钢铁生产物流工艺过程监测与控制系统设计与实现
摘要： 文章运用生产物流管理的思想和方法，阐释钢铁生产物流工艺过程的特点、监控的问题和原因，提出建立物流仿真系统和物流自动化技术设计方案，有效实现钢铁生产物流工艺过程的监测与控制手段，对现代钢铁生产物流工艺过程的科学管理具有重要的指导价值。
Abstract： The article uses the ideas and methods of production logistics management and explains the characteristics， monitoring problems and causes of the steel production logistics process. It has proposed to establish the logistics simulation system and logistics automation technology design program， which effectively realizes the monitor and control measures of the steel production logistics process. It has an important guiding significance on science management for modern steel production logistics processes.
关键词： 钢铁生产物流；工艺过程；监控；系统化设计；价值实现
Key words： steel production logistics；craft process；monitor；systematic design；value realized
中图分类号：TF31 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）11-0079-04
0 引言
钢铁生产工艺是典型的有序动态运行的过程。就生产物流系统而言，钢铁生产工艺过程是钢铁企业生产物流监测与控制系统设计的重要组成。然而，钢铁生产物流流程是一类由不同功能但相互关联、相互支撑、相互制约的多工序和多装置及相关设施构成的、工序串联并集成运行的复杂过程系统[1]。现代钢铁生产物流主要包括原材料、在制品、产成品等物流工序衔接，是一个典型的离散和连续相混合的高温作业生产物流系统。与世界先进国家相比，我国钢铁工艺整体上还存在着一定的差距。以废钢为例，2010年我国废钢平均单耗为138.4kg/吨钢，即废钢比为13.84%，为近十年来废钢比的历史最低水平，而美国的废钢比已经超过60%，全球平均水平也在40%左右[2]。而造成这些差距的原因之一就是钢铁生产物流工艺过程的监测和控制不合理所导致的能源流和物流的浪费。虽然已经有学者开展了降低钢铁生产能耗流的研究，提出了生产物流过程控制和物性控制分析、物质流及能源流优化设计、过程控制和检测技术等方法，但是都是偏向于工序节点的局部技术层面的分析研究，忽略了作为系统的工艺过程整体监测与控制，特别是基于物流自动化和物流系统仿真模拟设计监测与控制系统化的研究。
1 文献回顾
“十二五”计划以来，我国大部分钢铁企业随着生产技术的进步和生产结构的调整，产品种类、能源使用率、设备自动化水平，以及物流、能量流、信息流的表现形式等都发生了实质性的变化。就现代钢铁生产物流而言，要实现对工艺过程中的物流、能源流的监测和控制，诊断生产中的瓶颈和关键路径，首先考虑的是基于系统仿真的模型设计。Petri网模型是目前用于研究炼钢物流仿真的主要方法，文献[3]和[4]给出了Petri网在炼钢、连铸物流生产调度仿真中的应用实例。郑忠[5]教授提出了以细胞自动机方法为主体的炼钢生产物流系统仿真模型设计方案，该设计方案着重阐释了生产物流业务流程的跨层次结构，具体表现为制造业务流程从模型设计的微观结构和自组织结构演变为宏观物流系统结构，通过企业生产物流系统实例验证了仿真建模方法的实施效果。冉茂华[6]等人利用Flexsim软件建立生产物流系统的仿真模型，运行仿真模型并分析仿真结果，找出生产物流瓶颈，以此来检测运输设备分配是否合理，运输路线是否通畅，生产物流周期长短等问题。
在生产物流自动化方面，杨启成[7]提出利用激光引导车辆系统LGVS（Laser Guided Vehicle System）技术的能力，开发废弃物料翻箱（倾倒）机构，实现车间废弃物料回收的安全、经济、高效、自动化运行，为提高生产现场管理水平，进而全面提升生产综合管理水平提供强有力的技术支持。张思维[8]总结了自动化立体仓库在烟草行业的应用现状，提出一种基于PLC的卷烟车间生产物流自动化立体仓库。孟伟[9]等发现了升降式平台的装卸模式可以有效地解决汽车生产物流中零部件装卸过程对包装造成损坏的问题。周升平[10]等设计了轮胎厂成型车间胎坯输送系统，分析了采用生产物流自动化系统为企业带来的利润。但是以上技术的应用，只考虑到了部分工序节点的工作流的优化，对于钢铁行业生产物流自动化方面研究不够充分，特别是还未对钢铁企业生产物流连续型作业环节的系统监测和控制、运输路线是否通畅，生产整体性等问题进行系统性研究。
2 钢铁生产物流工艺过程特点
生产物流是指在企业生产过程发生的涉及原材料、在制品、半成品、产成品等所进行的物流活动[11]。钢铁企业生产流程一般是由原料储存——原、燃料处理——还原炼铁——氧化炼钢——钢液凝固——钢坯再加热——钢坯热压力加工等工艺过程组成[12]。钢铁企业的生产物流具有以下几个特点：
①生产物流流程繁杂。钢铁产成品的最终制成需要经过很多道工序才能完成。这其中包括多个分厂联合制造，分段加工、分段运输、分段储存、分段管理。所需运载物料量大、物料种类繁杂、工序重复性和运送频率高。
②生产物流信息量大。钢铁生产工艺的复杂性决定了钢铁生产流程环节较多、流程较长等特点，在加上工序之间的原料、辅料等能源流的加入和工序间的衔接，因此，整个生产流程的物流信息量异常之大。
③生产协调性要求高。钢铁生产涉及多个工序、多个设备、多个部门的协调合作、运转。特别是生产物流业务流程分跨多个职能部门，需要多个部门共同合作才能完成。
④拉动式生产为主导。钢铁生产制造过程的关键特点是目前凸显的规模经济驱动生产批量。主生产计划是生产成品的计划，决定“上游”生产需求规模和速度，应该保证生产线上每一种产品每日平均需求量的生产率。
3 生产物流工艺过程监测与控制问题及原因
3.1 生产物流不确定性大 由于钢铁生产需要由先进、大型的生产和运输设备来完成，并且属于连续型和离散型同时并存的生产过程，因此设备之间、上下环节间的联系较强，后道工序往往受到前道工序的制约，一旦前道工序出现问题，将会给后道工序工作的开展带来很大的影响。此外，各分厂之间的生产物流联系密切，各种原料、半成品和成品的库存量以及运输设备的停留时间等都对生产物流产生影响[13]。
3.2 物流自动化程度偏低 由于生产管理信息系统（MIS）技术落后，对钢铁生产全过程信息的实时采集和数据分析程度不够，造成生产自动化技术和流水作业秩序上的混乱及其设备故障。专业物流自动化技术应用少、程度低，并且在生产流程中尚未建立流程式的物流自动化监控管理系统。
3.3 实时有效的生产过程监控复杂 钢铁生产物流的多工序、多设备、多物料、多信息等特点决定了钢铁生产流程需要及时有效的监控，尤其是钢铁生产过程的温度、压力、流量等运行状态的实时掌控，要有极为强大的信息管理和实时监控技术的支撑。由于缺乏有效的信息管理和监控组态技术，会造成物流、能量流、信息流的浪费，更重要的是使钢铁生产的危险系数大大增加。
3.4 集成协调环境（ICE）难度较大 所谓集成协调环境（ICE）通常是指现代工厂生产作业系统中工作组织架构设计的一种虚拟团队所处的工作环境。理想状态是由于供应链生产物流系统节点成员处于不同的地理位置，工作环节的业务流程是由专业化的ICE软件和更基础的协作系统支持，协作系统主要包括生产信息共享和信息流。由于许多公司最先使用的E-mail互动信息，然后才使用生产协作系统，生产协作系统的设计应包括实时的远程通信技术、视屏技术和网络会议，同时集成了项目管理和工作流自动化功能。简言之，集成协调环境使用的许多技术工具和方法并未得到相应的技术支持。
3.5 工序质量控制的方法单一 就钢铁生产产品质量而言，产品质量波动是客观存在的，一般情况下，除了关键工序的重要质量特性采用设立控制点方法进行重点控制以外，对一般工序和非重要质量特性的工序也不能不进行控制。工序质量控制的方法很多，对一般工序的质量控制不用采取一种单一的固定模式，按照生产工艺流程，批量大小，稳定程度随时调整。
4 系统仿真与物流自动化技术
4.1 建立Em-plant物流仿真系统
4.1.1 应用价值 系统仿真（system simulation），是以相似原理、系统技术、信息技术及其应用领域有关专业技术为基础，以计算机和各种专业物理效应设备为工具，利用系统模型对真实的或假象的系统进行动态研究的一门多学科的综合性技术[14]。Em-plant是Tecnomatix公司开发的主要用于实现关于生产、物流和工程的仿真软件。该软件适应了服务对象的图形设计、系统化的建模方案设计、系统化的结构和功能设计以及业务需求的仿真方法和工具，Em-plant全面解决各种规模化经营的企业和流水生产线所需的生产系统布局、产能设计、资源配置方案设计、效率分析和供应链物流系统设计以及各个业务领域的建模、仿真和生产系统优化等。
与其他几种常见的仿真软件的比较：Witness主要应用于生产调度方面的仿真；Arena主要用途是仿真仓储物流业务系统；Flexism主要用途是仿真港口业务调度和仓储分拣系统过程；而Em-plant的主要用途是仿真企业生产物流系统、复杂物流工艺过程系统以及混合流程型生产物流系统，它利用Simtalk语言对仿真过程进行语言编写，具有很强的灵活性[15]。因此，在众多的物流仿真软件中，选择了 Em-plant作为仿真工具。
4.1.2 仿真系统设计 钢铁生产物流仿真系统主要分为三层结构，即为仿真输入（确立仿真目标和条件）、仿真运行（基于Em-plant软件的仿真运算）和仿真输出。笔者在阅读大量文献的基础上设计了钢铁生产物流系统仿真的步骤，如图1所示。
4.1.3 运行机制
①面向对象的生产物流建模。仿真系统运行的前提是对真实钢铁生产系统中产品及设备的生产数据、参数的收集，并在此基础之上，运用Simple++技术抽象出仿真产品的模拟参数，随后建立产品的仿真模型。另一方面，应在整个工艺流程参数收集分析的基础之上，建立生产线上关键设备的对象模型，包括关键生产设备的组合建模和关键生产设备及上下衔接环节的组合建模[16]。最后，对前两个步骤建立的产品和设备仿真模型进行集成，从整个工艺流程的角度建立整个钢铁生产线的生产物流模型。
②模型运行及优化分析。根据所建立的仿真模型，结合生产任务，运用参数化动态仿真、Simtalk语言编写、数理统计分析、ActiveX可视化仿真平台等相关技术，并从生产物流环节中的瓶颈、生产路线通畅度，关键设备生产负荷、关键设备效率等方面对生产过程进行优化分析。
③优化改进方案的动态仿真评估。通过上面的优化分析提出整体系统优化的技术方案，重新建立钢铁生产工艺仿真模型。从生产物流环节中的瓶颈、生产路线通畅度，关键设备生产负荷、关键设备效率等方面，将原先实际工艺流程模型与仿真模型对比运行比较，以此来对优化改进方案进行判断、分析。通过反复多次的优化过程，得出最终的优化方案，并将方案应用到实际钢铁生产工艺过程之中。
4.2 物流自动化系统的设计 生产物流自动化技术主要的目的是用来实现生产工艺过程中不同工序、不同场地、不同设备之间的物料或者工具的自动传送。现代生产物流自动化技术更加注重整个生产系统的整体性、网络化、数据共享和智能化。结合钢铁生产物流的信息量大、工序繁杂等特征，设计的物流自动化系统[17]，应当包括计算机网络为平台的信息管理系统和工艺过程控制系统。钢铁生产物流自动化系统可以采用基于现场总线的控制系统，集成生产设备、可编程控制器（PLC）和现场仪表等技术，实现生产过程的自动化控制。
4.2.1 现场总线技术 现场总线技术是用于工业生产过程控制的新型工业控制技术，以数字方式进行现场电器、现场设备、现场仪表与控制室主机之间的双向、串行和多节点的通信系统。在现场总线技术基础上发展起来的全数字控制系统（FCS）技术在钢铁生产厂区的应用，可以彻底解决传统控制系统的一对一封闭回路、集中控制的缺点，将控制功能交给生产现场的智能仪表，实现分散控制、集中监控的目的[17]。采用FCS技术后，可以从现场得到更多的生产信息，而传输信息的线缆却减少了，不仅节约了成本，也可以对生产情况进行实时监控。尤其针对钢铁生产物流系统中使用的设施设备更为适用。诸如，①输送带系统：包括完成钢铁生产物料、在制品、半成品、产成品等的直线运输皮带输送机；或实现直线输送或弯道输送的滚轮输送机等。②升降作业系统：包括在物料入口处和出口处位置，可以采用自动升降系统；往复式垂直升降机，可使物料往返于地面输送线和空中输送线之间。③路径叉口控制系统：包括路径叉口分开和路径叉口合并控制装置，分别可以实现物料和产品从循环输送线到支路输送线的分流控制，以及入口处支路输送线到循环输送线的合流控制。可以实现钢铁生产主成品和副产品的输送和再利用的目的。
4.2.2 信息采集识别系统（条形码、RFID射频技术、激光扫描仪） 现行主流的条形码识别技术，从原理上来说是根据检测条形码条和空反射的发光二极管所发光线的强弱信号，放大后根据这个信号的强弱组合序列进行解码[18]。在钢铁生产管理中，可以对产品生产管理中的工耗、能耗、材料、加工进度等进行数据采集。
RFID射频技术是一种不用接触，通过无线射频信号自动识别目标并获取相关数据的自动识别手段。RFID射频技术按标签供电方式有两种：有源RFID卡和无源RFID卡。针对钢铁生产的高温特点，可以采用无源RFID卡，它使用寿命较长，一般在10年以上，并且系统一致性好。通过在钢铁生产加工厂自动化流水作业线上使用RFID射频技术，可以实现物料跟踪和生产过程自动控制、监视，实现生产效率的提高。
4.2.3 AGV自动引导小车 自动引导小车（Automated Guided Vehicles，AGV）又名无人搬运车，是诸如计算机集成制造系统（CIMS）为主导的工业自动化物流系统的重要设备，也被称为移动式机器人，是一种典型的无人驾驶的自动化、智能化物料搬运设备[19]。在钢铁行业，AGV可以用来运送重达几十吨的钢板。AGV可以根据钢铁生产工艺流程的要求灵活配置。在费用方面，与传统的输送带或者刚性的传送线相比，其运行路径改变的费用要更加低廉。
除了上面所述的六种物流自动化基本技术之外，还有自动分拣系统、工业机器人、柔性制造系统等物流自动化技术，将这些技术应用到钢铁生产工艺过程中，可以极大的提高生产效率，从长远角度看，实现生产成本的节约。
4.3 工艺流程监控——基于嵌入式监控组态软件技术 监控组态软件具有实时、远程监控、数据的采集和分析、工艺过程控制等强大功能。本文主要介绍嵌入式组态软件。嵌入式监控组态软件可以完成对设备的远程监测和控制，并能完成数据的显示、管理和保存等任务，在通用计算机上实现人机配置界面等功能，具有一定的技术先进性与现实意义。
总体而言，嵌入式监控组态软件由开发环境和运行环境两大部分组成。开发环境主要是用于组态的软件编辑器和文件，运行环境比较复杂，通过上机位的运行，来实现对系统数据的实时监控。开发环境由监控软件编辑器、嵌入式设备编辑器、监控组态结果文件和嵌入式设备编辑文件四个部分组成。监控组态结果文件由监控软件的后台运行器线程解释执行，设备上电器运行时，通过特定的通信接口，将配置文件下载到嵌入式设备内的只读存储器Flash中，通过上位机上开发环境和运行环境之间的组态和执行，由运行于嵌入式实时内核的组态解释引擎读取这些配置信息，并实时地解释，以满足具体的设备测控和远程监控需求[20]。运行环境由监控、测控软件构成，其主要作用是发挥监视、控制、设置三大功能。监控软件部分由数据库管理、功能界面模块和网络通信模块三个部分组成。其主要作用是对嵌入式设备进行远程监控、完成数据的显示、保存、查询、管理等任务。
5 效果
5.1 构建物流仿真系统前钢铁生产物流工艺流程模型（图2）
5.2 构建物流仿真系统后钢铁生产物流工艺流程模型（图3）
通过构建物流仿真系统前、后两个“钢铁生产物流工艺”流程模型比较（见图2、图3所示），相对于钢铁生产物流工艺系统而言，物流仿真工艺模型组态系统的设计是在整个物流仿真环境下对整个生产流程的优化控制，而不是局限于某个生产工艺节点，避免因生产无序状态下的物流、能量流的浪费，最大化地实现钢铁生产物流的仿真价值。
6 结论
综上所述，本文建立了一个基于系统仿真模型和物流自动化技术和监控组态技术相结合的钢铁生产工艺过程监测和控制优化方法，对现代钢铁生产物流工艺过程管理系统监测和控制具有一定的指导意义。
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