1 引言
现阶段多数钢铁企业采用面向库存和面向订单的混合生产模式，而钢轧一体化的DHCR(Direct Hot Charge Rolling，简称DHCR)生产工艺特征采用DHCR/DR(Direct Hot Charging Rolling and Direct Rolling，简称DHCR/DR)两种先进制造工艺的钢轧一体化生产方式将传统钢铁生产中的炼钢、连铸和热轧三大工序紧密地耦合成一个高温连续的生产系统，这对钢轧衔接生产调度提出了更高的要求。作为钢铁企业生产制造执行系统的重要组成部分，一体化计划与动态调度系统的建模必须充分考虑企业的生产模式和工艺特征。钢轧衔接生产调度系统是以生产计划和动态生产实绩为输入，利用连铸与热轧之间的板坯库和加热炉的缓冲能力，动态协调炼钢、连铸和热轧工序之间的生产节奏，确保各工序之间的紧凑性和连续性，以提高生产效率。
本文通过分析混合生产环境下钢轧衔接生产调度系统（ERP系统）的功能和影响衔接的关键因素，给出了动态协调策略，并基于UML建立了系统用例模型、静态结构模型和动态行为模型。动态行为模型中对象的活动图展现了随机扰动事件发生时的动态协调策略，系统能够基于缓冲能力协调各工序环节，以减少工序间的等待时间和提高设备利用率。
2 系统分析
2.1 功能需求
钢轧衔接生产调度系统是处于上层作业计划系统和下层过程控制系统的中间执行层，强调炼钢、连铸与热轧工序之间生产调度的衔接，对信息的实时性要求较高，需要及时地处理生产过程中的设备故障、质量问题等动态扰动，维持生产过程的稳定与平衡。因此，系统的主要功能包括：
(1)生产指令下达。接收作业计划管理系统制定的生产计划。把浇次计划和炉次计划转化成生产指令，并下达给炼钢厂过程控制系统；根据轧制计划和连铸生产实绩生成轧制指令，并下达给轧钢厂过程控制系统。
(2)生产实绩收集。在生产过程中实时收集各种生产实绩信息，主要包括生产作业执行时间信息、产品质量信息、物流量信息、产品温度信息、设备状态信息等。
(3)动态扰动识别。对收集的生产实绩信息进行分析，识别生产过程中的动态因素，如机器故障、在制品质量异常等，并通过系统报警通知调度人员进行控制。
(4)衔接区域控制。分析生产过程中的动态扰动因素，并根据扰动类型制定合理的调整策略，保持生产过程的稳定性和连续性。①根据某种算法计算加热炉的缓冲能力，当连铸和热轧工序出现生产波动或不匹配时，可以由加热工序进行一定程度的缓冲和调节。②对到达顺序混乱的DHCR板坯进行板坯排序优化，保证最大限度的直装比，减少板坯下线和板坯库的吊车作业量。③连铸机故障时，可以临时插入CCR板坯计划。轧机故障时，把DHCR板坯计划改为HCR或CCR板坯计划。
2.2 用例建模
统一建模语言(Unified Modeling Language，简称UML)是一种定义良好、富于表达、功能强大且普遍适用的建模语言。用例建模是从用户的角度来描述系统需求，用例图描述用例、参与者及它们之间的关系。根据系统的功能需求，分析系统的参与者和用例，给出系统用例图，如图1所示。
图1 钢轧衔接生产调度系统用例图
图1中，生产指令下达、生产实绩收集、动态扰动识别和衔接区域控制是钢轧衔接生产调度系统的主要用例；生产调度人员是钢轧衔接生产调度系统的主要参与者，他们参与系统对生产过程的控制；作业计划管理系统、工艺管理系统和设备管理系统是内部参与者，分别提供轧制计划、浇次和炉次计划，工艺规则以及设备状态信息；炼钢厂和轧钢厂过程控制系统是外部参与者，接收钢轧衔接生产调度系统提供的生产指令并反馈生产实绩信息。
3 系统设计
3.1 静态结构建模
在钢铁生产流程中，往往出现在制品质量异常、工序产能节奏不匹配和设备故障等动态因素导致生产过程的中断，所以系统要针对连铸到热轧工序之间的动态事件进行及时处理，保证生产过程的连续性和稳定性。根据系统的用例图，提取出生产指令、生产实绩、动态扰动、工序产能匹配、板坯控制和故障处理六个主要的类，其中工序产能匹配、板坯控制和故障处理是由衔接区域控制这一用例提取出来的类，如图2所示。
图2 钢轧衔接生产调度系统类图
图2以类图的形式给出了系统的静态结构模型，描述了系统中的类以及各个类之间的关系，其中六个核心类的主要功能如下：
(1)生产指令。根据作业计划系统制定的轧制计划、板坯需求计划、浇次计划和炉次计划，结合设备的产能信息生成生产指令下达到过程控制计算机。
(2)生产实绩。从过程控制计算机上采集生产过程中的实时数据，并反馈给动态扰动类。
(3)动态扰动。对生产实绩进行分析，识别可能发生的动态因素，以便在出现异常时及时进行系统报警。
(4)工序产能匹配。根据设备产能信息，调节各工序的生产节奏。保持板坯在各工序间流动的一致性和连续性，如果出现生产节奏不平衡，则通过工序可缓冲时间和生产速度进行协调。
(5)板坯控制。根据板坯跟踪信息．针对热轧工序的需求对板坯进行处理，包括板坯质量判定、DHCR板坯排序、DHCR板坯下线等操作。
(6)故障处理。针对生产过程中的设备故障，预计故障处理的时间和相邻工序的可缓冲时间，通过对故障所在工序的工艺约束条件或是工序相邻的柔性缓冲环节进行调整来保持生产的连续性；如果无法协调，则系统进行报警处理，由生产调度员进行调整。
3.2 动态行为建模
动态模型描述了系统随时间变化的行为，UML提供了时序图、交互图、状态图和活动图四种图来描述系统的动态模型。根据系统对信息实时性和动态性的要求，使用时序图和活动图来进行系统的动态行为建模。时序图描述了对象之间传递消息的时间顺序，向用户提供了事件流随时间推移的、可视化的过程。本文给出了钢轧衔接生产调度系统的时序图，如图3所示。
图3 钢轧衔接生产调度系统时序图
图3中各个类之间的交互过程可以描述为以下三个阶段：
(1)生产调度人员根据作业计划管理系统提供的轧制计划、浇次和炉次计划，进行任务指派和机器冲突消除，生成生产指令，把浇次和炉次指令下达给炼钢厂过程控制系统，轧制指令下达给热轧厂过程控制系统。
(2)生产实绩收集生产过程中的连铸出坯和板坯轧制信息，获取连铸和热轧的生产时刻表，并将生产实绩信息反馈给作业计划管理系统。对生产实绩进行分析，识别动态扰动因素，由衔接区域控制进行协调，保持生产的连续性；若出现严重不匹配，则进行系统报警，由调度人员采取相应的策略进行指令的变更。
(3)衔接区域控制对连铸到热轧之间工序的生产节奏进行协调，当出现机器故障时计算相应工序的可缓冲时间，并对故障修复时间进行预测，如果修复时间小于可缓冲时间则进行动态调整；否则，系统超时报警，由调度人员进行炼钢或是轧制指令的变更。
时序图强调了对象之间消息交互的时间顺序，满足了系统对信息处理的实时性和交互性要求，而活动图则描述了对象随时间变化的动态行为。
图4给出了衔接区域控制的活动图，主要分析了生产过程中出现连铸故障和轧线故障时系统的处理流程：
图4 衔接区域控制活动图
(1)连铸故障时，生产调度人员根据过程控制系统提供的连铸机浇注流数和拉坯速度等参数计算连铸与热轧工序间的物流平衡情况，并估计故障处理时间，判断放慢加热炉节奏后能否实现物流平衡，如果可以就调整工序的生产节奏；如果调节生产节奏不能消除故障影响，则要将板坯暂时放入保温坑中并将该浇次中未完成板坯计划向后延迟，然后从板坯库中查找与该轧制计划同类型的板坯进行替代，进行冷热混装加热轧制；否则取消原来的轧制计划，根据故障处理时间临时插入CCR轧制计划。
(2)轧线故障时。生产调度人员根据过程控制系统提供的加热炉运作参数计算工序间物流平衡情况，并估计故障处理时间，判断放慢连铸节奏能否实现物流平衡，如果可以就调整工序的生产节奏；后续的处理流程与连铸故障处理流程相同，这里不再赘述。
4 应用实例
我们将UML建模应用于钢轧生产调度系统的设计与实现，在上述模型的基础上，使用C#语言和Oracle数据库技术开发出了钢铁企业高级计划与排程系统APS。以系统中的热轧动态调度管理模块为例进行说明，热轧动态调度管理接收轧次调度以及板坯调度信息，并根据生产实绩中发生的扰动信息对板坯调度和热轧调度进行动态调整，保证调度方案变动最小。
图5是热轧动态调度管理的功能界面，调度人员可以实时查看热轧调度和板坯调度，根据生产实绩情况修改或终止某个轧次调度。
图5 热轧动态调度功能界面
图6是热轧动态调度甘特图，通过甘特图动态地展示轧次调度和轧次实绩的对比情况，以便于以人机交互的方式进行实时调度。
图6 热轧动态调式甘特图
5 结束语
在钢铁生产MES系统的开发与实施的实践中遇到的困难往往不是一个最优静态调度方案的生成，而是当静态调度方案在执行过程中遇到动态随机扰动因素后的人机交互实时动态调度方案决策问题，为了最大限度减少重调度方案对后续工序作业计划的影响，协调两者之间的动态关系一直是制约钢铁生产MES系统实用性的难点所在。本文通过分析钢轧衔接生产调度的特点，使用统一建模语言建立了钢轧衔接生产调度系统（ERP系统）的一系列模型，从静态结构和动态行为方面对系统进行了描述，该模型的建立为钢铁制造执行系统的开发提供了一定的理论指导。
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本文标题：基于UML的钢轧衔接生产调度系统建模
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