0 引言
钢铁烧结生产原料供应调度是烧结生产管理的重要环节，其调度的好坏将直接影响到烧结生产的效率。因此烧结生产原料供应调度系统在现代化烧结生产管理中扮演着重要的角色。国内自主研发的此类调度系统并不多见，国内外的研究资料表明，对于烧结生产原料供应管理还只局限在原料场内部含铁原料的管理上，并且没有和烧结生产实际过程相结合。在实际生产过程中很容易出现原料运输设备调度不协调等问题，影响烧结生产的效率。因此研究并开发出一套实时性好、实用性强的烧结生产原料供应调度管理系统，实现烧结生产原料供应调度的信息化，对钢铁企业烧结生产来说具有重大的实际意义。
本文在探讨了面向MES的钢铁烧结生产原料供应调度系统体系结构和功能的基础上，以提高烧结生产原料供应调度效率为主要目标，采用了模型加启发式算法和人际交互相结合的烧结生产原料供应调度计划编制方法和原料运输皮带流程调度计划编制方法，并利用此方法设计和开发了面向MES的烧结生产原料供应调度系统软件，建立了烧结生产原料供应调度的新模式，并采用现场实际数据对系统进行了仿真实验，实验结果表明了系统的有效性和可行性。
1 现状及问题描述
1.1 钢铁烧结生产工艺流程
钢铁烧结生产是将铁矿粉、燃料(煤粉或焦粉)、熔剂(生石灰、白云石等)、生产中产生的返矿按照一定的比例进行加水混合制粒。通过皮带运输机运送到混合料仓，然后由圆辊布料器铺到烧结机台车上，通过点火炉点火，将混合料中的燃料点燃。烟气由抽风机自上而下抽走，在台车移动过程中，混合料自上而下的熔融燃烧，当烧结矿燃烧至机尾时落下，经过单辊的破碎。运送至成品整粒系统，除产出的铺底料和返矿供烧结使用外，其余的部分作为成品烧结矿进入高炉。流程如图1所示。
图1 烧结工艺流程
1.2 现状描述
本文所描述的系统主要是针对烧结生产中的配料过程。在二号烧结厂的配科室内有存储原料的料仓26座，每座料仓都配有相应的称重设备和圆盘切料机。并有相应的DCS系统对其实行监控。从原料场向烧结配料车间供应原料的输送皮带有81条，可组成86个模式(一个起点到一个终点)，570余条流程(一个模式中的不同路径)的庞大皮带网络。虽然二号烧结厂实现了生产过程自动化控制，但在信息化方面却十分落后，其原料配比计算过程采用的是EXCEL软件实现的成分验算方法。原料供应调度计划编制也是采取人工编制的方式。其配料结果精度差、原料供应效率低已经很大程度上影响了二号烧结厂的生产效率。
1.3 问题与难点分析
本文以某钢铁企业二号烧结厂为实际背景，通过对现场实际生产过程的调研分析发现：
1)二号烧结厂烧结生产原料供应调度过程由人工管理，无法对现场生产指标的变化做出及时的反应，效率低下，已无法满足现场实际生产过程的需求；现场原料供应管理混乱，缺乏原料的跟踪管理，要了解物料供应的实时情况只能靠分厂调度员通过电话或去工作现场实地察看的方式获得现场实际生产数据，并根据这些临时了解的信息进行原料供应调度。缺乏统筹考虑，从而影响车间的生产协调和厂级计划的编制。
2)钢铁烧结生产是一个连续不间断过程，原料准备是烧结生产的开端。由于烧结生产所需的物科种类多激量大，怎样保证烧结生产所用各种物料能够，及时、保质、保量的供应。是烧结生产原科供应调度管理必须要面对的一个难点。但是由原料场通往绕结厂的物料运输主皮带模式数量有限，而烧结生产过程所需的物料种类又多，所需数量也大，因此安排物料的供应计划成为了烧结生产过程当中最为繁重的工作，如何编制出实时性好实用性强的烧结生产原料供应调度计划，实现烧结生产原料供应调度的信息化，是现场的工作人员急需解决的问题。
3)烧结生产过程当中，所使用的物料种类多、数量大。所用到的设备也同样种类繁多。并且在烧结生产过程当中极易产生各种各样的突发事件，如原料种类的更换、原料配比变化、设备故障等，这就给烧结生产原料供应调度计划的编制增加了难度及复杂性。如何针对现场出现的这些突发事件做出快速响应，并给出有效的解决方法，已成为烧结生产原料供应调度管理中最难解决的问题。
4)烧结生产原料输送是保证烧结生产不间断运行的重要环节。为二号烧结厂提供原料的原料场有81条皮带，可组成86个模式(一个起点到一个终点)．570余条流程(一个模式中的不同路径)。由这81条皮带组成的皮带网络担负着混匀矿生产和烧结生产原料供应工作。因此怎样能够针对这一庞大的皮带网络，迅速的编制出优化的实用性强的原料供应皮带调度计划也是烧结生产原料供应调度系统要面临的又一难点。
2 面向MES的钢铁烧结生产原料供应调度系统的设计
2.1 系统设计原则
面向MES的钢铁烧结生产原料供应调度系统像其他的软件系统一样，首先应具有实用性，可靠性和易于维护等特点。此外，面向MES的软件系统在设计和开发过程中，还应考虑与原有系统的集成问题，为此提出如下设计原则：
1)实用性和可靠性原则 系统的研发是根据某钢铁企业二号烧结厂原料供应调度管理的实际需求提出的。所以，本系统的设计和开发将实用、好用作为第一准则，原料供应调度管理是烧结生产管理的重要环节，调度管理的好坏将直接影响到烧结矿的质量和生产效率。因此，系统的可靠性要高。
2)通用性和专用性原则 钢铁烧结生产的工艺流程是相似的，建立一个通用性好的原料供应调度系统软件是非常必要的。面向用户需求开发在确保专用性能好的前提下，要兼顾系统的通用性，避免同行业重复开发所造成的人力财力的浪费。
3)集成与可扩展性原则 面向MES的钢铁烧结生产原料供应调度系统除了要考虑系统的实用性和可靠性等问题，还需要考虑与MES内部其他模块的集成问题及与上层(ERP)和下层(PCS)的信息传递问题。
2.2 系统开发及运行环境
鉴于系统只应用于烧结厂的生产调度指挥室内，因此系统采用Client/Server(简称C/S)结构，这样有利于在客户端上开发一些复杂的算法和模型，以增加系统的功能应用效果。系统采用Oracle 10g EntERPrise关系数据库，数据库运行环境为Win 2003 Server。开发环境采用当前最为广泛使用的Microsoft.net平台，开发语言为C#。
2.3 系统结构
系统结构如图2所示。
图2 系统结构
作为烧结厂MES系统的一个重要子系统，面向MES的钢铁烧结生产原料供应调度系统的主要功能是，为烧结生产原料供应调度提供符合现场情况、满足工艺要求、高效的烧结生产原料供应调度计划与之匹配的原料运输皮带流程调度计划。依据系统设计原则，结合现场对调度功能的需求，将系统划分为配料优化模块、静态调度模块、动态调度模块、人机交互计划调整模块、原料供应皮带调度模块。
2.4 系统内部流程
钢铁烧结生产原料供应调度系统由配料优化模块、静态调度模块、动态调度模块、人机交互计划调整模块、原料供应皮带调度模块5个模块组合。系统内部流程如图3所示。
图3 系统内部流程图
首先，系统根据生产参数由配料优化模块对烧结生产原料配比进行优化运算。
其次，依据上层ERP传入的计划信息和配料优化模块传入的烧结生产原料配比信息，静态调度模块进行人工经验修正，最后得到可实际运行的原料供应调度计划。
再次，经确认的原料供应调度计划将被发送给原料供应皮带调度模块，由该模块编制出与原料供应调度计划相匹配的原料运输皮带网络调度计划。并将这些编制好的计划以指令的形式下达到PCS层，同时这些计划也将被反馈到上层的ERP系统。
最后，如果正在执行的作业计划受到随机因素干扰而无法按原计划执行，PCS层会将扰动信息和现场实际数据及时反馈到动态调度模块，模块从中接收可用的信息调度作业计划，并将调整后的计划信息从新下放到PCS层和反馈到上层ERP系统中。
2.5 系统功能描述
1)配料优化模块 配料是烧结生产的起点，原料配比的好坏将直接影响到烧结矿的质量，因此配料过程对烧结生产起着决定性的作用。配料优化模块利用数学模型对烧结原料配比进行了优化计算。为了保证计算的可靠性，模块给出了两种算法以供选择。并且可根据现场情况按模块提供的原则自行设置模型和算法参数。此外模块还提供了配料优化计算结果的验算功能，对优化结果进行验算，以增加系统的可靠性。
2)静态调度模块 静态调度模块主要实现二号烧结厂生产车间中原料仓的原料供应调度计划的编制。模块从ERP系统获取生产计划信息及相关工艺参数、从PCS系统获取生产实际信息、从配料优化模块获取烧结生产原料配比信息，采用模型与启发式算法相结合的方式编制出烧结生产原料供应调度预计划，并以甘特图的形式显示在人机交互计划调度整模块上，同时将计划反馈给ERP系统，并以指令的形式下放到PCS层。
3)原料供应皮带调度模块 原料供应皮带调度模块主要功能是编制与烧结生产原料供应调度计划相匹配的原料输送皮带流程调度计划。模块接收经人机交互计划调整模块确认的烧结生产原料供应调度计划、从PCS层接收原料厂皮带模式及流程状态信息，采用启发式算法编制原料输送皮带调度计划，然后将计划反馈给ERP系统并以指令的形式下放到PCS层，配合烧结生产原料供应调度计划完成烧结生产原料供应调度工作。
4)动态调度模块 动态调度的主要功能是对实际生产过程中所遇到的一些扰动因素进行处理。在实际生产过程中生产调度计划会由于生产状况的改变而无法顺利执行，这时动态调式模块根据PCS层提供的现场计划执行情况、设备运行状态及ERP层的计划信息等生产实际数据，判断扰动的类型给出处理结果。
5)人机交互计划调整模块 为了能够充分发挥现场调度人员丰富的管理经验，以及方便调度人员对作业计划进行编辑和修改，系统提供了甘特图界面编辑功能，实现了有效的人机交互。现场调度人员可根据自身的经验对调度计划进行修正，从而使调度计划更适应现场的实际生产状况，从这个意义上说系统具有一定的智能性。系统不仅为调度人员提供了一个友好、方便的人机交互操作平台，也为本系统搭建了一个集成平台系统的人机交互界面。
2.6 烧结生产原料供应调度计划编制方法
烧结生产原料供应调度计划编制时原料供应调度系统最中意的功能，其结果为烧结配料车间中存储原料料仓的供料计划。本文通过对现场实际工作的调研，建立了烧结生产原料供应调度计划编制模型，并采用一种启发式算法和人机交互想结合的计划编制方法。
烧结生产原料供应调度，即为烧结生产车间中装有m种物料的n个料仓安排原料供应计划。本文建立的模型如下：
1)符号说明
(1)下标 i为烧结配料车间中存储物料料仓的编号，i＝1,2，...，n；j为烧结生产所用的物料种类，j＝1,2，...，m；t为料仓供料序数，t＝1,2，...，n；
(2)参数 TS时间内烧结生产所需各种原料的总量为Wour；TW：物料供应理想使用时间，TW＜TS；aj：第j种物料的配料比例；bj：第j种物料的供料速度；cij：第i号料仓中装有的物料j的使用速度；Pij：料仓i对物料j的承重上限；Tij：第j种物料和第j*种物料相邻供料时的切换时间；xij(t)：被安排在第t个开始，装有物料j的i号料仓的物料初始值。
为准确建立解决描绘问题的数学模型，除上述所作的定义外，本文进一步做出如下假设：(1)烧结车间中每个料仓中存放何种物料为已知；(2)计划时段暂不考虑设备计划维修情况。
2)数学模型
根据问题描述以及上文定义的符号，建立如下数学模型：
模型为实数范围内的规划问题，其中，式(1)目标函数中包括物料运输时间和物料种类切换时间；式(2)、式(3)、式(4)为取值约束；式(5)为料仓供料上限约束；式(6)为物料供应满足需求量约束；式(7)为物料供应总时间约束；式(8)约束为一次最多只能给一个料仓进行供料；式(9)约束为在供料计划中每个料仓最多只能安排一次供料；式(10)料仓不能为空。
3)模型求解
本文中所描述的烧结生产原料供应调度计划编制模型为一个实数范围内的规划模型，和混合“0—1”规划问题极为相似。为了能够给求解带来方便，在一定的条件下，系统将模型转换成了混合“0—1”规划模型，并采用了一种启发式算法与人机交互相结合的计划编制方法，保证了计划编制的有效性和可行性，并且该方法也充分利用了现场调度人员丰富的经验。从某种方面说，系统的求解具有一定的智能性。
3 仿真实验
某钢铁厂是一个综合自动化水平较高，生产规模为中等水平的中型钢铁企业。但其烧结生产原料供应调度仍是以人工为主，人工编制原料供应调度作业计划效率低，难以满足现场实际生产状况的需求。同时也不利于企业内部MES的实现、不利于企业整体管理水平的提高。本文所描述的面向MES的烧结生产原料供应调度系统可帮助企业解决本文中叙述的企业所遇到的问题。
在烧结生产原料供应调度管理中，现场最为关心的两项指标为：在满足烧结矿化学成分要求的前提下其原料成本及一次原料供应所用的时间。基于以上两个指标应用现场实际数据对系统进行了离线仿真实验，并与现场最优方案进行了对比，同时采用归一化加权求和的方式对两项指标进行了综合指标评价。本文结果和现场最优方案的对比结果如表1所示。
表1 系统指标评价
结语
本文建立了面向MES的钢铁烧结生产原料供应调度系统的体系结构。系统内部采用了数据集成技术、模型技术和人机交互等多种技术，建立了一个实用灵活的调度系统。纵向它能对上层ERP和下层PCS传入系统的信息及时做出应答，横向预留了与上游工序和下游工序的管理系统集成的接口。速度快、效率高，能为调度人员提供智能的决策支持。系统的研发不仅给企业带来了经济效益，对同行业其他烧结厂内部MES系统的实现具有重要的参考价值。
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本文标题：面向MES的钢铁烧结生产原料供应调度系统
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