1 引言
現(xiàn)階段多數(shù)鋼鐵企業(yè)采用面向庫(kù)存和面向訂單的混合生產(chǎn)模式，而鋼軋一體化的DHCR(Direct Hot Charge Rolling，簡(jiǎn)稱DHCR)生產(chǎn)工藝特征采用DHCR/DR(Direct Hot Charging Rolling and Direct Rolling，簡(jiǎn)稱DHCR/DR)兩種先進(jìn)制造工藝的鋼軋一體化生產(chǎn)方式將傳統(tǒng)鋼鐵生產(chǎn)中的煉鋼、連鑄和熱軋三大工序緊密地耦合成一個(gè)高溫連續(xù)的生產(chǎn)系統(tǒng)，這對(duì)鋼軋銜接生產(chǎn)調(diào)度提出了更高的要求。作為鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)的重要組成部分，一體化計(jì)劃與動(dòng)態(tài)調(diào)度系統(tǒng)的建模必須充分考慮企業(yè)的生產(chǎn)模式和工藝特征。鋼軋銜接生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)是以生產(chǎn)計(jì)劃和動(dòng)態(tài)生產(chǎn)實(shí)績(jī)?yōu)檩斎�，利用連鑄與熱軋之間的板坯庫(kù)和加熱爐的緩沖能力，動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)煉鋼、連鑄和熱軋工序之間的生產(chǎn)節(jié)奏，確保各工序之間的緊湊性和連續(xù)性，以提高生產(chǎn)效率。
本文通過(guò)分析混合生產(chǎn)環(huán)境下鋼軋銜接生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)（ERP系統(tǒng)）的功能和影響銜接的關(guān)鍵因素，給出了動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)策略，并基于UML建立了系統(tǒng)用例模型、靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型和動(dòng)態(tài)行為模型。動(dòng)態(tài)行為模型中對(duì)象的活動(dòng)圖展現(xiàn)了隨機(jī)擾動(dòng)事件發(fā)生時(shí)的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)策略，系統(tǒng)能夠基于緩沖能力協(xié)調(diào)各工序環(huán)節(jié)，以減少工序間的等待時(shí)間和提高設(shè)備利用率。
2 系統(tǒng)分析
2.1 功能需求
鋼軋銜接生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)是處于上層作業(yè)計(jì)劃系統(tǒng)和下層過(guò)程控制系統(tǒng)的中間執(zhí)行層，強(qiáng)調(diào)煉鋼、連鑄與熱軋工序之間生產(chǎn)調(diào)度的銜接，對(duì)信息的實(shí)時(shí)性要求較高，需要及時(shí)地處理生產(chǎn)過(guò)程中的設(shè)備故障、質(zhì)量問(wèn)題等動(dòng)態(tài)擾動(dòng)，維持生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定與平衡。因此，系統(tǒng)的主要功能包括：
(1)生產(chǎn)指令下達(dá)。接收作業(yè)計(jì)劃管理系統(tǒng)制定的生產(chǎn)計(jì)劃。把澆次計(jì)劃和爐次計(jì)劃轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)指令，并下達(dá)給煉鋼廠過(guò)程控制系統(tǒng)；根據(jù)軋制計(jì)劃和連鑄生產(chǎn)實(shí)績(jī)生成軋制指令，并下達(dá)給軋鋼廠過(guò)程控制系統(tǒng)。
(2)生產(chǎn)實(shí)績(jī)收集。在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)時(shí)收集各種生產(chǎn)實(shí)績(jī)信息，主要包括生產(chǎn)作業(yè)執(zhí)行時(shí)間信息、產(chǎn)品質(zhì)量信息、物流量信息、產(chǎn)品溫度信息、設(shè)備狀態(tài)信息等。
(3)動(dòng)態(tài)擾動(dòng)識(shí)別。對(duì)收集的生產(chǎn)實(shí)績(jī)信息進(jìn)行分析，識(shí)別生產(chǎn)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)因素，如機(jī)器故障、在制品質(zhì)量異常等，并通過(guò)系統(tǒng)報(bào)警通知調(diào)度人員進(jìn)行控制。
(4)銜接區(qū)域控制。分析生產(chǎn)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)因素，并根據(jù)擾動(dòng)類型制定合理的調(diào)整策略，保持生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性和連續(xù)性。①根據(jù)某種算法計(jì)算加熱爐的緩沖能力，當(dāng)連鑄和熱軋工序出現(xiàn)生產(chǎn)波動(dòng)或不匹配時(shí)，可以由加熱工序進(jìn)行一定程度的緩沖和調(diào)節(jié)。②對(duì)到達(dá)順序混亂的DHCR板坯進(jìn)行板坯排序優(yōu)化，保證最大限度的直裝比，減少板坯下線和板坯庫(kù)的吊車作業(yè)量。③連鑄機(jī)故障時(shí)，可以臨時(shí)插入CCR板坯計(jì)劃。軋機(jī)故障時(shí)，把DHCR板坯計(jì)劃改為HCR或CCR板坯計(jì)劃。
2.2 用例建模
統(tǒng)一建模語(yǔ)言(Unified Modeling Language，簡(jiǎn)稱UML)是一種定義良好、富于表達(dá)、功能強(qiáng)大且普遍適用的建模語(yǔ)言。用例建模是從用戶的角度來(lái)描述系統(tǒng)需求，用例圖描述用例、參與者及它們之間的關(guān)系。根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，分析系統(tǒng)的參與者和用例，給出系統(tǒng)用例圖，如圖1所示。
圖1 鋼軋銜接生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)用例圖
圖1中，生產(chǎn)指令下達(dá)、生產(chǎn)實(shí)績(jī)收集、動(dòng)態(tài)擾動(dòng)識(shí)別和銜接區(qū)域控制是鋼軋銜接生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的主要用例；生產(chǎn)調(diào)度人員是鋼軋銜接生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的主要參與者，他們參與系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制；作業(yè)計(jì)劃管理系統(tǒng)、工藝管理系統(tǒng)和設(shè)備管理系統(tǒng)是內(nèi)部參與者，分別提供軋制計(jì)劃、澆次和爐次計(jì)劃，工藝規(guī)則以及設(shè)備狀態(tài)信息；煉鋼廠和軋鋼廠過(guò)程控制系統(tǒng)是外部參與者，接收鋼軋銜接生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)提供的生產(chǎn)指令并反饋生產(chǎn)實(shí)績(jī)信息。
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 靜態(tài)結(jié)構(gòu)建模
在鋼鐵生產(chǎn)流程中，往往出現(xiàn)在制品質(zhì)量異常、工序產(chǎn)能節(jié)奏不匹配和設(shè)備故障等動(dòng)態(tài)因素導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程的中斷，所以系統(tǒng)要針對(duì)連鑄到熱軋工序之間的動(dòng)態(tài)事件進(jìn)行及時(shí)處理，保證生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)性和穩(wěn)定性。根據(jù)系統(tǒng)的用例圖，提取出生產(chǎn)指令、生產(chǎn)實(shí)績(jī)、動(dòng)態(tài)擾動(dòng)、工序產(chǎn)能匹配、板坯控制和故障處理六個(gè)主要的類，其中工序產(chǎn)能匹配、板坯控制和故障處理是由銜接區(qū)域控制這一用例提取出來(lái)的類，如圖2所示。
圖2 鋼軋銜接生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)類圖
圖2以類圖的形式給出了系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型，描述了系統(tǒng)中的類以及各個(gè)類之間的關(guān)系，其中六個(gè)核心類的主要功能如下：
(1)生產(chǎn)指令。根據(jù)作業(yè)計(jì)劃系統(tǒng)制定的軋制計(jì)劃、板坯需求計(jì)劃、澆次計(jì)劃和爐次計(jì)劃，結(jié)合設(shè)備的產(chǎn)能信息生成生產(chǎn)指令下達(dá)到過(guò)程控制計(jì)算機(jī)。
(2)生產(chǎn)實(shí)績(jī)。從過(guò)程控制計(jì)算機(jī)上采集生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并反饋給動(dòng)態(tài)擾動(dòng)類。
(3)動(dòng)態(tài)擾動(dòng)。對(duì)生產(chǎn)實(shí)績(jī)進(jìn)行分析，識(shí)別可能發(fā)生的動(dòng)態(tài)因素，以便在出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)報(bào)警。
(4)工序產(chǎn)能匹配。根據(jù)設(shè)備產(chǎn)能信息，調(diào)節(jié)各工序的生產(chǎn)節(jié)奏。保持板坯在各工序間流動(dòng)的一致性和連續(xù)性，如果出現(xiàn)生產(chǎn)節(jié)奏不平衡，則通過(guò)工序可緩沖時(shí)間和生產(chǎn)速度進(jìn)行協(xié)調(diào)。
(5)板坯控制。根據(jù)板坯跟蹤信息．針對(duì)熱軋工序的需求對(duì)板坯進(jìn)行處理，包括板坯質(zhì)量判定、DHCR板坯排序、DHCR板坯下線等操作。
(6)故障處理。針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的設(shè)備故障，預(yù)計(jì)故障處理的時(shí)間和相鄰工序的可緩沖時(shí)間，通過(guò)對(duì)故障所在工序的工藝約束條件或是工序相鄰的柔性緩沖環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)整來(lái)保持生產(chǎn)的連續(xù)性；如果無(wú)法協(xié)調(diào)，則系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警處理，由生產(chǎn)調(diào)度員進(jìn)行調(diào)整。
3.2 動(dòng)態(tài)行為建模
動(dòng)態(tài)模型描述了系統(tǒng)隨時(shí)間變化的行為，UML提供了時(shí)序圖、交互圖、狀態(tài)圖和活動(dòng)圖四種圖來(lái)描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型。根據(jù)系統(tǒng)對(duì)信息實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)性的要求，使用時(shí)序圖和活動(dòng)圖來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為建模。時(shí)序圖描述了對(duì)象之間傳遞消息的時(shí)間順序，向用戶提供了事件流隨時(shí)間推移的、可視化的過(guò)程。本文給出了鋼軋銜接生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的時(shí)序圖，如圖3所示。
圖3 鋼軋銜接生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)時(shí)序圖
圖3中各個(gè)類之間的交互過(guò)程可以描述為以下三個(gè)階段：
(1)生產(chǎn)調(diào)度人員根據(jù)作業(yè)計(jì)劃管理系統(tǒng)提供的軋制計(jì)劃、澆次和爐次計(jì)劃，進(jìn)行任務(wù)指派和機(jī)器沖突消除，生成生產(chǎn)指令，把澆次和爐次指令下達(dá)給煉鋼廠過(guò)程控制系統(tǒng)，軋制指令下達(dá)給熱軋廠過(guò)程控制系統(tǒng)。
(2)生產(chǎn)實(shí)績(jī)收集生產(chǎn)過(guò)程中的連鑄出坯和板坯軋制信息，獲取連鑄和熱軋的生產(chǎn)時(shí)刻表，并將生產(chǎn)實(shí)績(jī)信息反饋給作業(yè)計(jì)劃管理系統(tǒng)。對(duì)生產(chǎn)實(shí)績(jī)進(jìn)行分析，識(shí)別動(dòng)態(tài)擾動(dòng)因素，由銜接區(qū)域控制進(jìn)行協(xié)調(diào)，保持生產(chǎn)的連續(xù)性；若出現(xiàn)嚴(yán)重不匹配，則進(jìn)行系統(tǒng)報(bào)警，由調(diào)度人員采取相應(yīng)的策略進(jìn)行指令的變更。
(3)銜接區(qū)域控制對(duì)連鑄到熱軋之間工序的生產(chǎn)節(jié)奏進(jìn)行協(xié)調(diào)，當(dāng)出現(xiàn)機(jī)器故障時(shí)計(jì)算相應(yīng)工序的可緩沖時(shí)間，并對(duì)故障修復(fù)時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)，如果修復(fù)時(shí)間小于可緩沖時(shí)間則進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整；否則，系統(tǒng)超時(shí)報(bào)警，由調(diào)度人員進(jìn)行煉鋼或是軋制指令的變更。
時(shí)序圖強(qiáng)調(diào)了對(duì)象之間消息交互的時(shí)間順序，滿足了系統(tǒng)對(duì)信息處理的實(shí)時(shí)性和交互性要求，而活動(dòng)圖則描述了對(duì)象隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)行為。
圖4給出了銜接區(qū)域控制的活動(dòng)圖，主要分析了生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)連鑄故障和軋線故障時(shí)系統(tǒng)的處理流程：
圖4 銜接區(qū)域控制活動(dòng)圖
(1)連鑄故障時(shí)，生產(chǎn)調(diào)度人員根據(jù)過(guò)程控制系統(tǒng)提供的連鑄機(jī)澆注流數(shù)和拉坯速度等參數(shù)計(jì)算連鑄與熱軋工序間的物流平衡情況，并估計(jì)故障處理時(shí)間，判斷放慢加熱爐節(jié)奏后能否實(shí)現(xiàn)物流平衡，如果可以就調(diào)整工序的生產(chǎn)節(jié)奏；如果調(diào)節(jié)生產(chǎn)節(jié)奏不能消除故障影響，則要將板坯暫時(shí)放入保溫坑中并將該澆次中未完成板坯計(jì)劃向后延遲，然后從板坯庫(kù)中查找與該軋制計(jì)劃同類型的板坯進(jìn)行替代，進(jìn)行冷熱混裝加熱軋制；否則取消原來(lái)的軋制計(jì)劃，根據(jù)故障處理時(shí)間臨時(shí)插入CCR軋制計(jì)劃。
(2)軋線故障時(shí)。生產(chǎn)調(diào)度人員根據(jù)過(guò)程控制系統(tǒng)提供的加熱爐運(yùn)作參數(shù)計(jì)算工序間物流平衡情況，并估計(jì)故障處理時(shí)間，判斷放慢連鑄節(jié)奏能否實(shí)現(xiàn)物流平衡，如果可以就調(diào)整工序的生產(chǎn)節(jié)奏；后續(xù)的處理流程與連鑄故障處理流程相同，這里不再贅述。
4 應(yīng)用實(shí)例
我們將UML建模應(yīng)用于鋼軋生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，在上述模型的基礎(chǔ)上，使用C#語(yǔ)言和Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)開(kāi)發(fā)出了鋼鐵企業(yè)高級(jí)計(jì)劃與排程系統(tǒng)APS。以系統(tǒng)中的熱軋動(dòng)態(tài)調(diào)度管理模塊為例進(jìn)行說(shuō)明，熱軋動(dòng)態(tài)調(diào)度管理接收軋次調(diào)度以及板坯調(diào)度信息，并根據(jù)生產(chǎn)實(shí)績(jī)中發(fā)生的擾動(dòng)信息對(duì)板坯調(diào)度和熱軋調(diào)度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，保證調(diào)度方案變動(dòng)最小。
圖5是熱軋動(dòng)態(tài)調(diào)度管理的功能界面，調(diào)度人員可以實(shí)時(shí)查看熱軋調(diào)度和板坯調(diào)度，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)績(jī)情況修改或終止某個(gè)軋次調(diào)度。
圖5 熱軋動(dòng)態(tài)調(diào)度功能界面
圖6是熱軋動(dòng)態(tài)調(diào)度甘特圖，通過(guò)甘特圖動(dòng)態(tài)地展示軋次調(diào)度和軋次實(shí)績(jī)的對(duì)比情況，以便于以人機(jī)交互的方式進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度。
圖6 熱軋動(dòng)態(tài)調(diào)式甘特圖
5 結(jié)束語(yǔ)
在鋼鐵生產(chǎn)MES系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與實(shí)施的實(shí)踐中遇到的困難往往不是一個(gè)最優(yōu)靜態(tài)調(diào)度方案的生成，而是當(dāng)靜態(tài)調(diào)度方案在執(zhí)行過(guò)程中遇到動(dòng)態(tài)隨機(jī)擾動(dòng)因素后的人機(jī)交互實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度方案決策問(wèn)題，為了最大限度減少重調(diào)度方案對(duì)后續(xù)工序作業(yè)計(jì)劃的影響，協(xié)調(diào)兩者之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系一直是制約鋼鐵生產(chǎn)MES系統(tǒng)實(shí)用性的難點(diǎn)所在。本文通過(guò)分析鋼軋銜接生產(chǎn)調(diào)度的特點(diǎn)，使用統(tǒng)一建模語(yǔ)言建立了鋼軋銜接生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)（ERP系統(tǒng)）的一系列模型，從靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了描述，該模型的建立為鋼鐵制造執(zhí)行系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了一定的理論指導(dǎo)。
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本文標(biāo)題：基于UML的鋼軋銜接生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)建模
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