集成模型，笔者提出基于钢铁生产特点的信息管理结构的纵向三层模型，如图1所示：

1.1 管理层：主要是ERP、PDM供应链管理(SCM)等系统 它的主要功能有：向下层发送工厂的生产任务（包括任务要求、物料需求、工艺规程等）；整理下层传送过来的生产线上的实时信息（包括设备状态信息、设备故障信息、生产状态信息、各工序质量信息、任务完成状态信息等），并做出有效、迅速的响应，根据实时信息对生产进行准确的调整，保证生产活动的高效、安全、稳定进行。

1.2 执行层：位于执行层的信息系统强调计划的执行和设备之间的信息交互 依据管理层下达的生产计划和指令，专用监控管理装置根据设备实时性能设定生产参数，控制产品的生产过程及其相关的操作。

1.3 控制层：位于信息结构模型的底层，主要负责信息的采集和设备的控制 通过现场总线直接与现场监控设备（如传感器 变频器等）相连，对生产过程和设备进行实时监控，并对实时生产数据进行采集，由执行层传递给管理层 该层各种控制系统如可编程控制(PLC) 数据采集监视控制系统(SCADA)等实现设备的自动控制，以保证生产出合格产品并采集实时生产数据。

2．自动化生产线信息流

执行层是连接生产任务和底层设备的枢纽，通过执行层可以将管理层的生产任务和工艺规程等生产信息下发到设备层进行生产，同时可以将底下控制层的生产状态信息实时反馈到生产管理层面，使得相应的信息传递到需要的人。所以，在信息处理方面，要求实时在线采集大量的生产过程数据、工艺质量数据、设备状态数据等，要及时处理大量的动态数据，保存许多历史数据，分析过程变量的趋势，并以图表、图形的形式予以显示。因此，清晰的自动化生产线信息组成结构对其信息的集成具有重要作用。

由信息结构可知，工程数据库主要是体现生产过程状态的一些实时数据。根据自动化生产线信息结构和生产过程中的信息交换的需要，设计自动化生产线信息集成流程图，如图2所示。

由图2可知，在自动化生产线执行层中，专用监控管理装置起着连接上层信息和下层信息的纽带作用。一方面，接收来自MRPⅡ/ERP 系统的生产计划、库存信息，以及工艺技术资料等，根据生产线的能力状态制定生产作业计划，并把生产指令、控制参数下达给底层控制系统；另一方面，系统接收底层传递来的任务完成状态、设备状态和在制品状态等实时信息，经过一定的汇总处理后，把生产任务完成情况，在制品(WIP)信息和质量成本信息等传递给MRPⅡ/ERP 系统。例如在热轧生产线的信息交互过程中，专用监控管理装置的功能主要包括：生产线监视功能；工艺信息查询管理；故障提示及故障查询功能；现场显示功能；生产线自动控制 采用PLC分布控制方式，将系统划分为多个控制区，通过通讯而完成集中控制 智能编组和同步控制功能。

3.自动化生产线信息集成方案研究

自动化生产线上由各种不同的设备组成，不同的设备使用不同的操作系统，这就造成了信息的异构性。要实现图3的信息交互就需要生产线上的信息集成。所谓集成就是通过接口实现不同功能系统之间的数据交换和功能互连，形成一个协同的整体，从而实现更强的功能；从应用系统的角度看，信息集成的本质是如何在异构的信息系统间传输信息和转化信息。

如图1自动化生产线信息管理纵向结构模型所示，专用监控管理装置与生产线中的基于网络的企业监控管理平台相连，通过嵌入式的专有应用软件实现企业内生产计划下发、工作数据上传、音视频和文字信息传递，以及对生产现场中各输送、存储设备和升降机、切割机等设备的状态实时状态监控。各种设备异构信息系统之间的信息传输和转化，也是通过专用监控管理装置来实现，该设备的自动化生产线上的信息都将通过其对应的信息终端进行该设备的信息集成，并且该装置会存储相邻的专用监控管理装置的信息目录。当需要信息交互时，根据信息目录通过以太网，利用对等网络技术，定时或者触发式的发送或接收相关的信息到达对应需求的专用监控管理装置 上层管理系统通过对等网络直接向各个专用监控管理装置下发生产任务、技术要求、工艺要求等。对于客户要求的工艺变更或再生产加工要求的工艺变更，管理层可以直接根据工艺要求向相应的专用监控管理装置发送变更工艺要求信息，由专用监控管理装置自主制定工艺规程、工艺参数等信息的变更。监控管理装置也可以把自己的工作数据和监视数据通过专有应用软件传到指定的企业监控管理平台数据库中；并且利用专有应用软件还可以实现监控管理装置之间进行音频、视频、文字或者三者之间组合的信息交互和传递。

在同一自动化生产线上，当其中一个监控管理装置监测到生产状态的异常信息时，该装置会根据预先嵌入的相关软件的设定，将最佳的修正信息发送到设定的各个相关的监控管理装置。

4.应用案例

在自动化生产线上，监控中心的监控管理平台数据库中保存有每个监控管理装置在某段时间内的工作任务。当联网后，监控管理平台可以通过局域网来实现工作任务或管理数据自动下发到指定的信息终端，而监控管理装置也可以把自己的工作数据或管理数据通过以上途径上传到指定的监控管理平台数据库中。监控管理装置可以对生产过程中的任务信息 生产信息和设备信息等进行较为全面的监控，在此本文仅重点列出了热轧粗轧机传动轴的在线实时监控。

轧机传动轴作为轧机的重要关键部件，其断裂或破坏等故障直接影响了生产的进行，造成的损失巨大 轧机传动轴发生破坏的原因较多，用一般的负荷和强度设计计算往往难以解释；研究表明，这类破坏大多与传动轴扭振有关。图3为系统对某热轧厂生产线粗轧R1、R2机组传动轴扭矩的监测。监控管理装置通过信号采集与控制模块（SCADA）对 R1 R2 主传动系统扭矩和R1、R2主电机转速及电流、轧制力P，这四个对象进行实时信号同步监测。 扭矩测点布置在上、下万向接轴上，如图3所示。

执行层的信号采集与控制模块（SCADA）对扭矩、电机转速、电流、轧制力这四个实时信号进入采集，经过处理后通过网线传输到管理层的远程监测与诊断服务器上。远程监测与诊断服务器则可放置到粗轧机的控制室内。将得出的实时监测到的轧机扭矩波形，与传统的轧机扭矩测量系统相比，对异常状况进行报警和预设提示处理。管理层对异常状况的动态处理方案下达到执行层对应的监控管理装置，由监控管理装置通过现场总线向控制层传达操作指令，进行工艺量调整等操作。

参考文献：

【1】 李慧莹, 岳恒, 柴天佑. 钢铁企业生产指挥系统集成研究[J]. 控制与决策, 2003, (06)

【2】 胡连根. 亨特铸造自动化生产线在我厂的应用[J]. 铸造设备研究, 2003, (04)

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。