（控制理论与控制工程专业论文）某钢铁企业钢轧作业计划系统设计开发.pdf

原创性声明 i i i iii ii ii l ll l lli i ii ii y 17 7 8 5 16 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论 文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。 作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解冶金自动化研究设计院有关保留、使用学位论文的规 定，即：自动化院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅， 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 导师签名：盔鱼丢 日期： 日期：2 碰星：笸 摘要 要 钢铁企业作业计划系统作为企业信息化的重要组成部分，本文主要针对某钢铁企 业在实施了e r p 系统后，由于缺少计划系统的支持，无法完成对销售订单的计划编 制以及与计划的生产执行信息进行有效的、及时的交互传递的问题。综合该企业的生 产特点，完成了钢轧作业计划系统的设计开发。 主要的研究工作包括以下几个方面的内容：( 1 ) 通过建立销售订单的m e s 的生产 定单池，进行物料需求计算，完成销售订单的销产转换；( 2 ) 依据作业计划的优化规 则，完成炼连轧一体化作业计划的设计开发；( 3 ) 解决销售订单执行追踪问题，实现 计划和计划执行情况的闭环；( 4 ) 通过销售订单变更、计划调整、余材变更，实现对 计划的变更和调整。 经过系统上线后的测试证明，上述问题基本上得到解决；本系统付诸实现了生产 作业的优化调度和资源的合理配置。对其他钢铁企业的生产管理系统设计开发有一定 的参考价值。 关键词：作业计划系统；炼连轧一体化；销产转换； a b s t r a c t a b s t r a c t t h es c h e d u l i n gs y s t e mi sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ee n t e r p r i s ei n f o r m a t i o n s y s t e mf o ri r o na n ds t e e le n t e r p r i s e s a ni r o n & s t e e le n t e r p r i s ei m p l e m e n t st h ee r p s y s t e mw i t h o u tt h es u p p o r to ft h es c h e d u l i n gs y s t e m ，a n di tr a i s e ss o m ep r o b l e m ss u c ha s t h ee r p s y s t e mi s u n a b l et os c h e d u l et h es a l e so r d e r s ，n o rm a k ee f f e c t i v ea n dt i m e l y i n f o r m a t i o n i n t e r c h a n g i n gw i t ht h ee x e c u t i o no ft h es c h e d u l e dp l a n c o n s i d e r i n gt h e e x i s t i n gp r o b l e ma n dt h ep r o d u c t i o nf e a t u r e so ft h ee n t e r p r i s e ，t h i sp a p e rd e v e l o p st h e s c h e d u l i n gs y s t e mo fs t e e lr o l l i n g t h em a i nr e s e a r c h i n gw o r ki n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：( 1 ) t h ep r o d u c t i o nt os a l e s o r d e r sc o n v e r s i o nb yc r e a t i n gap r o d u c t i o no r d e r sp o o li nm e so ft h es a l e so r d e r s ；( 2 ) t h e d e s i g no fa ni n t e g r a t e ds c h e d u l i n gs y s t e mo fs m e l t i n g - c o n t i n u o u sc a s t i n g - r o l l i n ga c c o r d i n g t oo p t i m i z a t i o nr u l e so fj o bp l a n n i n g , ( 3 ) t h ei m p l e m e n t a t i o no ft r a c k i n gt h ee x e c u t i o no f s c h e d u l e ds a l e so r d e r sc o m b i n e st h ep l a na n dt h ee x e c u t i o na sad o s e d - l o o p ；( 4 ) t oc h a n g e a n da d j u s tt h ep r o d u c t i o np l a nb yc h a n g i n gs a l eo r d e r , p l a na n ds u r p l u sm a t e r i a l w i t ho n l i n et e s t , i tp r o v e dt h a tt h ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v ea r el a r g e l yr e s o l v e db y t h es c h e d u l i n gs y s t e m t h i ss y s t e mr e a l i z e dt h eo p t i m i z a t i o no ft h ep r o d u c t i o ns c h e d u l i n g a n dt h er a t i o n a la l l o c a t i o no fr e s o u r c e s i ti sv a l u a b l ef o rt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to f p r o d u c t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mf o r o t h e ri r o n & s t e e le n t e r p r i s e s k e yw o r d s ：s c h e d u l i n gs y s t e m ，i n t e g r a t e ds t e e l m a k i n g c o n t i n u o u sc a s t i n g - h o t r o l l i n g , s a l e s - p r o d u c t i o nc o n v e r s i o n 目录 目录 摘! 要i a b s t r a c t i i 目录i l i 第1 章绪论。1 1 1 研究背景 1 1 1 研究目的 1 1 2 研究的背景及实际意义 l 1 - 2 1 2 钢铁企业生产计划与生产调度3 1 2 1 生产计划和调度概述3 1 2 2 国内外钢铁企业生产计划和调度研究现状4 1 2 2 1 理论研究4 - 1 2 2 2 应用研究6 - 1 2 3 生产计划与调度管理系统在钢铁企业中的发展趋势8 1 3 课题研究的内容9 第2 章钢铁企业一体化计划模型体系分析1 1 2 1 一体化计划模型研究现状1 1 2 2 钢铁企业生产工艺特点1 2 2 2 1 钢铁企业生产工艺流程概述1 2 2 2 2 钢轧一体化计划涉及各生产工序工艺特点1 3 2 3 钢轧一体化作业计划模型体系的建立1 5 2 4d 、结1 8 - 第3 章钢轧一体化计划中的要点问题分析1 9 3 1 销产转换中的优化问题1 9 3 1 1 销产转换的工艺流程1 9 3 1 2 销产转换问题的产生2 1 3 1 3 销产转换问题的约束和规则2 2 3 。1 4 销产转换中的优化策略2 3 3 2 生产订单追踪问题2 4 3 3 炼钢一连铸计划编制中的优化问题一2 6 3 3 1 炼钢一连铸问题描述2 6 3 3 2 炼钢一连铸计划编制中的约束和规则2 7 3 3 3 炼钢一连铸计划编制中的断面优化设计2 8 目录 3 4 连铸一热轧计划中的优化问题3 1 3 4 1 热装热送问题的复杂性3 1 3 4 2 热装热送问题的解决策略3 3 3 5 ，j 、结3 4 第4 章钢轧一体化计划系统开发3 5 4 1 系统设计概述3 5 4 2 优化模型在系统功能设计中的应用3 5 4 2 1 钢轧一体化作业计划编制中的应用3 5 4 2 2 一体化计划下的订单追踪3 7 4 2 3 人机交互调整一体化计划3 8 4 3 系统开发及实现4 1 4 4 ，j 、节z 1 3 第五章总结及展望4 4 5 1 总结z 5 2 展望。似 参考文献一4 5 附录攻读学位期间发表论文列表4 7 致谢。z 1 8 i v 第1 章绪论 第1 章绪论 钢铁工业是我国重要的基础产业，随着全球经济一体化进程的加快，钢铁企业直 接面临着同国际一流企业在技术、质量、管理、价格及服务等方面的全面竞争。一方 面，激烈的市场竞争导致产品价格不断降低、原材料价格不断上升，利润空间越来越 小，从而迫使企业必须增强内在素质，以降低生产成本；另一方面，客户对产品的质 量要求越来越高，合同的交货期也越来越短，对产品品种规格数量的要求越来越多样 化；产品品种规格的生命周期进一步缩短，工艺革新的速度也越来越快。因此，采用 先进的管理理念，利用信息化、自动化技术改造传统的钢铁企业，是企业在当今日益 激烈的竞争中立于不败之地的发展方向。现代化钢铁企业的发展趋势是设备的大型 化，生产过程的连续化、高速化和自动化。面对当前市场需求的多品种、小批量、高 质量和面向用户，钢铁企业面临日益严峻的考验。为了节能降耗，从8 0 年代起，国 外大型钢铁企业致力于开发炼钢一连铸一热轧一体化生产，炼钢一连铸一热轧一体化 生产计划和调度也成为了钢铁企业需要迫切解决的问题。 炼钢、连铸、热轧三大工序是钢铁生产流程重要工序，其过程是多阶段、半连续 的，这三个工序间呈现顺序加工关系，且前后工序紧密衔接，存在着物质和能量的转 换与传递。因此，钢铁企业必须强调生产过程的整体性，以整体流程的全局优化为目 标，达到整个生产过程的集成，实现整体优化l 。 1 1 研究背景 1 1 1 研究目的 本文的研究工作是围绕某钢铁企业的“计划、能源调度管理系统 中的生产计划 调度子系统而展开的。 该课题的目的之一是研究炼钢一连铸一热轧一体化作业计划问题的模型结构以 及在一体化作业计划下的钢轧作业计划编制、变更和计划执行追踪、生产定单( 销售 定单) 执行追踪问题。依托某钢铁企业的实际钢铁生产线进行应用研究，通过深入研 第1 章绪论 究一体化作业计划中的关键问题，提出炼钢一连铸一热轧一体化作业计划结构模型， 保证炼钢一连铸一热轧生产全过程的连续性和准确控制；同时针对这些实际问题，设 计各自的求解算法，寻找问题的最优或近优解决方案，从而在实践上寻求炼钢一连铸 一热轧一体化作业计划的有效途径，为一体化作业计划技术的进一步发展提供基础。 1 1 2 研究的背景及实际意义 钢铁产品的生产是一个相当复杂的过程，在整个生产过程中，钢铁企业的利润直 接与生产产品的效率有关【2 l 。现代钢铁企业的生产大都是以销定产，企业首先要根据 用户的订货合同和对市场需求的预测确定要生产的产品，并根据这些结果编制生产计 划。在生产实施过程中，根据企业内外部的反馈信息不断地调整生产计划，并指导生 产。这个计划一生产一反馈一调整计划的过程贯穿于企业生产活动的全部过程中。编 制计划是企业管理的一项重要工作，计划编制的好坏直接影响到企业的资源是否得到 合理配置，产品是否适应市场需求，企业能否获得最大利润。高质量的计划是管理现 代化的需要，更是企业持续发展的前提。在当前的市场经济环境下，钢铁企业要提高 企业的生产效益，增强企业的竞争力，就必须具有现代化的生产管理系统，必须作出 高质量的生产计划和调度1 2 l 。 钢铁企业的炼钢一连铸一热轧生产过程兼有连续和断续的过程，既有别于石油、 化工的连续生产过程，也有别于机械行业的离散制造过程，是介于二者之间的混合系 统。由于炼钢、连铸、连轧这三大关键工序在生产过程中为顺序加工，不仅存在物流 平衡和资源平衡问题，同时在高温作业环境下，也存在能量平衡和时间平衡问题。钢 水根据计划提交连铸工序，最大限度的实现连铸，连铸高温坯的运送要与热轧计划有 机结合，争取尽可能高的装炉温度和热装比。这就要求系列工序计划同步，物流运行 准时，充分利用高温坯的潜热，取消或减少再加热过程，降低能耗，减少烧损，缩短 生产周期，增加企业效益和市场竞争力。 我国目前大部分钢铁企业采用的传统的手工调度管理方式无法很好的满足以上 错综复杂的调度要求，更难达到系统优化的效果。随着计算机技术的普及应用和e r p 理念在企业中的展开，开发炼钢一连铸一热轧一体化生产调度系统具有很强的迫切性 和现实意义。 第1 章绪论 本课题立足企业的生产现状，根据企业生产的目标和规则开发设计的。为了实现 整个企业的信息化管理，钢厂四级采用了台湾中钢模式的e r p 系统，e r p 系统负责 接收销售订单，并进行质量设计、成品余材充当、生成成品的生产净需求即生产定单。 这是本课题的始点。 本文以课题所依托某钢铁企业生产线的实际情况为背景，研究炼钢一连铸一热轧 一体化作业计划体系，以及在此体系下的钢轧作业计划编制、变更、计划执行追踪问 题，从中提取出有代表性的问题进行研究，探求将其应用于生产实际的途径。 1 2 钢铁企业生产计划与生产调度 随着过程工业生产规模的大型化、激烈的市场竞争和市场需求的多样化，现代企 业不但对过程控制的要求越来越高，而且对优质、高效的生产管理的要求也越来越强 烈。自动化孤岛模式已不再适应现代工业企业的生产要求，国内外企业界己把注意力 转移到节能降耗、少投入多产出的高效生产模式上，即集数字控制、监控优化、生产 调度经营决策等功能于一体的综合自动化模式1 3 1 。生产管理和调度是综合自动化系统 的核一l d 4 1 ，直接关系到企业的经济效益和社会效益。 1 2 1 生产计划和调度概述 生产计划是企业为实现一个生产目标所进行的一系列的预测和决策活动，主要任 务是确定企业在一定时期内要生产的产品和生产这些产品所需的资源1 5 l 。生产调度是 在一定的时间内，进行可用共享资源的分配和加工任务的排序，以满足某个或某些特 定的生产指标【6 1 。二者的区别在于：生产计划主要关心资源的需求和粗分配，生产调度 主要涉及作业的具体安排和资源的详细分配。由于生产计划和生产调度问题密不可 分，在实际生产管理中也没有明显的界限区分，有不少学者将生产计划和生产调度问 题统称为生产调度问题。 生产调度问题一直存在于企业中，早期的生产调度中主要是调度人员凭大脑、纸、 笔由手工产生生产计划、调度等，到7 0 年代开始盛行用精巧、高深、繁杂的数学规 划方法去解决调度问题。近年来，随着c i m s 、e r p 系统的发展，生产调度越来越受 到人们的关注，计算机的飞速发展也进一步推进了综合自动化水平的提高，现在数学 3 第1 章绪论 规划方法在生产调度中的应用也得到了极大地发展，人工智能技术和可视化技术在生 产调度中也有了越来越多的应用。近几十年来，调度问题得到理论界和工程界的普遍 关注，但是由于理论研究和工程实际缺乏很好的沟通，调度理论与调度系统之间仍有 很大的差距。 生产调度之所以引起人们的极大关注，其原因在于1 3 】： 合理的生产调度管理方案能给企业带来巨大的经济效益； 从数学角度来讲，生产调度属于多目标、多约束的优化问题，是n p 一完全问题【7 l ： 每个企业的生产环境都是唯一的，每个生产调度管理方案都是针对某一个生产环 境来设计的，其软件系统也是针对特定的环境而开发的，不同的生产环境很难通 用【8 l ； 生产环境的动态性。 1 2 2 国内外钢铁企业生产计划和调度研究现状 1 2 2 1 理论研究 生产计划和调度系统是钢铁企业的生产调度管理中非常重要的部分，同时又是 c i m s 和e r p 系统中着重研究的问题，近年来整个生产管理系统的研究一直处于一种 蓬勃发展的阶段。生产计划和生产控制的典型技术有【3 j ：传统的生产计划与生产控制、 制造资源计划( m p ri i ，m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e sp l a n n i n gi i ) 、最优生产技术( o p t ， o p t i m i z e dp r o d u c t i o nt e c h n o l o g y ) 、准时制生产o r r ，j u s ti nt i m e ) 、投入产出控制等。 这些技术都是以离散制造业为基础发展起来的，不但包括生产计划，也包括生产调度。 目前，生产计划的建模比较常用的是数学规划优化理论，常用的数学规划方法是线性 规划( l p ，l i n e a rp r o g r a m m i n g ) 、混合整数线性规划( m i l p ，m u l t i - i n t e g e rl i n e a r p r o g r a m m i n g ) 、动态规划方法( d p ，d y n a m i cp r o g r a m m i n g ) ，非线性规划( n l p ，n o n l i n e a r p r o g r a m m i n g ) 和混合整数非线性规划( n m i l p ，m u l t i i n t e g e rn o n l i n e a rp r o g r a m m i n g ) 也在生产计划和调度问题中出现。生产调度中研究比较热门的话题是机加工调度 ( j o b s h o ps c h e d u l i n g ) 、存贮控$ 1 ( i n v e n t o r yc o n t r 0 1 ) 、间歇生产调度( b a t c hs c h e d u l i n g ) 、 动态调度( d y n a m i cs c h e d u l i n g ) 。在钢铁企业中，涉及最多的是动态调度，而且在生产 中动态调度是不可避免的。动态调度有两种形式【3 l ：滚动调度( r o l l i n gs c h e d u l i n g ) ，指 第1 章绪论 调度的优化随时间推移在一个接一个的时间段内动态进行生产调度；被动调度 ( r e a c t i v es c h e d u l i n g ) ，指当生产过程发生变化，原来的调度不再可行时所进行的调度 修正。 随着市场经济的发展，钢铁企业的生产转向按订单合同生产，合同也大多是多品 种、小批量，而且都有交货期的约束，这就对生产计划的编排提出了更高的要求，人 工智能和进化策略等技术也开始应用于生产控制中。针对市场的需求，很多学者都在 从事这方面的研究，文【9 卜 1 0 l 采用数学规划的优化方法根据不同的生产环境选择不 同的决策变量，考虑不同的约束条件建立了生产计划模型。由于当数学规划的变量、 约束条件较多，规模较大时，采用数学精确求解方法比较困难，在工程实现上也不太 现实，近年来，学者们采用新的方法来求解，这样的方法有遗传算法【1 1 l 、启发式算法 i o i 等，文【9 】的优化模型利用约束条件对质量和员工工作强度等不易数量化的因素进 行定量处理，增强模型的逼近程度，给出了前推和后移式的平衡生产能力方法及协调 冲突的解决策略。 当今国内外先进钢铁企业的生产都采用炼钢一连铸一热轧一体化生产的工艺，而 且趋向在大型设备上的连续、高速和自动化的生产过程，随之出现新的生产计划和生 产调度技术，生产调度中也存在m i l p 问题、调度优化的数学规划问题等类似问题， 求解方法也有许多种，例如遗传算法、启发式算法等等，也可多种算法混合求解。国 内外各研究机构及研究人员也在积极探索建立各种新的解决问题的模型和求解方法。 文 1 2 1 针对钢铁企业采用虚拟现实技术研究了炼钢一连铸调度计划的调度系统；文 1 3 】 对炼钢连铸系统建立基于赋时同步有色p e t r i 网的动态调度模型，并使用启发式调度 策略解决动态调度问题；文 1 4 1 对具有离散事件系统特征的全连铸车间生产调度系统 建立仿真模型进行实验，给出多种优化调度方案；文 1 5 1 以s i m a n 语言作为模拟软 件支撑环境，应用计算机模拟技术来对生产系统做出预期规划；文1 1 6 1 建立了车间的 集成生产计划与调度模型，使用基于拉氏松弛技术的求解方法；文【1 7 】建立了通用的 面向连续生产过程生产分析和调度的原型系统，并通过面向对象编程方法来实现。 总的看来，关于生产调度的理论研究和新的建立模型、求解方法层出不穷，但是 应用于生产实际效果很好的并不多见，尤其是在国内应用在冶金行业比较成功的就更 少了，理论与实际应用存在一定的差距。随着冶金行业的发展，生产计划与调度系统 第1 章绪论 在钢铁企业中越来越受到重视，这也促使理论界与工程界进一步的相互结合，钢铁企 业开始与各科研机构及科研人员合作针对某一实际的生产环境设计开发生产计划系 统，在数学规划优化理论的基础上，借助于计算机技术，应用人工智能、进化策略等 技术来解决实际的生产问题，提高企业的经济效益。 1 2 2 2 应用研究 二十世纪六十年代，美国m c l o u t h 钢厂开始把计算机应用于热带钢连轧机厚度自 动控制获得成功后，揭开了计算机在钢铁工业中应用的序幕f 2 1 。在同一时期，英国 r t b 钢铁公司的s p e n c e r 钢厂开始开发生产管理和过程控制相结合的计算机分级管理 系统，英国r t b 钢铁公司的这种分级控制的思想促进了计算机在钢铁工业应用的迅 速发展，而且这一概念也被世界钢铁工业广泛采用。从2 0 世纪8 0 年代初开始，人们 就一直在尝试并致力于解决实际调度问题，调度研究由理论研究转向应用研究阶段。 近年来，国外许多钢铁企业如美国l t v 、日本的五大钢铁公司( 新日铁、住友、 川琦、日本钢管和神户钢铁) 、韩国的浦项和鹿岛钢铁厂、德国的蒂森等，一直在致 力于建立集成化的计算机生产管理系纠1 8 】，其中包含核心模块一生产计划和调度，使 生产管理合理化、在线化、集成化，能够对生产过程中的物质流、信息流和能源流进 行综合管理，充分提高了大型设备的生产效率，减少了工序的等待时间，降低了物耗 和能耗，从而降低成本，提高产品竞争力。当前，世界上比较著名的生产调度系统主 要有【1 9 1 ：b m c 公司的业务集成调度解决方案c o n t r o l - - m c ；p r r e a c t o r 公司的系列 调度产品，包括p r e a c t o rl i t e ，p r e a c t o rf c s ，p r e a c t o ra p s 等；a r i m a 公司的s y n c r u n 调度软件；m a d r i g a l 公司提供的资源调度软件r e s s c h e d ；m s t 公司的企业资源管理 系列软件；a p lli t e c h 公司的供用户自主开发生产调度系统的工具s c h e d u l eb u il d e r ； a i s 公司开发的套件产品s t e e l p l a n n e r 等等。 我国钢铁工业经过五十多年的发展，钢年产量位于世界前列，也逐步从资源密集、 劳动力密集和追求大规模转向知识和技术密集、知识结构优化为特征的钢铁工业。目 前，国内钢铁企业的生产管理远远落后于发达国家，尤其是管理水平需要进行系统变 革，大部分的国内钢铁企业的生产计划和生产管理都是由人工来完成，主要体现在以 下几个方面： 人工计划效率低下并存在错误隐患； 第1 章绪论 计划员根据经验平衡各工序产能、估算合同交货期，存在较大误差； 存在二级计划，两级计划的协调集成靠电话、人工收集的报表实现； 无法及时获取订单的详细执行情况。进而造成生产执行状况反馈信息的缺失 及滞后； 二级计划，使不同层次计划的连贯性、及时性受影响等等； 人工的信息收集造成计划的调整、补充不及时或出错。 企业的自动化水平也受到很大限制。随着市场的发展，钢铁企业的生产管理由订 单组织生产，同时生产也多为多品种、小批量的生产，为了提高企业的竞争力，许多 国内大型钢铁企业致力于发展计算机集成制造系统( c i m s ) 。国内的一部分钢铁企业如 宝钢等在信息化和c i m s 、e i 冲的建设上己经取得了初步成效。 总观生产计划与调度的发展与研究，在现代连续过程行业，生产计划和调度系统 主要由生产计划模块和静态调度、动态调度、动态监控和统计报告功能模块组成【刎 ( 如图1 1 所示) ， 生产经 原料供 设备维护需要一 原料库存情况一 质量分析情况 1 r h 螂划卜一嚣搿曼 舒 静态调度 生产调度 计划调整i 计划方案 一 动态调度 l 反馈信息调度方案 ，章际t 况 一，竺态监控i l | 二产报：一1统竿告 e 情况信息 i l 生产指令 凸 生产系统卜生蝴完成髓| 第1 章绪论 图1 1 生产调度系统示意图 1 2 3 生产计划与调度管理系统在钢铁企业中的发展趋势 随着钢铁企业综合自动化的实施和计算机应用技术的飞速发展，钢铁企业的生产 调度系统也将会有很大的发展需求，以逐步适应钢铁企业现代化生产的需要。目前钢 铁企业的生产调度管理系统还处于较低的水平，尤其是国内大部分钢铁企业的生产调 度仍是由人工来完成，难以满足生产的需要。现有的生产调度理论与方法仍和生产实 际有较大的差距，往往只考虑了数学模型的作用，忽略了人的智能作用。目前钢铁企 业的生产调度管理存在以下不足： ( 1 ) 当前钢铁企业中静态调度居多，动态调度管理自动化较少，大都是人工调 整，不能有效发挥企业的产能： ( 2 ) 理论与实际应用有一定的差距，理论研究的调度方法大多在实际应用中由 于运算时间长、求解困难等原因不太实用； ( 3 ) 现有调度系统对人的智能作用考虑较少，处理结果不是很好； ( 4 ) 缺乏切实可行的动态仿真系统对调度管理系统的支持。 随着钢铁企业自动化水平的提高，c i m s 、e r p 等系统的迸一步发展，生产调度管 理系统将会广泛应用在钢铁企业中，同时生产调度管理方面的研究也不再是单一学 科，而是多学科的综合应用，例如数学规划与专家系统、神经网络理论等的结合。结 合当前钢铁企业生产调度管理系统的发展现状，今后在以下方面将会有很大发展： ( 1 ) 人工智能技术会广泛应用在生产调度管理系统中，多知识表达方法和多人 工智能技术的结合将会是生产调度中应用的主要研究方向之一。 ( 2 ) 借助于计算机技术的发展，友好的人机界面、智能人机交互技术会广泛应 用于生产调度管理系统的开发与研制中。 ( 3 ) 生产调度问题将会转向以人为核心的关于生产调度的智能决策支持系统， 来模仿调度专家处理调度问题的能力。 ( 4 ) 由生产调度问题而引发的对生产系统动态仿真系统的需求将成为一个主要 的研究方向。 ( 5 ) 生产调度管理系统将进一步融入c i m s 和e r p 系统中，使企业的整个生产管 第1 章绪论 理运行成为一个协调的整体。 1 3 课题研究的内容 本文旨在研究炼钢一连铸一热轧一体化作业计划问题的模型结构以及在一体化 生产计划下的钢轧计划编制、变更和计划执行追踪问题。炼钢一连铸一热轧一体化作 业计划是钢铁生产调度中的一个非常关键的问题，由于同时涉及到多道工序，每一工 序的工艺要求又不同，互相制约，这就使得一体化计划的编制成为了一个优化组合问 题。在本文的研究中，建立了一个分层体系来完成一体化计划的编制，它是集旬、日 作业计划的编制和计划调度于一体的三层计划系统结构。在实际的开发过程中，要依 据钢铁企业现场生产的实际需求，生产规则、约束来进行研究，形成具有本企业特色 的作业计划系统。系统定位为计算机辅助的人机交互系统，计划员在处理的过程当中 占有很重要的地位。要完成作业计划的设计，首先要解决以下几个问题： ( 1 ) 销产转换问题 在作业计划系统中，为满足计划编制的需要，首先要对e r p 系统下发的销售订 单进行销产转换，把销售订单的客户要求转换成各工序生产的需求，比如，在生产过 程中不同工序有不同的执行标准，对各工序原料材质、规格的要求1 2 l l 。 ( 2 ) 炼钢一连铸一热轧一体化计划设计和计划优化 由于各工序的生产能力不平衡，比如热轧能力大于炼钢连铸的能力，要确保炼连 轧一体化计划的顺利执行，既要保证总体计划的优化，还要考虑局部工序的优化，保 证各工序不待产；要满足炼钢连铸月更换断面次数限制，热轧保证8 0 以上的热装 热送率。 ( 3 ) 销售订单执行的追踪 体现作业计划系统的重要作用，通过与物流系统的集成，实现计划和计划执行情 况的闭环，提高计划执行的控制力度；以保证对客户按时、按质、按量交货的订单承 诺。 ( 4 ) 计划变更、调整 由于销售的原因和现场生产的原因计划调整的频率较大，要确保既能使计划顺利 执行，又要满足销售和生产的需要。 第1 章绪论 针对以上问题，本文研究工作包括：( 1 ) 建立m e s 生产订单池，完成销售订单 的反工序提料，解决销产转换问题；( 2 ) 从全局最优考虑，优化钢轧计划，设计一种 断面优化算法，在旬计划编制时辅助计划员选择断面，使断面的更换次数尽量减少； ( 3 ) 增加了炼钢预案计划和热轧预案计划、虚拟计划，以适应生产变化的需要；( 4 ) 建立生产订单同断面钢种组、生产订单组的联系，完成对销售订单的追踪；( 5 ) 针对不 同的变更和调整，开发一种支持计划变更系统人机交互的方案。 第2 章钢铁企业一体化计划模型体系分析 第2 章钢铁企业一体化计划模型体系分析 作业计划是钢厂组织生产的核心环节。作业计划不同于生产计划，其首要任务是 按合同组织生产，按生产单元进行排程，以执行为导向，考虑约束条件，把e r p 的 生产订单打散，重新计划生产排程【2 2 1 。生产计划属于产能层面的计划，是围绕实现企 业总的生产经营目标制定的，作到整体资源的平衡。钢轧作业计划是指炼钢、连铸、 热轧三个钢铁生产流程关键工序的作业计划，它们之间不仅存在物流和资源平衡问 题，还存在时间平衡问题。对于一体化的钢轧作业计划问题，需要从生产订单开始， 形成以满足用户要求和各工序工艺约束的生产批量计划来组织生产。 2 1 一体化计划模型研究现状 近年来，国外软件公司大力研究开发一体化生产计划软件系统，特别是a s p e n b r o n e r 的p p s l 2 3 1 ( p r o d u c t i o np l a n n i n ga n ds c h e d u l i n g ，即：生产计划及排程) 系统，系统涵盖了钢铁企业复杂的生产环境下进行生产计划和作业排程的需求。其体 系结构如图2 1 所示。从生产计划到作业排程到执行的过程是计划不断细化的过程： 生产计划c c h s m 作业计划c c h s m 执行和c c 调整 h s m 图2 - - 1p p s 系统结构图 第2 章钢铁企业一体化计划模型体系分析 生产计划制定1 3 个月整体的计划，但需要锁定作业计划层提供的已下发的作 业计划表，以和作业计划同步； 作业计划制定l 一3 天的作业序列，但只下发8 一一1 0 小时的作业计划； 执行层对8 小时之内的作业计划进行执行，监控和调整。 我国在钢铁一体化生产方面的研究起步较晚，目前还处于炼钢一连铸一热轧一体 化生产管理开发阶段，明显落后于国外。我国目前还处于炼钢一连铸一热轧一体化生 产计划和调度系统开发的起步阶段，虽然理论研究已经取得一定的成果，然而真正要 应用到实际中还有许多工作要做，生产中实际应用的成功范例还很少。文 2 4 基于 一体化管理思想，对炼钢、连铸和热轧计划模型进行了研究。在炼钢、连铸和热轧计 划的基础上，建立了炉次一板坯一轧制单元一体化批量计划模型，并最终形成炼钢一 热轧一体化生产调度。文 2 5 为解决炼钢一连铸一热轧一体化生产计划编制问题， 建立了一种一体化生产计划模型体系，将一体化生产计划编制这个复杂优化问题分解 为5 个局部优化问题。每一个局部优化问题采用多模型协作方式来编制各自范围内的 生产计划，5 个部分之间采用多系统协作方式完成体化生产计划的编制。文 2 6 针 对d h c r 和d r t _ 艺的特点，提出了一种包括批量计划层、作业调度层和动态调度层的 d h c r 和d r 一体化计划调度三层体系结构。批量计划层包括合同计划优化模块和一体化 批量计划优化模块，作业调度层包括作业调度优化模块，动态调度层包括基于规则的 动态调度主控模块和实时控制器。 然而，由于企业自身环境的不同和外部环境的多变以及钢铁企业流程生产的特 点，研究有一个通用的一体化生产计划系统或软件比较困难。企业拥有各自独立的生 产计划系统，即使是同类型企业，其需求也不尽相同。因此，适应不同企业的生产计 划及其优化模型需要立足企业的生产现状。 2 2 钢铁企业生产工艺特点 2 2 1 钢铁企业生产工艺流程概述 该钢铁企业是一个包含铁、钢、轧多工序、多产品企业。 在生产计划系统中，铁前部分的是按产能组织生产，计划员综合公司的年计划、 第2 章钢铁企业一体化计划模型体系分析 品种钢优先、设备检修、生产能力( 最好水平) 、消耗指标等因素生成各工序月产品 产量计划。钢后的炼钢、热轧、钢管、冷轧等产线主要是按合同组织生产，如图2 2 所示。在本文中主要针对炼钢、连铸、热轧几个产线的作业计划问题进行研究。 田 圈 圜| 图2 2 企业工艺流程图 2 2 2 钢轧一体化计划涉及各生产工序工艺特点 炼钢、连铸、热轧作为钢铁生产流程的三大关键工序，它们之间不仅存在物流和 资源平衡问题，还存在时间平衡问题。对于一体化生产调度问题，需要从接收的生产 订单开始，形成以满足用户要求和各工序工艺约束的生产批量计划来组织生产。炼钢 一连铸一热轧一体化生产从炼铁区接收到高温铁水后，依次进行炼钢和连铸，连铸出 坯后根据不同轧制计划类型的安排分别进入板坯库或直接热装轧制。对于一体化生产 计划问题，需要根据用户合同的要求，考虑各工序的工艺约束编制出炼钢一连铸的炉 次计划、浇次计划、热轧的轧制计划。 炼钢工序共有两个转炉，对于炼钢工序的炉次计划，组成同炉次的生产订单必须 满足以下条件： 钢种相同： 板坯的断面相同； 第2 章钢铁企业一体化计划模型体系分析 板坯的长度相同； 炼钢执行标准相同； 交货期接近； 连铸工序有两个连铸机：板坯连铸和方坯连铸，连铸工序的约束主要由中间包和 结晶器引起的。该钢铁企业结晶器的断面无论是在线或离线都是不可调整的，所以在 连铸工序要考虑结晶器更换引起的影响。对于连铸生产中的浇次计划，组成同一浇次 的炉次之间要满足以下条件： 钢种的要求，同一浇次中的不同炉次的钢种尽量相同，不同的钢种要满足混 浇要求； 板坯的断面相同； 板坯的长度相同； 同一浇次要满足中间包的最少炉数和最大炉数约束； 交货期应接近； 对于热轧生产线，由于考虑到轧辊的变形，通常一个完整的轧辊周期( 从新辊上 线到换辊下线) 轧制计划对轧件的宽度具有“乌龟壳 结构，也叫“双梯形”结构， 如图2 3 所示。其中正梯形部分是烫辊材、过渡材部分，数量相对较少，反梯形是 主体材、烫辊材部分，主轧材是轧辊的主要生产阶段，大量的轧制任务主要在此阶段 完成。 对烫辊材、过渡材、主轧材、垫底材的要求一般是对轧制公里数的限制。 第2 章钢铁企业一体化计划模型体系分析 烫 辊 图2 3 轧制单位结构图 炼钢、连铸和热轧各个工序的工艺约束都不同，而一体化生产要求尽量采用热送 热装方式轧制，这就需要合理安排各个工序的生产计划，尽力提高热送热装比；为了 保证生产线的生产效率和充分发挥生产设备的能力，需要板坯库的管理来协调连铸和 热轧之间生产能力的不匹配问题，同时，炼钢、连铸计划还需要考虑怎样减少结晶器 的更换次数。这样，如何编制合理的最优的一体化生产计划就成了需要迫切解决的问 题。 2 3 钢轧一体化作业计划模型体系的建立 为了解决一体化生产中三大工序的能力不匹配和工艺约束矛盾问题，编制出优化 的一体化生产计划，提高热送热装比和保证生产设备能力的充分发挥，本文采用分层 分块的处理方式，将一体化生产计划编制的复杂优化问题分解为三个层次的局部优化 问题，在对炼钢、连铸、热轧生产工序的生产计划和调度问题的研究的基础上建立了 如图2 4 所示的一体化生产计划模型体系。 第2 章钢铁企业一体化计划模型体系分析 圈。匡重一薹 i i 一一 ： l 日 计 划 层 调 度 层 图2 4 钢轧一体化计划模型体系 在接收到用户的订货合同后，都要进行质量设计和工艺设计将用户合同转化分为 生产订单，生产作业计划制定的初始数据就是生产订单，炼钢一连铸一热轧一体化计 划系统根据初始生产订单数据最终生成优化的炉次作业计划、浇次作业计划和轧制作 业计划。本文将一体化计划模型体系分为旬作业计划、日作业计划、调度计划三层， 其中每层又包含有多个优化模型来共同完成炼钢一连铸一热轧一体化作业计划的编 制。炼钢一连铸一热轧一体化作业计划系统是很复杂的系统，涉及到多个工序，每个 工序的生产计划又包含了多个优化问题，各工序之间又包含了多个组合优化问题，本 文后面章节主要针对一体化生产计划体系下的主要优化问题进行分析。 本文所建立的炼钢一连铸一热轧一体化作业计划模型体系各层的主要结构和功 能描述如下： ( 1 ) 旬作业计划层 旬作业计划没有严格的时间限制，般在1 0 天左右，主要根据当时销售订单下 达的情况、产能要求和现场生产的需要制定。旬作业计划在该系统中指钢轧一体的旬 1 6 第2 章钢铁企业一体化计划模型体系分析 作业计划，即炼钢的顺序基本决定了热轧的顺序。 旬作业计划层包含生产订单销产转换和钢轧一体化计划的编制两个模块。生产订 单的销产转换的目的是把销售订单的客户要求转换为各工序生产的需求，热轧成品和 钢坯是多对多的关系，即一种热轧成品可由多种规格的钢坯轧制，同样一种钢坯可以 轧制多种规格的热轧成品；部分钢管原料的套材分配原则，即两种不同规格的钢管对