（机械电子工程专业论文）复杂工艺流程物流信息网络化采集系统的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 物流在国民经济中占有十分重要的地位，工业企业是物流的主体之一。工业 企业物流同工业生产紧密结合在一起，既十分复杂，又极其重要。就复杂工艺流 程而言，其物流的含义是，从原材料进入开始，经过运输、装卸、储存、原材料 处理、搬运，加工至成品的一系列复杂工艺，并同信息系统结合起来，把一系列 加工、装配、检测环节连接在一起，直到生产出合格产品的全过程。而物流信息 的采集是物流管理的基础，只有建立先进的，可靠的物流信息采集系统，才能保 证物流管理的合理、有序的进行。 本文以某大型钢铁企业炼钢厂重量信息网络化采集系统为例研究复杂工艺流 程物流信息的网络化采集，即运用物流技术，将与各生产工艺息息相关的信息自 动采集，并通过网络提供给相关的其它工序或车间。该系统采用无根分枝树型以 太网结构，符合基于c s 网络模式的各工序物料管理、物料消耗管理要求，同时 也符合当前网络技术发展趋势，具有较高的性价比。具有扩频、跳频技术的无线 电台能将吊车上电子秤的重量信息快速准确地传输至地面。考虑到现场实际情况， 采用了基于m i c r o s o f tw i n d o w sc e 平台的工业级p d a 作为手持无线数据终端，将 现场过程参数快速、准确地传送至数据采集站。s o c k e t 网络编程在系统中得到应 用，成功地实现了数据传输的实时性与准确性。通过一系列算法设计，使系统软 件能够自动判断转炉与兑铁吊车的对应关系、判断吊车兑铁状态、捕捉吊车称重 的平稳值。系统数据库采用规范化设计，实现了数据的最小冗余和完整可靠。 本研究在采集手段上大大丰富了复杂工艺流程物流信息采集的方法，将无线 数据传输、手持终端、s o c k e t 技术等综合应用于系统中，取得了良好的实际效果。 对于开发类似的信息采集系统具有一定的参考价值。 关键词：物流信息采集无线传输s o c k e t 重庆大学硕士学位论文 樊文摘要 a b s t r a c t t h el o g i s t i c so c c u p i e sv e r yi m p o r t a n tp o s i t i o ni nn a t i o n a le c o n o m y , t h ei n d u s t r i a l e n t e r p r i s ei so n eo ft h es u b j e c t so ft h el o g i s t i c s l o g i s t i c so fi n d u s t r i a le n t e r p r i s ea n d i n d u s t r i a lp r o d u c t i o na r ec o m b i n e dt o g e t h e r c l o s e l y i ti sv e r yc o m p l i c a t e da n d e x t r e m e l yi m p o r t a n t i nt e r m so fc o m p l i c a t e dt e c h n o l o g i c a lp r o c e s s ，t h em e a n i n go fi t s l o g i s t i c si s ，a tt h eb e g i n n i n go ft h er a wm a t e r i a l s ，i n c l u d i n gt r a n s p o r t e d ，l o a d e da n d u n l o a d e d ，p r e s e r v e d ，d e a l i n g 、 ，i t l l r a wm a t e r i a l s ，c a r r i e d ，f i n i s h e d p r o d u c t o f p r o c e s s i n ge t c c o m b i n e dw i li n f o r m a t i o ns y s t e m as e r i e so fp r o c e s sl i n kt o g e t h e r , u n t i lp r o d u c i n gt h eq u a l i f i e dp r o d u c t t h ec o l l e c t i o no fl o g i s t i c si n f o r m a t i o ni st h e f o u n d a t i o no fl o g i s t i c sm a n a g e m e n t , o n l yi fs e t t i n gu pa na d v a n c e da n da c t u a ll o g i s t i c s y s t e m ，t h eo r d e ra n dr a t i o n a l i t yo fl o g i s t i c sm a n a g e m e n tc o u l db eg u a r a n t e e d t h i sp a p e rs t u d i e sw i mt h en e t w o r k i n gc o l l e c t i o no fc o m p l i c a t e dt e c h n o l o g i c a l p r o c e s sl o g i s t i c si n f o r m a t i o n ，b a s e dt h en e t w o r k i n gc o l l e c t i o no fal a r g e s c a l ei r o na n d s t e e le n t e r p r i s eo f w e i g h ti n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e l yu s i n gl o g i s t i c st e c h n o l o g y ，i tc a r t g a t h e rt h ei n f o r m a t i o nc l o s e l yl i n k e dw i t he v e r yp r o d u c t i o nt e c h n o l o g ya u t o m a t i c a l l y a n dp r o v i d eo t h e rr e l e v a n tp r o c e s s e so rw o r k s h o p sw i t hi tt h r o u g ht h en e t w o r k t h i s s y s t e mi sb a s e de t h e m e ts t r u c t u r ew h i c hh a sn o tt h er o o t ，a n db a s e do nb sn e t w o r k m o d e a c c o r d i n g 诚t l lt h em a n a g e m e n ta n dc o n s u m p t i o no fe v e r yw o r k i n gp r o c e d u r e a n dt h ed e v e l o p m e n tn 它n do fp r e s e n tn e t w o r kt e c h n o l o g y ，a n di th a v eh i g h e rc o s t p e r f o r m a n c e w e i g h tm e s s a g eo fe l e c t r o n i cb a l a n c ec a l lb et r a n s m i t t e da c c u r a t e l ya n d f a s tt h r o u g ht h et e c h n o l o g yo f e x p a n d i n ga n d j u m p i n gf r e q u e n c y c o n s i d e r i n gt h ea c t u a l c o n d i t i o n so nt h es p o t ，i ta d o p tt h ei n d u s t r ym a g n i t u d e so fp d ab a s e do nm i c r o s o f t w i n d o w sc ep l a t f o r m ，c o n v e y i n gp r o c e d u r ep a r a m e t e rf a s ta n da c c u r a t e l yt ot h e w o r k s h o po nt h es p o t s o c k e tp r o g r a mg e ti sa p p l i e da m o n gt h es y s t e m ，s u c c e e d i n gi n t r a n s m i t t i n gd a t a r e a l t i m ea n da c c u r a t e l y t h r o u g has e r i e so fa l g o r i t h m s ，i tm a k e s y s t e m ss o f t w a r ec a r lj u d g ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o no fc o n v e r t e ra n dc a s h i n gc r a n e a u t o m a t i c a l l y ，a n dj u d g et h es t a t eo fc a s h i n gc r a n e ，a n dc a t c ht h es t e a d yv a l u eo ft h e c r a n ew e l g h t h ed a t a b a s es y s t e ma d o p t st h es t a n d a r d i z a t i o n ，i ti m p l e m e n tt h e m i n i m u md a t ar e d u n d a n c ya n dr e l i a b i l i t y , t h i sl o g i s t i c si n f o r m a t i o ni n c r e a s e st h ew a yo fc o l l e c t i o nd a t ao nt h ec o m p l i c a t e d t e c h n o l o g i c a lp r o c e s s ，w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n ，h o l d i n gt e r m i n a ls t a t i o n s o c k e t t e c h n o l o g y ，e t c a r ea p p l i e ds y n t h e t i c a l l yi nt h es y s t e m ，h a v em a d et h eg o o da c t u a l 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 e f f e c t i th a ss o m er e f e r e n c ev a l u ef o rd e v e l o p i n gs i m i l a ri n f o r m a t i o ns y s t e m k e y w o r d sl o g i s t i c s ，i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n ，w i r e l e s st r a n s m i t ，s o c k e t i i i 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 复杂工艺流程中物流的含义与本课题的研究内容1 2 1 1 9 】 2 8 】 3 3 】 物流在国民经济中占有十分重要的地位，工业企业是物流的主体之。工业 企业物流同工业生产紧密结合在一起，既十分复杂，又极其重要。工业企业覆盖 的范围十分广泛，包括冶金、矿山、石油、化工、机械、电子、电力、林业、建 材、轻纺、食品等工业领域。拥有复杂工艺流程是当代大多工业企业的重要特点 之一，比如钢铁企业、石化机械、起重运输机械、动力机械、工程机械、机床与 工具、汽车、轴承、仪表、农业机械、电机、电器以及机车车辆、船舶等企业的 工艺流程相当复杂。 就复杂工艺流程而言，其物流的含义是，从原材料进入开始，经过运输、装 卸、储存、原材料处理、搬运，加工至成品的一系列复杂工艺，并同信息系统结 合起来，把一系列加工、装配、检测环节连接在一起，直到生产出合格产品的全 过程。在这个过程中，物流自始至终贯穿于生产的各个环节之中，物流是为生产 服务的，又是生产的重要条件。物流虽然不增加产品的价值，但其可以为企业增 加效益，节省人力资源等，其重要性是不言而喻的。 由于物流技术和物流管理的迅猛发展，给复杂工艺流程物流的管理带来了新 的契机运用先进的物流技术改进物流的各个环节，使一定数量不同特征的物 料，在保证质量的条件下，按照生产工艺的要求，选择和设计最合理的工艺布置， 采用最先进的管理方法和信息系统，装备最优化的运输或搬运和装卸堆垛设备， 运用最佳的集装器具，经过最短捷而不受反复迁回和交叉干扰的工艺路线和运输 路线，满足最适宜的时间要求，以达到物料高效经济流动的目的。概括的讲，就 是要落实在提高企业效益、保证产品质量、降低生产成本上来，从而提高企业在 市场上的核心竞争力。 复杂工艺流程中物流的基本内容主要包括：原材料和协作配套件的供应物流， 生产过程中工序之间、车间之间、车间与工序之间及其内部的工序和车间物流， 主机厂之间运输总成和零部件的厂际物流。 复杂工艺的物流系统包括四个方面的内容，物流信息的采集，物流信息的总 成、物流过程的优化和物流管理。本课题将以某大型钢铁企业炼钢厂重量计量点 物流信息的采集为例研究复杂工艺流程物流信息的网络化采集系统，即运用物流 技术，将与各生产工艺息息相关的信息自动采集，并通过网络提供给相关的其他 工序或者车间。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 _ 2 实施复杂工艺物流信息网络化采集系统研究的必要性4 1 1 2 4 4 0 1 2 1 物流在工业企业中的重要地位 物流是工厂降低生产成本的重要途径 降低工厂生产成本是企业生存和发展的需要，是工厂长期努力需要达到的重 要目标之一。要把工厂几百种原材料、协作配套件和上万种零部件高效经济的组 织起来进行流动，是一项十分复杂而艰巨的任务，是很不容易做好的事情，再加 上由于各级管理者物流意识不强，经常发生管理不善和技术措箍不力的现象，以 及客观上的一些原因，势必在物流方面产生许多不经济不合理的问题，导致生产 成本提高，企业竞争能力下降。 据英国在一个机械工厂的调查统计，物料搬运的工时在全厂2 1 个部门的1 3 道工序全年生产工时中最高，超过任何一道工序，物料搬运工时是其他生产工序 工时总和的3 7 ，工厂全部搬运费用占整个制造成本的2 5 。另据调查，东风公 司在生产规模达到十万辆产量时，物流费用在全部可控成本中占3 2 4 ，反之， 则可节约这些资金。 物流是工厂墓本建设的重要组成 要生产一定规模的某种产品，首先就需要建设工厂，进行包括勘察设计、施 工安装、生产准备等基本建设工作，要投入大量的人力、物力、财力，其中，物 流方面的工作占有相当大比重。据统计，东风公司在建成十万辆的生产规模时， 物流设备占全厂设备总台数的2 4 9 ，物流设备的原价( 未包括生产自动线) 占全厂 设备原价的1 6 1 ，物流方面的建筑面积占全厂工业建筑总面积的2 9 ，物流方 面的土建费用占全厂一般土建总费用的4 7 6 。看起来是建设工厂，而实际上为 生产服务的物流方面却是极其重要的组成部分。 物流是工厂生产管理的重要条件 生产管理就是对生产过程进行计划、组织、指挥、控制和协调，以及信息处 理的管理，通过这些管理使企业生产达到高效能、高效率、高效益的目标。生产 周期越短，周转次数就越快，就越能体现出生产的高效率和高效益。而生产周期 的长短，在一定程度上取决于物流的台理化。合理的物流在提高生产效率、保证 产品质量和降低生产成本上起着极其重要的作用。据统计，零部件加工时间仅占 5 ，而9 5 的时间均处在搬运和储存之中，所以东风公司主管制造技术的经理说， 加工仅改变零件的几何外形和物理性质，它同物流紧密结合起来，才能生产出合 格产品，如果列个公式就是：( 加工) + ( 物流) = ( 生产) 。东风公司另一位主管生产的 经理说，生产管理实质上就是物流管理。 从以上的分析可知，物流在工业企业中占有至关重要的地位，物流的管理水 平关系到企业的发展水平。而物流信息的采集是物流管理的基础，只有建立先进 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 的，可靠的物流信息采集系统，才能保证物流管理的合理、有序的进行。冈此， 进行复杂工艺流程物流信息网络化采集系统的研制是非常有必要的。 1 2 2 课题研究的意义 1 2 2 1 炼钢厂的工艺分析 炼钢厂是某大型钢铁企业的主要生产厂矿，是该大型钢铁企业整个流程工业 中最重要的环节之一，其生产效率直接影响到集团公司的整体经济效益，其自动 化程度直接影响全厂的信息技术改造。具有工艺复杂、多流程布局等特点。全连 铸工程完成后，改进后的炼钢厂的主要工艺流程图如图1 1 所示。 从物流特点看，炼钢厂生产工艺存在：产品生产批量大，并有大量的不同种 类的原料和半成品及燃料同时进入生产过程( 铁水、废钢、散状料、脱氧材料等1 ； 从铁水到钢水、连铸坯，在整个生产过程中，原材料的化学特性、物理特性和机 械特性都在不断变化；在物流转换过程当中，不但有热金属流的产生，而且伴有 能量和水的大量消耗；是多维、非线性、动态和开放的复杂系统。 从生产工艺过程看，炼钢厂是钢铁联合企业从间隙生产到连续生产的结合部 分，生产过程主要是连续的，带有间隙性，工艺路线相对固定，但存在多途径性， 前后工序的物流协调、时间节奏匹配较困难，工序衔接不紧凑。 从设备角度看，生产集中在几台大设备上( 提钒转炉、炼钢转炉、精炼炉、连 铸机等) ，单机设备大，功率大，设备操作与维护需集体人工负责，设备布局有串、 并、混联三种形式，构成复杂连续的工艺过程。 因此，从生产工艺和作业方式分析，炼钢生产过程具有如下特点和要求： 多工序，除了铁水预处理、转炉冶炼、吹氲等精炼、连铸等主要工序外， 还有很多的辅助工序，如撇渣、r h 的处理等。 多品种，钢铁企业的产品品种可达上百种，不同品种对各工序的功能提出 了不同的要求，组成了多种不同的工艺流程。 多种作业方式，转炉、精炼设备为间歇作业方式，连铸机在其中包寿命之 内为连续作业方式。 多种运输方式，生产过程中的原料、半产品、产品数量多，且大部分在高 温下周转，物料运输既有地面的跨间运输又有行车的跨内运输。 炼钢厂作为大多数钢铁制造企业过程中的关键环节，炼钢生产为多工序、间 歇和连续作业方式相混杂的多阶段流程式生产过程，具有多段生产、多段运输、 多段存储、地面与空间交叉运输的特点，其物流计量点、工序点等物流信息是多 维过程的复杂混合动态系统。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 钒制 ；品厂 1 牟、2 脊、3 # l f 及l 撑、2 删 山】，37 1 万晡 1 0 30 9 万吨0 山8 55 7 万吨 参；早雩粤 ! l l 查堡堕 l 堡孽壁 l 、一垫烈i 堡 图1 1 全连铸：【程后提钒炼钢厂的主耍工艺流程图 f i g1 1m a i nt e c h n i c sf l o wc h a r to f s t e e lf a c t o r y 在这样一个复杂系统中要保证整个生产过程的高效率，有高质量的产品产出， 就必须使系统拥有合理而高效的物流系统。然而要确定合理的物流就必须对工艺 的各个环节的物流信息有准确、实时的了解。从以上对炼钢厂生产工艺的分析中 可以可知，遍布炼钢厂各工序重量计量点的重最信息对炼钢厂来说是至关重要的 物流信息，他对生产成本核算，提高产品质量等起着至关重要的作用，主要表现为： 只有确定进入各工序的铁水或者钢水重量和成分才能确定各工序对此铁 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 水或者钢水进行操作所需的时间，作业方式。 产品的品种是根据钢水里成分的种类和重量来确定的，对加入钢水的添加 剂的种类和重量的控制是保证工序操作质量的关键因素。 根据进出工序的钢水重量，可以核算成本，损耗等。 对各重量计量点重量数据的最优化管理是实现精细化生产、精细化管理和 生产工艺过程的物流优化调度的有利保障。 可以根据重量计量点的实时重量信息的变化了解设备的运行，物料的流向 等情况。 因此，在炼钢厂这样的拥有复杂工艺流程的企业，必须建立整个： 艺流程重 量计量点这样重要的物流信息的采集系统，以提供物流的及时，准确的信息，为 下一步物流的优化和管理提供坚实的基础。 1 2 2 2 炼钢厂现有情况 众所周知，钢铁企业是伴随现代工业的发展而发展的。随着市场经济的发展 和不断完善，钢铁企业也经历了由简单生产方式向复杂生产方式的转换。传统的 增加钢铁产量的方法是增加生产设备、投入更多的原燃料、资金和人力，但随着 原料、能源日趋紧张，用户对质量和品种要求日益提高，市场竞争日趋激烈，这 种“粗放经营”方式己很难获得活力，故国外已进入“精耕细作阶段，从6 0 年代 末就开始应用自动化和计算机技术来达到增加品种、提高质量、节能降耗的目的。 自动化最根本的最关健的是基础自动化即对底层各种信息的采集与控制的自动 化。它把工艺过程参数正确和及时地检测出来，并按要求控制在所规定的数值上 以及按预定顺序进行自动操作，这就为高效、高质、高产和低耗地生产产品创造 必要条件，甚至能生产高附加值或手动条件下不能生产的产品。此外，通过中央 监视和操作以及自动报警可以节省人力，及时发现生产中的问题并采取措旖，使 生产过程顺利进行，因而获得巨大经济效益，因此国内外都把发展基础自动化作 为生产过程中首要措施。 炼钢厂的生产工艺流程共有1 0 7 个称重计量点，这1 0 7 个重量计量点的称重 数据在时间( 称重时间) 、空间( 工位点) 及工艺流程中，构建了企业内部最直接、 最基本的信息流一物流，炼钢厂现行的物流调度管理工作基本上由人工进行，吊 车负荷不均，工作效率不高，与现代化的管理方式不适应。怎样才能适应以物流 为主线，以生产计划为中心的企业信息化目标呢? 经过多年的技术改造，钢厂工厂自动化程度有了较大的提高，计算机应用范 围较广，在设备装备方面，经过这几年的发展，相继建成并投运了较多的计算机 系统，特别是l 1 级系统，覆盖炼钢厂主要工艺环节，包括脱硫提钒、转炉炼钢、 r h l f 、板坯方坯连铸等工序，实现了部分工序计量点重量信息的自动采集，然 重庆大学硕士学位论文1 绪论 而这并没有覆盖全厂所有的工序计量点，还有相当一部份非常重要的计量点的重 量信息( 尤其是吊车称重信息) 的采集完全靠人工完成或者由上一级工序传下来 的数据估计得到，比如，脱硫提钒车间进出脱硫工序的铁水量完全是按炼铁厂报 过来的数据记录的，扒渣量则是人工估计的数据。原料车间在将原料送入炼钢车 间时，是由人工看到称重信号处于稳定状态时，将这个稳定值用粉笔写在原料槽 的后面，再将此数值和槽号记录在记录单上保存起来，同样炉后出钢到钢水送至 精炼车间的钢水重量数据，熔炼号，罐号等信息全部由人工记录，再通过电话或者由 下一工序工人到炉后记录点来操数据等落后的人工操方式，这造成称重计量不规 范、不准确，称重信息反馈不及时，工作效率不高，严重的会影响生产等现象，不 利于全厂自动化的发展，因此，建立全厂称重信息自动采集系统，自动采集全，。重量 计量点的重量信息，是非常必要的。 目前，炼钢厂整体信息系统体系结构逻辑上设置为四层： l 1 ：主体生产线基础自动化系统。 l 2 ：主体生产线过程控制系统( p c s ) 。 l 3 ：主体生产线生产控制系统( m e s ) 、各单位的厂务管理系统( 即传统意 义上的m i s 、o a 系统等) 。 l 4 ：公司综合信息管理系统( e r p 系统) ，整体产销系统是其核心。 下图显示了其中的三层( l 4 、l 3 、l 2 ) 在炼钢区域的架构，处于最上层的是 l 4 级e r p ( 企业资源计划) 系统、处于最底层的是l 2 级：【序p c s ( 过程控制系 统) 、承上启下的中间层为l 3 级系统( 区域生产控制系统( m e s ) 及厂务管理系 统) 。可见，p g c l s 作为l 3 的一个节点，是作为l 3 功能扩展的一个部分，在整 个钢铁企业信息化建设中，对整个生产线而言处于承前启后的作用，对炼钢区域 而言，起承上启下的桥梁作用，如图1 2 所示。 从图中可知位于最高层的以产销一体化系统为龙头的公司e r p 系统，实现 级计划、一级核算的集中一贯制管理，归根结底，要解决e r p 系统的“数据源” 问题及指令的及时下达与执行问题。另一方面，从企业信息化发展的角度看：从 m r p 、m r p i i 到c i m s 、e r p 及e r p + c r m + s r m + e c ，无论其管理的内涵和外延 如何扩展，但其基础仍然是企业内部各工序、流程的优化以及动态在线管理。 因此，在整个钢铁企业实施e r p 工程的同时，在炼钢厂这样的工艺、工序复 杂的生产区域同步建设计量点物流信息网络化数据采集系统，是项练好炼钢区 域“内功”的基础性工作，随公司整体产销系统建设的推进，该项工作显得卜分 迫切。 6 重庆大学硕士学位论文 ，一一绽盒信皇壅蕴f e b j i 、l 黧焦芒镇丞鳖) 、。一黑一一一一一。7 图1 2p g c l s 的层次及定位图 f i g1 2 c h a r to f o r i e n t a t i o na n da r r a n g e m e n to f p g c l s 炼钢厂正在实旌的l 2 级的过程计算机系统、l 3 级的m e s l g 系统，使炼钢 厂信息技术改造、生产管理自动化有了突飞猛进的进展，然而，部分重要数据源 的不准确，不及时严重影响了其工作效果，因此急需建立准确、实时的计量点数 据采集系统。 位于整个信息体系结构最底层的基础自动化系统( l 1 系统) 已经实现了全厂 大多数物流信息的采集，但是仍然存在着部分采集方式不先进，数据不准确，不 及时等现象，需要物流信息网络化采集系统作为其有利补充和完善。 上世纪9 0 年代前后提出的“业务流程重组”、m e s 及e r p 这3 个概念在今 天已经捆绑得十分紧密，位于管理层面的e r p 系统，本质上是一个指标计划驱 动系统，并没有解决“管理体系的数据源点问题”，实践证明需要下层的生产控制 系统，负责将指令、计划、指标，解释成对工艺过程、工艺参数、物料数量和品 质、产品质量控制等等的需求，并监督这些需求在真实的工艺过程中得到持续的 满足，同时，这个执行系统也随时监控来自现场的过程数据，传送到上位机系统 中，评估运行的优化程度，给出进一步执行的对策。因此，炼钢厂计量点物流信 息网络化采集系统的建立可以并且必须实现炼钢区域生产活动与公司经营活动的 有效集成，成为炼钢区域生产优化运行、优纯控制与优化管理的桥梁和纽带。由 此可见，在实施整体产销系统c e r p ) 的进程中，加紧计量点物流信息网络化采 集系统的建设，是十分必要的。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 _ 3 钢铁工业自动化的国内外发展状况 2 】【1 8 】【2 5 】 2 6 】【2 9 【3 6 】【3 7 】 1 3 1 我国钢铁工业自动化的进展 在国家“运用现代科学技术，特另b 是电子信息和自动化技术改造传统产业” 的方针指导下，我国钢铁工业自动化取得了长足进步。引进了大批的d c s ( 集散 控制系统) 技术、p l c ( 口7 编程控制器) 技术、f l c ( 模糊逻辑控制) 技术、低成本控制 技术、智能控制技术、工业网络技术、工业总线技术、p d m ( 产品数据管理) 技术、 f a ( 工厂自动化) 、e s ( 专家系统1 技术等新技术和技术产品，逐步缩小了与国外先 进技术的差距。在消化吸收先进技术，创新应用于国内钢铁工业的过程中，积累 了技术和经验，培养和锻炼了大量的专家和优秀人才，提高了国产化水平。 一些工厂与工序已达到世界先进水平 宝钢一、二期工程、天津钢管公司、马钢的高速线材工程、成都无缝钢管厂 圆坯连铸连轧机组、珠江钢厂的薄板坯连铸连轧和鞍钢1 7 8 0 热连轧带钢等。+ 批引 进的装备和技术提高了我国钢铁工业自动化水平。我国科技工作者在消化、移植 国外先进技术的基础上，自主开发、设计、建设了武钢1 7 0 0 热轧计算机控制系统、 鞍钢1 7 0 0 热连轧带钢生产自动化控制等批具有国际水平的钢铁工业自动化工 程。 自行研制的装备和控制系统以及数学模型已经实用化 在检测仪表方面有：高炉单支管煤粉两相流量计、铁水温度和硅含量连续检 测仪、炉内料面温度热成像仪、微波料面形状计、炼钢连铸的测渣仪、转炉的声 学化渣测量仪、结晶器开口度及倒锥度测量仪、连铸辊间距测量仪、板带轧机的 激光测量仪和板型仪等；在控制系统方面有：焦炉加热自控系统、高炉信息调度 系统、炼钢直流电弧炉控制系统、铁合金炉电极压放和上料系统、全连铸生产调 度系统、板坯方坯连铸自控系统、电炉全连铸一热送一热轧生产线过程自控系 统、水平连铸自控系统、中板和冷热板带轧机的液压a g c 系统等：在数学模型 方面有：高炉炉况预报g o s t o p 模型、软熔带推断模型、炉热推断模型、炉料 下降仿真模型、焦炉加热模型、均热炉烧钢模型、冷轧设定模型等等。 人工智能( a i ) 有一定的应用 宝钢应用了大板坯连铸漏钢神经元预报系统，取得了一定效果。 l - 3 2 国际钢铁工业自动化的先进水平 发达国家钢铁工业信息化自动化基本上达到了综合管理控制一体化方式，大 多数已经实现了c i m s ，主要表现为： 以及时、高效、服务、周到为目的的广域化计算机管理系统逐渐实用化。 日本新日铁和j f g 钢铁公司已大部分实现从单个车间、个人到班组；从钢铁厂到 国内外流通领域；从钢铁公司到顾客、社会、最终用户以至税务、海关等相互联 重庆大学硕士学位论文绪论 1 _ 3 钢铁工业自动化的国内外发展状况嘲 1 8 】【2 5 1 【2 6 l 【2 9 | ：3 6 j 3 7 】 1 3 1 我国钢铁工业自动化的进展 在国家“运用现代科学技术，特别是电子信息和自动化技术改造传统产业” 的方针指导下，我国钢铁工业自动化取得了长足进步。引进了大批的d c s ( 集散 控制系统) 技术、p l c ( w 编程控制器) 技术、f l c ( 模糊逻辑控制) 技术、低成本控制 技术、智能控制技术、工业网络技术、工业总线技术、p d m ( 产品数据管理1 技术、 f a ( i 厂自动化) 、e s ( 专家系统) 技术等新技术和技术产品，逐步缩小了与围外先 进技术的差距。在消化吸收先进技术，创新应用于国内钢铁工业的过程中，积累 了技术和经验，培养和锻炼了大量的专家和优秀人才，提高了国产化水平。 一些工厂与工序己达到世界先进水平 宝钢一、二期工程、天津钢管公司、马钢的高速线材工程、成都无缝钢管厂。 圆坯连铸连轧机组、珠江钢厂的薄板坯连铸连轧和鞍钢1 7 8 0 热连轧带钢等。+ 批引 进的装各和技术提高了我国钢铁工业自动化水平。我国科技工作者在消化、移植 国外先进技术的基础上，自主开发、设计、建设了武钢1 7 0 0 热轧计算机控制系统、 鞍钢1 7 0 0 热连轧带钢生产自动化控制等一批具有国际水平的钢铁工业自动化工 程。 自行研制的装备和控制系统以及数学模型已经实用化 在检测仪表方面有：高炉单支管煤粉两相流量计、铁水温度和硅含量连续检 测仪、炉内料面温度热成像仪、微波料面形状计、炼钢连铸的测渣仪、转炉的声 学化渣测量仪、结晶器开口度及倒锥度测量仪、连铸辊间距测量仪、板带轧机的 激光测量仪和板型仪等；在控制系统方面有：焦炉加热目控系统、高炉信息调度 系统、炼钢直流电弧炉控制系统、铁合金炉电极压放和上料系统、全连铸生产调 度系统、板坯方坯连铸自控系统、电炉全连铸一热送热轧生产线过程自控系 统、水平连铸自控系统、中板和冷热板带轧机的液压a g c 系统等：在数学模型 方面有：高炉炉况预报g 0 s t o p 模型、软熔带推断模型、炉热推断模型、炉料 下降仿真模型、焦炉加热模型、均热炉烧钢模型、冷轧设定模型等等。 人工智能( a i ) 有一定的应用 宝钢应用了大板坯连铸漏钢神经元预报系统，取得了一定效果。 l3 2 国际钢铁工业自动化的先进水平 发达国家钢铁工业信息化自动化基本上达到了综合管理控制一体化方式，人 多数已经实现了c 1 m s ，主要表现为： 以及时、高效、服务、周到为目的的广域化计算机管理系统逐渐实用化。 日本新曰铁和j f g 钢铁公司已大部分实现从单个车间、个人到班组；从铡铁厂裂 国内外流通领域；从钢铁公司到顾客、社会、最终用户以至税务、海关等相互联 国内外流通领域；从钢铁公司到顾客、社会、最终用户以至税务、海关等相互联 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 网，形成了e d i ( 电子数据交换) 格式一体化等广域化网络系统。 以高效、高产、优质为目的的局部工序已经实现无人化、少人化。 人工智能( a i ) 技术已经广泛应用。包括模糊控制( f z ) 、专家系统( e s ) 和神 经元网络( a n n ) 在各个工序的应用，已取得重大成果和经济效益，目前正在向深 化、广泛、大规模化以及多种技术的混合系统发展。 以为钢铁工业提供高品质控制方法为目的，使用现代控制理论建立了高水 平的控制系统。 可视化技术出现和监控系统的革新。 以提高作业率、增加产量、改善质量和减少维护费用为目的的设备管理、 设备诊断系统和预先维护系统( c b m ) 代替常规的定期检修方法。 系统网络化已经成为不可逆转的趋势。 从现场总线到车间网、工厂网、企业网等网络化为建设综合自动化系统提供 了巨大的灵活性。 传统的“计( c ) 、电( e ) 、仪( i ) ”的分工界限己不再明显。计算机技术的应 用已深入各个领域，在现代高炉控制中，电控系统、仪控系统、通讯系统正在被 集回路调节、顺序控制、传运控制、多媒体为一身的一体化系统所代替。 仿真技术的应用也日益广泛。不仅用于控制系统培训和新工艺、新控制方 法的研究，而且用于指导生产。 广泛应用c i m s 对企业的加工系统物料流、信息流实行优化控制。追求最 佳效果，大大提高了企业的经济效益。 9 重庆大学硕士学位论文 2 系统构架设计 2 系统构架设计 2 1 系统的组织结构设计3 【4 【8 】 1 3 h 6 】【3 2 】【4 1 】 对于炼钢厂来说，在其复杂的工艺流程中最重要的物流信息莫过于各环节的 重量计量点的重量信息，本系统的主要任务就是通过自动或者自动与人工结合的 方式对于炼钢厂称重信息进行采集。 炼钢厂共有七个涉及到生产的车间，1 0 7 个重量计量点，这1 0 7 个重量计量 点遍及这七个车间的各个工序、各个环节，考虑到炼钢厂各车间的布局，本系统 设立六个采集站( 即脱硫提钒采集站、转炉炼钢采集站、原料采集站、铸锭采集 站、方坯采集站、扳坯采集站) 和一个数据库服务器。系统的组织结构如图2 1 所示。脱硫提钒采集站负责脱硫提钒车间的脱硫工序、扒渣工序、提钒工序的重 量计量点的重量信息的采集；转炉炼钢采集站负责转炉炼钢车间炼钢工序重量汁 量点重量信息的采集；原料采集站负责原料车间送往炼钢车间的原料的重量信息 的采集；铸锭采集站负责炼钢转炉出钢到钢水罐运至精炼车间的重量信息采集； 方坯采集站负责方坯精炼、方坯连铸工序的重量计量点重量信息的采集；板坯采 集站负责板坯精炼、板坯连铸工序重量计量点重量信息的采集。各采集站采集的 重量信息通过网络存入同一数据库服务器，也可以从数据库服务器中读取所需其 他采集站的信息。 图2 1 燎钢厂称重信息网络化采集系统组织结构 f i g2 1s k e t c hm a po f t h ew h o l en e t w o r kc o l l e c t i o ns y s t e m 2 2 系统数据采集模块设i t t l 5 】 钢铁企业信息系统的结构一般分为四层：最上层是企业资源计划系统( e r p ) 重庆大学硕士学位论文 2 系统构架设计 主要完成整个企业资源的调度和管理功能；其次是信息管理系统( m i s ) ，主要完 成管理层的各项管理业务以及办公业务功能；再下层是生产过程控制系统( p c s ) ， 主要完成对整个公司各个生产工艺线的管理以及物流调度管理等；最下层是作业 控制与执行层，主要完成对单条生产工艺线的工艺管理及作业控制功能。炼钢厂 重量信息采集系统是对全厂具体工艺重量计量点的操作，属于最底层的基础自动 化部分，本系统的主要作用是为前三层( 企业资源计划系统、信息管理系统、生 产过程控制系统) 提供数据源。因此，炼钢厂重量信息采集系统的设计应遵循以 下原则： 底层控制网络应遵循公认的标准，能实现设备间的互换和互可操作性； 生产层应遵循开放的体系结构与协议，允许符合标准的底层设备方便地接 入，允许与上层互联、互通、互操作： 系统要稳定、可靠； 不能影响生产的正常进行。 由于多年的技术改造，炼钢厂已经建成了比较完善的基础自动化系统和过程 控制系统，部分重量计量点的重量信息已经实现了自动采集，因此这部分重量计 量点的重量信息可以通过网络从现有的过程控制系统得到，以下提到从过程计算 机提取数据就是指这部分信息。吊车运送的重量信息可以通过无线电台将吊车上 电子秤的重量信号传至地面采集站，以下鞴车称重信息采集如不特殊指出便是指 增加无线电台传送数据方式数据。 2 2 1 脱硫提钒采集站设计 提钒脱硫采集站模型如图2 _ 2 所示( 图中称p g w s l # 采集站) 。 铁水从炼铁厂进入炼钢车间时，首先进入脱硫工序脱硫，这个过程是要在铁 水罐中加入某些脱硫剂将铁水中的硫脱去使铁水转为半钢，然后进入扒渣工序将 半钢罐中的渣扒去，由于该炼铁厂所在矿区富含钒，因此在炼钢之前，要将钒提 出来，即进入提钒转炉提钒，提钒的过程是要在提钒炉里加入散装料，然后运到 炼钢车间炼钢。 脱硫工序 脱硫工序所有重量计量点的重量信息、提钒工序加入提钒炉的散装料、废钢 等信息、处脱硫提钒车间半钢信息通过提钒过程过程计算机得到。 扒渣工序 扒渣前提钒吊车将脱硫专用罐吊起准各放入扒渣车时，脱硫提钒采集站向扒 渣过程计算机发送信号，通知操作员看一下此吊车所吊罐罐号，并将之输入过程 计算机，确认。由过程计算机将罐号信息发至脱硫提钒采集站，脱硫提钒采集站 将罐号与重量数据对应，存入数据库。此重量为扒渣前重量。 重庆大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 从过程计算机里获耨其他重量信息1 _ 。 开始 l 1 i i 二二= 二二j 一 一 l 一u ： 是 ；j 溢鐾香答瓷答誊亲景磊翟 罐号吊车号。扒渣前后信息 2 系统构架设计 据库，井扒渣后的重量为 邑钒兑铁总重 图2 2 脱硫提钒采集站模型 f i g2 2m o d a lo f c o l l e c t i o np o i n ti nd e s u l f u r i z ea n dd i s t i l l v a f l m i u mr e g i o n 重庆大学硕士学位论文 2 系统构架设计 扒渣完成后，提钒吊车将罐吊起，并重量数据稳定时，脱硫提钒采集站向扒 渣过程计算机发送信号，通知操作员看一下此吊车所吊罐的罐号，并将之输入过 程计算机，确认。由过程计算机将罐号发至脱硫提钒采集站，脱硫提钒采集站将 罐号与重量数据对应，存入数据库。此重量为扒渣后重量，也是铁水罐总重。扒 渣前重量减去扒渣后重量为扒渣量。 提钒工序 向提钒炉兑铁时，由过程计算机向脱硫提钒采集站发送兑铁信号，当脱硫提 钒采集站检测到有某一提钒吊车重量数据处于下降沿，而某一转炉又处于兑铁状 态时，说明此吊车所吊铁水正在向此转炉兑铁，当此吊车的重量数据不再减少， 稳定在某一定值时，该吊车的重量为专用罐皮重，由铁水罐总重减皮重便得到兑 铁量。如果有两个转炉同时兑铁，则根据转炉和吊车号对应的位置来确定哪罐铁 水加入哪座转炉。 如果扒渣后的铁水罐不经过提钒，而直接进入提钒过跨车过跨，则此时的铁 水罐皮重通过网络从过跨车过程计算机中提取，则可以算出铁水净重。 2 2 2 转炉炼钢采集站与原料采集站设计 转炉炼钢采集站与原料采集站的模型如图2 3 ( 圈中p g w s 2 # 采集站为转炉 炼钢采集站，p g w s 6 社采集站为原料采集站) 。 半钢从脱硫提钒车间有可能直接到炼钢转炉炼钢，也有可能经混铁炉混铁， 然后再到炼钢转炉炼钢，在炼钢时，一方面将半钢倒入转炉，方面加入散装料、 合金料、废钢进行炼钢。炼钢车间共有四个吊车负责兑铁( 即2 # 、3 f 、4 存、5 # 原 料吊车) ，其中2 ! 原料吊车没有安装电子秤和无线传输装置，3 群、甜、5 # 吊车安 装了电子秤和无线传输装置。要求凡是经过混铁炉的半钢罐炼钢时，这些半钢罐 只能由3 舟，4 社，5 撑原料吊车运送，而来自提钒过跨车没有经过混铁炉的半钢罐由 2 # 原料吊车来吊。 加入炼钢转炉的合金料和散装料信息