（控制理论与控制工程专业论文）炼钢生产过程物流调度与优化项目研究.pdf

t 1 涮声明恻必 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：至抛 w b 年 只乇r 指导教师签 友刃口年罗月2 幻 ；, - j ：l l ：科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 ， 踊保密。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名： 工锦生 指导教师签 劲td 年暑窍乇r 砌妒年多月珈 孓 吖 勘 面 摘要 摘要 本文以津西钢铁有限公司第二炼钢厂炼钢生产过程的物流现状为背景，在p l c 工业控制技术、o p c 工业总线网络以及o l a p 联机分析处理技术的基础上，建立了 炼钢生产车间天车动态检测与控制实验平台、车间物流信息数据采集网络与物流信 息数据仓库，实现了炼钢车间生产过程物流系统的网络化监控与生产调度优化。 理论研究与实际应用表明，炼钢生产过程连续性强、工序点多、作业特征复杂 多变。在多阶段、多路径的生产过程中，传统的人工数据采集方式效率低下，而且 差错率高，不能满足现阶段企业对高效的物流系统的需求。因而开发相应的物流调 度与信息优化系统，对于提高企业物流效率进而降低生产成本具有重要的现实意义。 第一章介绍了项目的研究背景并提出了项目的总体方案设计；在第二章中，本 文采用数字传感器与p l c 工业控制相结合的方式，设计并实现了对天车的动态检测 与控制。对天车位置与钢包重量的动态检测使用了接近开关与数字拉力传感器；对 天车的运动控制采用了基于p l c 的模糊控制算法来提高天车到达作业点的定位精 度；第三章提出了基于“客户机月艮务器”模式的o p c 组网方案，有效地提高车间物 流数据的采集效率。在“组态王工控软件的o p c 通信与实时画面监控功能基础上， 设计并实现了炼钢生产车间物流系统的上层监控软件，在对天车进行位置、速度、 运动方向等状态的监控同时，按照炉号、组次、原料用量等物流内容的顺序，对物 流信息数据进行统计；第四章在s q l 数据库系统基础上，设计并构建了车间物流信 息数据仓库，利用多维数据分析( o l a p ) 算法，实现了对物流数据库中的庞大物流信 息数据进行分层次、有目的、高效率的分析处理，以达到为企业决策者提供决策支 持的目的。 关键词生产物流；动态检测；p l c ；模糊控制；o p c ；o l a p ；数字传感器 - - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ 。 a b s t r a c t a b s t r a c t t ot h ep r o d u c t i o nl o g i s t i c so ft h ej i n x is t e e le n t e r p r i s e ss e c o n ds t e e lp l a n ta st h e b a c k g o u n d ，t h i sp a p e rh a sb u i l tt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r ma b o u t t h ed y n a m i cm o n i t o r i n go f t h ew o r k s h o pt r a v e l e r ，t h en e t w o r ko fc o l l e c t i o ni ni n f o r m a t i o no fp r o d u c t i o nl o g i s t i c sa n d t h ed a t a b a s eo fl c l g i s t i ci n f o r m a t i o no nt h eb a s eo ft h ep l c ，o p ca n do l a pt e c h n o l o g y t h eo p t i m i z a t i o ni nn e t w o r km o n i t o r i n ga n dp r o d u c i o nm a n a g e m e n th a sr e a l i z e di nt h e s y s t e mo fs t e e lp l a n tl o g l s t i c s ： t h ef a c th a sb e e nf o u n dt h a tt h ep r o c e s s i o no fs t e e l - m a k i n gi sc o n t i n u o u s ，f u z z ya n d c o m p l i c a t e db yt h e s t a t u so ft h ej i n x is t e e le n t e r p r i s e ss e c o n ds t e e lp l a n t i nt h e p r o d u c t i o np r o c e s s ，w h i c hi sm u l t i - p a t ha n dm u l t i s t a g e ，t h ea r t i f i c i a lc o l l e c t i n gw a yo f l o g i s t i c si si n e f f e c t i v ea n d f a l l i b l e s oi tc a nn o tc o n t e n tt h es t e e le n t e r p r i s e sr e p u i r e m e n t f o re f f e c t i v e1 0 9 i s t i cs y s t e m s ot h ee x p l o i t a t i o nf o rt h es y s t e mo fl o g i s t i c s o p t i m i z a t i o n a n dm a n a g e m e n th a v et h ei m p o r t a n tm e a n si na c c o r d i n gt h es t e e le n t e r p r i s e sb e n e f i t t h em a i nc o n t e x to ft h i sp a p e ri n c l u d et h ef o l l o w i n g s t h er e a l i z a t i o no fd y n a m i c m o n i t o r i n ga n dc o n t r o lo nw o r k s h o pt r a v e l e rb yt h em e t h o do fi n t e g r a t i o nb e t w e e n t h e d i g i t a ls e n s o ra n dp l c t h i sp a p e rm a k eu s eo ft h ep r o x i m i t ys w i t c ha n dt h ew e i g h t i n g s e n s o ri nt h ed y n a m i c m o n i t o r i n go ft h ew o r k s h o pt r a v e l e r sa n dm a k eu s eo ft h ef u z z y l o g i cc o n t r o lb yp l ci na c c o r d i n gt h ea c c u r a c yo ft h ew o r k s h o pt r a v e l e r s t h i sp a p e r d e s i g n st h en e t w o r ko fo p cf o rt h ep u r p o s eo fa c c o r d i n gt h ee f f e c t i o no ft h el o g i s t i cd a t a s c o l l e c t i o n o nt h eo t h e rh a n d ，t h i sp a p e rm a k e st h ek i n g v i e ws o r w a r e 嬲t h em o n i t o r i n g p l a t f o r mf o rt h ep u r p o s eo fm o n i t o r i n gt h ew o r k s h o pt r a v e l e r s p o s i t i o n ，v e l o c i t ya n d w e i g h t ，a n dc o u n t i n gt h el o g i s t i cd a t ab yt h eo r d e ri nb o i l e r s n u m b e r , t e a m s n u m b e r , t h e d o s a g eo fm a t e r i a l sa n ds oo n o nt h eb a s eo ft h es q ld a t a b a s e s ，t h i sp a p e rm a k eu s eo f t h eo l a pa r i t h m e t i ct od e s i g nt h el o g i s t i cd a t a b a s ea n dr e a l i z et h ee f f e c t i v e ，p u r p o s i v ea n d a r r a n g e m e n t a la n a l y s i sm e t h o d si nt h ep u r p o s eo fa c c o r d i n gt h ee n t e r p r i s e sb e n e f i t k e yw o r d sp r o d u c t i o nl o g i s t i c s ；d y n a m i cm o n i t o r i n g ；p l c ；f u z z yl o g i cc o n t r o l ； o p c ；o l a p ；d i g i t a ls e n s o r ， v d 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论”l 1 1 项目研究背景1 1 1 1 企业物流的基本概念1 1 1 2 津西钢厂炼钢生产物流分析2 1 2 相关课题的国内外研究现状4 1 3 项目总体方案设计：”6 1 3 1 炼钢生产过程物流优化项目实验方案总体设计”6 1 3 2 炼钢生产过程物流调度与优化项目实验平台概况”8 1 3 3 研究目标”9 1 4 项目研究的意义： - - - - - - - - - 9 1 5 论文章节安排。；l o 1 6 本章小结一1 1 。 第2 章基于p l c 的天车动态检测与控制实现1 2 2 1 西门子s 7 - 2 0 0p l c 功能特点一- 1 2 2 1 1p l c 的功能特点_ 1 2 2 i 2s 7 2 0 0 与s t e p 7 功能概述1 3 2 1 3p l c 程序设计的总体结构1 4 2 2 基于p l c 的天车动态检测实现1 6 2 2 is 7 2 0 0 p l c 输入输出特性与选型依据1 6 2 2 2 数字传感器与p l c 的连接1 7 2 2 3 天车动态监测的上层软件实现18 2 3 基于p l c 模糊控制算法的天车运动控制实现2 2 2 3 1 天车运动控制模糊控制器结构2 3 2 3 2 变量语言值的选取_ 2 4 2 3 3 模糊控制器的论域2 4 2 3 4 隶属函数的确定及模糊变量表的建立2 5 2 3 5 天车运动模糊控制规则2 6 2 3 6 天车运动模糊控制算法的p l c 实现一2 7 2 4 本章小结一3 0 i i i 河北科技大学硕士学位论文 3 章基于o p c 的炼钢生产过程物流信息采集实现一3 2 3 1o p c 的基本概念”3 2 3 1 10 p c 的优越性3 2 3 1 2o p c 的总体结构3 3 3 1 3o p c 服务器程序功能划分3 3 3 2 用“组态王实现基于o p c 的车间物流信息采集3 4 3 3 本章小结3 5 4 章基于o l a p 的物流信息数据处理与分析实现”3 6 4 1 数据挖掘的概念3 6 4 2 联机分析处理( o l a p ) 技术3 6 4 2 10 l a p 的基本概念3 6 4 2 2o l a p 的技术特点3 7 4 2 30 l a p 的多维数据分析3 7 4 2 4o l a p 的体系结构一3 8 4 3 构建基于o l a p 的炼钢生产物流信息数据仓库：3 8 4 3 1 基于o l a p 的分析系统的组成3 8 4 3 2 炼钢生产物流信息源数据库的构建3 9 4 3 3 物流信息数据仓库与多维数据集的构建4 1 4 3 4o l a p 元数据分析_ 4 3 4 4 物流信息数据仓库中的数据挖掘o ooeoo o po o 一4 4 4 4 1 决策树理论4 4 4 4 2 构建样本决策树4 4 4 5 本章小结4 6 结论4 7 参考文献”4 8 致谢”5l i v 第1 章绪论 1 1 项目研究背景 第1 章绪论 1 1 1 企业物流的基本概念 自从美国消费协会对物流的概念进行了定义开始，与物流及其周边理论相关的 各种研究和应用在各种工业、商业等领域的发展至当前阶段已有几十年的历史。对 于物流的概念，由于历史环境、文化和社会背景、以及研究机构和学者的区域性和 实践上的差异，一直有着不同的解释方法【1 1 。 总的来说：物流是指货物或原料的实体在空间上的移动性和时间上的占据性， 并通过这些性质实现企业利润；物流是指货物或原料的实体在空间上的移动和时间 上的占据，即生产实体的物理性的流动过程；物流是指所有的货物或原料的实体从 生产商到客户的在物理空间位置上的转移。 相对而言，一些解释更为细节性的概念认为：物流是针对企业在经营过程中， 将企业生产中的物料移动、转化等信息从车间到市场进行的高效、合理的传送，和 有计划的监控与调度；在当今国际化市场激烈竞争的大环境下，企业物流的能力作 为企业竞争能力的判断之一，能够对创造企业利润和社会生产价值起到推动作用； 能够对企业的远景规划、近期生产计划的制定等起到决定性的作用。企业的物流能 力是通过原料运输、车间信息采集、生产安全监控、产品存储调度等物流内容的合 作执行以及成品后期产品的运输和销售等工作；物流是指从生产产品所需的原材料 进入车间生产阶段开始，经过运输、选料、3 h i 、深加工等一整套车间生产过程直 至成品从车间运输走。从性质上来说，物流是生产原料从产地到客户的物理性变化 和移动，同时企业物流的能力好坏又能够为企业创造剩余时间和空间价值，最终创 造企业利润。 将物流的定义更具体化就可以解释什么是企业物流【1 埘。即，企业物流是指在企 业经营的过程中，参与企业生产与销售的那些原料、资源、产品等，从生产初料供 应开始，所经过的原料运输、车间加工、市场营销等过程。事实上，如果从系统论 的观点出发来看，则企业物流可以定义为是一种随时随地都要受到资源、市场、技 术水平等因素影响的具有“输产出 特点的能够自我调节、自我发展、自我适应 环境的企业生产能力。 本文中提及的物流概念，指的是上述企业物流。本文研究的背景是炼钢生产企 业内部的物流，它是指炼钢生产所需的物料( 如石灰、镁球、硅锰等) 和炼钢生产车间 吊包天车在空间和时间上的运动过程，是炼钢生产车间生产系统的状态与效率的动 1 产线2 条、在建1 0 0 万吨钢生产线1 条。具有年产钢6 0 0 万吨、板材2 0 0 万吨的生 产能力。 目前，河北津西钢厂已投资4 亿元对炼钢车间的生产工艺与物流系统进行全面 的技术改造。钢厂计划新建2 条生产线，年生产能力分别为1 0 0 万吨和1 2 0 万吨， 这样将使其年总生产能力达到8 0 0 万吨，使津西炼钢厂在产品质量、技术革新、企 业效益上实现全面发展。用高新技术进行传统产业的技术改造是长远之计，但在改 造的同时也要面对新技术、新工艺、新系统的应用为企业带来的即时效益风险，并 且也面临着技术改造完成后的专业人才培养、生产组织重新计划、运行调度方案需 要合理设计等问题。 j 津西第二钢厂炼钢车间生产过程物流体系结构如图1 1 所示。 i 调达物流；卜生产物流二一+ 一销售物流 阳 卜 l 高炉 转炉生产车问 i 邮整 装 装 精炼生产车间 _ t _ t v j 上 仓 。 库 叫王睬制诰幸阎u，l | l t 乍问 装 1 | 王王。工工互。土上 配 删 车 军 刨 铣 空 争 间 i 热 铸 处 加加加 造 理 工工工 - t弋tt厂 弋。 - 图1 - 1 炼钢生产过程物流体系结构 f i g 1 - 1t h es l x u c to f s t e e l - p r o d u c t i o n 如图1 2 所示的津西钢厂第二炼钢车间的生产过程物流走向图与图1 3 所示的车 间布局图可以直观体现出炼钢生产过程中的物流现状与特点。 2 第二炼钢厂炼钢车间的布局如图1 3 所示， 图i - 3 津西钢厂第二炼钢车间作业布局图 f i g 1 - 3t h ec o m p o s i t i o no fs t e e lp l a n t 从炼钢生产过程中生产原料转移、转化的特点来看；炼钢生产过程中，钢产品 的生产批量大，生产过程中会有大量的生产所需原料( 如铁水、镁球、硅锰、生铁、 废钢等) 在不同时间和不同作业段进入车间生产线；在从高炉铁水到转炉、精炼炉以 及连铸的整个生产过程中，生产原料的化学、物理性质在不断发生转化；整个炼钢 3 其在钢厂现场运行的结果使炼钢车间总体生产计划的编制时间由原来的2 小时减少 为2 0 分钟，在具体的生产过程中钢水在各个工段的平均等待时间由1 5 分钟减少到7 分钟。；德国的技术人员在对炼钢生产中各个生产作业环节进行实时调控的基础上， 成功地开发了基于计算机控制技术的炼钢生产物流调度与监控系统。该系统能够自 动采集重要的物流数据，并采用模糊控制算法对各工段的作业等待时间和物料运输 路径等进行调度方案的设计，同时建立数字化的调度模型，提高了炼钢车间的生产 效率。 4 第1 章绪论 由上表分析可以看出，现阶段全世界钢铁企业的年生产能力大概十亿吨左右。 从2 0 0 1 年到2 0 0 8 年的8 多年时间里，总产量缓慢增长了2 0 左右。其中，只有中 国的钢铁产量逐年递增，其他西方国家的钢铁产出大国的钢产量逐年呈波浪式增长 ； 【4 】 9 任何一个产业的快速发展都必将带来激烈的市场竞争。虽然近几年来中国的钢 铁企业的钢产品总产量居世界首位，但是以美国、德国、日本为代表的传统钢铁产 业大国在不断地采用新的技术和设备，淘汰落后设备以及陈旧工艺，优化钢铁产品 结构，其技术水平与国际市场竞争力仍处于领先地位。 就国内相关领域的发展情况来看，国内相似系统的研发与应用还处于起步阶 段。国内的炼钢生产物流调度系统与国外同类系统在稳定性与可靠性上还是有不小 的差距。北京科技大学的研究人员于上世纪末率先开始了这方面的工作。他们先后 以浦钢、宝钢、安钢等国内知名大型炼钢厂为现场对象进行了炼钢物流调度方案的 分析与设计，得到了第一手现场数据并积累了宝贵的现场经验。近年来，随着国内 钢铁企业不断地提高对炼钢生产过程进行物流监控的重要性的认识，各大钢铁企业 在大力推进信息化和现代化改造的过程中，对基于现代信息技术的炼钢车间物流调 度系统的需求与日俱增。国内一些专业的科技软件开发公司也看好该领域的发展前 景，投入了大量的人力和资金进行研发工作，从不同程度上加快了炼钢生产过程物 流调度系统的发展进度。 总体而言，我国钢铁企业物流调度系统的现代化程度不高，导致物流调度效率 较低、物料过程可靠性监控的功能还不够完善，不足以很好地适应炼钢生产工艺技 5 图l 一4 物流调度与优化项目总体方案设计图 f i g 1 - 4t h et o t a lp l a no f t h i si t e m 6 率、 现在 场调 全无 业内 养还 低， 的发 现方 单一 r 第1 章绪论 本课题总体方案设计图如图1 4 所示。 本方案的总体设计目标是在炼钢车间复杂的不匹配生产组织模式下，实现天车运 行状态的实时监控与天车自动执行生产作业计划，并实现炼钢从铁水、废钢等大宗 原材料入炉到钢水浇铸成铸坯全过程分工序、按班组、炉号，进行物料消耗数字化跟 踪并及时动态分析、核算和量化管理。 总体方案设计如下： 1 ) 在天车轨道上相隔固定距离平均分布若干天车接近检测传感器，传感器感应 到天车到达时及时向天车控制p l c 发送到达信息。p l c 通过判断接受到传感器相应 信号的寄存器端口号，来计算当前天车所处作业位置。同时在天车轨道上对应与转 炉口、精炼炉口、连铸口、倒渣点与钢包烘烤点等暂停作业位置的传感器信号，p l c 及时上传至上层“组态王 软件并实时显示，供调度人员监控。通过计算天车所经 过的传感器的个数与时间，可以知道当前天车的速度与运动方向。通过对天车当前 状态数据的分析，p l c 根据预先设计的作业计划，对天车发出相应的作业指令。本 方实验案采用“西门子”s 7 2 0 0 p l c ，天车接近传感器采用“金英 l j g i a - 4 z 2 c n 2 接近开关。 2 1 天车称量由“奥德赛”a u t o j l b s i i s s 型拉力传感器实现，用来采集天车 所吊钢包的重量信息并将模拟量信号传至p l c ，由p l c 处理为数字信号后传输至上 层“组态王 软件并实时显示，供车间工作人员参考。 3 ) 总控制室中设3 台计算机作为数据采集终端。其中一台与转炉车间、精炼炉 车间以及连铸车间的控制室中的控制终端计算机通过t c p i p 网络协议相连，并联入 车间o p c 通信网络。目的是实时准确地采集各车间作业期间添加的辅料的种类与重 量数据以及转炉与精炼炉中钢水的元素成份数据。第二台计算机与安装有“组态王 工业控制软件并与天车控制p l c 相连，作为天车运动状态数据与钢包重量数据的数 据采集终端与监控平台。第三台计算机作为物流信息数据的备份终端及时备份物流 信息数据并具有与其他2 台数掘终端相同的信息采集与实时监控功能，目的是保证 现场作业监控的稳定，不至于某台数据终端出现意外失效时使整个物流监控系统瘫 痪。 4 ) 整个钢厂生产过程物流信息采集与监控网络采用基于”客户机服务器”的内 网访问模式与基于o p c 工业设备通信技术的物流信息采集模式。总控制室中的3 台 数据采集终端计算机都与其他控制室中监控主机通过t c p i p 协议通信方式相连。客 户端主机用来对所有采集到的数据进行汇总并供车间级管理者对生产过程中的物流 状态进行监控。服务器上的生产过程物流监控软件根据经联机分析( o l a p ) 数据库处 理与分析后上传的各种物流信息数据，对生产过程中天车运动状态、炼钢辅料添加 情况以及钢水元素成份进行实时显示并生成统计报表。 7 全 图1 - 5 炼钢生产过程物流调度与优化实验平台 f i g 1 5t h ea p e r i m e n t p l a n t o f s t o e l - p r o d u c t i o n 本课题已建设的炼钢生产过程物流调度与优化实验平台如图2 _ 4 所示，实验平台 总体占地9 平方米，高1 5 米，由三个主要部分组成： 天车运行轨道、轨道天车和吊包小车部分：天车轨道分为上下两层，上层轨道a 与b 上的轨道天车分别模拟炼钢生产现场作业吊包天车，负责将吊桶( 模拟钢包) 在转 炉入炉位置与出炉位置之间、精炼出炉位置与连铸位置( 设置现场作业相应作业点模 拟位置1 之间进行吊运。底层轨道上的轨道地车负责将吊桶由转炉出炉位置拖运至精 炼入炉位置。 西门子s 7 2 0 0 p l c 部分：在天车轨道上设置的各个接近传感器都分别与p l c 的 输入寄存器相连，在吊桶上的拉力传感器与p l c 的模拟量模块相连。p l c 负责接受 各个传感器的信号，判断当前轨道天车的运行状态与到达位置，并通过p p i 通信线 上传至数据终端计算机。终端计算机将接受到的数据进行分析计算后，将相应的天 车控制指令反馈给p l c 。p l c 接受到反馈指令后，通过p l c 内的预设算法进行分析 r 第1 豪绪论 计算，进而根据计算得出的最终控制命令来控制轨道天车的运行与吊包小车的运行、 起吊、放桶等动作的执行。 数据终端计算机部分：数据终端计算机上安装有“组态王 工控软件、s q ls e r v e r 2 0 0 0 数据库系统、s q la n a l y s i ss e r v e r 服务等数据采集、分析与处理软件。数据终 端计算机中的“组态王 工控软件负责接受p l c 上传的天车运动状态数据，通过预 设算法进行分析计算并将结果即时显示在监控界面中。同时，“组态王 软件系统内 置有o p c 标准下的设备通信机制，能够方便、高效、准确地从同一o p c 网内的其 他设备中采集相关物流信息数据。采集到的数据被存放至本地计算机中s q l 数据库 的服务器端，本地计算机s q l 数据库中的联机分析服务功能能够将采集到的数据根 据物流管理的决策要求进行分析处理，并提供可靠的分析结果。 1 3 3 研究目标 通过在炼钢生产过程物流调度与优化项目实验平台上进行相关实验，需要实现 轨道天车与吊桶小车能够准确高效地按预设计划执行作业动作；通过合理高效的 p l c 内部算法实现天车物流数据的正确及时接受与计算工作，进而控制天车自动按 计划运行；在终端计算机中通过合理的监控界面与控制算法，配合p l c 的内部算法 对天车状态数据进行准确的采集和计算，并进行实时显示监控；通过高效准确的联 机分析数据处理算法，在本地s q l 数据库c p 对采集到的物理信息数据进行分析处理 并提供有效的决策支持。 通过以上研究目标的实现，能够很好地证明本课题的研究成功对于炼钢企业物 流调度的优化与生产计划决策方式的改进将有质的提高，能够极大地提高炼钢车间 的生产效率与物流信息处理效率，进而帮助企业进行生产成本控制，提高企业效益。 1 4 项目研究的意义 物流成本已成为现代炼钢企业生产成本和流通成本的重要组成部分。设计并应 用生产过程物流调度与监控系统，能够实现钢产品生产有效的成本控制和安全监控。 企业生产物流组织的好坏，决定着炼钢生产过程能否按调度计划顺利进行，以及钢 产品的剩余价值能否顺利得以提高。同时，针对炼钢作业的特殊的危险性，对生产 过程中各个作业点的大型设备( 如天车) 的实时动态监控与调度，也是保证炼钢生产安 全性的基础。所以设计并采用先进的炼钢企业的物流调度系统是提高企业经济效益 的必要手段。 通过对河北滓西钢铁有限公司第二炼钢厂的实地调查研究发现，炼钢生产过程 连续性强、工序点多、作业特征复杂多变。传统的人工数据采集方式由于效率低下、 差错率高，已不能满足现代炼钢生产的要求。同时，对炼钢生产工艺来说极其重要 9 河北科技大学硕士学位论文 天车作业长期以来都是全程人工操作，对操作员工作技能水平、工作状态有较高 求。在当今快速的钢铁产业发展背景下，开发相应的物流信息优化系统，包括天 辅助自动作业系统，就成为一个亟待解决而且意义深远的课题。 首先，现代网络通信技术中的数据通信不存在通信滞后过大的问题。基于o p c 术的设备通信方案能够保证物流信息数据一旦在某个作业点生成，就可以被所有 要的部门查阅而不需要等待。物流数据通过o p c 网络传递不会失真，降低了人为 起信息传播误差的可能。 其次，物流信息数据的获取更加主动。企业决策部门不再依赖于生产车间提供 生产情况报表，只要有权限，企业决策者就可以通过网络通信随时获取动态实时的 物流信息数据。并且基于联机分析处理技术( o l a p ) 的企业数据库系统能够很好得为 企业决策者提供生产决策的数据支持。 再者，能够自动控制天车按生产调度计划进行作业的天车辅助控制系统可以很 好地帮助天车操作员进行高效、安全的天车作业。在人工模式下对操作员的错误执 行动作能够及时报警，在自动作业状态下能够准确高效地执行生产调度计划，避免 因操作员工作状态不佳或者对作业计划进行错误执行而造成的生产事故。 总之，炼钢企业生产过程物流调度与优化系统的应用能够更高效安全得对天车 进行动态监控并辅助天车操作员，并且能够改变炼钢生产车间各部门间信息沟通的 方式与分析方法，保证了物流信息沟通的效率和质量以及及时为决策者提供决策支 持。 1 5 论文章节安排 针对河北津西第二炼钢厂在生产过程中对天车作业中的安全性、高效性，以及 在车间物流信息数据分析与处理的全面性、准确性、高效性的要求，本课题采用结 合了数字传感器技术、p l c 工业级控制技术、基于o p c 标准的生产设备通信技术以 及网络数据库技术的生产过程数据采集、统计与发布方案来实现炼钢生产过程的物 流与调度数字化管理系统与吊包天车的按作业计划的自动执行系统。以实现钢铁企 业控制生产成本、保障生产安全、提高经济效益的目的。 论文章节安排如下： 第1 章为绪论。在第一章中本文对企业物流的概念与津西钢厂的实际物流状况 与特点进行了概述，并提出了炼钢生产过程物流调度与优化系统的总体设计方案与 研究目标。 第2 章为基于p l c 的天车动态检测与控制实现。本课题拟采用基于p l c 的模糊 控制算法来实现对天车的控制。 第3 章为基于o p c 的炼钢生产过程物流信息采集的实现。本课题利用o p c 工 1 0 对车间其他物流设备的信息采 实现。利用o l a f 的多维分析 o l ”的物流信息数据分析处 内国外现状的对比分析，说明 与研究目标进行了详细说明。 出来对工业生产过程中的各种仪表设备进行逻辑上的控制。作为车间控制系统的核 心部件，它与外围设备按照车间现场作业的需要组成一整套工业控制系统来完成特 定的工业控制算法。典型的p l c 结构如图2 1 所示【5 1 ， 输 出 信 号 图2 - 1 典型的p l c 结构 f i g 2 - 1t y p i c a lp l c s t r u c t p l c 的设计思想是采用当前可扩展的、先进的计算机控制技术去实现工业生产 中现场控制的需要。由于工业生产车间现场的作业环境条件远比一般的机房等场地 的作业环境差，因此各种型号的p l c 的根本设计标准是具有较强的抗干扰能力，并 且在相对恶劣的作业环境中能够长期可靠地工作。所以，针对p l c 具有极高的可靠 性这一特点，在炼钢车间生产过程物流调度与优化系统中采用它来进行控制应用是 合理可靠的。 多数p l c 都是通过采用硬件和软件两个方面的手段来提高其可靠性。 p l c 提高可靠性的硬件手段主要有f 6 】： 1 ) 屏蔽干扰信号。p l c 在对变压器这种高频设备进行控制时，对外界环境采取 屏蔽磁场和电场的双重屏蔽层，此处的屏蔽层是同时导磁和导电的材料：对p l c 本 1 2 第2 章基于p l c 的天车动态检测与控制实现 身内部的c p u 和寄存器等模块间的屏蔽只考虑电磁场的影响，此处屏蔽层为导电的 金属材料。 2 ) 对输入的离散模拟信号进行滤波。在工业现场的工作中，经常会有高频干扰 信号影响p l c 的i o 接口处的信号接收。因此，多数厂家的p l c 在其i o 模块中都 采用各种滤波器来过滤掉外界环境的高频干扰，排除p l c 内部各功能模块间非法的 耦合信号。 3 ) 对p l c 的内部回路间进行隔离。p l c 内部c p u 与各个i o 模块之间都装有 光电耦合隔离层，以防止外部环境中的强干扰信号对p l c 内部回路的干扰。 4 ) 对内部电源采取保护措施。以2 2 0 v a c 型号的p l c 为例，其内部电源一般都 有抗高频干扰模块和过电压过电流保护模块，以防止因为p l c 的失效而导致的整个 现场控制系统的混乱。 p l c 提高可靠性的软件手段主要有： 1 ) 对车间现场的外部环境进行实时的状态分析检测。 2 ) p l c 在工作时受到现场大型工业设备的强干扰时，将当前的工作信息数据存 储到由附加电源供电的r o m 中。在干扰消失过后，p l c 再取出之前的工作状态数据， 继续完成被中断的控制工作。 。 3 ) c p u 在其扫描周期的不同时间间隔内对p l c 的i o 信号和设备控制算法进行 分析处理。 p l c 的主要功能包括：完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制；在被控设备的 被控量具有连续性( 如4 , - - 2 0 m a 电流信号) 的控制环境中，p l c 进行基于模拟量的控 制：对安全性要求较高的控制系统p l c 采用多重检出元件的方法来提高控制的安全 系数；对控制系统中的逻辑运算，p l c 采用冗余的控制寄存器实现。 2 1 2s 7 2 0 0 p l c 与s t e p 7 功能概述 s i m a t i cs 7 2 0 0p l c 作为西门子公司最为成熟的工业控制器型号之，它的内 置模块和扩展功厶匕v 厶匕f j t 6 够按照不同的工业现场控制需求进行动态组合。这一型号的 p l c 具有以下特点【7 j ： 1 ) 高速的指令处理。s 7 2 0 0p l c 的内部指令处理时间在0 1 0 6 u s 之间。 2 ) 不同的子型号产品搭配有不同计算能力级别的c p u 。当现场控制方案发生变 化时，控制系统中的任意p l c 都可以单独升级其c p u ，而不必为此添加冗余的系统 模块。 3 ) 每一予型号的p l c 都支持现阶段几乎所有的通信协议。s i m a t i cs 7 2 0 0p l c 有多种通讯方式，如m p i 和d p 通信、p r o f i b u s d p 接口、e t - 2 0 0 分布式i o 通信、 工业以太网通信等。 13 河北科技大学硕士学位论文 4 ) 模块化的无风扇设计。这一设计思想，使$ 7 - 2 0 0 p l c 具有坚固耐用，容易扩 特点，方便技术开发人员为现场设备实现分布式的控制方案。 在为s i m a t i cs 7 2 0 0p l c 配套的专业控制程序编辑开发软件方面，西门子公司 了s t e p 7 这一款功能强大的控制程序编辑器。s t e p 7 编辑器具有对控制系统进 置、编写与调试逻辑程序、在线诊断p l c 工作状态等功能。通过s t e p 7 程序编 对控制系统进行配置和编程的软件界面具有简洁、方便、友好的特点。 s t e p 7 主要应用的编程语言有三种，即语言表编程语言( s t l ) 、梯形逻辑编程语 言( l a d ) 并d 功能块图编程语言( f b d ) 。其中，梯形逻辑编程语言是s t e p 7 编程语言的 图形表达方式。语法与继电器的梯形逻辑图类似；语言表编程语言是s t e p 7 编程语 言的文本表达方式。c p u 执行程序时按指令编写j l 顷序分步骤顺序执行；功能块图编 程语言是s t e p 7 编程语言的图形表达方式，使用逻辑框以及之间的图示联系来表达 逻辑。 2 1 3p l c 程序设计的总体结构 。 s t e p 7 编辑器可对控制系统的硬件和工业环境网络进行组态。它同时具有简洁、 直观、可扩展等特点，并分别提供了在线和离线两种编程环境。用户可以对p l c 进 行程序的上传和下载。如图2 2 所示，是一个利用s t e p 7 编辑器创建工业自动化控 制解决方案的一般过程【7 8 】。 设计控制组态和程序 。l 士船杂黼 7 l 王城梦取 上 上 启动s t e p 7 并创建一个项目组态硬件连接 上 上 组态硬件和连接组态面板联网各个 下载程序 站 上 上 l 测试程序并诊断错 i 定义符号 i 误 上上 i 喜成用户程序在程序中定义局域符 打印和存稿 图2 - 2 自动化解决方案流程 f i g 2 - 2t h ea u t o m a t i cr c s o l v m t 1 4 第2 章基于p l c 的天车动态检测与控制实现 如图所示，程序中被创建的项目可用来存储c p u 的计算结果、设备组态数据、 模块工作参数等控制信息数据和具体的控制程序。编写控制程序时先生成一个项目 的主要目的，就是将物流信息数据以对象的形式存储在p l c 中。创建好要编写的控 制程序的项目后，就可以对硬件设备进行组态了。在进行设备组态时，先要对可编 程逻辑控制器中的c p u 、i o 接口以及寄存器等各模块进行定义，之后启动组态硬件 的程序。每当结束硬件组态工作时，s t e p 7 编辑器都会自动生成$ 7 m 7 程序和相应 的连接表。 要下载p l c 中的控制程序或将控制程序上传到p l c 中，需要在被控设备和p l c 之间建立通信。因此，被控设备和p l c 需要通过合适的i o 接口与通信协议进行相 连。在s t e p 7 编辑器中，通过“a c c e s s i b l e n o d e s ”窗口来建立这种通信。这种即时访 问方式可快速访问p l c ，p l c 中的s 7 程序或m 7 程序都可以在 a c c e s s i b l en o d e s ” 窗口中显示。 在建立被控设备与p l c 的连接后，用户可以下载控制程序到控制系统的某个 p l c 中。要注意的是，在下载之前要把p l c 的工作模式由“r u n ”设置到“s t o p ”。在 下载或上传控制程序的过程中，如果发生断电并且p l c 的r a m 没有备份，则程序 和将会丢失。 基于s n 汜玎i cs 7 2 0 0p l c 的s t e p 7 编辑器进行控制程序的编写有两种思路， 即线性编程和结构编程。线性编程指的是将整个控制程序写在p l c 的o b l 模块中“ 结构编程指的是将程序中复杂的控制任务分解为由各个更为细化的控制任务组成的 综合控制过程。这样控制程序的设计结构会更加清晰明了，方便后续改进。 + ： 图2 - 3c p u 程序循环处理过程 f i g 2 3t h ep r o c e s so f c p uc i r c l eo p e r a t i n g 图2 3 示意了p l c 中c i u 进行循环程序处理的工作过程。 1 5 输入模块 输出模块 河北科技大学硕士学位论文 2 2 基于p l c 的天车动态检