安鋼鐵前生產(chǎn)物流管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

谷 莉 韓志海 張柳豐 鄭一暢 張楊冰

（1.安陽鋼鐵股份有限公司； 2. 安陽鋼鐵集團有限責任公司）

0 引言

鋼鐵生產(chǎn)是一個多工序的連續(xù)作業(yè)過程，物流、動力介質(zhì)、設備保障共同形成了鋼鐵生產(chǎn)的三大保供體系。而物流活動的絕大部分則集中在燒結(jié)、球團、煉焦、煉鐵等鐵前工序中，因此，鐵前生產(chǎn)中的物流管理對鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)組織是至關重要的。安鋼集團為了推進“綠色、高效、高質(zhì)量”發(fā)展，以5 000 m3級高爐為核心新增了500 m2燒結(jié)機、9 m干熄焦等許多產(chǎn)線，生產(chǎn)規(guī)模擴大了許多倍，物料系統(tǒng)也經(jīng)過了多次改造。產(chǎn)能的提高和物料品種的增多，使得鐵前系統(tǒng)生產(chǎn)工藝線路繁雜而無序，原料供應鏈的生產(chǎn)節(jié)奏更加緊湊。為了更好地組織生產(chǎn)，使生產(chǎn)系統(tǒng)的物料走向更加明晰，實現(xiàn)鐵前降本增效，安鋼鐵前生產(chǎn)物流管理系統(tǒng)項目的建設勢在必行。該項目可實時監(jiān)視鐵前焦炭、礦石等原料的物流流程，可進行鐵前各產(chǎn)線生產(chǎn)工藝報表數(shù)據(jù)的實時采集和導出，完成了鐵前物料崗位整合，最終實現(xiàn)了鐵前物流生產(chǎn)和調(diào)度的信息化管理。

1 存在的問題及分析

鐵前物流生產(chǎn)現(xiàn)有管理模式由于缺少網(wǎng)絡技術及信息化手段強有力的支撐，資源的配置方式和數(shù)據(jù)的采集處理不具備科學合理的受控條件，存在的問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）工作效率低，實時性不強。鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)就是大量大宗原燃料消耗的過程，每年的大宗原燃料消耗均以千萬噸級計量，正常的原燃料庫存也在百萬噸以上。傳統(tǒng)的調(diào)度方式需要操作人員依靠通訊系統(tǒng)進行調(diào)度，工作效率低，實時性不強，同時，由于沒有有效的監(jiān)控手段，調(diào)度人員對現(xiàn)場運行情況不能實時掌握，嚴重影響工作效率，直接導致物流效率下降。

（2）不能有效杜絕人為誤操作、誤報現(xiàn)象。采用傳統(tǒng)的人工調(diào)度方式，分廠及生產(chǎn)車間需要從產(chǎn)量、質(zhì)量、成本、環(huán)保等多方面進行統(tǒng)籌考慮，在沒有信息化系統(tǒng)支撐和其他技術干預的前提下，極易產(chǎn)生誤操作、誤報現(xiàn)象，直接造成物料供給混亂，生產(chǎn)產(chǎn)量、質(zhì)量、成本等無法真實核算，從而給生產(chǎn)管理造成嚴重影響。由于原料種類繁多，供給線路復雜，易造成基礎管理薄弱。一旦出現(xiàn)人為誤操作事件，由于沒有及時可靠的數(shù)據(jù)支撐，很難對事件進行追溯和調(diào)查，從而對企業(yè)的資源造成極大浪費。

（3）從原料場到皮帶運輸，再到原料消耗，缺少統(tǒng)一信息管理平臺。在鐵前生產(chǎn)中，原料供應鏈較長，生產(chǎn)場地和運輸皮帶分屬不同車間和部門管理，導致各系統(tǒng)信息不能共享和及時傳遞。一方面，由于缺少實時生產(chǎn)信息，在當下快速生產(chǎn)節(jié)奏下不能實現(xiàn)精細化的管理；另一方面，沒有數(shù)據(jù)記錄可以對指令的下達、接收是否正常，生產(chǎn)操作的及時、規(guī)范與否等問題進行有效的判斷，導致生產(chǎn)效率的降低。一旦發(fā)生生產(chǎn)事故，無法還原故障時各生產(chǎn)參數(shù)，難以判斷事故的原因和責任方。

（4）不能全面監(jiān)視鐵前物流的實時生產(chǎn)情況。目前，鐵前生產(chǎn)物流信息的數(shù)據(jù)分布在公司20多套工控系統(tǒng)和相關信息化系統(tǒng)中，上下游崗位和管理崗位不能及時、全面了解生產(chǎn)實時運行情況，難以根據(jù)生產(chǎn)情況及時調(diào)整生產(chǎn)模式。同時，不能及時發(fā)現(xiàn)和處理生產(chǎn)鏈上的突發(fā)故障和潛在故障，會導致問題惡化，造成更嚴重的生產(chǎn)事故。

2 系統(tǒng)概述

安鋼鐵前生產(chǎn)物流管理系統(tǒng)能夠很好的解決鐵前原料生產(chǎn)管理現(xiàn)存的諸多問題。首先，建立一級基礎自動化網(wǎng)絡，打通各個PLC系統(tǒng)之間的通訊，實現(xiàn)互聯(lián)互通，實現(xiàn)控制設備之間的聯(lián)鎖與應答，實現(xiàn)信息共享。其次，通過已有的信息化網(wǎng)絡建立二級計算機系統(tǒng)，讀取物料生產(chǎn)、輸送、消耗等各環(huán)節(jié)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，基于PI實時數(shù)據(jù)庫和oracle關系數(shù)據(jù)庫完成關鍵生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)的自動采集、存儲和報表的自動生成，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、管理指令的傳遞和信息的網(wǎng)絡化共享、無紙化辦公，為鐵前原料生產(chǎn)管理水平的整體提高提供先進的技術支撐，保證企業(yè)鐵前生產(chǎn)管理工作能夠規(guī)范、高效地執(zhí)行。

有了實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)的支持，管理部門和生產(chǎn)崗位就可以掌握原料的進廠、庫存、皮帶運輸、消耗等信息的實時變化情況。利用這些數(shù)據(jù)畫面和相關主題報表，企業(yè)生產(chǎn)領導、調(diào)度管理人員可以全面實時監(jiān)視物料的移動過程，生產(chǎn)技術部門可以分析生產(chǎn)狀況，設備管理人員分析設備的運行情況。系統(tǒng)的實施能真正為企業(yè)創(chuàng)造效益，實現(xiàn)工廠生產(chǎn)管理的最終目標和企業(yè)效益最大化。

3 系統(tǒng)功能

為滿足物料輸送環(huán)節(jié)中信息傳遞和數(shù)據(jù)共享要求，需要在完成實時數(shù)據(jù)采集的基礎上開發(fā)相應信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，基于關系型數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)，通過瀏覽器實現(xiàn)監(jiān)視數(shù)據(jù)畫面的發(fā)布，管理信息的傳遞、數(shù)據(jù)報表的查詢和導出。

3.1 實時監(jiān)控

實現(xiàn)了整個物料系統(tǒng)各個料線的運行過程的顯示，可以在線實時監(jiān)控上料的物料種類、上料的運輸路線以及現(xiàn)場設備的運行情況。

3.2 全區(qū)域管控

系統(tǒng)投運后，不但可以在集中操作室實時顯示料線運行情況，也可以在各個分廠調(diào)度、總調(diào)、廠長以及經(jīng)理辦公室實時顯示料線運行情況，為操作人員清晰展示了物料路徑，避免了誤操作，使管理人員能夠精準的把控好現(xiàn)場情況并做出正確的決策。

3.3 故障報警

系統(tǒng)實現(xiàn)了設備運行過程中故障的報警、發(fā)布功能，加快了設備故障的處理過程，避免了故障的進一步擴大。

3.4 事件可追溯

系統(tǒng)實現(xiàn)了操作命令的權限管理、日志記錄、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，加強了事件的可追溯性，便于查找問題原因并總結(jié)經(jīng)驗教訓，防止舞弊，堵塞管理漏洞，節(jié)省企業(yè)生產(chǎn)成本。

3.5 數(shù)據(jù)報表

系統(tǒng)實現(xiàn)實時的上料統(tǒng)計功能，可以分別按照不同料種或不同高爐進行上料統(tǒng)計，形成班產(chǎn)、日產(chǎn)、月產(chǎn)數(shù)據(jù)報表，并能以EXCEL格式或PDF格式導出報表。

3.6 數(shù)據(jù)管理

加強數(shù)據(jù)管理，系統(tǒng)實時提供上料的真實數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的真實性、準確性和實時性，避免了人為作弊行為。

3.7 優(yōu)化配比

系統(tǒng)實現(xiàn)了各種配料的優(yōu)化配置，提高了配料精確比，提升了焦炭、燒結(jié)、生鐵的產(chǎn)品質(zhì)量。

3.8 管理效益提升

系統(tǒng)實現(xiàn)了自動化與信息化的高度融合，提高了管理效益，提升了企業(yè)形象。

4 實施難點

4.1 數(shù)據(jù)采集

（1）現(xiàn)有設備種類繁雜，數(shù)據(jù)接口和通訊方式差異較大，為設備的數(shù)據(jù)采集增加了難度。同時，現(xiàn)場分布區(qū)域較廣，現(xiàn)場環(huán)境復雜，對設備安裝和網(wǎng)絡敷設造成了一定影響。

（2）生產(chǎn)實時運行，不能影響生產(chǎn)的正常進行，實施難度較大，周期較長。

4.2 PI實時數(shù)據(jù)庫

公司PI實時數(shù)據(jù)庫08年上線，服務器性能已不能支持系統(tǒng)功能的擴充。同時，PI系統(tǒng)采集組件和發(fā)布控件版本過低，和公司主流計算機系統(tǒng)和瀏覽器不兼容，影響使用。目前，PI實時數(shù)據(jù)庫最新版本功能和結(jié)構(gòu)上有了較大的改變，一旦實現(xiàn)升級，需要重新學習維護和開發(fā)技能。

4.3 數(shù)據(jù)安全性

系統(tǒng)的安全管理為每一個使用者分配不同的管理職責和管理權限。鐵前生產(chǎn)物流管理系統(tǒng)內(nèi)包含大量安鋼的生產(chǎn)工藝信息，需對系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全性進行嚴格管理和權限分配。

4.4 業(yè)務流程與管理理念相結(jié)合

安鋼鐵前生產(chǎn)物流管理系統(tǒng)是一個與現(xiàn)場生產(chǎn)密切結(jié)合的綜合性系統(tǒng)，是對現(xiàn)有工作模式的規(guī)范與統(tǒng)一，需要依據(jù)設定好的工作流程進行運轉(zhuǎn)。系統(tǒng)的實現(xiàn)與運行需要現(xiàn)場工藝、管理人員的密切配合。系統(tǒng)的功能最終是服務于生產(chǎn)管理的，系統(tǒng)運行后仍需要結(jié)合管理需求不斷調(diào)整、優(yōu)化，這個過程應該是長期的、連續(xù)的。

5 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

安鋼鐵前生產(chǎn)物流管理系統(tǒng)把“以物流為導向”、“以物料為中心”、“以集中管控為抓手”作為系統(tǒng)設計理念，實現(xiàn)物料從原料場到高爐的整個生命周期的實時動態(tài)物料跟蹤管理，通過優(yōu)化生產(chǎn)計劃、提升配料精確比、加強數(shù)據(jù)管控等各種功能，為企業(yè)根據(jù)生產(chǎn)情況及時調(diào)整生產(chǎn)節(jié)奏、平衡物流、減少余料、提高生產(chǎn)效率、降低制造成本提供管理平臺和決策支持。

該系統(tǒng)的實施運用了面向?qū)ο蟮脑O計思想，依次進行了系統(tǒng)架構(gòu)設計、硬件平臺設計和軟件平臺設計，將業(yè)務流程與管理理念相結(jié)合，為鐵前物料運輸打造了一個集信息化、自動化為一體的數(shù)字化平臺。

5.1 組建一級基礎自動化網(wǎng)絡架構(gòu)

各單位各生產(chǎn)區(qū)域的控制系統(tǒng)相對獨立，類型各不相同，在盡量確保原生產(chǎn)控制系統(tǒng)不變的情況下，構(gòu)建一級基礎自動化網(wǎng)絡系統(tǒng)。宗旨是重新敷設各控制系統(tǒng)之間的光纜，組建一個新的網(wǎng)絡系統(tǒng)，采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡節(jié)點要求接入各區(qū)域的調(diào)度、各分廠的部分管理科室以及各區(qū)域控制系統(tǒng)的操作崗位。網(wǎng)絡系統(tǒng)節(jié)點設置盡量合理，確保今后可能新增的控制系統(tǒng)接入，并保有一定的余量。基本網(wǎng)絡架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)

5.2 重新整理、修改原生產(chǎn)網(wǎng)絡地址

因為原生產(chǎn)控制系統(tǒng)相對獨立，且僅為一個生產(chǎn)單點服務，所以其網(wǎng)絡地址可能設置重復。因此，需要根據(jù)生產(chǎn)網(wǎng)絡的實現(xiàn)，重新合理規(guī)劃網(wǎng)絡地址，設置路由或網(wǎng)關，進行修改和確認，在進行地址修改時，必須在檢修時段完成，確保修改后的系統(tǒng)能夠迅速投入生產(chǎn)，以免影響正常的生產(chǎn)過程進行。網(wǎng)絡地址的設置應考慮今后的擴展余量。

5.3 特殊生產(chǎn)網(wǎng)絡系統(tǒng)改造

原生產(chǎn)控制系統(tǒng)的PLC類型各異，在鐵前的物料系統(tǒng)PLC中，主要有DP通訊、MODBUS通訊、工業(yè)以太網(wǎng)通訊等方式。根據(jù)項目的網(wǎng)絡架構(gòu)，采用工業(yè)以太網(wǎng)方式進行，因此，需要將原控制系統(tǒng)網(wǎng)絡進行相應的通訊轉(zhuǎn)換，并進行必要的程序編制、改造等工作，以最終實現(xiàn)各PLC系統(tǒng)能夠接入此網(wǎng)絡系統(tǒng)，并為相關生產(chǎn)數(shù)據(jù)的存取打下基礎。但因西門子、施耐德PLC設備的工業(yè)以太網(wǎng)通訊協(xié)議不同，所以該系統(tǒng)采用施耐德的modbus TCP協(xié)議進行上層的通訊，針對不同的通訊協(xié)議，增加相應的協(xié)議轉(zhuǎn)換器。

5.4 逐步接入各個生產(chǎn)控制系統(tǒng)

網(wǎng)絡硬件基礎架構(gòu)搭接完成后，進行網(wǎng)絡各層路由器及網(wǎng)關設備的配置，對網(wǎng)絡進行安全性配置，同時逐步接入各個生產(chǎn)控制系統(tǒng)。生產(chǎn)控制系統(tǒng)PLC接入，需要按照底層交換機的區(qū)域，按照交換機聯(lián)接區(qū)域逐個接入。同時，接入一個系統(tǒng)后，便進行上層管理PLC系統(tǒng)的通訊實驗，確保數(shù)據(jù)通訊正常，輸入輸出設備傳輸正常，然后再進行下一個區(qū)域的控制系統(tǒng)的接入，接入不能影響正常的生產(chǎn)進行，確保安全可靠。

5.5 平臺搭建

依托公司現(xiàn)有信息化網(wǎng)絡配置覆蓋鐵區(qū)原料區(qū)域的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡。在鐵前區(qū)域分區(qū)域設立采集站，設置采集接口機。各站點分別新增一臺信息化交換機，根據(jù)現(xiàn)場網(wǎng)絡情況敷設線纜與信息化主干網(wǎng)絡連接，實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)及設備工藝狀態(tài)。整個網(wǎng)絡擴容施工主要以室內(nèi)布線為主，軟、硬件平臺搭建主要包括：

（1）設備通過串口、并口、RJ45網(wǎng)口、USB等數(shù)據(jù)接口連接至數(shù)據(jù)采集計算機；（2）架設數(shù)據(jù)采集、服務應用和PI實時數(shù)據(jù)庫服務器，PI數(shù)據(jù)服務器采取雙機熱備策略；（3）數(shù)據(jù)采集計算機根據(jù)物理位置的不同接入不同的數(shù)據(jù)采集接口機，根據(jù)現(xiàn)場情況架設交換機、網(wǎng)線等設備；（4）服務器采用Windows Server 2012操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫采用ORACLE 11G；（5）對公司現(xiàn)有PI實時數(shù)據(jù)庫進行版本升級。

5.6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

質(zhì)量處實驗室需要對煤、焦炭、焦化產(chǎn)品、粉、金屬礦石合金及產(chǎn)成品等進行多項質(zhì)檢，涉及多種不同型號設備的數(shù)據(jù)采集，建設工作具有較高的復雜性。

5.6.1 采集范圍

目前，安陽鋼鐵集團公司的生產(chǎn)用含鐵物料分類主要為球團、塊礦、勻礦及各單品種礦等。這些生產(chǎn)物料均來自第一、第二原料場的翻車機系統(tǒng)。來自翻車機的球團、塊礦，經(jīng)過各級皮帶運輸至高爐系統(tǒng)；各單品種礦經(jīng)過一次料場堆放，二次料場混勻，或直接經(jīng)二次料場堆放，取至八大罐混料，再經(jīng)過各級皮帶運輸至各臺燒結(jié)機系統(tǒng)，燒結(jié)機產(chǎn)出燒結(jié)礦后經(jīng)過皮帶運輸至各高爐系統(tǒng)。

在以上的生產(chǎn)工藝過程中，涉及到的生產(chǎn)設備種類有上千種幾萬臺套，涉及到運輸部及煉鐵兩個分廠三個區(qū)域，而且各生產(chǎn)部門的生產(chǎn)基礎自動化程度不同，涉及的設備有手動控制、半自動控制、全自動控制，涉及到的生產(chǎn)控制系統(tǒng)種類有西門子系統(tǒng)、施耐德系統(tǒng)、其他專有小系統(tǒng)。

5.6.2 通訊方式

根據(jù)設備類型，采用OPC或MODBUS實現(xiàn)采集不同設備實時數(shù)據(jù)并上傳數(shù)據(jù)庫服務器功能。設備通訊架構(gòu)如圖2所示。

圖2 設備通訊架構(gòu)

5.7 PI實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)

鐵前生產(chǎn)物流管理系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)基于實時數(shù)據(jù)庫平臺和關系數(shù)據(jù)庫平臺。實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在生產(chǎn)控制系統(tǒng)和管理信息系統(tǒng)之間起著一個數(shù)據(jù)橋梁的作用。該系統(tǒng)具備很強的數(shù)據(jù)實時性和完整性能力，同時支持歷史數(shù)據(jù)處理分析、過程優(yōu)化、先進控制、專家系統(tǒng)和其它復雜的計算功能。

由于生產(chǎn)過程實時信息系統(tǒng)與生產(chǎn)控制系統(tǒng)相連，項目在設計、實施和投用的各個階段都將確保生產(chǎn)系統(tǒng)的安全運行。因此，該系統(tǒng)具有很高的運行安全性、數(shù)據(jù)安全性、技術先進性、運行經(jīng)濟性、可擴充性、開放性和平滑升級性等特點。

5.8 PI實時畫面開發(fā)

根據(jù)管理需求，基于PI實時數(shù)據(jù)庫開發(fā)鐵前物料生產(chǎn)流程畫面和報表。總監(jiān)控畫面可按品種或按高爐進行劃分，包含從原料配料、輸送和消耗所有工序流程的畫面和報表。畫面的繪制參考現(xiàn)場工藝畫面，兼顧管理崗位和生產(chǎn)崗位的不同需求，重點突出。畫面展示了配料信息、皮帶運行狀態(tài)信號、皮帶走向、皮帶秤數(shù)據(jù)、下料信息和設備工藝參數(shù)。

5.8.1 畫面開發(fā)流程

PI實時畫面的開發(fā)步驟如下：

（1）需求分析，收集料線走向和畫面需要顯示的變量。

（2）按照品種和高爐的不同劃分，進行料線的匯總和確認。

（3）核對設備點號和皮帶秤信息。

（4）按照工藝流程和料線匯總走向，使用PI ProcessBook軟件制作靜態(tài)畫面。

（5）數(shù)據(jù)冗余服務器上制作Citect工控畫面，配置冗余通訊，采集13套PLC中的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

（6）PI接口機進行配置，采集數(shù)據(jù)服務器上Citect工控畫面中的數(shù)據(jù)到PI服務器。

（7）根據(jù)PI服務器采集的數(shù)據(jù)，定義畫面變量。

（8）畫面連接PI服務器中設備狀態(tài)和故障顯示的相應變量。

5.8.2 主要監(jiān)控畫面

（1）按高爐劃分。登錄安鋼鐵前生產(chǎn)物流管理系統(tǒng)，點擊系統(tǒng)界面左側(cè)導航欄的按高爐劃分，分為1#高爐系統(tǒng)、2#高爐系統(tǒng)、3#高爐系統(tǒng)。其中3#高爐系統(tǒng)的礦石焦炭上料系統(tǒng)畫面如圖3所示。

圖3 3#高爐礦石焦炭上料系統(tǒng)畫面

（2）按品種劃分。登錄安鋼鐵前生產(chǎn)物流管理系統(tǒng)，點擊系統(tǒng)界面左側(cè)導航欄的按品種劃分，分為礦石系統(tǒng)、焦炭系統(tǒng)、燒結(jié)系統(tǒng)。

5.9 數(shù)據(jù)發(fā)布

實時畫面和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，生產(chǎn)工藝日報表的生成和打印，根據(jù)業(yè)務需求，均可以進行網(wǎng)絡數(shù)據(jù)發(fā)布。采用BS架構(gòu)，通過瀏覽器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、指令錄入和畫面查看等功能。

系統(tǒng)采用基于Silverlight 5.0的開發(fā)技術，使用C#作為開發(fā)語言,Visual Studio 2010作為開發(fā)平臺，采用B/S結(jié)構(gòu)，具有軟件部署快捷、便于維護等優(yōu)點。

6 應用效果

安鋼鐵前生產(chǎn)物流管理系統(tǒng)已穩(wěn)定投運三年，該系統(tǒng)將信息化、自動化技術相結(jié)合，實現(xiàn)了崗位集中操作和物料信息、重量信息的實時采集記錄，有效地增強了原燃料物流的可控性，報表系統(tǒng)的自動生成杜絕了人工操作的弊端。通過信息化手段達到實時數(shù)據(jù)準確共享，改變現(xiàn)有的工作模式和管理方式，使整個供料過程可追溯，實現(xiàn)了減員增效，改善了工作環(huán)境，提升了工作效率和管理水平，為公司創(chuàng)效做出了積極的貢獻。

7 結(jié)語

安鋼鐵前生產(chǎn)物流管理系統(tǒng)投運以來，技術先進，信息共享，操作簡便，運行穩(wěn)定可靠，為公司“兩化”融合起到了極大的推動作用，帶來了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，在同行業(yè)中處于領先水平，具有廣闊的市場推廣前景。