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《冶金自動化雜志》2016年第三期

摘要:

分析研究原料場的混勻堆積方案和過程，開發以實時狀態為基礎的仿真系統。通過對每班事先下達的作業計劃提前進行仿真計算，指導混勻作業生產過程，最終達到減少混勻作業過程中人工操作的次數和提高混勻工作效率的目的。

關鍵詞:

混勻;智能堆積;實時系統仿真;互斥鎖

近年來，各鋼鐵公司為了適應新常態和企業生存的需要，降低成本成為其核心任務。原料場作為鋼鐵企業最大的成本中心，自然而然成為鋼鐵企業降低成本的主要瓶頸。所以，鋼鐵企業試圖通過采購更廉價的原材料和減少管理人員來降低成本，但是，該方式帶來了新的問題:采購更廉價的原材料會導致混勻的品種增加和成分波動，需要更精確地分配任務;減少管理人員，導致管理崗位的工作難度增加，需要更高效的輔助管理工具協助完成任務。針對上述問題和需要，本文對原料場混勻堆積過程進行研究，開發原料場智能混勻堆積作業指導系統(簡稱混勻作業計劃指導系統)。該系統將混勻堆積現場的實時狀態讀入，再根據預設方案進行模擬仿真計算，并能對每班事先下達的作業計劃提前進行生產仿真，最后將仿真優化方案輸出給調度人員或L2系統，實現對混勻堆積作業的智能指導。該系統能減少混勻堆積計劃和作業中的人工操作，提高混勻堆成分的穩定性，從而在穩定混勻堆積質量的前提下，減少混勻生產的整體成本。

1工藝流程

混勻工藝［1－4］是通過各種混勻設施，將多種含鐵粉礦和生產過程中的剩余物料按照一定的配比均勻地混合成為供燒結使用的原料。混勻工藝流程如圖1所示，其中混勻礦料條A和B相互交替出料。為了保證燒結用料，混勻礦料條必須要有1條處于出料狀態。

2系統組成

混勻作業計劃指導系統沿用的是“原料場混勻系統物流仿真模型”［5］的混勻堆積工藝和“BLOCK”堆積管理方式，該模型以混勻工藝為核心，采用4個“BLOCK”堆積管理方式實現了混勻系統設計方案的仿真。經分析，該模型采用了固定混勻工藝、靜態數據和離線式仿真的研究方法，但其實用性和靈活性不足。為此，本文開發了混勻作業計劃指導系統結構，如圖2所示，通過物流仿真開發工具軟件———FLEXSIM提供的數據接口，將基礎自動化L1和過程自動化L2提供的設備狀態、作業計劃、堆位(一般指原料料堆的質量、體積、坐標等，本文主要指原料堆的質量，單位:t)情況等實時數據讀入到仿真模型中，再根據預設的堆積方案進行仿真計算，最終輸出每個班次的作業計劃，并將優化后的作業計劃輸出給制造企業生產過程執行系統(MES)或者管理人員，從而實現對混勻作業任何狀態的動態仿真計算和實時作業指導。

3系統功能

3．1接口管理模塊如圖2所示，混勻作業計劃指導系統專門設計了接口管理模塊，其目的是解決FLEXSIM系統的輸入限制問題。雖然FLEXSIM提供了SQLServer、Oracle、Excel等多種數據交互方式，但是，其數據處理能力較差，無法同時處理不同版本SQLServer、Oracle、Excel提供的數據。根據現場情況，各個鋼廠混勻堆積生產過程中的自動化系統提供數據無法標準化，版本差異較大。所以，在混勻作業計劃指導系統中需開發具有數據轉換的接口管理模塊，以實現FLEXSIM模型輸入和輸出的標準化。其主要功能如下:將不同版本的數據轉換為FLEXSIM標準的表結構;對外部獲得的數據進行篩分和判斷，防止輸入生產中的異常數據，導致系統崩潰;管理外部接口，監控所有接口的實時狀態，確保交互數據的實時性;預留部分開發功能或接口，供其他系統的接入。

3．2全三維仿真模型本文利用FLEXSIM軟件構建了由料場模塊(包含一次料場和副料場)、原料場膠帶機系統模塊、混勻膠帶機系統模塊、混勻槽模塊、混勻堆模塊和燒結配料模塊組成的混勻堆料三維仿真模型。模型示意圖如圖3所示。本文主要研究和開發混勻堆模塊和混勻槽模塊，其中，混勻堆模塊通過智能等硅堆積和互斥鎖功能，實現混勻堆積的智能化控制和混勻作業指導功能;混勻槽模塊通過控制分級初始化方式，實現整個混勻堆料系統的實時仿真功能。模型的其他模塊，即料場、原料場膠帶機系統、混勻膠帶機系統和燒結配料模塊，利用FLEXSIM基本機制完成，通過混勻槽模塊根據堆積工藝和流程實現集中管理和控制。

3．2．1智能等硅堆積根據各鋼廠的生產經驗和實際要求，混勻作業指導系統沿用了“BLOCK”堆積管理方式、等硅堆積(或等硅等鐵堆積)、人字形堆料－雙斗輪取料工藝模式等工藝思路［1］。“BLOCK”堆積管理方式是把一個大堆的堆積過程平均分成4個堆積階段，即4個“BLOCK”，在混勻槽上設置“Flag_Count”標簽進行堆積階段的計數。堆料機來回堆料形成人字形的料堆，并且堆料速度往返相同。每個“BLOCK”的成分和大堆設定的目標成分基本相同，每2個“BLOCK”之間設置相同的等待時間，用于表示混勻堆料機的方向以及速度調整的時間間隔。混勻A、B料條采用互斥鎖方式保證料堆正常輸出。實際生產中也可根據需要將4個“BLOCK”調整為2個“BLOCK”，即原來前3個“BLOCK”合并為1個，最后1個“BLOCK”作為調整硅含量的“BLOCK”單獨存在。等硅堆積(或等硅等鐵堆積)即預先計算出整個混勻礦大堆料中SiO2的比例(質量分數w(SiO2))，然后在輸出時的任意時刻使得物料SiO2質量分數與大堆預算SiO2質量分數基本相等。由于混勻料場有的有MES，有的沒有，所以，作者采用2種方式實現等硅堆積。對于有混勻MES的，本系統將混勻堆積計劃任務輸出給MES，由MES計算并返回階段堆積計劃表，如表1所示，系統將該計劃編入執行任務表，實現等硅堆積。該表是模擬2016年1月1日開始，240h(10d)堆積計劃中第1個“BLOCK”的堆積計劃。對于沒有混勻MES的，根據定量配料裝置CFW等硅切出速率的優化算法［1］，智能編制如表1所示的堆積計劃，然后利用其輸入仿真模型進行智能等硅堆積仿真計算。

3．2．2互斥鎖根據混勻工藝，為保證燒結需要，A、B混勻料條中必須有一個料堆正常輸出。但是，由于自動化系統僅提供了“堆位”、“工作狀態”、“當前任務”等狀態信息，所以當初始狀態為“BLOCK”間的等待狀態時，僅靠自動化系統提供的信息無法判斷哪個混勻堆正常出料。為此，本文采用互斥鎖［5］概念，開發了混勻堆互斥鎖功能，以解決該問題。互斥鎖即設置一個對象的標志量，設置目的是只允許一個進程或程序調用該對象。互斥鎖開發涉及到以下幾項內容。(1)定義。根據現場調研和仿真計算，混勻堆積時間遠遠小于混勻出料時間，所以這里的互斥鎖是指混勻料條堆料的互斥鎖。在混勻堆模型料條上定義一個“Piling_Input”標簽作為互斥鎖(簡稱PI互斥鎖)。PI互斥鎖滿足以下功能:1)原子性。防止任務在同一任務周期內，向不同的混勻料條進行堆料作業。2)唯一性。一旦一個堆料任務鎖定了混勻料條，則在解鎖前，其他任務不能鎖定。3)非執行等待。如果一個任務已經鎖定了PI互斥鎖，另一個任務又試圖去使用這個PI互斥鎖，則該任務將被掛起(不再循環發消息)直到第1個線程解除對這個互斥量的鎖定為止，掛起的任務被喚醒并繼續執行，同時鎖定這個互斥量。(2)初始化。為了解決自動化系統無法提供準確信息的問題，本文通過外部MES或者人工輸入，確認混勻料條中堆料的對象料條，在系統初始化時將其PI互斥鎖鎖定，防止初始化誤差造成堆取錯誤;同時，將另一料條解鎖，進行出料作業。(3)鎖定。當某混勻料料條開始堆料時，該料條就立刻被鎖定。(4)解除鎖定。燒結模型的要料原則是向堆位低的料條發出要料，所以，PI互斥鎖的解鎖條件是該料條堆料完成后，進入等待或出料狀態時PI互斥鎖解鎖。(5)避免“饑餓”和“死鎖”。“饑餓”是指互斥鎖一直沒有被解鎖;“死鎖”是指所有任務相互制約，都被掛起等待解鎖。由于混勻的PI互斥鎖是一個單獨的互斥機制，不與其他模塊共用，因此，設立時間約束機制并定期釋放堆積任務，可以避免產生“饑餓”和“死鎖”狀態。

3．2．3實時仿真實時仿真是將現場任何狀態讀入均可以實現計算仿真，并輸出對應的作業指導計劃。由于現場數據是連續變化的狀態，因此有無限種可能出現的輸入數據。本文根據混勻“BLOCK”堆積管理要求和對混勻槽消耗的統計分析，提出了狀態分級初始化和分級處理的實現方法。(1)分級初始化。整個模型的核心是混勻槽。混勻槽控制核心是料堆堆積期間不能斷料。根據統計和現場操作的實際情況，混勻槽槽位有2個關鍵標志位，即要料位和緊急位，其中，要料位是當物料位置低于某個槽位時，建議給槽加料;緊急位是物料位置到達某槽位時，該槽必須立刻進料，否則，來料達到前會出現斷料。混勻槽有4個狀態，即空閑、出料、進料、預約(等待)。根據混勻槽的狀態和特點，本文設計了12級狀態分級初始化，如表2所示。(2)分級處理。根據混勻工藝的特點和仿真需求，混勻模型中料場模塊(包含一次料場和副料場)和原料場膠帶機系統模塊根據混勻槽的狀態與混勻槽模塊一起進行分級初始化處理，如表3所示。

3．3作業計劃表輸出通過FLEXSIM系統用全局表記錄所有的作業計劃，如表4所示(截圖)。最后通過接口管理，將該表輸出到MES或提供給管理人員。

4應用效果

2015年12月，根據某鋼廠歷史生產數據模擬仿真生產200萬s(23d)，系統計算的作業計劃在不同初始條件的平均誤操作率小于5%，該軟件也成功地將混勻計劃編制時間從人工12h縮減到不足30min，基本實現無人操作。所有指標基本達到鋼鐵企業的設計要求。對比國內外類似系統［6－7］，該系統除實現以實際生產狀況下的混勻作業計劃指導以外，還能對作業計劃動態調整，提高了生產計劃的靈活性和可操作性。

參考文獻:

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［3］李華剛，張衍均，陳明，等．寧波鋼鐵煉鐵廠等硅等鐵智能堆積控制改造系統的設計與應用［J］．冶金自動化，2011，35(增刊1):560．

［4］張忠德．燒結料場混勻堆料技術探討［C］//2010中小高爐煉鐵學術年會論文集．哈爾濱:中國金屬學會，2010:273．

［5］趙慧斌，李小群，孫玉芳．改善Linux核心可搶占性方法的研究與實現［J］．計算機學報，2004(2):244．

［6］王沛慶，陳尚倫，徐林偉．原料場混勻系統物流仿真研究［J］．鋼鐵技術，2012(2):33．

作者：馬怡 單位：重慶賽迪冶煉裝備系統集成工程技術研究中心有限公司系統優化研究室