复杂生产过程计划调度级联模型在选矿MES 中的应用研究

复杂生产过程计划调度级联模型在选矿MES 中的应用研究内容摘要：

第 37 卷 第 9 期 2011 年 9 月 自 动 化 学 报 ACTA AUTOMATICA SINICA Vol. 37, No. 9 September, 2011 复杂生产过程计划调度级联模型在选矿 MES 中的应用研究 黄肖玲 1 柴天佑 2 摘 要 针对大型选矿生产线运行和管理特点, 分析了选矿企业生产成本、原矿处理量、精矿品位、金属回收率等综合生产指 标在计划层、执行层和控制层间的交互关系; 说明了选矿企业计划调度主要特征是将综合指标逐层分解优化为日生产线指标 的思想; 建立了在保证产品质量合格前提下总成本最小为目标和在保证合理精矿品位的前提下, 以减小精矿库存、最大限度地 满足设备生产能力为目标的计划与调度两阶段级联优化模型; 提出了决策选矿生产线日原矿处理量和精矿品位与尾矿品位等 生产指标的生产计划调度优化方法, 并应用于某选矿企业制造执行系统 (Manufacturing execution system, MES), 取得显著 应用成效. 关键词 制造执行系统, 选矿过程, 计划与调度, 综合生产指标 DOI 10.3724/SP.J.1004.2011.01130 Application of Planning and Scheduling Cascade Model of Complex System Processing to Mineral Processing MES System HUANG Xiao-Ling1 CHAI Tian-You2 Abstract For the production line operation and management of mineral processing, the interactions of comprehensive indices, such as mineral processing cost, raw ores quantity, concentrate grade, metal recovery and so on, were analyzed at planning, execution, and control layers, We also illustrated the main feature of planning and scheduling in mineral processing enterprises, which is to decompose and optimize the comprehensive production into the production indices of a day. A two-stage hierarchical model of planning and scheduling was established, which can minimize the overall cost for ensuring products quality and maximally utilize equipment capacity for ensuring rational concentrate grade, decrease the concentrate inventory. The approach of planning and scheduling, which makes decision on day production indexes of raw ores quantity, concentrate grade and tailing grade, was proposed in this paper. It has been applied to a manufacturing execution system (MES) of a mineral processing enterprise, and satisfactory results have been achieved. Key words Manufacturing execution system (MES), mineral processing, planning and scheduling, comprehensive production indexes 生产方式的演变和 IT 技术的进步是促进制造 业信息化发展的两个基本动因. 在制造业信息化的 早期阶段, 受到当时环境限制, 工厂业务管理的信息 化与生产设备的自动化常被作为两个独立的领域而 分别进行, 长期存在信息孤岛和信息断层的问题成 收稿日期 2010-03-04 录用日期 2011-04-08 Manuscript received March 4, 2010; accepted April 8, 2011 国家重点基础研究发展计划 (973 计划)(2009CB320600), 高等学 校 学 科 创 新 引 智 计 划 (B08015), 辽 宁 省 教 育 厅 高 等 学 校 科 研 项 目 (2009A312) 资助 Supported by National Basic Research Program of China (973 Program) (2009CB320600), Program of Introducing Talents of Discipline to University (B08015), and Science and Research Program of the Educational Department of Liaoning Province (2009A312 1. 大连海事大学交通运输管理学院 大连 116026 2. 东北大学流程 工业综合自动化国家重点实验室 沈阳 110004 1. Collage of Transportation and Management, Dalian Maritime University, Dalian 116026 2. State Key Laboratory of Synthetical Automation for Process Industries, Northeastern University, Shenyang 110004 为阻碍公司级业务管理系统与工厂级生产管理系统 之间集成的根本原因[1−3] . 导致公司级的业务管理 系统无法得到及时准确的生产实绩信息, 无法把握 生产现场的真实情况, 而生产现场人员也得不到切 实可行的生产计划与生产指示. 1990 年美国 AMR (Advanced manufacturing research) 的报告中首次提出制造执行系统 (Manufacturing execution system, MES) 这一概念, 并将 MES 定位于重点解决生产执行层的生产管理问题, 定义为 “位于上层的计划管理系统与底层的工业控 制之间的面向车间层的管理信息系统”. MES 是流程工业综合自动化的核心技术, 其主 要功能是负责生产管理和调度执行. MES 同样是制 造业信息化, 特别是流程工业自动化建设中, 在企业 计划管理和车间生产控制之间架起的一座信息沟通 和管理的桥梁, 将使企业更容易建立一个快速反应、 9期 黄肖玲等: 复杂生产过程计划调度级联模型在选矿 MES 中的应用研究 有弹性、精细化、统一的信息化制造环境, 对提高 企业生产效率、产品质量以及降低消耗具有重要的 作用[4−6] . 选矿企业生产过程控制与管理的核心就是生产 指标的优化问题. 选矿企业中的金属回收率、精矿品 位等生产指标, 是计算产品生产能力、编制生产计划 的基本依据, 它综合反映企业生产与管理的水平, 其 水平的高低与企业的产品质量、生产效率、生产成 本有密切的关系, 兼具生产和管理的双重意义. 然而, 作为流程工业之一的选矿, 同样存在管理 决策层、计划调度执行层、过程控制层的信息阻断 问题, 且人工凭经验调度不能及时准确地反映生产 中原材料变化. 本文建立了在保证产品质量合格前提下总成本 最小为目标和在保证合理精矿品位的前提下, 以减 小精矿库存、最大限度地满足设备生产能力为目标 的两阶段计划调度级联优化模型, 提出了选矿企业 的强磁生产线与弱磁生产线日原矿处理量和精矿品 位与尾矿品位的生产计划调度方法. 1131 公司生产管理部门将上层综合计划分解出的含 综合指标的月计划 (主生产计划) 下达其选矿厂. 月 计划中给出原矿处理量和质量、 精矿产量和品位、 金属回收率、能源消耗、成本等综合生产指标计划. 选矿厂生产管理部门接受公司下达月计划的指标, 编制选矿厂的周作业计划. 厂技术部门根据月质量 计划和周质量计划给出原矿处理量、精矿品位等周 综合生产指标优化值. 选矿厂调度室接受周计划, 并 结合实际生产状况, 形成日/班作业生产计划. 目前, 针对选矿生产指标优化的研究, 大多针对具体的模 型和算法, 缺乏对整个生产指标优化体系结构的研 究. 总之, 现有研究的不足是没有运用系统工程理论 实现整体优化. 1 选矿生产线运行管理过程描述 1.1 选矿生产线简介 某选矿厂生产过程分为原矿生产、竖炉焙烧、磨 矿与磁选、精矿生产和尾矿处理 5 个作业流程, 如图 1 所示. 来自原矿堆场的 N 种原矿量即为 yi (t) (i = 1, · · · , N ). 经过原矿处理过程, 筛分出粉矿和块矿. 粉矿直接输送到磨矿过程, 磨成粒度合格的矿浆, 再 经磁选过程的强磁选设备进行磁选处理成精矿和尾 矿. 块矿输送到竖炉进行焙烧, 焙烧矿输送到磨矿过 程研磨成粒度合格的矿浆, 再经磁选过程的弱磁选 设备进行磁选处理成精矿和尾矿. 强磁精矿和弱磁 精矿都进入精矿大井, 进行脱水浓缩处理后输送到 精矿库. 图2 Fig. 2 1.2 生产过程管理 选矿厂通过生产计划部门、技术部门、调度室、 作业区作业长等把企业综合计划的综合 (生产和经 济) 指标分解至生产线指标. 生产计划部门、技术部 门、调度室、作业区、作业长等完成计划、调度系统 主要功能. 如图 2 所示. 图1 Fig. 1 选矿综合生产指标计划调度模式 Planning and scheduling mode of comprehensive production indices in mineral processing 2 实现综合生产指标优化的 MES 系统 2.1 MES 结构 生产管理系统是一个多层面、多侧面的复杂系 选矿生产工艺流程图 Technological flow of minera