2022年专家系统在生产制造系统MES中的应用 .pdf

? 专家系统 ?专家系统在生产制造系统(MES)中的应用胡瑜1 陈涛2( 1:济南钢铁集团公司自动化部济南 250101; 2:山东大学济南 250100)摘要 介绍了生产制造系统(M ES)。对M ES工程最核心的生产计划模块选用了专家系统来实现其功能 。引进了STEELP IA平台的专家系统模型。通过搜索知识库的专家知识最终出钢,轧钢的作业指示。对补充到专家系统的知识库中的部分浇铸的调度策略的优化过程作了详细地描述。关键词 生产制造系统工序计划 作业管理 专家系统中图分类号TP182、TH15文献标识码BAppli cation of Expert Syste m in Manufacturi ng Execution Syste mHu Yu1Chen Tao2(1: Jinan Iron and SteelGroup Co mpany Automatic Department; 2: ShandongUniversity)ABSTRACTDescribesthe definiti on ofManufacturingExecuti on Syste m.For the central module of processp lanning in M ES, defines the expert syste m to realize the function. Choose the expert syste m model of STEELP IAp latform. This syste m uses the expert knowledge in expert base, finally give the instructi on of tapping an rolling. detaildescribes that supplemented into expert syste m knowledge base for optim ization process of dispatch tactics of caster .KE YWO RDSM ES(M anufacturing Execution System)SchedulingExecutingExpert syste m1MES的定义现有的企业生产管理系统普遍有以ERP /MRP II为代表的企业管理软件,以SCADA、 HM I( Human MachineInteface) 为代表的生产过程监控软件来实现操作过程自动化,两者相对都比较完善 ,但大量的基于毫秒级的生产信息无法及时提供给ERP(企业资源规划)来为全厂的生产、 销售 、 库存 、 财务等模块服务。这样在很大程度上造成了ERP成为脱离了生产实绩的空中楼阁,各二级设备自动化软件成为了一个个独立的孤岛。生产制造系统(MES)恰好能填补这一鸿沟。MES是处于计划层和车间层操作控制系统PCS之间的执行层,主要负责生产管理和调度执行。MES强调控制和协调,使现代制造业信息系统不仅有很好的计划系统,而且能使计划落实到实处的执行系统 。因此短短几年间MES 在国外的企业中迅速推广开来,并给企业带来了巨大的经济效益 。企业认识到只有将数据信息从产品级(基础自动化级) 取出 ,穿过操作控制级,送达管理级 ,通过连续信息流来实现企业信息全集成才能使企业在日益激烈的竞争中立于不败之地。MES国际联合会对MES 的定义如下: MES能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。当工厂发生实时事件时 ,MES 能对此及时作出反应、 报告 ,并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。 这种对状态变化的迅速响应使MES 能够减少企业内部没有附加值的活动,有效地指导工厂的生产运作过34Total No1152August 2005冶 金 设 备MET ALLURGI CAL EQU IP ME NT总第152期2005年8月第4期作者简介:胡瑜,男, 1970年出生,硕士,高工, 2004年毕业于山东大学通讯信息系统专业名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 程 ,从而使其既能提高工厂及时交货能力,改善物料的流通性能,又能提高生产回报率。MES 还通过双向的直接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品行为的关键任务信息。从以上定义可看出MES 的关键是强调整个生产过程的优化,它需要收集生产过程中大量的实时数据 ,并对实时事件及时处理。同时又与计划层和控制层保持双向通信能力,从上下两层接收相应数据并反馈处理结果和生产指令。因此 ,MES不同于以派工单形式为主的生产管理和辅助的物料流为特征的传统车间控制器,也不同于偏重于作业与设备调度为主的单元控制器,而应将 MES作为一种生产模式, 把制造系统的计划和进度安排、 追踪 、 监视和控制、 物料流动 、 质量管理 、 设备的控制和计算机集成制造接口(CI M)等一体化去考虑,以最终实施制造自动化战略。2生产计划选用专家系统的必要性济钢中厚板厂是中国最大的厚板生产公司之一 ,作为现代化新型炼钢 中厚板生产线,具有完善的生产过程基础自动化系统(L1 )和部分过程自动化系统(L2),如转炉副枪控制系统( S DM 模型 )、 精练LF /VD 自动控制系统、 连铸CC M 系统 (包括自动配水、 中包液面控制、 结晶器液面控制等5个模型 ) 、 步进加热炉控制系统、 西门子精轧控制系统等L2 级系统 。铁水预处理、控轧控冷 、 强力矫直 、 表面检测 、 自动测长宽等二级系统正在建设或将要建设。这些L2系统都是引进世界范围内著名的冶金自动化公司的二级模型 ,它们分别来自不同的国家和地区,各二级模型之间的协调、 数据交互极为重要(这些局部系统水平很高,对 L3 级系统本身就有强烈需求 ) 。同时ERP (L4 )正在实施,全厂的财务、 销售 、 生产 、 库存 、 原料的信息化管理正在完善,这些模块急需从生产执行系统读取数据,完成各工序的成本核算、 原物料消耗、 库存 、 销售情况的计算 。这时 L4 同 L2 之间的鸿沟越发明显,三级的生产执行系统作用更为重要。目前整个生产线的协调控制仍然依赖人工完成,生产计划调度也是人工完成,信息传递靠人工报表,各个L1 /L2级子系统所须制造命令/规程等L3 级数据由人工输入 ,效率低 ,规范性差,与完善的L1 /L2 自动化系统不相匹配(局部最优全局不优) ,也制约了工厂生产效率的发挥提高。迫切需要建立一条全线生产管理信息系统,进一步优化全线生产效率 ,提高全线管理水平。正在准备把济南钢铁集团公司设备规模扩充到年产钢1000万吨的同时,引进先进的生产管理系统,不但可以解决因新建设备引起的持续增长的信息量界限问题,而且把内外风险要素转变到机会要素。通过引进先进系统 ,在公司内部方面,为了进行以业务人员为主的分析,构筑最新的信息模型系统;在公司外部方面 ,为了通过提供良好信息而满足顾客需要 ,构筑系统基础设施。冶金企业是工艺流程型,生产节奏紧凑,工艺设备复杂,环境恶劣,人为因素影响明显。由于各种限制条件太多,冶金企业的生产计划的下达一直是生产组织难点。生产计划必须在完成生产任务的前提下优化各生产系统,需要考虑的问题极为复杂,除了基本的生产组织优化外,还有产品订单和钢种、 生产节奏匹配,各设备的生产能力 、 设备的自动化程度、 各种辅助材料的供应情况 。根据以上条件种种客观条件的限制,考虑冶金企业的具体情况,建立数学模型有一定的难度 ,从实际应用情况来看大部分数学模型无法真正解决生产需要的实际问题。但国外如美国、 欧洲等已将其广泛应用于制造企业的进度编排、 计划、 诊断,质量控制以及预防性保养等方面,取得的效果非常显著。经过对各方案对比,考察及大量论证 ,济钢大胆引进专家系统来解决生产计划下达的难题,济钢的生产计划最终选用韩国浦项的专家系统来实现。浦项提供专家系统的软件,济钢提供部分针对济钢实际情况的生产调度策略。3生产计划专家系统简介专家系统是一种智能的计算机程序, 运用知识和推理步骤来解决只有专家本人才能够解决的问题 , 济钢专家系统的特点是:1) 所要解决的问题是复杂而又专门的。对于这些问题, 人们还难有精确的描述和严格的分析 , 因此还难用准确的计算法来直接解决, 而需要利用专家本人的知识, 它既有理论知识还有实44总 第152期冶 金 设 备 2005年8月第4期名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 际经验 。2) 专家系统突出知识的价值。在通常情况下 , 要推广和应用专家知识, 需要通过培训, 花费大量的时间和经费。专家系统则大大减少了这些应用的代价。3) 该系统采用人工智能原理与技术。生产计划专家系统( STEELPIX)由人机接口、 知识库 、动态库 、 推理机 、 解释机等模块构成。系统组成及联系如图1所示 。图1STEELP IX基本结构各模块功能如下: 人机接口:用户以人机对话方式输入信息,自动建立基础资料库,如生产计划,原材料,设备检修等。另外用户还可以通过人机对话不断地从外部输入专家的知识,以丰富和完善知识库内容。知识库 :存放问题求解所需要的领域知识,包括作为冶金专家经验的判断性知识。 动态库 :又叫综合数据库,用于存放系统运行过程中所需要的原始数据和产生的所有信息,包括用采集的各种生产技术参数,设备能力信息,用户提供的信息、 推理的中间结果 、 推理过程的中间记录等。 推理机 。根据动态库的当前状态,利用知识库的知识对生产参数的选择进行推理,并将推理结果输送给用户。 解释机 :对求解过程进行说明,并回答用户提出的问题 ,如用户和中间结果是如何得到的等。输入限制条件(知识库 )主要包括必须完成总计划 ,同时考虑以下策略产品订单和钢种特性的合理搭配的策略。 生产节奏匹配,即包括炼钢同轧钢的钢板红送节奏,也包括炼钢内部(转炉 ,精炼 ,连铸 )生产匹配 ,轧钢内部(轧机 ,剪切 )生产匹配 。 各设备的生产能力及设备的操作情况 (L2级 L1 级完善程度或人工操作能力)。各种辅助材料的供应情况。推理机制根据输入条件及从ERP得到的生产工艺参数进行推理包括:炉次 、 浇次以及工艺路线的优化: 炉次的优化主要原因是三炼钢单炉出钢量在135t以上 ,而许多钢板的合同是非常琐碎的,如何合理优化每炉的定尺搭配,炉次优化的目的就是保证达到每份合同都及时准确兑现的前提下,使三炼钢每炉切割的定尺不超过3个 、 坯头和坯尾长度尽可能的短 。 浇次优化的主要原因是每个浇次生产的钢种较多,如何在一个浇次中对不同钢种进行搭配 ,浇次优化的目的就是在保证连浇炉数的前提下 ,保证接头尽可能的少和短,增加成坯量。工艺路线的优化基于三炼钢可走的工艺路线是非单一的,工艺线路的优化目的就是根据不同级别的钢种在计划编排时选择合适的工艺路线,同时保证钢坯的内外质量。换辊周期的优化:换辊周期的优化主要是对一个轧制周期所生产的品种、 厚度 、 宽度等方面的合理分配,也就是说在一个轧制周期内轧出的钢板量要多、 尺寸合格率要高、 板型要好。通常在一个轧制周期(轧次 )内首先轧制的钢种为普通钢种 、 厚度和宽度都适中的规格,即磨辊时期;其次轧制的钢种为较高级、 生产难度大或对辊型要求严格的钢种、 厚度较小和宽度较宽的规格,通常称为辊型充分利用时期;最后轧制的钢种一般为普通或对辊型要求不太严格的钢种、 厚度较大和宽度较窄的规格,通常称为辊型再利用时期。4专家系统中标准库(知识库 )的开发完善韩国浦项的专家系统的知识库是根据浦项的生产设备和管理方式制定的,浦项有多转炉、多连铸机、 多条轧线,生产计划调度比较灵活。他的一级管理方式及总厂计划直接对各个车间(根本不存在国内的分厂的 概念 ) 。济 钢应用MES系统的目前只有一个转炉、 一台连铸机(一机一流 ) 、 一条轧线生产计划调度策略同浦项不一样 ,管理方式同浦项也完全不一样。因此济钢的专家系统必须完全定制开发,软件系统可以参考浦项的经验,专家系统的知识库必须根据济钢的实际情况制定,这项工作由济钢自己完成。济钢目前是按订单生产,销售公司销售订单的交货54胡瑜等:专家系统在生产制造系统M ES中的应用 2005年8月第4期名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 期一般是34天,炼钢一个浇次最少是14炉 ,每炉至少135吨 ,每浇次至少1890吨 。如果产品订单品种多,小批量 ,组不成一个浇次,交货期又很急 ,异钢连浇往往不可避免,因此专门增加了针对小批量订单的策略- - 连铸组合标准。经过三炼钢投产三年来的实践,工艺人员针对这条生产线的连铸策略摸索了许多宝贵的生产经验 ,补充到专家系统知识库中的连浇炉数编制标准 ,连铸组合标准。1 )尽量避免异钢连浇。异钢连浇的缺点众所周知 ,工艺控制复杂,不同钢种的特性不同,连铸中包液位 、 结晶器液面控制,坯壳的形成增加了难度 ,而且不同钢种连接处必须切掉,使二次切割站增加一道工序,有可能造成节奏不匹配同时造成坯头 、 坯尾浪费 。2 ) 炼浇炉数以中包包龄为基准制定。由于不同钢 种对中 包包 龄有不 同 的 影 响。普 碳 钢Q235、 Q235C、 SS400 、 20R 为一个浇次18炉 ,低合金钢Q345、 X60、 JG590 、 50B 为一个浇次15炉 。一个浇次的结束以换中间包周期为标志。3 ) 异 钢 连 浇 时Q235、Q235C、20G、20R、SS4O0 、 A36A 这些钢种可以任意组合排到同一个浇次 ,最多可连浇18炉 。Q345、 Q345C、 16MnR、JG590、 63A、 50B可以任意组合排到同一个浇次。最多可连浇1415炉 。4 )异钢连浇时,尽量走同一工艺路线,工艺路线主要体现在精炼路径上。目前济钢主要有CAS; CAS +LF, CAS +LF +VD。如果各钢种必须走不同的工艺路线,须先排完CAS +LF + VD 的炉次 ,再排CAS + LF 的炉次 ,最后排CAS炉次 ,由转炉压节奏。且在一个浇次中, CAS + LF +VD的炉次加上CAS +LF 的炉次不能超过三炉。5 )不同的钢种,如同一工艺路线以C Mn (C相同 ,按 Mn )成分按正态分布曲线排列即成分排正态分布曲线在前面的在浇次中也排在前面。6 ) Q235BH 钢种如果异钢连浇,一般排在浇次最后 。Q235BH 工艺路线是BOF (转炉 ) - CAS(精炼 ) - CC M (连铸 )精炼路径只有CAS。 CAS炉外精炼喂铝线的过程中,为保证脱氧成分,增加的铝比较多。造成钢水的粘度比较大,如果排在浇次的开始或中间,可能造成浇次断流,甚至坯壳脱落,造成严重的漏钢事故。以上几条连铸策略是针对济钢三炼钢-中厚板生产销售模式及三炼钢- 中厚板的设备(一个转炉 ,一台连铸机,一机一流)的具体情况制定出来的 ,集中许多工艺人员的智慧和经验,构成了专家系统知识库中最重要的组成部分,在生产实践中得到了充分的验证,目前正在使用中。5结束语按照三炼钢/ 中厚板一条线估计,如果采用标准化管理,产能可以提高1% 3% ,年经济效益在 3000万元以上 。展望将来MES在济钢的应用 ,随着设备的增加(两年内增加2个转炉 ,一台连铸机 ,一条热轧生产线),济钢的炼钢、 轧钢工艺配备日趋合理,生产组织更加灵活,同时许多国外现成的计划排程,调度策略的宝贵经验可直接加入济钢MES工序计划专家系统的知识库中,为系统进一步扩展提供了条件。同样各L2 级接口已经不是问题。各接口标准,物料 、 产成品编码都已经统一。管理 、 技术 、 操作人员对MES 的认识更进一步。各种制约条件都得以解决。MES的作用将越来越突出,良好的生产组织使济钢生产管理水平可逐步达到国际先进的水平。参考文献 1 唐立新等.炼钢-连铸-热轧集成批量计划因素分析 J .钢铁, 2000 (5) : 7476. 2孙福权,郑秉霖,唐立新等.炼钢-连铸-热轧一体化集成调度管理 J .钢铁, 1998 ( 12) : 7175. 3田盛丰等编著.人工智能原理与应用.北京:北京理工大学出版社, 1993 4 毕学工.人工智能和专家系统在钢铁工业中的应用.武汉钢铁学院学报, 1995. 18 (2) ; 146152(收稿日期: 2005 - 04 - 25)64总 第152期冶 金 设 备 2005年8月第4期名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -