王永昌

（太原重工股份有限公司， 山西 太原 030024）

太原重工股份有限公司（全文簡稱太重）冶煉系統(tǒng)現(xiàn)有電爐2 臺、精煉爐5 臺及配套的加料、真空澆注系統(tǒng)，在生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品工藝、生產(chǎn)計劃、配料、冶煉、真空、澆注等各環(huán)節(jié)均為獨立操作，相互之間的聯(lián)系基本依靠人工及聯(lián)系單等進行聯(lián)絡(luò)，并未形成統(tǒng)一的、可集中控制的信息化管理系統(tǒng)，容易造成各環(huán)節(jié)之間產(chǎn)生誤差、滯后，直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量、成本控制。為徹底解決公司冶煉系統(tǒng)的困擾與問題，提升太重整體生產(chǎn)運營管控水平，急需建立完整的冶煉系統(tǒng)信息化平臺。

1 系統(tǒng)設(shè)計思路及功能架構(gòu)

1.1 指導(dǎo)思想

此次冶煉系統(tǒng)設(shè)計與改造主要針對80 t 電爐生產(chǎn)線，生產(chǎn)線主要設(shè)備包括1 臺80 t 電爐和2 臺120 t LF+VD 精煉爐具。通過MES 系統(tǒng)建設(shè)，實現(xiàn)煉鋼生產(chǎn)計劃、質(zhì)量管理、成本管理、物流管理、設(shè)備管理、能源管理等全方位的數(shù)字化管理，實現(xiàn)以下游加工板塊和外部市場為導(dǎo)向的、面向內(nèi)部精益管理的產(chǎn)銷質(zhì)一體化的精益生產(chǎn)管控模式。通過對一級基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)的改造，實現(xiàn)MES、二級系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)的提取及過程的管控，同時利用二級系統(tǒng)工藝模型的計算，帶動一級主要設(shè)備的自動化運行，實現(xiàn)生產(chǎn)控制過程的協(xié)調(diào)聯(lián)動。

1.2 總體功能構(gòu)架

冶煉系統(tǒng)信息化項目建設(shè)包括：ERP 系統(tǒng)、MES系統(tǒng)（生產(chǎn)管理系統(tǒng)）、二級過程控制管理系統(tǒng)以及一級基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)的改造。涵蓋的工藝流程范圍主要是80 t 電爐生產(chǎn)線，自廢鋼原料庫開始，到電爐冶煉，精煉爐，VD 爐，VOD 爐，VC 爐，澆注等工序，系統(tǒng)總體功能構(gòu)架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體功能構(gòu)架圖

ERP 系統(tǒng)的功能主要有財務(wù)管理、銷售管理、生產(chǎn)管理、質(zhì)量管理、采購管理、設(shè)備管理、主數(shù)據(jù)及編碼管理。其中以ERP 的主數(shù)據(jù)管理為主，ERP 與MES 的功能分擔原則是盡量通過ERP 的標準功能實現(xiàn)管理功能，根據(jù)業(yè)務(wù)職能劃分，具體功能分擔略有調(diào)整。

MES 功能除包括常規(guī)的原料管理、生產(chǎn)計劃管理、質(zhì)量管理、作業(yè)計劃管理、生產(chǎn)實績管理、庫存管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、發(fā)運管理、工器具管理、接口管理等功能，還包括精細化質(zhì)量管理、精細化成本管理、模具標識及跟蹤功能。同時包括能源管理、設(shè)備點檢管理和智能檢化驗系統(tǒng)LIMS。

二級過程控制管理系統(tǒng)主要是實現(xiàn)二級模型計算和作業(yè)指令執(zhí)行管理，承接MES 的作業(yè)指令，模型計算并向PLC 下達指令。

一級基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)包含集成的數(shù)據(jù)采集平臺，PLC 系統(tǒng)集成改造，包括自動化系統(tǒng)全面升級和關(guān)鍵計量設(shè)備改造，熔煉、精煉手動/半自動/全自動化控制等，實現(xiàn)生產(chǎn)控制層面的協(xié)調(diào)聯(lián)動。

2 各系統(tǒng)功能及分擔

根據(jù)信息化系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能區(qū)分，冶煉信息化系統(tǒng)各子系統(tǒng)功能及分擔如圖2 所示。

圖2 ERP 系統(tǒng)功能及分擔示意圖

2.1 ERP 系統(tǒng)功能

ERP 系統(tǒng)是太重管理層的主系統(tǒng)，它以財務(wù)為核心，集成了銷售、生產(chǎn)、質(zhì)量、采購和設(shè)備管理，以銷售為龍頭，通過質(zhì)量設(shè)計實現(xiàn)產(chǎn)銷轉(zhuǎn)換、公司級生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)訂單管理。通過物料需求計劃生成采購計劃并負責(zé)采購業(yè)務(wù)管理。質(zhì)量管理主要負責(zé)質(zhì)量主數(shù)據(jù)管理和質(zhì)量判定結(jié)果的管理及質(zhì)量成本分析。成本管理負責(zé)定義成本中心BOM 和成本差異的分析。設(shè)備管理負責(zé)資產(chǎn)、運維和檢修的管理。

2.2 MES 系統(tǒng)功能

MES 系統(tǒng)根據(jù)ERP 的生產(chǎn)訂單，負責(zé)煉鋼計劃排產(chǎn)、作業(yè)指令、生產(chǎn)實績、生產(chǎn)過程動態(tài)管理等。質(zhì)量管理方面，MES 具有產(chǎn)品標準、工藝路徑、制造規(guī)范和檢驗標準的錄入和界面維護，與ERP 共享映像質(zhì)量主數(shù)據(jù)，同時執(zhí)行分品種的廢鋼配料制度、工藝質(zhì)量控制措施、質(zhì)量判定流程、LIMS 功能以及質(zhì)量控制點的采集等功能。成本管理方面，負責(zé)工序成本中心計量數(shù)據(jù)的收集和管理。采購管理方面，負責(zé)進場物流以及煉鋼庫存管理、生產(chǎn)發(fā)料等，與ERP 采購管理集成。煉鋼廠能源管理實現(xiàn)能源數(shù)據(jù)展示、報表生成、能源成本管理等功能。設(shè)備管理方面，實現(xiàn)大型工器具管理和設(shè)備點檢管理、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控等功能。

2.2.1 MES 系統(tǒng)功能架構(gòu)

建立MES 系統(tǒng)的目標是要實現(xiàn)管理和生產(chǎn)控制的銜接，實現(xiàn)質(zhì)量可控，滿足交期的產(chǎn)品。為實現(xiàn)這樣的目的，必須有可行的生產(chǎn)計劃，質(zhì)量控制計劃，并實時進行監(jiān)督執(zhí)行，整個系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)規(guī)劃如圖3 所示。

2.2.2 MES 系統(tǒng)運行架構(gòu)

MES 系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng)，其重點在于生產(chǎn)計劃制定、動態(tài)調(diào)度和質(zhì)量跟蹤。系統(tǒng)通過獲取訂單的信息，根據(jù)訂單需求信息及產(chǎn)品質(zhì)量標準制定生產(chǎn)過程標準，并下發(fā)檢化驗系統(tǒng)，制定檢化驗計劃。生產(chǎn)計劃根據(jù)訂單信息和質(zhì)量標準，工藝標準，設(shè)備產(chǎn)能信息及余材信息，制定冶煉的組爐計劃，并根據(jù)工藝約束信息，順排生產(chǎn)計劃，計算交貨期，如果交貨期不滿足，則進行重新排產(chǎn)，如果交貨期嚴重超期，則通知銷售，對交貨期進行重新核定，直到所有生產(chǎn)計劃都滿足交貨期為止。然后作業(yè)計劃，并將作業(yè)計劃交動態(tài)調(diào)度進行調(diào)整，進行仿真，看能否滿足生產(chǎn)實績運行情況。動態(tài)仿真結(jié)束后，將作業(yè)計劃交給二級進行執(zhí)行。在二級執(zhí)行過程中，收取二級實績執(zhí)行的結(jié)果、設(shè)備狀態(tài)和物流信息，利用這些信息對作業(yè)計劃進行實時更新核對。根據(jù)作業(yè)計劃制定檢化驗計劃，按照檢化驗的計劃在工段作業(yè)過程中進行質(zhì)量檢驗，并反饋質(zhì)量檢驗結(jié)果。作業(yè)計劃制定完成之后，除了提交給二級，還需要提交給原料管理，原料管理根據(jù)作業(yè)計劃制定采購計劃，并根據(jù)二級制定配料計劃執(zhí)行配料。各工序按照作業(yè)計劃進行生產(chǎn)管理，等澆鑄結(jié)束后，鋼錠入庫，跟蹤鋼錠發(fā)運后，關(guān)閉與之相關(guān)的訂單。系統(tǒng)按照作業(yè)計劃和成本中心歸并各種成本統(tǒng)計信息，并將歸并后的成本反饋給ERP。

圖3 MES 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

2.2.3 系統(tǒng)應(yīng)用功能

根據(jù)項目需求和項目建設(shè)范圍，結(jié)合項目總體方案的分析，該項目的系統(tǒng)架構(gòu)如下頁圖4 所示。

預(yù)留ERP 接口，需要ERP 系統(tǒng)下發(fā)的銷售訂單、質(zhì)量標準、發(fā)運計劃等數(shù)據(jù)，在MES 系統(tǒng)中做錄入界面，保證系統(tǒng)的完整性和全流程的閉環(huán)。建立以生產(chǎn)管理為主的數(shù)字化平臺，包含MES 全部功能，設(shè)備點檢和監(jiān)控，能源管理，澆注管理專項，模具管理，廢鋼天車定位等功能；預(yù)留二級接口，并開發(fā)以工藝規(guī)程管理、數(shù)據(jù)收集為主的二級管理系統(tǒng)，保證數(shù)據(jù)流程的貫通，保證生產(chǎn)管理系統(tǒng)和一級自動化系統(tǒng)的銜接；一級自動化系統(tǒng)的改造和儀表改造。

圖4 MES 系統(tǒng)架構(gòu)

2.3 二級過程控制管理系統(tǒng)功能

主要用于管控80 t 電爐、120 t LF 及VD 產(chǎn)線鋼水的冶煉，通過模型的計算實時預(yù)報冶煉信息，并全過程指導(dǎo)煉鋼，產(chǎn)出工藝要求的合格鋼水。同時根據(jù)鋼種通過模型的計算自動生產(chǎn)配料單。工藝模型系統(tǒng)主要有：

2.3.1 電爐工藝模型系統(tǒng)

基于全廢鋼冶煉的實際，對電爐生產(chǎn)全過程進行工藝模型計算，并通過工藝計算實現(xiàn)對一級系統(tǒng)的有效控制，達到自動化煉鋼的水平。電爐工藝模型分兩階段進行模型過程計算，階段一是廢鋼熔化期，要求按照裝料模型定義的裝料要求結(jié)合裝料實績，進行模型過程計算，計算過程主要目的是指導(dǎo)冶煉過程送電制度、預(yù)報各種參數(shù)。階段二是熔化完成，試驗室完成第一次鋼水化驗后，各模型需針對化驗成分實績進行全過程指導(dǎo)冶煉，包括送電制度、各種材料加入量等。

2.3.2 LF 工藝模型系統(tǒng)

基于不同鋼種情況，對LF 全過程進行工藝模型計算，并通過工藝計算實現(xiàn)對一級系統(tǒng)的有效控制，達到自動化煉鋼的水平。工藝模型要針對LF 合金化、脫氧、脫硫、造渣、加熱、冷卻、吹氬攪拌等的物理化學(xué)反應(yīng)及熱能全過程進行跟蹤、計算，配套相應(yīng)的工藝模型種類,實現(xiàn)出鋼鋼水質(zhì)量，滿足不同鋼種的精煉爐鋼水質(zhì)量要求。

2.3.3 VD 工藝模型系統(tǒng)

基于不同鋼種情況，對VD 全過程進行工藝模型計算，并通過工藝計算實現(xiàn)對一級系統(tǒng)的有效控制，達到自動化煉鋼的水平。工藝模型要針對VD 真空狀態(tài)下脫氣、冷卻、吹氬攪拌等的物理化學(xué)反應(yīng)及熱能全過程進行跟蹤、計算，配套相應(yīng)的工藝模型種類實現(xiàn)VD 后鋼水質(zhì)量，滿足不同鋼種的精煉爐VD質(zhì)量要求。

3 一級基礎(chǔ)自動化改造

3.1 電爐、精煉爐產(chǎn)線基礎(chǔ)自動化改造

主要目的為通過對現(xiàn)有80 t 電爐產(chǎn)線基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)的整合，完成對二級系統(tǒng)工藝計算模型下達的操作指令的自動接收、自動及人工實現(xiàn)、信息反饋，以達到產(chǎn)線綜合運行的目的，最終達到可自動化煉鋼的基礎(chǔ)水平。

電爐本體系統(tǒng)改造，采用S7-400PLC 下掛ET200M 遠 程IO 的 結(jié) 構(gòu)，CPU 為412-2DP，配CP443-1 以太網(wǎng)通訊卡，與電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)、HMI 操作站采用以太網(wǎng)通訊方式。

電爐電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用研華PC 機控制，與電爐本體PLC 之間采用以太網(wǎng)通訊方式，本次改造增加通訊接口及軟件功能。

氧槍控制系統(tǒng)采用S7-300PLC 控制，與HMI 操作站之間采用以太網(wǎng)通訊方式，本次改造僅增加通訊接口及軟件功能。

上投料系統(tǒng)主要實現(xiàn)電爐與LF 爐的合金及輔料上料與投料。系統(tǒng)共設(shè)置12 套料倉，采用S7-300PLC 下掛ET200M 遠程IO 的結(jié)構(gòu)，CPU 為315-2DP，無以太網(wǎng)通訊卡，與HMI、遠程IO 站采用Profibus-DP 的通訊方式。

LF 爐本體系統(tǒng)采用S7-400PLC 下掛ET200M遠程IO 的結(jié)構(gòu)，CPU 為414-2DP，配CP443-1 以太網(wǎng)通訊卡，與電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)、HMI 操作站采用以太網(wǎng)通訊方式。

網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)改造，在一級系統(tǒng)與二級系統(tǒng)之間增加1 套網(wǎng)關(guān)PLC，用于隔離一級系統(tǒng)與二級系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，提升一二級系統(tǒng)各自獨立運行的可靠性，保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運行。

3.2 檢測儀表改造

檢測儀表改造主要目的是為MES、二級系統(tǒng)提供有效的數(shù)據(jù)支持，主要分為爐前新增儀器儀表部分、稱重儀器儀表部分以及能源儀表改造三個部分，具體參數(shù)不再詳述。

4 結(jié)論

經(jīng)過設(shè)計和改造后，冶煉系統(tǒng)信息化平臺平均無故障時間不低于99%。所有應(yīng)用功能正常運行，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計確定的應(yīng)用功能考核，功能投入率100%，穩(wěn)定性大于99%，定位準確率大于99%。信息系統(tǒng)功能界面響應(yīng)時間，單一信息顯示、操作等在線實時畫面的響應(yīng)時間不大于5 s。調(diào)度室監(jiān)控界面實時數(shù)據(jù)刷新時間小于1 s，報表準確率及庫存準確率達到100%。

冶煉系統(tǒng)信息化平臺的設(shè)計與改造，不僅能滿足太重80 t 電爐生產(chǎn)線的實際生產(chǎn)需要，而且為同行業(yè)的冶煉系統(tǒng)信息化平臺建設(shè)提供思路參考，具有積極的指導(dǎo)意義。