1 引言
現(xiàn)階段多數(shù)鋼鐵企業(yè)采用面向庫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，簡稱DHCR)生產(chǎn)工藝特征采用DHCR/DR(Direct Hot Charging Rolling and Direct Rolling，簡稱DHCR/DR)兩種先進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高溫連續(xù)的生產(chǎn)系統(tǒng)，這對鋼軋銜接生產(chǎn)調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，一體化計劃與動態(tài)調度系統(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)調度系統(tǒng)是以生產(chǎn)計劃和動態(tài)生產(chǎn)實績?yōu)檩斎耄眠B鑄與熱軋之間的板坯庫和加熱爐的緩沖能力，動態(tài)協(xié)調煉鋼、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。
本文通過分析混合生產(chǎn)環(huán)境下鋼軋銜接生產(chǎn)調度系統(tǒng)（ERP系統(tǒng)）的功能和影響銜接的關鍵因素，給出了動態(tài)協(xié)調策略，并基于UML建立了系統(tǒng)用例模型、靜態(tài)結構模型和動態(tài)行為模型。動態(tài)行為模型中對象的活動圖展現(xiàn)了隨機擾動事件發(fā)生時的動態(tài)協(xié)調策略，系統(tǒng)能夠基于緩沖能力協(xié)調各工序環(huán)節(jié)，以減少工序間的等待時間和提高設備利用率。
2 系統(tǒng)分析
2.1 功能需求
鋼軋銜接生產(chǎn)調度系統(tǒng)是處于上層作業(yè)計劃系統(tǒng)和下層過程控制系統(tǒng)的中間執(zhí)行層，強調煉鋼、連鑄與熱軋工序之間生產(chǎn)調度的銜接，對信息的實時性要求較高，需要及時地處理生產(chǎn)過程中的設備故障、質量問題等動態(tài)擾動，維持生產(chǎn)過程的穩(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。接收作業(yè)計劃管理系統(tǒng)制定的生產(chǎn)計劃。把澆次計劃和爐次計劃轉化成生產(chǎn)指令，并下達給煉鋼廠過程控制系統(tǒng)；根據(jù)軋制計劃和連鑄生產(chǎn)實績生成軋制指令，并下達給軋鋼廠過程控制系統(tǒng)。
(2)生產(chǎn)實績收集。在生產(chǎn)過程中實時收集各種生產(chǎn)實績信息，主要包括生產(chǎn)作業(yè)執(zhí)行時間信息、產(chǎn)品質量信息、物流量信息、產(chǎn)品溫度信息、設備狀態(tài)信息等。
(3)動態(tài)擾動識別。對收集的生產(chǎn)實績信息進行分析，識別生產(chǎn)過程中的動態(tài)因素，如機器故障、在制品質量異常等，并通過系統(tǒng)報警通知調度人員進行控制。
(4)銜接區(qū)域控制。分析生產(chǎn)過程中的動態(tài)擾動因素，并根據(jù)擾動類型制定合理的調整策略，保持生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和連續(xù)性。①根據(jù)某種算法計算加熱爐的緩沖能力，當連鑄和熱軋工序出現(xiàn)生產(chǎn)波動或不匹配時，可以由加熱工序進行一定程度的緩沖和調節(jié)。②對到達順序混亂的DHCR板坯進行板坯排序優(yōu)化，保證最大限度的直裝比，減少板坯下線和板坯庫的吊車作業(yè)量。③連鑄機故障時，可以臨時插入CCR板坯計劃。軋機故障時，把DHCR板坯計劃改為HCR或CCR板坯計劃。
2.2 用例建模
統(tǒng)一建模語言(Unified Modeling Language，簡稱UML)是一種定義良好、富于表達、功能強大且普遍適用的建模語言。用例建模是從用戶的角度來描述系統(tǒng)需求，用例圖描述用例、參與者及它們之間的關系。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)調度系統(tǒng)用例圖
圖1中，生產(chǎn)指令下達、生產(chǎn)實績收集、動態(tài)擾動識別和銜接區(qū)域控制是鋼軋銜接生產(chǎn)調度系統(tǒng)的主要用例；生產(chǎn)調度人員是鋼軋銜接生產(chǎn)調度系統(tǒng)的主要參與者，他們參與系統(tǒng)對生產(chǎn)過程的控制；作業(yè)計劃管理系統(tǒng)、工藝管理系統(tǒng)和設備管理系統(tǒng)是內部參與者，分別提供軋制計劃、澆次和爐次計劃，工藝規(guī)則以及設備狀態(tài)信息；煉鋼廠和軋鋼廠過程控制系統(tǒng)是外部參與者，接收鋼軋銜接生產(chǎn)調度系統(tǒng)提供的生產(chǎn)指令并反饋生產(chǎn)實績信息。
3 系統(tǒng)設計
3.1 靜態(tài)結構建模
在鋼鐵生產(chǎn)流程中，往往出現(xiàn)在制品質量異常、工序產(chǎn)能節(jié)奏不匹配和設備故障等動態(tài)因素導致生產(chǎn)過程的中斷，所以系統(tǒng)要針對連鑄到熱軋工序之間的動態(tài)事件進行及時處理，保證生產(chǎn)過程的連續(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)實績、動態(tài)擾動、工序產(chǎn)能匹配、板坯控制和故障處理六個主要的類，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的類，如圖2所示。
圖2 鋼軋銜接生產(chǎn)調度系統(tǒng)類圖
圖2以類圖的形式給出了系統(tǒng)的靜態(tài)結構模型，描述了系統(tǒng)中的類以及各個類之間的關系，其中六個核心類的主要功能如下：
(1)生產(chǎn)指令。根據(jù)作業(yè)計劃系統(tǒng)制定的軋制計劃、板坯需求計劃、澆次計劃和爐次計劃，結合設備的產(chǎn)能信息生成生產(chǎn)指令下達到過程控制計算機。
(2)生產(chǎn)實績。從過程控制計算機上采集生產(chǎn)過程中的實時數(shù)據(jù)，并反饋給動態(tài)擾動類。
(3)動態(tài)擾動。對生產(chǎn)實績進行分析，識別可能發(fā)生的動態(tài)因素，以便在出現(xiàn)異常時及時進行系統(tǒng)報警。
(4)工序產(chǎn)能匹配。根據(jù)設備產(chǎn)能信息，調節(jié)各工序的生產(chǎn)節(jié)奏。保持板坯在各工序間流動的一致性和連續(xù)性，如果出現(xiàn)生產(chǎn)節(jié)奏不平衡，則通過工序可緩沖時間和生產(chǎn)速度進行協(xié)調。
(5)板坯控制。根據(jù)板坯跟蹤信息．針對熱軋工序的需求對板坯進行處理，包括板坯質量判定、DHCR板坯排序、DHCR板坯下線等操作。
(6)故障處理。針對生產(chǎn)過程中的設備故障，預計故障處理的時間和相鄰工序的可緩沖時間，通過對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)進行調整來保持生產(chǎn)的連續(xù)性；如果無法協(xié)調，則系統(tǒng)進行報警處理，由生產(chǎn)調度員進行調整。
3.2 動態(tài)行為建模
動態(tài)模型描述了系統(tǒng)隨時間變化的行為，UML提供了時序圖、交互圖、狀態(tài)圖和活動圖四種圖來描述系統(tǒng)的動態(tài)模型。根據(jù)系統(tǒng)對信息實時性和動態(tài)性的要求，使用時序圖和活動圖來進行系統(tǒng)的動態(tài)行為建模。時序圖描述了對象之間傳遞消息的時間順序，向用戶提供了事件流隨時間推移的、可視化的過程。本文給出了鋼軋銜接生產(chǎn)調度系統(tǒng)的時序圖，如圖3所示。
圖3 鋼軋銜接生產(chǎn)調度系統(tǒng)時序圖
圖3中各個類之間的交互過程可以描述為以下三個階段：
(1)生產(chǎn)調度人員根據(jù)作業(yè)計劃管理系統(tǒng)提供的軋制計劃、澆次和爐次計劃，進行任務指派和機器沖突消除，生成生產(chǎn)指令，把澆次和爐次指令下達給煉鋼廠過程控制系統(tǒng)，軋制指令下達給熱軋廠過程控制系統(tǒng)。
(2)生產(chǎn)實績收集生產(chǎn)過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)時刻表，并將生產(chǎn)實績信息反饋給作業(yè)計劃管理系統(tǒng)。對生產(chǎn)實績進行分析，識別動態(tài)擾動因素，由銜接區(qū)域控制進行協(xié)調，保持生產(chǎn)的連續(xù)性；若出現(xiàn)嚴重不匹配，則進行系統(tǒng)報警，由調度人員采取相應的策略進行指令的變更。
(3)銜接區(qū)域控制對連鑄到熱軋之間工序的生產(chǎn)節(jié)奏進行協(xié)調，當出現(xiàn)機器故障時計算相應工序的可緩沖時間，并對故障修復時間進行預測，如果修復時間小于可緩沖時間則進行動態(tài)調整；否則，系統(tǒng)超時報警，由調度人員進行煉鋼或是軋制指令的變更。
時序圖強調了對象之間消息交互的時間順序，滿足了系統(tǒng)對信息處理的實時性和交互性要求，而活動圖則描述了對象隨時間變化的動態(tài)行為。
圖4給出了銜接區(qū)域控制的活動圖，主要分析了生產(chǎn)過程中出現(xiàn)連鑄故障和軋線故障時系統(tǒng)的處理流程：
圖4 銜接區(qū)域控制活動圖
(1)連鑄故障時，生產(chǎn)調度人員根據(jù)過程控制系統(tǒng)提供的連鑄機澆注流數(shù)和拉坯速度等參數(shù)計算連鑄與熱軋工序間的物流平衡情況，并估計故障處理時間，判斷放慢加熱爐節(jié)奏后能否實現(xiàn)物流平衡，如果可以就調整工序的生產(chǎn)節(jié)奏；如果調節(jié)生產(chǎn)節(jié)奏不能消除故障影響，則要將板坯暫時放入保溫坑中并將該澆次中未完成板坯計劃向后延遲，然后從板坯庫中查找與該軋制計劃同類型的板坯進行替代，進行冷熱混裝加熱軋制；否則取消原來的軋制計劃，根據(jù)故障處理時間臨時插入CCR軋制計劃。
(2)軋線故障時。生產(chǎn)調度人員根據(jù)過程控制系統(tǒng)提供的加熱爐運作參數(shù)計算工序間物流平衡情況，并估計故障處理時間，判斷放慢連鑄節(jié)奏能否實現(xiàn)物流平衡，如果可以就調整工序的生產(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 應用實例
我們將UML建模應用于鋼軋生產(chǎn)調度系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，在上述模型的基礎上，使用C#語言和Oracle數(shù)據(jù)庫技術開發(fā)出了鋼鐵企業(yè)高級計劃與排程系統(tǒng)APS。以系統(tǒng)中的熱軋動態(tài)調度管理模塊為例進行說明，熱軋動態(tài)調度管理接收軋次調度以及板坯調度信息，并根據(jù)生產(chǎn)實績中發(fā)生的擾動信息對板坯調度和熱軋調度進行動態(tài)調整，保證調度方案變動最小。
圖5是熱軋動態(tài)調度管理的功能界面，調度人員可以實時查看熱軋調度和板坯調度，根據(jù)生產(chǎn)實績情況修改或終止某個軋次調度。
圖5 熱軋動態(tài)調度功能界面
圖6是熱軋動態(tài)調度甘特圖，通過甘特圖動態(tài)地展示軋次調度和軋次實績的對比情況，以便于以人機交互的方式進行實時調度。
圖6 熱軋動態(tài)調式甘特圖
5 結束語
在鋼鐵生產(chǎn)MES系統(tǒng)的開發(fā)與實施的實踐中遇到的困難往往不是一個最優(yōu)靜態(tài)調度方案的生成，而是當靜態(tài)調度方案在執(zhí)行過程中遇到動態(tài)隨機擾動因素后的人機交互實時動態(tài)調度方案決策問題，為了最大限度減少重調度方案對后續(xù)工序作業(yè)計劃的影響，協(xié)調兩者之間的動態(tài)關系一直是制約鋼鐵生產(chǎn)MES系統(tǒng)實用性的難點所在。本文通過分析鋼軋銜接生產(chǎn)調度的特點，使用統(tǒng)一建模語言建立了鋼軋銜接生產(chǎn)調度系統(tǒng)（ERP系統(tǒng)）的一系列模型，從靜態(tài)結構和動態(tài)行為方面對系統(tǒng)進行了描述，該模型的建立為鋼鐵制造執(zhí)行系統(tǒng)的開發(fā)提供了一定的理論指導。
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本文標題：基于UML的鋼軋銜接生產(chǎn)調度系統(tǒng)建模
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