郑忠等：钢铁智能制造背景下物质流和能量流协同方法 ·121· 生产和能源数据反馈利用 数据存 能源数据反馈利用 计 储模块 能源采购计划 ERP 划 及分类 层 数据服务器 能源利用及预测信息 数据库 将多层 处理过的 数据汇总 数据进行 数据交换 EMS 份类存储 数据分类 信息采集 完善 分层模块 处理模块 分别硅立 增强模摸块 (将底层的 执行反 计划信息 生产和 (将数据分 (提高底层 类、分层处 数据进行 V 能源方面 数据采集 个能源利用及生产执行信息 的数据库 理，提高数 汇总并 的完整性 有限能源计划 综合处理 调 便于调用 据有效性) 和管理) 和及时性)完善 MES 和反馈 层 利用) 生产数据反馈利用 数据汇总 于徽字化过萄 生产指令 能源数据（智能化过程） 生产指令 !生产数据 工序1及其设备单元 工序及其设备单元 工序n及其设备单元 O … 表示监控层或信息系统内部的关系 表示监控层与信息系统之间的关系 表示信息系统与生产设备对象之间的关系 图5钢铁制造流程生产及能源系统的运行管控架构 Fig.5 Operation management and control architecture of the production and energy system in the iron and steel manufacturing process 与能源利用过程的运行控制. 控的基础上，完善流程控制信息系统企业资源计划系 因此，从生产运行控制的角度，进行物质流和能量 统、制造执行系统、能源管理系统、生产工序设备单元 流的协同优化体现为以下几点： 信息系统、过程控制系统等的协调优化功能；借助信息 (1)物质流和能量流信息的数字化支撑.在钢铁 技术与自动化技术结合，建立面向动态调度的协同优 企业现有的生产和能源信息化系统下，加强对物质流 化模型，提升制造执行系统的生产计划与调度执行的 和能量流的现实运行状况和生产控制信息的数据监 协同优化功能，实现资源和能源在动态生产运行中的 控，通过物联网技术实现生产与能源相关的物质流和 协同优化配置作用. 能量流数据的完整、及时、准确和有效收集；完善信息 4.2钢铁企业信息系统的协同优化途径 的及时传递功能，通过先进通信技术将系统数据进行 在钢铁企业的信息系统架构下，钢铁企业按照订 实时传输与沟通反馈，提升数据的实时传输能力：建立 单制定生产计划并下达生产任务，物质流和能量流的 实时数据按需统计分析功能，通过云计算等技术手段 信息流以各自的形式分别在企业资源计划系统、制造 进行数据实时计算处理，对生产运行及能源利用状况 执行系统及能源管理系统中分别下达至各工序的制造 进行实时诊断，优化生产运行.借助制造单元与企业 单元设备，进行生产组织和生产系统运行 资源计划系统、能源管理系统和制造执行系统的信息 通过基于信息流的物质流和能量流的联动，使得 传递及交互，为生产计划和能源计划的制定、生产执行 能源管理系统能更好地满足生产需要，实现能源管理 过程的资源和能源调度创造条件 系统与钢铁企业资源计划系统、制造执行系统等生产 (2)能源计划与生产计划的协调.强化企业资源 管控信息系统的深度融合.关于钢铁生产物质流和能 计划系统与能源管理系统的生产计划、资源计划和能 量流信息协同优化系统的运行机制如图6所示. 源计划的协调优化功能，提升能源管理系统中的能源 钢铁生产以满足市场客户的个性化需求为原则， 计划与生产批量计划的协同优化能力，以及制造执行 按照合同订单来制定生产批量计划和生产作业计划： 系统的生产作业计划的协同优化能力.通过生产计划 并以现有资源和能源为基础，根据工艺约束和产品要 来引导带动资源计划和能源计划的制定，解决生产计 求制定资源计划和能源计划：各个工序及其单元设备 划、能源计划与现实生产之间存在的资源和能源衔接 通过接受制造执行系统制定的生产作业计划和当时的 不相适应的问题 资源和能源条件来进行生产 (3)动态调度过程的协同.针对生产执行过程中 因此，钢铁制造的物质流和能量流协同系统应以 动态调度的不确定性，尤其针对炼钢-连铸核心生产 生产优化、资源优化及能源优化的协同为终极目标，在 组织的多工序特征，在强化生产组织实施过程信息监 保证生产正常、稳定和有序运行的基础上，进行生产资郑 忠等: 钢铁智能制造背景下物质流和能量流协同方法 图 5 钢铁制造流程生产及能源系统的运行管控架构 Fig. 5 Operation management and control architecture of the production and energy system in the iron and steel manufacturing process 与能源利用过程的运行控制. 因此,从生产运行控制的角度,进行物质流和能量 流的协同优化体现为以下几点: (1) 物质流和能量流信息的数字化支撑. 在钢铁 企业现有的生产和能源信息化系统下,加强对物质流 和能量流的现实运行状况和生产控制信息的数据监 控,通过物联网技术实现生产与能源相关的物质流和 能量流数据的完整、及时、准确和有效收集;完善信息 的及时传递功能,通过先进通信技术将系统数据进行 实时传输与沟通反馈,提升数据的实时传输能力;建立 实时数据按需统计分析功能,通过云计算等技术手段 进行数据实时计算处理,对生产运行及能源利用状况 进行实时诊断,优化生产运行. 借助制造单元与企业 资源计划系统、能源管理系统和制造执行系统的信息 传递及交互,为生产计划和能源计划的制定、生产执行 过程的资源和能源调度创造条件. (2) 能源计划与生产计划的协调. 强化企业资源 计划系统与能源管理系统的生产计划、资源计划和能 源计划的协调优化功能,提升能源管理系统中的能源 计划与生产批量计划的协同优化能力,以及制造执行 系统的生产作业计划的协同优化能力. 通过生产计划 来引导带动资源计划和能源计划的制定,解决生产计 划、能源计划与现实生产之间存在的资源和能源衔接 不相适应的问题. (3) 动态调度过程的协同. 针对生产执行过程中 动态调度的不确定性,尤其针对炼钢鄄鄄 连铸核心生产 组织的多工序特征,在强化生产组织实施过程信息监 控的基础上,完善流程控制信息系统企业资源计划系 统、制造执行系统、能源管理系统、生产工序设备单元 信息系统、过程控制系统等的协调优化功能;借助信息 技术与自动化技术结合,建立面向动态调度的协同优 化模型,提升制造执行系统的生产计划与调度执行的 协同优化功能,实现资源和能源在动态生产运行中的 协同优化配置作用. 4郾 2 钢铁企业信息系统的协同优化途径 在钢铁企业的信息系统架构下,钢铁企业按照订 单制定生产计划并下达生产任务,物质流和能量流的 信息流以各自的形式分别在企业资源计划系统、制造 执行系统及能源管理系统中分别下达至各工序的制造 单元设备,进行生产组织和生产系统运行. 通过基于信息流的物质流和能量流的联动,使得 能源管理系统能更好地满足生产需要,实现能源管理 系统与钢铁企业资源计划系统、制造执行系统等生产 管控信息系统的深度融合. 关于钢铁生产物质流和能 量流信息协同优化系统的运行机制如图 6 所示. 钢铁生产以满足市场客户的个性化需求为原则, 按照合同订单来制定生产批量计划和生产作业计划; 并以现有资源和能源为基础,根据工艺约束和产品要 求制定资源计划和能源计划;各个工序及其单元设备 通过接受制造执行系统制定的生产作业计划和当时的 资源和能源条件来进行生产. 因此,钢铁制造的物质流和能量流协同系统应以 生产优化、资源优化及能源优化的协同为终极目标,在 保证生产正常、稳定和有序运行的基础上,进行生产资 ·121·