原料场智能混匀堆积作业指导系统研究范文

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《冶金自动化杂志》2016年第三期

摘要:

分析研究原料场的混匀堆积方案和过程，开发以实时状态为基础的仿真系统。通过对每班事先下达的作业计划提前进行仿真计算，指导混匀作业生产过程，最终达到减少混匀作业过程中人工操作的次数和提高混匀工作效率的目的。

关键词:

混匀;智能堆积;实时系统仿真;互斥锁

近年来，各钢铁公司为了适应新常态和企业生存的需要，降低成本成为其核心任务。原料场作为钢铁企业最大的成本中心，自然而然成为钢铁企业降低成本的主要瓶颈。所以，钢铁企业试图通过采购更廉价的原材料和减少管理人员来降低成本，但是，该方式带来了新的问题:采购更廉价的原材料会导致混匀的品种增加和成分波动，需要更精确地分配任务;减少管理人员，导致管理岗位的工作难度增加，需要更高效的辅助管理工具协助完成任务。针对上述问题和需要，本文对原料场混匀堆积过程进行研究，开发原料场智能混匀堆积作业指导系统(简称混匀作业计划指导系统)。该系统将混匀堆积现场的实时状态读入，再根据预设方案进行模拟仿真计算，并能对每班事先下达的作业计划提前进行生产仿真，最后将仿真优化方案输出给调度人员或L2系统，实现对混匀堆积作业的智能指导。该系统能减少混匀堆积计划和作业中的人工操作，提高混匀堆成分的稳定性，从而在稳定混匀堆积质量的前提下，减少混匀生产的整体成本。

1工艺流程

混匀工艺［1－4］是通过各种混匀设施，将多种含铁粉矿和生产过程中的剩余物料按照一定的配比均匀地混合成为供烧结使用的原料。混匀工艺流程如图1所示，其中混匀矿料条A和B相互交替出料。为了保证烧结用料，混匀矿料条必须要有1条处于出料状态。

2系统组成

混匀作业计划指导系统沿用的是“原料场混匀系统物流仿真模型”［5］的混匀堆积工艺和“BLOCK”堆积管理方式，该模型以混匀工艺为核心，采用4个“BLOCK”堆积管理方式实现了混匀系统设计方案的仿真。经分析，该模型采用了固定混匀工艺、静态数据和离线式仿真的研究方法，但其实用性和灵活性不足。为此，本文开发了混匀作业计划指导系统结构，如图2所示，通过物流仿真开发工具软件———FLEXSIM提供的数据接口，将基础自动化L1和过程自动化L2提供的设备状态、作业计划、堆位(一般指原料料堆的质量、体积、坐标等，本文主要指原料堆的质量，单位:t)情况等实时数据读入到仿真模型中，再根据预设的堆积方案进行仿真计算，最终输出每个班次的作业计划，并将优化后的作业计划输出给制造企业生产过程执行系统(MES)或者管理人员，从而实现对混匀作业任何状态的动态仿真计算和实时作业指导。

3系统功能

3．1接口管理模块如图2所示，混匀作业计划指导系统专门设计了接口管理模块，其目的是解决FLEXSIM系统的输入限制问题。虽然FLEXSIM提供了SQLServer、Oracle、Excel等多种数据交互方式，但是，其数据处理能力较差，无法同时处理不同版本SQLServer、Oracle、Excel提供的数据。根据现场情况，各个钢厂混匀堆积生产过程中的自动化系统提供数据无法标准化，版本差异较大。所以，在混匀作业计划指导系统中需开发具有数据转换的接口管理模块，以实现FLEXSIM模型输入和输出的标准化。其主要功能如下:将不同版本的数据转换为FLEXSIM标准的表结构;对外部获得的数据进行筛分和判断，防止输入生产中的异常数据，导致系统崩溃;管理外部接口，监控所有接口的实时状态，确保交互数据的实时性;预留部分开发功能或接口，供其他系统的接入。

3．2全三维仿真模型本文利用FLEXSIM软件构建了由料场模块(包含一次料场和副料场)、原料场胶带机系统模块、混匀胶带机系统模块、混匀槽模块、混匀堆模块和烧结配料模块组成的混匀堆料三维仿真模型。模型示意图如图3所示。本文主要研究和开发混匀堆模块和混匀槽模块，其中，混匀堆模块通过智能等硅堆积和互斥锁功能，实现混匀堆积的智能化控制和混匀作业指导功能;混匀槽模块通过控制分级初始化方式，实现整个混匀堆料系统的实时仿真功能。模型的其他模块，即料场、原料场胶带机系统、混匀胶带机系统和烧结配料模块，利用FLEXSIM基本机制完成，通过混匀槽模块根据堆积工艺和流程实现集中管理和控制。

3．2．1智能等硅堆积根据各钢厂的生产经验和实际要求，混匀作业指导系统沿用了“BLOCK”堆积管理方式、等硅堆积(或等硅等铁堆积)、人字形堆料－双斗轮取料工艺模式等工艺思路［1］。“BLOCK”堆积管理方式是把一个大堆的堆积过程平均分成4个堆积阶段，即4个“BLOCK”，在混匀槽上设置“Flag_Count”标签进行堆积阶段的计数。堆料机来回堆料形成人字形的料堆，并且堆料速度往返相同。每个“BLOCK”的成分和大堆设定的目标成分基本相同，每2个“BLOCK”之间设置相同的等待时间，用于表示混匀堆料机的方向以及速度调整的时间间隔。混匀A、B料条采用互斥锁方式保证料堆正常输出。实际生产中也可根据需要将4个“BLOCK”调整为2个“BLOCK”，即原来前3个“BLOCK”合并为1个，最后1个“BLOCK”作为调整硅含量的“BLOCK”单独存在。等硅堆积(或等硅等铁堆积)即预先计算出整个混匀矿大堆料中SiO2的比例(质量分数w(SiO2))，然后在输出时的任意时刻使得物料SiO2质量分数与大堆预算SiO2质量分数基本相等。由于混匀料场有的有MES，有的没有，所以，作者采用2种方式实现等硅堆积。对于有混匀MES的，本系统将混匀堆积计划任务输出给MES，由MES计算并返回阶段堆积计划表，如表1所示，系统将该计划编入执行任务表，实现等硅堆积。该表是模拟2016年1月1日开始，240h(10d)堆积计划中第1个“BLOCK”的堆积计划。对于没有混匀MES的，根据定量配料装置CFW等硅切出速率的优化算法［1］，智能编制如表1所示的堆积计划，然后利用其输入仿真模型进行智能等硅堆积仿真计算。

3．2．2互斥锁根据混匀工艺，为保证烧结需要，A、B混匀料条中必须有一个料堆正常输出。但是，由于自动化系统仅提供了“堆位”、“工作状态”、“当前任务”等状态信息，所以当初始状态为“BLOCK”间的等待状态时，仅靠自动化系统提供的信息无法判断哪个混匀堆正常出料。为此，本文采用互斥锁［5］概念，开发了混匀堆互斥锁功能，以解决该问题。互斥锁即设置一个对象的标志量，设置目的是只允许一个进程或程序调用该对象。互斥锁开发涉及到以下几项内容。(1)定义。根据现场调研和仿真计算，混匀堆积时间远远小于混匀出料时间，所以这里的互斥锁是指混匀料条堆料的互斥锁。在混匀堆模型料条上定义一个“Piling_Input”标签作为互斥锁(简称PI互斥锁)。PI互斥锁满足以下功能:1)原子性。防止任务在同一任务周期内，向不同的混匀料条进行堆料作业。2)唯一性。一旦一个堆料任务锁定了混匀料条，则在解锁前，其他任务不能锁定。3)非执行等待。如果一个任务已经锁定了PI互斥锁，另一个任务又试图去使用这个PI互斥锁，则该任务将被挂起(不再循环发消息)直到第1个线程解除对这个互斥量的锁定为止，挂起的任务被唤醒并继续执行，同时锁定这个互斥量。(2)初始化。为了解决自动化系统无法提供准确信息的问题，本文通过外部MES或者人工输入，确认混匀料条中堆料的对象料条，在系统初始化时将其PI互斥锁锁定，防止初始化误差造成堆取错误;同时，将另一料条解锁，进行出料作业。(3)锁定。当某混匀料料条开始堆料时，该料条就立刻被锁定。(4)解除锁定。烧结模型的要料原则是向堆位低的料条发出要料，所以，PI互斥锁的解锁条件是该料条堆料完成后，进入等待或出料状态时PI互斥锁解锁。(5)避免“饥饿”和“死锁”。“饥饿”是指互斥锁一直没有被解锁;“死锁”是指所有任务相互制约，都被挂起等待解锁。由于混匀的PI互斥锁是一个单独的互斥机制，不与其他模块共用，因此，设立时间约束机制并定期释放堆积任务，可以避免产生“饥饿”和“死锁”状态。

3．2．3实时仿真实时仿真是将现场任何状态读入均可以实现计算仿真，并输出对应的作业指导计划。由于现场数据是连续变化的状态，因此有无限种可能出现的输入数据。本文根据混匀“BLOCK”堆积管理要求和对混匀槽消耗的统计分析，提出了状态分级初始化和分级处理的实现方法。(1)分级初始化。整个模型的核心是混匀槽。混匀槽控制核心是料堆堆积期间不能断料。根据统计和现场操作的实际情况，混匀槽槽位有2个关键标志位，即要料位和紧急位，其中，要料位是当物料位置低于某个槽位时，建议给槽加料;紧急位是物料位置到达某槽位时，该槽必须立刻进料，否则，来料达到前会出现断料。混匀槽有4个状态，即空闲、出料、进料、预约(等待)。根据混匀槽的状态和特点，本文设计了12级状态分级初始化，如表2所示。(2)分级处理。根据混匀工艺的特点和仿真需求，混匀模型中料场模块(包含一次料场和副料场)和原料场胶带机系统模块根据混匀槽的状态与混匀槽模块一起进行分级初始化处理，如表3所示。

3．3作业计划表输出通过FLEXSIM系统用全局表记录所有的作业计划，如表4所示(截图)。最后通过接口管理，将该表输出到MES或提供给管理人员。

4应用效果

2015年12月，根据某钢厂历史生产数据模拟仿真生产200万s(23d)，系统计算的作业计划在不同初始条件的平均误操作率小于5%，该软件也成功地将混匀计划编制时间从人工12h缩减到不足30min，基本实现无人操作。所有指标基本达到钢铁企业的设计要求。对比国内外类似系统［6－7］，该系统除实现以实际生产状况下的混匀作业计划指导以外，还能对作业计划动态调整，提高了生产计划的灵活性和可操作性。

参考文献:

［1］张青，陈明．宝钢原料场混匀堆积技术创新与实践［J］．炼铁，2005(增刊):117．

［2］范文．江西新余钢中和料场混匀堆料技术创新［J］．民营科技，2013(12):302．

［3］李华刚，张衍均，陈明，等．宁波钢铁炼铁厂等硅等铁智能堆积控制改造系统的设计与应用［J］．冶金自动化，2011，35(增刊1):560．

［4］张忠德．烧结料场混匀堆料技术探讨［C］//2010中小高炉炼铁学术年会论文集．哈尔滨:中国金属学会，2010:273．

［5］赵慧斌，李小群，孙玉芳．改善Linux核心可抢占性方法的研究与实现［J］．计算机学报，2004(2):244．

［6］王沛庆，陈尚伦，徐林伟．原料场混匀系统物流仿真研究［J］．钢铁技术，2012(2):33．

作者：马怡 单位：重庆赛迪冶炼装备系统集成工程技术研究中心有限公司系统优化研究室