安钢铁前生产物流管理系统的设计与实现

2022-08-19韩志海张柳丰郑一畅张杨冰

河南冶金 2022年1期

谷莉韩志海张柳丰郑一畅张杨冰

（1.安阳钢铁股份有限公司； 2. 安阳钢铁集团有限责任公司）

0 引言

钢铁生产是一个多工序的连续作业过程，物流、动力介质、设备保障共同形成了钢铁生产的三大保供体系。而物流活动的绝大部分则集中在烧结、球团、炼焦、炼铁等铁前工序中，因此，铁前生产中的物流管理对钢铁企业的生产组织是至关重要的。安钢集团为了推进“绿色、高效、高质量”发展，以5 000 m3级高炉为核心新增了500 m2烧结机、9 m干熄焦等许多产线，生产规模扩大了许多倍，物料系统也经过了多次改造。产能的提高和物料品种的增多，使得铁前系统生产工艺线路繁杂而无序，原料供应链的生产节奏更加紧凑。为了更好地组织生产，使生产系统的物料走向更加明晰，实现铁前降本增效，安钢铁前生产物流管理系统项目的建设势在必行。该项目可实时监视铁前焦炭、矿石等原料的物流流程，可进行铁前各产线生产工艺报表数据的实时采集和导出，完成了铁前物料岗位整合，最终实现了铁前物流生产和调度的信息化管理。

1 存在的问题及分析

铁前物流生产现有管理模式由于缺少网络技术及信息化手段强有力的支撑，资源的配置方式和数据的采集处理不具备科学合理的受控条件，存在的问题主要表现在以下几个方面：

（1）工作效率低，实时性不强。钢铁企业的生产就是大量大宗原燃料消耗的过程，每年的大宗原燃料消耗均以千万吨级计量，正常的原燃料库存也在百万吨以上。传统的调度方式需要操作人员依靠通讯系统进行调度，工作效率低，实时性不强，同时，由于没有有效的监控手段，调度人员对现场运行情况不能实时掌握，严重影响工作效率，直接导致物流效率下降。

（2）不能有效杜绝人为误操作、误报现象。采用传统的人工调度方式，分厂及生产车间需要从产量、质量、成本、环保等多方面进行统筹考虑，在没有信息化系统支撑和其他技术干预的前提下，极易产生误操作、误报现象，直接造成物料供给混乱，生产产量、质量、成本等无法真实核算，从而给生产管理造成严重影响。由于原料种类繁多，供给线路复杂，易造成基础管理薄弱。一旦出现人为误操作事件，由于没有及时可靠的数据支撑，很难对事件进行追溯和调查，从而对企业的资源造成极大浪费。

（3）从原料场到皮带运输，再到原料消耗，缺少统一信息管理平台。在铁前生产中，原料供应链较长，生产场地和运输皮带分属不同车间和部门管理，导致各系统信息不能共享和及时传递。一方面，由于缺少实时生产信息，在当下快速生产节奏下不能实现精细化的管理；另一方面，没有数据记录可以对指令的下达、接收是否正常，生产操作的及时、规范与否等问题进行有效的判断，导致生产效率的降低。一旦发生生产事故，无法还原故障时各生产参数，难以判断事故的原因和责任方。

（4）不能全面监视铁前物流的实时生产情况。目前，铁前生产物流信息的数据分布在公司20多套工控系统和相关信息化系统中，上下游岗位和管理岗位不能及时、全面了解生产实时运行情况，难以根据生产情况及时调整生产模式。同时，不能及时发现和处理生产链上的突发故障和潜在故障，会导致问题恶化，造成更严重的生产事故。

2 系统概述

安钢铁前生产物流管理系统能够很好的解决铁前原料生产管理现存的诸多问题。首先，建立一级基础自动化网络，打通各个PLC系统之间的通讯，实现互联互通，实现控制设备之间的联锁与应答，实现信息共享。其次，通过已有的信息化网络建立二级计算机系统，读取物料生产、输送、消耗等各环节的生产数据，基于PI实时数据库和oracle关系数据库完成关键生产工艺数据的自动采集、存储和报表的自动生成，实现生产数据、管理指令的传递和信息的网络化共享、无纸化办公，为铁前原料生产管理水平的整体提高提供先进的技术支撑，保证企业铁前生产管理工作能够规范、高效地执行。

有了实时生产数据的支持，管理部门和生产岗位就可以掌握原料的进厂、库存、皮带运输、消耗等信息的实时变化情况。利用这些数据画面和相关主题报表，企业生产领导、调度管理人员可以全面实时监视物料的移动过程，生产技术部门可以分析生产状况，设备管理人员分析设备的运行情况。系统的实施能真正为企业创造效益，实现工厂生产管理的最终目标和企业效益最大化。

3 系统功能

为满足物料输送环节中信息传递和数据共享要求，需要在完成实时数据采集的基础上开发相应信息管理系统。系统采用B/S架构，基于关系型数据库实现，通过浏览器实现监视数据画面的发布，管理信息的传递、数据报表的查询和导出。

3.1 实时监控

实现了整个物料系统各个料线的运行过程的显示，可以在线实时监控上料的物料种类、上料的运输路线以及现场设备的运行情况。

3.2 全区域管控

系统投运后，不但可以在集中操作室实时显示料线运行情况，也可以在各个分厂调度、总调、厂长以及经理办公室实时显示料线运行情况，为操作人员清晰展示了物料路径，避免了误操作，使管理人员能够精准的把控好现场情况并做出正确的决策。

3.3 故障报警

系统实现了设备运行过程中故障的报警、发布功能，加快了设备故障的处理过程，避免了故障的进一步扩大。

3.4 事件可追溯

系统实现了操作命令的权限管理、日志记录、历史数据查询等功能，加强了事件的可追溯性，便于查找问题原因并总结经验教训，防止舞弊，堵塞管理漏洞，节省企业生产成本。

3.5 数据报表

系统实现实时的上料统计功能，可以分别按照不同料种或不同高炉进行上料统计，形成班产、日产、月产数据报表，并能以EXCEL格式或PDF格式导出报表。

3.6 数据管理

加强数据管理，系统实时提供上料的真实数据，保证了数据的真实性、准确性和实时性，避免了人为作弊行为。

3.7 优化配比

系统实现了各种配料的优化配置，提高了配料精确比，提升了焦炭、烧结、生铁的产品质量。

3.8 管理效益提升

系统实现了自动化与信息化的高度融合，提高了管理效益，提升了企业形象。

4 实施难点

4.1 数据采集

（1）现有设备种类繁杂，数据接口和通讯方式差异较大，为设备的数据采集增加了难度。同时，现场分布区域较广，现场环境复杂，对设备安装和网络敷设造成了一定影响。

（2）生产实时运行，不能影响生产的正常进行，实施难度较大，周期较长。

4.2 PI实时数据库

公司PI实时数据库08年上线，服务器性能已不能支持系统功能的扩充。同时，PI系统采集组件和发布控件版本过低，和公司主流计算机系统和浏览器不兼容，影响使用。目前，PI实时数据库最新版本功能和结构上有了较大的改变，一旦实现升级，需要重新学习维护和开发技能。

4.3 数据安全性

系统的安全管理为每一个使用者分配不同的管理职责和管理权限。铁前生产物流管理系统内包含大量安钢的生产工艺信息，需对系统数据安全性进行严格管理和权限分配。

4.4 业务流程与管理理念相结合

安钢铁前生产物流管理系统是一个与现场生产密切结合的综合性系统，是对现有工作模式的规范与统一，需要依据设定好的工作流程进行运转。系统的实现与运行需要现场工艺、管理人员的密切配合。系统的功能最终是服务于生产管理的，系统运行后仍需要结合管理需求不断调整、优化，这个过程应该是长期的、连续的。

5 系统设计与实现

安钢铁前生产物流管理系统把“以物流为导向”、“以物料为中心”、“以集中管控为抓手”作为系统设计理念，实现物料从原料场到高炉的整个生命周期的实时动态物料跟踪管理，通过优化生产计划、提升配料精确比、加强数据管控等各种功能，为企业根据生产情况及时调整生产节奏、平衡物流、减少余料、提高生产效率、降低制造成本提供管理平台和决策支持。

该系统的实施运用了面向对象的设计思想，依次进行了系统架构设计、硬件平台设计和软件平台设计，将业务流程与管理理念相结合，为铁前物料运输打造了一个集信息化、自动化为一体的数字化平台。

5.1 组建一级基础自动化网络架构

各单位各生产区域的控制系统相对独立，类型各不相同，在尽量确保原生产控制系统不变的情况下，构建一级基础自动化网络系统。宗旨是重新敷设各控制系统之间的光缆，组建一个新的网络系统，采用环网结构，网络节点要求接入各区域的调度、各分厂的部分管理科室以及各区域控制系统的操作岗位。网络系统节点设置尽量合理，确保今后可能新增的控制系统接入，并保有一定的余量。基本网络架构如图1所示。

图1 系统网络架构

5.2 重新整理、修改原生产网络地址

因为原生产控制系统相对独立，且仅为一个生产单点服务，所以其网络地址可能设置重复。因此，需要根据生产网络的实现，重新合理规划网络地址，设置路由或网关，进行修改和确认，在进行地址修改时，必须在检修时段完成，确保修改后的系统能够迅速投入生产，以免影响正常的生产过程进行。网络地址的设置应考虑今后的扩展余量。

5.3 特殊生产网络系统改造

原生产控制系统的PLC类型各异，在铁前的物料系统PLC中，主要有DP通讯、MODBUS通讯、工业以太网通讯等方式。根据项目的网络架构，采用工业以太网方式进行，因此，需要将原控制系统网络进行相应的通讯转换，并进行必要的程序编制、改造等工作，以最终实现各PLC系统能够接入此网络系统，并为相关生产数据的存取打下基础。但因西门子、施耐德PLC设备的工业以太网通讯协议不同，所以该系统采用施耐德的modbus TCP协议进行上层的通讯，针对不同的通讯协议，增加相应的协议转换器。

5.4 逐步接入各个生产控制系统

网络硬件基础架构搭接完成后，进行网络各层路由器及网关设备的配置，对网络进行安全性配置，同时逐步接入各个生产控制系统。生产控制系统PLC接入，需要按照底层交换机的区域，按照交换机联接区域逐个接入。同时，接入一个系统后，便进行上层管理PLC系统的通讯实验，确保数据通讯正常，输入输出设备传输正常，然后再进行下一个区域的控制系统的接入，接入不能影响正常的生产进行，确保安全可靠。

5.5 平台搭建

依托公司现有信息化网络配置覆盖铁区原料区域的数据采集网络。在铁前区域分区域设立采集站，设置采集接口机。各站点分别新增一台信息化交换机，根据现场网络情况敷设线缆与信息化主干网络连接，实时采集现场数据及设备工艺状态。整个网络扩容施工主要以室内布线为主，软、硬件平台搭建主要包括：

（1）设备通过串口、并口、RJ45网口、USB等数据接口连接至数据采集计算机；（2）架设数据采集、服务应用和PI实时数据库服务器，PI数据服务器采取双机热备策略；（3）数据采集计算机根据物理位置的不同接入不同的数据采集接口机，根据现场情况架设交换机、网线等设备；（4）服务器采用Windows Server 2012操作系统，数据库采用ORACLE 11G；（5）对公司现有PI实时数据库进行版本升级。

5.6 数据采集系统

质量处实验室需要对煤、焦炭、焦化产品、粉、金属矿石合金及产成品等进行多项质检，涉及多种不同型号设备的数据采集，建设工作具有较高的复杂性。

5.6.1 采集范围

目前，安阳钢铁集团公司的生产用含铁物料分类主要为球团、块矿、匀矿及各单品种矿等。这些生产物料均来自第一、第二原料场的翻车机系统。来自翻车机的球团、块矿，经过各级皮带运输至高炉系统；各单品种矿经过一次料场堆放，二次料场混匀，或直接经二次料场堆放，取至八大罐混料，再经过各级皮带运输至各台烧结机系统，烧结机产出烧结矿后经过皮带运输至各高炉系统。

在以上的生产工艺过程中，涉及到的生产设备种类有上千种几万台套，涉及到运输部及炼铁两个分厂三个区域，而且各生产部门的生产基础自动化程度不同，涉及的设备有手动控制、半自动控制、全自动控制，涉及到的生产控制系统种类有西门子系统、施耐德系统、其他专有小系统。

5.6.2 通讯方式

根据设备类型，采用OPC或MODBUS实现采集不同设备实时数据并上传数据库服务器功能。设备通讯架构如图2所示。

图2 设备通讯架构

5.7 PI实时数据库系统开发

铁前生产物流管理系统的实时数据库系统开发基于实时数据库平台和关系数据库平台。实时数据库系统在生产控制系统和管理信息系统之间起着一个数据桥梁的作用。该系统具备很强的数据实时性和完整性能力，同时支持历史数据处理分析、过程优化、先进控制、专家系统和其它复杂的计算功能。

由于生产过程实时信息系统与生产控制系统相连，项目在设计、实施和投用的各个阶段都将确保生产系统的安全运行。因此，该系统具有很高的运行安全性、数据安全性、技术先进性、运行经济性、可扩充性、开放性和平滑升级性等特点。

5.8 PI实时画面开发

根据管理需求，基于PI实时数据库开发铁前物料生产流程画面和报表。总监控画面可按品种或按高炉进行划分，包含从原料配料、输送和消耗所有工序流程的画面和报表。画面的绘制参考现场工艺画面，兼顾管理岗位和生产岗位的不同需求，重点突出。画面展示了配料信息、皮带运行状态信号、皮带走向、皮带秤数据、下料信息和设备工艺参数。

5.8.1 画面开发流程

PI实时画面的开发步骤如下：

（1）需求分析，收集料线走向和画面需要显示的变量。

（2）按照品种和高炉的不同划分，进行料线的汇总和确认。

（3）核对设备点号和皮带秤信息。

（4）按照工艺流程和料线汇总走向，使用PI ProcessBook软件制作静态画面。

（5）数据冗余服务器上制作Citect工控画面，配置冗余通讯，采集13套PLC中的现场数据。

（6）PI接口机进行配置，采集数据服务器上Citect工控画面中的数据到PI服务器。

（7）根据PI服务器采集的数据，定义画面变量。

（8）画面连接PI服务器中设备状态和故障显示的相应变量。

5.8.2 主要监控画面

（1）按高炉划分。登录安钢铁前生产物流管理系统，点击系统界面左侧导航栏的按高炉划分，分为1#高炉系统、2#高炉系统、3#高炉系统。其中3#高炉系统的矿石焦炭上料系统画面如图3所示。

图3 3#高炉矿石焦炭上料系统画面

（2）按品种划分。登录安钢铁前生产物流管理系统，点击系统界面左侧导航栏的按品种划分，分为矿石系统、焦炭系统、烧结系统。

5.9 数据发布

实时画面和生产数据，生产工艺日报表的生成和打印，根据业务需求，均可以进行网络数据发布。采用BS架构，通过浏览器实现数据的查询、指令录入和画面查看等功能。

系统采用基于Silverlight 5.0的开发技术，使用C#作为开发语言,Visual Studio 2010作为开发平台，采用B/S结构，具有软件部署快捷、便于维护等优点。

6 应用效果

安钢铁前生产物流管理系统已稳定投运三年，该系统将信息化、自动化技术相结合，实现了岗位集中操作和物料信息、重量信息的实时采集记录，有效地增强了原燃料物流的可控性，报表系统的自动生成杜绝了人工操作的弊端。通过信息化手段达到实时数据准确共享，改变现有的工作模式和管理方式，使整个供料过程可追溯，实现了减员增效，改善了工作环境，提升了工作效率和管理水平，为公司创效做出了积极的贡献。