选矿生产计划系统设计与开发.doc
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1、东北大学硕士学位论文摘 要选矿生产计划系统设计与开发摘 要随着信息技术和现代管理技术的发展,企业管理已开始从金字塔模式向扁平化模式转换,适合扁平化管理模式的CIMS (Contemporary Integrated Manufacturing System) 成为工业自动化高技术的研究热点1。基于三层结构(ERP/MES/PCS)的CIMS体系已成为综合自动化研究的热点。选矿生产计划系统是选矿企业制造执行系统(MES)中的重要组成部分,对于MES系统以及综合自动化系统乃至整个选矿企业生产过程都具有重要的意义。本文以酒钢选矿厂的实际生产为背景,对选矿生产计划系统进行了研究,并设计与开发了选矿生产
2、计划系统。主要内容如下:针对选矿生产过程管理的特点,在基于ERP/MES/PCS三层结构的计算机集成制造系统的框架下,对选矿MES的生产计划系统进行了研究。提出了选矿生产计划系统的总体架构和系统的结构与功能。引入计划“制定、预计、执行、反馈、分析调整”的控制思想,实现了生产计划制定、计划预报与分析、计划下达与执行、生产反馈与分析等一系列计划控制流程。对选矿生产计划方法进行了研究,包括计划分解方法和关键指标设定方法,实现了选矿生产过程的原矿处理量分解设定、原矿品质预测。设计并开发了选矿生产计划系统,包括系统结构、功能、数据库、界面等设计,将该系统应用到酒钢选矿厂,现场调试与应用结果表明选矿生产计
3、划系统有效地减轻了生产管理人员的工作强度、缩短选矿生产计划制定时间,增强了计划编制的灵活性,提高了生产效率。关键词:选矿,生产过程,MES,计划系统,计划控制、计划设定、计划分解、经营分析- II -东北大学硕士学位论文AbstractResearch and Development on Production Planning System for Mineral ProcessingAbstractKey words: 东北大学硕士学位论文目 录目 录独创声明I摘 要IIAbstractIII目 录IV第一章 绪论11.1选矿企业生产流程介绍11.1.1选矿的目的和意义11.1.2常用的选
4、矿方法21.1.3选矿企业生产流程简介31.2选矿生产计划研究现状41.2.1选矿生产计划的重要性及其意义41.2.2选矿生产计划研究现状41.3 本文的工作6第二章 选矿企业计划管理需求分析72.1 选矿企业的生产流程分析72.1.1典型选矿企业的工艺流程72.1.2典型选矿企业的管理流程82.2 选矿生产计划需求分析112.4 本章小结15第三章 选矿生产计划制定方法163.1 引言163.2 生产计划控制流程173.3 计划制定213.3.1主要计划提取213.3.2月计划制定233.3.3旬计划制定323.3.4日作业计划制定363.4 计划预报与分析383.5 计划下达与执行383.
5、6 计划反馈与分析393.7 计划调整403.8 计划方法413.8.1传统设定方法413.8.2基于线性规划模型的原矿处理量设定方法423.8.3基于指数平滑的选矿比、原矿品位、块矿率设定方法503.9 本章小结54第四章 选矿生产计划系统设计与开发应用554.1 选矿生产计划系统设计与开发554.1.1 背景介绍554.1.2 系统总体设计554.1.2.1系统目标554.1.2.2系统结构554.1.2.3系统功能564.1.3 系统界面和菜单设计594.1.3.1系统界面设计594.1.3.2系统菜单设计654.1.4 系统数据库设计664.1.3.1数据库外部设计664.1.3.2数
6、据库结构设计684.2 选矿生产计划系统应用714.2.1 系统应用背景714.2.2 系统的实施714.2.2.1 系统运行环境714.2.2.2 数据准备724.2.2.3 计划编制结果734.2.3 系统评估与效应824.3 本章小结83第五章 结束语84参加的科研项目85参考文献86致 谢87- IV -东北大学硕士学位论文0 绪论第一章 绪论冶金工业需要持续稳定的原料资源供应基础,因此要求有坚实的材料工业做后盾,来充分保障生产。选矿生产是材料工业的基础,我国现有的上千家选矿厂,自动化程度低,生产成本高,资源消耗大,管理手段落后、信息利用率低下,已经成为制约中国材料工业发展的瓶颈2。而
7、建立流程工业CIMS可以将成熟的、分散的各种系统集合成一个相互协调、总体优化的集成系统3,基于三层结构(ERP/MES/PCS)的CIMS体系已成为综合自动化研究的热点。MES强调制造计划的执行,它在企业资源规划管理层和过程控制层之间的桥梁4,5。选矿生产计划系统是选矿企业制造执行系统(MES)中的重要组成部分,生产计划管理对于保证生产系统的正常运转并使系统处于最佳的生产状态起着非常关键的作用。1.1选矿企业生产流程介绍1.1.1选矿的目的和意义自然界蕴藏着极为丰富的矿产资源。选矿就是利用矿物的物理或物理化学性质的差异,借助各种选矿设备将矿石中的有用矿物与脉石矿物分离,并达到使有用矿物相对富集
8、的过程6。“采出矿石”或称“原矿”由有价金属矿物和废石(脉石)组成。选矿,有时也叫矿物处理,矿石分选,矿物分选或磨选,是采矿后的一个处理过程,若对象是金属矿石,其目的是为提取有价金属准备矿石原料,但也产出非金属矿物和煤等最终工业产品。选矿除调节矿石的大小外,主要是一种物理分离过程,将有价矿物与脉石矿物颗粒分离而产出含大部分有价矿物的富集产品精矿6。选矿作为一种有效的分离手段,早已广泛地应用在黑色金属及有色金属冶金工业、煤炭工业、化学工业、硅酸盐、陶瓷与建筑材料工业7。选矿在冶金工业中应用最早、最广泛。选矿可以使矿石中的金属含量成倍富集,而且选矿成本低。通过选矿可以降低冶炼成本。经选矿后,矿物中
9、的脉石被大部分排除,减少了炉渣量,不仅降低了能耗,也减少了炉渣中的金属损失。全球70%多的铁矿石由中国、澳大利亚、巴西、俄罗斯和印度生产,就铁矿石总量而言,中国位于世界第一,不过其矿石质量不高(平均品位35%,世界平均品位为60%)8。我国铁矿石的地质储量比较丰富,但贫矿石很多。在仅有少量的富矿石中约有5%的矿石量因含杂质过高不能直接冶炼。除了矿石贫之外,其矿物颗粒嵌布细,组分复杂也给矿石的开发利用带来困难。矿石储量大但“贫、细、杂”的特点决定了我国大多数矿石要经过选矿处理9。1.1.2常用的选矿方法常用的选矿方法有:重选法、浮选法、磁选法、电选和化学选矿法。重选法是根据矿物相对密度的差异来分
10、选矿物的。密度不同的矿物在运动的介质中(水、空气与重液)受重力、流体动力和各种机械力的作用,造成适宜的松散分层和分离条件,从而使不同密度的矿粒得到分离。重选的目的主要是按粒度来分选矿粒。重选可以分为以下几类:洗矿、水力分级、重介质选矿、淘汰选矿、摇床选矿、溜槽选矿。浮选法是根据矿物表面物理化学性质的不同来分选矿物的选矿方法。据统计有90%的有色金属矿都是用浮选法处理的10。现代的浮选过程一般包含以下作业:(1)磨矿,先将矿石磨细,使有用矿物与其他矿物或脉石矿物分离。(2)调浆加药,调整矿浆浓度适合浮选要求,并加入所需的浮选药剂,以提高效率。(3)浮选分离,矿浆在浮选机中充气浮选,完成矿物的分选
11、。(4)产品处理,浮选后的泡沫产品和尾矿产品进行脱水分离。磁选法是根据固体物料的磁性差别使各种成分彼此分离的一种物理选矿方法。磁选法主要用于黑色金属矿石(如铁矿石、锰矿石)的选别。对某些有色、稀有金属以及某些非金属矿石的分选,如陶土、石英砂及石墨等也得到应用。磁选是处理铁矿石的主要选矿方法。我国铁矿石资源丰富,目前保有的探明储量已达500亿吨,居世界前列,但贫矿占90%左右而且成分杂,铁矿石经选矿后,提高了品位,降低了二氧化硅和有害杂质含量,有利于冶炼过程。据我国的实践,铁精矿品位每提高1%,高炉利用系数可增加2%3%,焦炭消耗量可降低1.5%,石灰石消耗量可减少2%11。电选是利用各种矿物即
12、物料电性质不同而进行分选的一种物理选矿方法。目前除少数一些矿物直接采用电选外,在大多数情况下,电选主要用于各种矿物及物料的精选。电选前,大多先经重选或其他选矿方法粗选后得出粗精矿。化学选矿是基于矿物和矿物组分化学性质的差异,采用化学方法改变矿物组成,然后用相应方法使有用组分富集的矿物加工工艺。目前,化学选矿单独或配合物理选矿应用于处理某些黑色、有色、稀有金属和非金属矿物原料,除大规模地用于从物理选矿尾矿、难选中矿、难选原矿等固体矿物原料中综合回收有用成分外,还用于物理选矿难选粗精矿除杂和从洗矿水、废水中提取有用成分。1.1.3选矿企业生产流程简介选矿生产作为典型的流程生产类型其特点是:工艺过程
13、是连续进行的;工艺过程的加工顺序不变,生产设备按照工艺流程布置;加工对象按照固定的工艺流程不断通过一系列设备和装置被加工成产品。冶金选矿过程是由选前的矿石准备作业、选别作业、选后的脱水作业所组成的连续生产过程。选前作业准备分 选产 品处 理原 矿图:简单的选矿方框流程1. 选前的准备作业为了从矿石中选出有用矿物,首先必须将矿石粉碎,使其中的有用矿物和脉石达到单体分离。有时为了达到后继作业对物料粒度的特殊要求,也需要在中间加入一定的粉碎作业。选前的准备工作通常由破碎筛分作业和磨矿分级作业两个阶段进行。2. 选别作业选别作业是将已经单体分离的矿石,采用适当的手段,使有用矿物和脉石分选的工序。如重选
14、、浮选、磁选、电选、化学选矿等3. 选后的脱水作业绝大多数的选矿产品都含有大量的水分,这对于运输和冶炼加工都很不利。因此,在冶炼以前,需要脱除选矿产品中的水分。脱水作业通常按下面几个阶段进行:1) 浓缩浓缩是在重力或离心力的作用下,使选矿产品中的固体颗粒发生沉淀,从而脱去部分水分的作业。浓缩通常在浓缩机中进行2) 过滤过滤是使矿浆通过一透水而不透固体颗粒的间隔层,达到固液分离的作业。过滤是浓缩以后的进一步脱水作业,一般在过滤机上进行。3) 干燥干燥是脱水过程的最后阶段。它是根据加热蒸发的原理减少产品中水分的作业。但只有在脱水后的精矿还需要进行干燥时才用。干燥作业一般在干燥机中进行,也有采用其它
15、干燥装置的。1.2选矿生产计划研究现状制造(生产)过程管理的作用是把企业有关产品的质量、产量、成本等相关的综合生产指标目标值转化为制造过程的作业计划、作业标准和工艺标准,从而产生合适的控制指令和生产指令,驱动设备控制系统使生产线在正确的时间,完成正确的动作,生产出合格的产品,使实际生产指标处于综合生产指标的目标值范围内12。1.2.1选矿生产计划的重要性及其意义从传统功能描述角度来看计划包括:商业计划、主计划、能力计划、调度计划以及物料需求计划,采购和资源管理13。商业计划层重点放在根据产品类和模块的计划编制上,主计划将目标定位在计划末端层项目和交付给客户的产品上。需求计划将主计划项目转变成短
16、期计划和购买计划的各组成部分需求。我国大多数企业信息化程度较低,即使步入信息化的企业大部分是在工业化尚未完成的情况下进入的,企业中存在管理粗放的特点,尤其是我国传统的流程制造业原料、能源消耗大利用率低,生产线维护成本高。1.2.2选矿生产计划研究现状国内外在流程工业连续过程的生产计划与调度研究比较多,在石油、冶金、电力、轻工、制药等行业应用广泛14,15,如Kallrath等总结出计划问题优化模型的一般框架及求解算法16。Timpe等建立了涵盖生产、分销、市场、供应等供应链大部分特征的混合整数规划通用模型17。澳大利亚最大的铁矿石出口公司新哈默斯利铁矿公司的“批生产计划”及“多批生产计划”的实
17、行使选矿厂与采矿工段密切协作, 按计划组织生产18。但是应用到选矿生产的计划方法有限。目前我国选矿企业普遍存在技术设备落后,管理思维陈旧等问题。主要有以下几个方面:1. 企业生产计划与过程控制系统信息集成度差国外选矿技术进步已经从由材料技术推动进入信息技术推动的新阶段,我国选矿技术进步仍然主要依赖新材料技术的发展,这一问题在冶金矿山选矿行业尤为突出。相对于国外选矿界,我国矿山企业从业人员在接受信息新技术方面观念落后,准备不足,一直将研究与发展重点局限于传统的分选工艺与设备,延误了我国矿山行业利用计算机信息技术改造传统设备、提高企业管理水平与经济效益的时机19。当前国内大多数选矿企业的生产计划主
18、要是依靠手工编织,信息不能有效集成。这样会导致生产计划粗放,具体的作业计划过于依赖调度人员的安排,调度人员往往由于自身的局限性,不能从全局考虑安排生产,容易引起作业冲突。另外不能实时准确地获取生产信息。2. 不能有效的在企业内部和企业外部之间进行数据和信息交互 流程工业计划调度的研究基本是将整个企业的各个分厂孤立起来,而没有将整个企业看作一个统一的系统20。选矿生产计划管理也存在同样问题,计划制定过程中企业内部以及与其他企业之间进行信息交互有限。如果信息交互平台未建立,那么计划制定的快速性、有效性以及计划调整的及时性与灵活性很难达到。3. 难以对生产计划进行优化一个好的生产组织是保证企业获取利
19、润的关键因素。实际上,每个生产车间生产能力有限但期望根据计划及时并使成本最小的方式进行生产21。选矿生产计划希望能够达到及时以及在成本最下的情况下达到预定的生产目标,但是选矿生产计划很难从整体上进行优化,至多只能在特定问题进行局部优化,很难兼顾全局考虑使生产利润最大和生产成本最小。4. 选矿管理流程、计划流程以及管理方法和软件工具等标准化不统一许多方法和工具应用在离散制造工业的生产计划与调度管理中。因为流程工业与离散制造工业有许多不同之处,因此将离散行业的方法应用到流程行业有许多困难。另一方面,研究流程行业的具体问题大部分是解决单个案例,例如很难为一个特定问题找到一个计划或调度算法。应用到大部
20、分流程企业的通用性生产计划与调度概念模式很难找到,因此也缺乏标准的管理软件来满足流程工业的特定需求22。选矿生产属于流程行业,同样面临这种情况,选矿管理流程、计划流程以及计划方法等标准化困难。1.3 本文的工作本文的主要工作如下:1. 对选矿生产计划进行了介绍,描述了选矿过程工艺流程,阐述了选矿生产计划的特点和现状,指出了选矿生产计划存在的问题。2. 根据选矿生产计划的特点,研究了选矿生产计划系统架构。3. 引入控制思想进行计划制定,研究了选矿生产计划系统基于线性规划的原矿处理量分解方法;基于指数平滑的关键指标设定方法。4. 设计并开发了选矿生产计划系统:包括结构、功能、数据库、界面等设计。该
21、系统应用于国内某选矿企业,有效地减轻了生产管理人员的工作强度、缩短选矿生产计划制定时间,增强了计划编制的灵活性,提高了生产效率。- 86 -东北大学硕士学位论文0 选矿企业生产管理与计划需求第二章 选矿企业计划管理需求分析2.1 选矿企业的生产流程分析以选矿行业中的铁矿石选矿为背景,介绍选矿工艺流程和管理流程以及选矿生产计划流程2.1.1典型选矿企业的工艺流程磁铁选矿工艺流程铁矿石选矿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,如图所示。原矿图2.1 选矿生产过程流程图Fig2.1 Technological flow of the ore process原矿处
22、理原矿经过原矿处理筛分出块矿和粉矿。块矿经竖炉焙烧产生培烧矿,焙烧矿通过磨矿、弱磁选过程产生弱磁精矿和弱磁尾矿。粉矿通过磨矿、强磁选过程产生一定品位的强磁精矿和强磁尾矿。强磁精矿和弱磁精矿都进入精矿大井进行浓缩脱水处理后输送到精矿库,作为烧结厂原料。强磁尾矿和弱磁尾矿都进入尾矿大井,进行浓缩脱水后运往尾矿坝堆存。生产工序作业区: 选矿厂有四个连续的生产区域,原料作业区、竖炉作业区、磁选作业区、精矿作业区。原料作业区主要负责进厂,运输,存储,筛分;竖炉作业区主要负责对块矿进行焙烧;磁选区域负责对矿石进行磁选;精矿区域主要负责精矿、尾矿脱水。2.1.2典型选矿企业的管理流程1. 选矿厂组织机构形式
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