（控制理论与控制工程专业论文）宝钢热轧生产计划编制方法的研究与应用.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 生产计划与调度是v i e s 的核心功能，在现代化工业生产中扮演着重要角色。生产 计划与调度是针对某一任务，在一定的技术与资源的约束条件下，对现有的生产活动进 行合理排序，确定某一时段所指派的任务，力求在设备可用的时间范围内，充分发挥其 生产效率，缩短生产周期，降低生产成本。 热轧带钢生产调度问题是轧钢生产管理的关键技术。本文以上海宝钢热轧的生产实 际情况为背景，首先对热轧带钢生产流程工艺流程、热轧计划的编制依据和工艺约束进 行了阐述。在分析热轧生产批量计划通用模型的基础上，采用了带有时间窗的车辆路径 问题模型。该模型在满足热轧计划各种轧制规程约束的前提下，以计划单元最大、热装 比最高为目标。针对此模型，运用单亲遗传算法结合专家系统作为求解策略。仿真结果 表明，本文的方法是可行、有效的。 本文应用p r o 爿：c 语言、o r a c l e 数据库，完成了热轧轧制计划编制模型的设计和开 发工作。通过大量的现场数据测试，验证了软件系统的可行性和可靠性。 关键词：m e s ；热轧计划；带有时间窗口的车辆路径模型；单亲遗传算法 张志勇：宝钢热轧生产计划编制方法的研究与应用 r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f am e t h o df o rh o t r o l l i n gp l a ni nb a o s t e e l a b s t r a c t p r o d u c t i o ns c h e d u l i n gi st h ec o r em o d u l eo fm e st h a ti sp l a y i n gt h ei m p o r t a n tr o l ei n t h em o d e r ni n d u s t r y n ”o b j e c t i v eo f p r o d u c t i o ns c h e d u l i n gi st og u a r a n t e et h ep r o c e s so r d e r a n d p r o c e s st i m eo fw o r kw h e nt h et e c h n o l o g ya n dr e s o u r c ea r e1 i m i t e d p r o d u c t i o n s c h e d u l i n gp u r s u e sh i g he f f i c i e n c y ，l o wm a n u f a c t u r ep e r i o da n dl o wp r o d u c t i o nc o s t p l a n n i n ga n ds c h e d u l i n go fh o tr o l l i n gs t r i p si st h ek e yp a r to fs t e e lr o l l i n gp r o d u c t i o n m a n a g e m e n t p r a c t i c a lp r o d u c t i o np r o c e s s o fh o tr o l l i n gs t r i pi ns h a n g h a ib a o s t e e lc o ，l t d i st a k e ni n t oa c c o u n ta n di t sp r o d u c t i o np r o c e s so f h o t r o i l i n gs t r i p ，s c h e d u l i n gc o n s t r a i n t sa n d s c h e d u l i n gr u l e sa r ei l l u s t r a t e df i r s t l y t h ev r p t wm o d e lt h a ti ss u i t a b l et or e s o l v et h e p r o b l e m so ft h ep r o d u c t i o nl o tp l a n n i n go ft h eh o tr o l l i n gs t r i pi ss u g g e s t e d a l lh o tr o l l i n g c o n s t r a i n sh a v eb e e nc o n s i d e r e da n dt h eo b j e c t i v e so ft h em o d e la r em o r es l a b si ne a c hp l a n a n dh i g l l e rh o tc h a r g er a t i o a na l g o r i t h mo fp a r t h e n o g e n e t i ca l g o r i t h mc o m b i n e dw i t h e x p e r ts y s t e mi sp r o p o s e df o rs o l v i n gt h i sm o d e l n l cs i m u l a t i o nw i 也r e a lp r o d u c t i o nd a t a s h o w st h a tt h em o d e la n d a l g o r i t h m sa l ef e a s i b l e am o d e lo ft h eh o tr o l l i n gs t r i ph a sb e e nd e v e l o p e du s i n gp r o + c l a n g u a g ea n do r a c l e d a t a b a s e t e s t i n gw i t hal a r g en u m b e ro fp r o d u c t i o nd a t as h o w st h a t t h eh o tr o l l i n g s c h e d u l i n gs y s t e mi sf e a s i b l e k e yw o r d s ：m 咂s ：h o tr o l l i n gp l a n ；v r pw i t ht i m ew i n d o w s ；p a r t h e n o - g e n e t i ca l g o r i t h 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：鲨塾塑日期：塑6 ： ：丝： 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名 百拉玉岛 立兰煎年坠月遨日 大连理工大学硕七学位论文 1 绪论 m e s ( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ) 是美国管理界上世纪九十年代提出的新概念， m e s a ( m e s 国际联合会) 对m e s 的定义是：i v i e s 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。当生产发生实时事件时，m e s 能对此及时作出反 应、报告，并利用当前的准备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m e s 能够减少企业内部没有附加值的活动，有效的指导生产运作过程，从而提高及 时交货能力，改善物料的流通性能；提高生产回报率。m e s 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。 1 1 炼钢一连铸一热轧一体化生产的内容及意义 生产计划与调度是m e s 的核心功能，在现代化工业生产中扮演着重要角色。它是 针对某一任务，在一定的技术与资源的约束条件下，对现有的生产活动进行合理排序，确定 某一时段所指派的任务，力求在设备可用的时间范围内，充分发挥其生产效率，缩短生 产周期，降低生产成本。 对于钢铁企业而言，如果各工序自动化系统稳定可靠，产品质量可以保证，那么系 统功能集成中遇到的最大难题便是如何面向多品种小批量的大量订货合同而组织生产， 包括在不同钢种、规格和交货期需求下订单的组批：轧制计划、连铸计划与炼钢计划的 各种平衡；如何将几个不同的工序视为一个整体，实现一体化管理，做到前后工序计划 同步化，物流运行准时化；充分运用高温坯的潜热，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。因此，建立炼钢一连铸一热轧 一体化计划系统，对于提高钢铁生产的现代管理水平、降低企业产品成本、增强企业竞 争力是至关重要的。 随着市场竞争的日益加剧，钢铁企业的用户对供应商的要求，已经在原来考虑价格 和质量的基础上，又增加了对交货期方面的要求，并且份量越来越重。客户对交货期的 要求包括两方面：一方面是要求交货期尽可能短，另一方面要求交货准时。同时这两方 面又是相互影响，随着交货期越来越短，准时交货变得越来越难。这种交货期对准时交 货的影响主要表现在：随着交货期缩短，生产质量上的波动对准时交货的影响越来越显 著；随着交货期缩短，资源的平衡从原来简单数量上的平衡到细节上( 如工艺规程的要 求) 的平衡。 一体化实际是各生产工序的一体化 1 1 ，也就是统一计划、统调度、统一制定“时 刻表”，保证生产物流连续高效运作，使物流和信息流尽可能同步、有效的发挥热装热 送和直轧工艺的作用，进而达到降低成本，提高产品质量，缩短产品生产周期的目的。 张志勇：宝钢热轧生产计划编制方法的研究与应用 实现体化管理，做到前后工序计划同步化，物流运行准时化，充分利用高温坯的潜热， 取消或减少在减少再加热过程，降低能耗，减少烧损，缩短生产周期，减少在制品库存， 增加企业效益和市场竞争力。 实现炼钢一热轧生产计划一体化编制，达到精确平衡物流，指导销售部门订货工作， 为销售资源平衡系统和询单应答系统提供有效支撑，实现交货期的合理安排，为最终全 面实现按周交货提供保障。另一方面，实现生产组织的最优化，有效降低生产成本，缩 短制造周期，最终实现交货期的精确控制和生产成本降低。 1 2 热轧轧制计划在一体化中的重要作用 热轧带钢生产调度问题( h s m r s p ) 是国际钢铁及学术界关注的问题，是钢铁生产管 理的关键技术。在常规连铸与轧钢生产中( 冷装工艺) ，连铸与轧钢是两个独立进行生 产计划管理的工厂，轧钢厂必须按每套轧辊先轧宽板后轧窄板的轧制程序进行。但在连 铸坯的直接热装轧制时，炼钢一连铸一热轧三者联成一体，服从于统一的一体化管理。 轧钢再也不能独自安排计划，而必须服从炼钢与连铸的计划安排。 热轧轧制计划作为轧钢管理调度的核心内容，所起到的作用是至关重要的。要做到 炼钢连铸一热轧的数据信息流尽可能同步，做到真正意义的一体化生产管理，而不是 各自孤立的，或者是主从调用的系统，也是热轧轧制计划要解决的技术难点。一体化计 划系统强调炼钢一连铸热轧生产系统的横向衔接，合同排产系统与作业计划系统的纵 向优化，因此，热车l s l n 计划要能够满足把目前炼钢一热轧工序相对孤立的见料编排计 划转变成整个产线计划动态一体形成，实现炼钢一热轧生产计划一体化编制的目标，从 而达到精确平衡物流，指导销售部门订货工作，为销售资源平衡系统和询单应答系统提 供有效支撑，实现整个产线产能的合理发挥和资源的均衡分配。 1 3 热轧轧制计划问题的研究现状 我们考虑的热轧轧制计划问题可以概述如下：假设有h 块板坯，每块板坯的重量、 及成材后的宽度、厚度和硬度己知，每个轧制计划的轧制能力一定，热轧轧制计划是确 定轧批之闻的批闯序和组成轧拙的每一个板坯的批内序，使生产满足客户的要求和工艺 规程。其中分配给某个轧制计划的板坯的重量总和不能超过个轧制计划的生产能力。 由于热轧轧轧制计划与生产批量计划的问题特征相似，所以本文采取生产批量计划的思 想解决热轧轧制计划的问题。 1 3 1 生产批量计划的问题描述 根据企业生产工艺特点，将制造业粗略分成三种类型：连续制造业、离散制造业及介于 二者之间的混合型企业。连续生产是指生产过程连续运行，不存在间歇，在生产工序之 大连理工大学硕士学位论文 间不存在缓冲，这种类型的企业为连续制造业，如石油、化工企业；在生产过程当中存 在间歇、生产工序之间存在缓冲、生产过程主要是间断进行的，这种类型的企业为离散 制造业，如机械制造业；既有连续制造业特征、又有离散制造业特征的制造业为混合型 制造业，如钢铁联合企业。无论是离散性的制造业还是混合型的钢铁企业，从递级分层 角度可以将计划分为战略计划、短期计划、生产细计划、在线计划和生产调度五个层次， 从功能角度可分为如下的三类计划： ( 1 ) 任务资源计划：确定生产任务量和生产能力的需求量的计划。 ( 2 ) 批量计划；同一时间不同任务组之间及同一任务不同时间的组合计划。 ( 3 ) 顺序时间计划：安排生产任务的顺序，确定机器生产任务的时间。 定义1 ：任务被加工对象的最小基本单位，如机械制造业中的零件，钢铁业中 的炉次和轧件。 定义2 ：加工单元占用同一准备时间，在同一设备上使用同一工具被加工任务 的集合，如成组技术中的零件族，零部件的生产批，钢铁计划的炉次、浇次等。 定义3 ：批量计划在满足生产能力约束和生产单元容量限制的情况下使许多相 似或相同的加工任务件组合在同一加工单元中，从而降低调整费用，降低成本，提高总 体经济效益。 批量计划与调度问题包括两类问题：批量组合和批量大小问题。两者在不同类型的 企业中表现形式是不同的。在离散制造业中，批量计划可分批量组合计划和批量大小计 划，批量组合计划是指成组技术中的零件分簇问题，而批量大小是指部件( 或产品) 和 零件在给定时间范围内的生产数量问题【2 。 1 3 2 生产批量计划的分类和特点 无论在离散制造业，还是混合制造业，都存在着生产批量计划，不同的制造业生产 批量计划的含义有所不同。在离散制造业中批量计划可分批量组合计划和批量大小计 划，批量组合计划是指成组技术中的零件分簇问题，而批量大小计划按照需求、资源、 级原则等三种参数进行如下分类： 从需求角度来分，需求可分为随机和确定的两种，在确定性的需求中又分为离散和 连续两种。 从资源角度来分，分为有资源和无资源约束批量计划问题，有资源约束又分为单资 源约束问题和多资源约束问题；根据资源的变化情况又分为固定资源问题和可变资源问 题。 从产品结构( 级) 的角度分，可分为单级和多级批量计划问题；多级批量计划问题 可分为链式结构、并行结构、装配数状结构、一般通用网络结构等多级批量计划问题。 张志勇：宝钢热轧生产计划编制方法的研究与应用 钢铁工业中的批量计划与生产工艺有很大关系，可分为： ( 1 ) 炼钢一连铸生产批量计划与调度，它又可分为炉次计划、浇次计划、炼钢一连铸 调度计划。 ( 2 ) 轧钢厂生产批量计划与调度，它又可分为板带钢、型钢和无缝钢管的生产批量 计划与调度。 实际的生产调度问题有以下特点【3 】： ( 1 ) 复杂性。由于调度问题是在等式或者不等式约束下求解性能指标的优化，在计 算复杂度上往往是n p 一完全问题，因而使得一些常规的最优化方法经常无能为 力。 ( 2 ) 动态随机性。在工业现场，实际的生产情况千变万化，有很大的不确定性。 ( 3 ) 多目标。实际的生产调度的性能指标一般有多个，并且这些指标之间有可能是 矛盾的。 而每一类的调度问题都有如下的属性【4 j ： ( 1 ) 边界条件。指调度问题的开始时刻和结束时刻的生产状态， ( 2 ) 分批大小和装配成本。分批是指被加工的工件被分组，每组数量若干。装配成 本是机床或其它生产工具改变自身状态所需的成本。例如一辆行车从挂接大钩 子转换成挂接小钩子所需的时间。 ( 3 ) 工艺路线。 ( 4 ) 随机事件和干扰。 ( 5 ) 性能指标及多目标。 1 3 3 生产批量计划的研究方法 在过去的几十年里，基于实际的和理论上的考虑，人们不断地寻找新的批量计划与 调度算法，其中一个重要的原因是产品制造界的市场竞争激烈程度在不断提高，好的调 度方案能够高资源的利用率和生产管理的水平、降低生产成本、生产出具有竞争力的产 品。生产调度因其在提高生产效率和降低成产成本等方面所起的重要作用，越来越受到 学者们的关注。 在对计划与调度问题进行研究的方法上，最初是集中在整数规划、仿真和简单的规 则上，这些方法不是调度结果不理想就是难以解决复杂的问题。近年来，随着各种新的 相关学科与优化技术的建立与发展，在车间调度方面也出现了许多新的优化方法，比如 模拟退火法、遗传算法、禁忌搜索法等。车间调度问题的研究方法正在向多元化方向发 展。生产调度问题的研究方法主要有如下几类【5j ： ( 1 ) 启发式方法 大i g 理s g 大学硕士学位论文 启发式方法针对调度问题的n p 特性，并不企图在多项式时间内求得问题的最优解， 而是在计算时间和调度效果之间进行折中，以较小的计算量来得到近优或满意解。启发 式方法通常称为调度规则【6 j 。 由于调度规则计算量小、效率高、实时性好，因而在生产调度研究中被广泛采用。 但由于它通常仅对个目标提供可行解，并且缺乏对整体性能的有效把握和预见能力， 因而在实际应用中常将它与其它方法结合使用，利用其它方法根据具体情况选择合适的 调度规则。 ( 2 ) 离散事件仿真技术 仿真方法是生产调度研究中最常用的方法。该方法通过对实际生产环境的建模来模 拟实际生产环境，从而避开了对调度问题进行理论分析的困难。目前，仿真方法在生产调 度研究中主要有以下两方面内容： 研究各种仿真参数对仿真结果的影响，以便在进行仿真实验时能做出恰当选择， 从而使仿真所取得的结论更全面、更具说服力。r a r n a s h 总结了大量的相关文献，对仿真 时应考虑的参数及各参数的取值范围做了详细介绍。 将某些方法应用于某个仿真环境，通过仿真评价现有方法之间或新方法与现有方 法之间的优劣，从而总结出各个方法的适用范围，或根据结论数据建立知识库或产生神 经网络的训练样本。 唐立新【2 5 【2 9 】在分析轧钢厂生产作业计划的结构的基础上，建立了热轧精轧工序轧制 批量调度的旅行商模型，这一模型能够适合与带钢、型钢和钢管的4 l n 生产批量调度问 题。调度仿真方法的优点是它能够将例如在分析模型中不会考虑到的政策改变等因素的 影响映射到模型中去。另一个优点是帮助使用者有机会对做出的调度进行探查性的测 试。仿真的实验本质是它的缺点。不过，仿真研究针对于具体实验设置而产生，所以对 生产调度的理论研究贡献很少。运用仿真来产生生产调度很浪费，这不仅仅来源于产生 调度所需要的计算时间浪费，而且来源于需要设计和运行仿真模型所作的人工脑力劳动 浪费。仿真的准确程度取决于程序员的判断和技能，甚至高精确度的模型化也不能保证 实验中一定能够发现优化调度或者好的调度。 ( 3 ) 专家系统 专家系统在生产调度研究中占有重要地位，目前已有些较成熟的调度专家系统， 例如i s i s 和o p l s 等。调度专家系统通常将领域知识和现场的各种约束表示成知识库， 然后按照现场实际情况从知识库中产生调度方案，并能对意外情况采取相应的对策。 有效的领域模型和知识表示对于生产调度专家系统的设计十分重要。此外，约束在 调度知识库中也占据重要地位，因为调度的好坏在很大程度上依赖于其对约束的满足程 张志勇：宝钢热轧生产计划编制方法的研究与应用 度。生产调度的决策参数具有很强的不确定性，为了有效地表示这种不确定性，许多学者 选择了概率论，而应用模糊集理论则是一种更为有效的方法。在调度问题中应用模糊方 法的优点在于，可为不精确约束的表示和应用提供丰富的表述语言和系统的框架，并且 能对模糊目标进行评价例。 ( 4 ) 智能搜索算法 应用于调度问题的智能搜索方法包括模拟退火1 9 1 、禁忌搜索1 0 1 和遗传算法1 6 l 等。目 前在生产调度中使用最多的是遗传算法。遗传算法解决调度问题的优势在于它可以随机 地从一个调度跳到另一个调度，从而可以解决其它方法易于使解陷入局部最优的问题。 此外，它还具有计算速度快且易与其它算法相结合的优点，非常适合于解决生产调度问 题。 应用遗传算法解决生产调度的文献较多，其中大多将遗传算法与其它方法结合使 用。l e e 等【1 6 】用遗传算法和机器学习来解决单件车间的调度问题，用机器学习来产生将 工件下发到车间层的知识库而用遗传算法在各台机器上分配工件。j i a n 等 1 7 1 提出一种 f m s 的调度和重调度算法，该算法考虑了4 种动态事件，即机器损坏、定单优先级提高、 紧急定单下达和定单取消，用稳态遗传算法产生一个初始调度，当意外事件发生时，根据 具体情况仅重新调度那些直接受影响的工序。j o n e s 等【l8 】提出一种实时排序和调度算法， 它集成了神经网络、实时仿真和遗传算法等方法，其中遗传算法主要用于对几个备选的 调度规则进行优选。 ( 5 ) m u l t i a g e n t 方法 m u l t i a g e n t 通过在一系列分散的智能单元( a g e n t ) 间进行协调来解决问题。这些单 元有各自的目标和自治的行为，并且可以有子单元。但是没有一个单元能够解决全局问 题，因而它们之间必须进行协调。关于m u l t i a g e n t 系统的结构，不同的人有不同的观点。 例如k o u i s s 掣19 】根据车间的物理布局来确定系统的结构，为每一个加工中心配备了一 个a g e n t ，用于解决对应加工中心内的调度。另外还设计了个全局a g e n t ，用于监视整 个制造系统的状态，必要时为满足全局的需要可在各a g e n t 间进行协调。n o f 等幽】提出 了自适应预测调度系统框架，将调度系统按功能划分成5 个模块：调度器重调度器、 监视器、比较器、分辨器和调度恢复适应器。 关于每个a g e n t 的结构，不问的人有不同的理解。但是每个a g e n t 至少应有以下3 个组成部分：1 ) 知识库，包含a g e n t 执行其功能所必需的知识和数据：2 ) 控制功能，根据 环境状态及与其它a g e n t 问的相互作用，从知识库中提取知识来完成调度功能；3 ) 通讯 功能，用来与其它a g e n t 和环境之间进行信息传递。研究表明，m u l t i a g e n t 特别适用于 解决复杂问题，尤其是那些经典方法无法解决的单元间有大量交互作用的问题。其优点 大连理工大学硕士学位论文 是速度快、可靠性高、可扩展性强、能处理带有空问分布的问题、对不确定性数据和知 识有较好的容错性；此外，由于是高度模块化系统，因而能澄清概念和简化设计。 以上每种方法或者策略都有自己的优点和缺点，在实际应用中应该具体问题具体分 析，选择一种或几种最适合的使用。 1 4 课题背景与研究意义 本文的研究属于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 ) 重点项目“冶金工业m e s 关键技 术( e m s e a m i p s ) 研究与示范”的子课题：冶金工业m e s 中的“炼钢一连铸热轧一 体化生产计划系统( i p s ) ”，主要解决连铸连轧生产中的生产调度问题。本课题将目前 炼钢一热轧工序相对孤立的见料编排计划转变成整个产线计划动态一体形成，实现炼钢 热轧生产计划一体化编制，从而达到精确平衡物流，指导销售部门订货工作，为销售 资源平衡系统和询单应答系统提供有效支撑；实现整个产线产能的合理发挥和资源的均 衡分配；有利于实现生产组织的最优化；对合同交货期实现精确的预报，为最终全面实 现按周交货提供有力的保障。 1 5 本文的工作 本文在对上海宝钢二热轧带钢生产工艺进行深入了解的基础上，开发了“热轧轧制 计划模型”，使物流和信息流尽可能同步、有效的发挥热装热送和直轧工艺的作用， 进而达到降低成本，提高产品质量，缩短产品生产周期的目的。本文的主要工作如下： ( 1 ) 了上海宝钢热轧厂的生产流程、作业计划管理流程、制定轧制计划的工艺约束 和编制规程。 ( 2 ) 针对多约束、多目标的热轧计划编排问题，建立了v r p t w 模型。采用单亲遗传 算法和专家系统相结合作为求解策略，较好的解决了单排计划形成中的各种问题。 ( 3 ) 针对混排计划与单排计划区别较大，不宜使用运行速度较慢的智能算法求解的 问题，构造了基于启发式算法的混排计划模型并较好的解决了混排计划的各种问题。 ( 4 ) 采用板坯预收池和综合优先级的策略解决了流向问题和工序优先问题。 ( 5 ) 完成了热轧计划“多计划形成功能模块”、“计划框形成模块”、“单计划形 成模块”的开发设计并在宝钢的三层构架下( 前台一中间件一后台) 编程实现。 张志勇：宝钢热轧生产计划编制方法的研究与应用 2 热轧带钢生产工艺及宝钢热轧计划管理概况 2 1 热轧带钢的生产工艺 钢板( 带) 主要用于建筑行业、交通运输行业、机械与电器制造业、轻工业及食品工 业等部门，也为近代各种口径焊接钢管的原料，是一种用途较为广泛的通用钢材。因 此，在现代工业比较发达的几个主要产钢国，钢板在轧制钢材中所占的比重都在逐年 增加，目前己达5 0 6 0 以上。热连轧钢带生产工艺过程主要包括：原料准备、加热、 粗轧、精轧、冷却及卷取等工序。 ( 1 ) 原料准备 热连轧钢带所用的原料是初轧板坯或连铸板坯。坯料厚度通常为1 2 0 3 0 0 毫米， 最厚达3 0 0 3 5 0 毫米。板坯宽度一般与轧成的钢带宽度相同或大于钢带宽度5 0 1 0 0 毫米，采用大立辊轧制生产不同宽度的钢带。 板坯在加热前必须清除表面缺陷，以保证成品钢带的表面质量。在一些板坯初轧机 上，常设有火焰清理机全面清理板坯上、下表面，这对于一般钢种来说，也创造了热态 装炉的条件。对于质量要求较高的板坯，尚需进行局部修磨清理，以消除较深的缺陷。 ( 2 ) 板坯加热 由于对成品质量和尺寸偏差要求日趋严格，因此板坯的加热质量也就越来越得到重 视。连轧机的板坯加热设备大多由3 5 座连续式加热炉组成。由于步进式连续加热炉 具有明显的优越性，所以用得越来越多。板坯的加热温度一般为1 2 5 0 1 2 8 0 。近年 来，加热炉采用电子计算机自动控制每块板坯的加热过程，使加热质量、燃料消耗、加 热能力等更趋于理想。 ( 3 ) 粗轧 板坯在轧制前必须彻底清除加热时产生的氧化铁皮，以免压入表面产生缺陷。粗轧 前，一般采用大立辊轧机进行轧边，以破碎板坯在加热炉内生成的氧化铁皮，同时对板 坯宽度进行矫正。大立辊轧机的进口处设有侧导板，大立辊轧机前或后设有高压水除鳞 装置，用1 1 7 7 1 4 ，7 1 m p a 的高压水冲除板坯表面的氧化铁皮。 板坯除磷以后，接着进入二辊轧机轧制。此时板坯厚度大、温度高、塑性好、抗力 小，故选用二辊轧机即可满足工艺要求。随着板坯厚度的减薄和温度的下降，变形抗力 增大，而板形及厚度精度要求也逐渐提高，故须采用强大的四辊轧机进行压下，才能保 证足够的压下量和较好的板形。为了使钢板的侧边平整和宽度控制精确，在以后的每架 四辊粗轧机前面一般皆设置小立辊进行轧边。 粗轮机的典型布置有全连续式、半连续式和四分之三连续式三种，如图2 1 所示。 大连理工大学硕士学位论文 厂。l 弋厂 _ 牟专 _ 如 ! 瓣；融 2l 加1 55 】85 l2 55 3 7s 5 s7 3 图2 1 宽钢带热连轧机的设备组成( 图中单位以米计) f i g 2 1t h ec o n s t i t u t e so f w i d em e t a ls t r i pm i l l e r a 半连续式b 全连续式夸3 ，4 连续式 1 一加热炉2 - 粗轧机组3 - 精轧机组4 一卷曲机 全连续式是在大立辊后设置5 6 个二辊或四辊不可逆机座，通常前2 3 机座为二 辊式，后几个机座为四辊式。 半连续式布置是指在精轧机组上形成连轧，在粗轧区内则为可逆轧制。半连续式是 在大立辊后设置二架可逆式轧机，主要用于复合半连续轧机，设有中厚板加工线设备， 既可生产板卷，又可生产中厚板。这种半连续式轧机粗轧阶段道次可灵活调整，设备和 投资都较少，故适用于产量要求不高，品种范围较广的情况。 四分之三连续式是近年来出现的一种节约厂房而生产效率高的形式。它是在大立辊 后设置3 4 个粗轧机座，包括一个二辊不可逆式、一个带立辊的四辊可逆式和两个带 立辊的四辊不可逆式机座。 ( 4 ) 精轧 张志勇：宝钢热轧生产计划编制方法的研究与应用 由粗轧机组轧出的钢带坯，经上百米长的中间辊道输送到精轧机组进行精轧。精轧 机组的布置比较简单，如图2 2 所示。带坯在进入精轧机之前，首先要进行测温、测厚 并接着用飞剪切去头部和尾部，以避免温度过低的头部损伤辊面，并使操作顺利进行。 图2 2 热轧钢带精轧机组布置结构 f i g 2 2t h ec o n f i g u r a t i o no f h o tr o l l i n gs t r i p s f i n a lm i l l e r 钢带坯切除头尾后，即用高压水除鳞( 在前几架精轧机座间也设有高压水喷嘴) ，然 后便进入精轧机轧制。精轧机组一般由6 7 架组成连轧，有的还留出第八架第九架的 位置。增加精轧机架数可使精轧来料加厚，提高产量和轧制速度，并可轧制更薄的产品。 现代热轧钢带轧件的轧速很快( 有的末架精轧机的轧速达2 8 3 0 米秒) ，为了使 成品尺寸和形状准确、表面质量和机械性能良好，必须通过一系列仪表和计算机对轧制 速度与压力、出口温度、轧件厚度及辊型等进行自动测量与控制。 ( 5 ) 冷却、卷取和精整 精轧机高速轧出的钢带经过输出辊道，要在数秒钟之内急速冷却到6 0 0 左右，然 后进入卷取机卷成板卷，再将板卷送去精整加工。 为加速轧制后钢带的冷却，保证卷取温度，在精轧机输出辊道的下边设有喷水冷却 装置，上面设有低压层流冷却装置。 冷却后的钢带即出辊道送至卷取机卷成板卷。卷取机一般有三台，交替进行卷取。 卷取后的钢卷经卸卷小车、翻卷机和运输链运往仓库，根据用作冷轧原料或作为热 轧成品的不同，分别运往冷轧原料库或继续进行精整加工。精整加工线有纵切机组、横 切机组、平整机组、热处理炉等设备。 2 2 连铸工序和热轧工序间的衔接方式 连铸工序和热轧工序间的物流衔接，根据铸坯送交热轧机的线路和铸坯达到热轧机 的温度情况，形成不同的轧制方式，有冷装轧制( c o c c r ) 、温装轧制( c c - h c r ) 、热 装轧制( c c d h c r ) 、和直装热轧( c c h d r ) 等四种基本方式f l 】，见图2 3 。 ( 1 ) c c c c r ( c o n t i n u o u sc a s t e r - c o l dc h a r g er o l l i n g ) ，连铸一冷坯装炉轧制，简称冷 装。连铸坯因种种原因无法在高温情况下送入热轧加热炉，只好送到板坯库堆放，根据 大连理工大学硕士学位论文 轧制计划的需要，一定时间后再由库中吊至炉前辊道，装炉加热。装炉温度低于4 0 0 的板坯均属此种方式。有些产品根据工艺要求只能放冷后再装炉也属于此种方式。 ( 2 ) c c - h c r ( c o n t i n u o u sc a s t e r h o tc h a r g er o l l i n 曲，连铸一热坯装炉轧制，装炉温度 一般4 0 0 。c - 7 0 0 ，可以称为温装。当连铸生产计划与热轧轧制计划的衔接上存在一段 时间差时，高温连铸坯也无法直接装入加热炉。为了减少热能损失，可以将热坯放到保 温坑中存放一段时间，需要时再吊出装炉，这样既使热能得到保存，又在时间上得以缓 冲。目前这种方式占有很大的比重。 ( 3 ) c c - d h c r ( c o n t i n u o u sc a s t e r d i r e c th o tc h a r g er o l l i n g ) ，连铸一直接热坯装炉轧 制，简称热装。由于是通过输送辊道将连铸过来的高温坯直接送入加热炉，装炉温度都 在7 0 0 。c 以上。无疑这是目前连铸与热轧间的最佳衔接方式。 ( 4 ) c c h d g ( c o n t i n u o u sc a s t e r h o td i r e c tr o l l i n g ) ，连铸一直接热轧。当连铸机可以 实现高温铸造，在板坯运输过程中采取必要的保温措施，针对板坯边角部温降大等问题 采取边部加热等措施，就可以将达到轧制温度( 11 5 0 - 1 2 0 0 。c ) 铸坯不经加热炉而直接 送上轧线。显然这是最为理想的工艺路线，但它对各个环节都提出十分严格要求，包括 板带自由轧制工艺的实现。因此这一方式的实现尚需相当长一段时间。 由于各钢铁厂的连铸设备和热轧机的装备不同，以及它们之间的连接方式的设计也 不尽相同，构成的轧制方式也有可能是上述四种基本方式的混合，其中最普遍采用的是 混合轧制方式( m i x e d - r o l l i n gm o d e ) ，也就是冷装坯与直装坯或热装坯混合形成同一轧 制单元。 热装( d h c r ) 轧制工艺将通过输送辊道从连铸过来的高温坯直接送入加热炉，节 省大量的能源，提高金属的所得率。而热直轧( h d r ) 工艺直接将从连铸机拉出的高温 铸坯，经边部加热后，就可以将达到轧制温度( 1 1 5 0 1 2 0 0 ) 的要求，这样，铸坯就 可以不经过加热炉再加热而直接送上轧线轧制成材。显然热装( d h c r ) 和热直轧( h d r ) 是最为理想的工艺路线，它简化了连铸和热轧间的连接工艺，减少或删除加热炉的再加 热过程，是钢铁工业发展的必然方向。 张志勇：宝钢热轧生产计划编制方法的研究与应用 连铸( c c ) 炉前辊道 图2 3 连铸与热轧工序间的连接方式 f i g 2 3c o n n e c t i o nm o d eb e t w e e nc o n t i n u o u s - c a s t i n ga n dh o t - r o l l i n g 2 3 宝钢热轧计划管理存在的问题 宝钢目前还没有做到炼钢连铸热轧一体化，物流和信息也不能够做到同步。轧制 计划主要是根据调度员自己的经验编制形成的，计划员只能把很小一部分的虚拟板坯编 制到计划中去。另外，由于板坯在库中是有规则的堆放的，在作当前计划的时候，如果 当前计划中需要的板坯在板坯堆的下层，就需要计划员把这些板坯通过倒垛取出来，这 需要较长时间的工作。为了不会导致轧机断料，通常计划员都预先做好两个计划用来应 急，新编排的计划的轧制时间总是在这两个计划的后面。这些都是编排热轧计划中不合 理的地方。综合起来，宝钢目前热轧生产管理方式存在如下几个问题： ( 1 1 库存大 由于计划编制的问题，连铸坯无法在高温情况下( 4 0 0 * ( 2 7 0 0 。c ) 送入热轧加热炉， 只好送到板坯库堆放，根据轧制计划的需要，一定时间后再由库中吊至炉前辊道，装炉 加热。大量的在库板坯会导致涨库，造成人力物力的浪费不说，也给倒垛制造了困难。 f 2 ) 热装比低 目前宝钢轧制计划中的c c r 占大多数，这些板坯都需要在加热炉中加热后才能上 轧机，由于c c r 板坯都是4 0 0 以下，在加热炉中要加热到1 2 0 0 。c 以上，造成大量的 能源浪费。 ( 3 ) 计划单元偏小 大连理工夫学硕士学位论文 通常一个轧制计划对应一个换辊周期，它一般由烫辊材、过渡材、主体材三段组成。 每个轧制计划对应不同的计划类型。计划大小般可以根据计划的长度( 公里) 、计划 的板坯块数、计划的重量( 吨) 来衡量。在每天总产量一定的前提下，计划单元越大， 换辊周期就越长，需要的工作辊就越少。人工编排计划一般情况下计划的块数为6 0 块 左右，长度大约为5 0 公里左右，重量为1 3 0 0 吨左右。由于编排计划是一项复杂、易疲 劳的脑力劳动，主要是根据计划员的经验来做的，计划的大小还远没有达到理想情况。 计划单元偏小，意味着每天需要更多的工作辊，不仅加重了工人的工作量，还造成了经 济上的浪费。 ( 4 1 计划中存在违反轧制规程的情况 编排热轧计划需要考虑板坯间的宽度跳跃、厚度跳跃、硬度跳跃、出炉温度跳跃、 终轧温度跳跃、卷曲温度跳跃、表面等级、同宽公里数长度l 暇$ u j 、冷热坯区间、混排计 划中计划类型的衔接、混排计划中最小连续区问( m z 0 n e ) 属性等多个轧制规程的 约束。对于这种多约束的复杂问题，只靠人力解决，尤其是在长时间的脑力劳动下，要 想编制出理想的、没有任何违规的计划几乎是不可能。在宝钢目前的计划作业方式下， 车l s j j 计划总会有或多或少的违规。一旦存在这种违规的情况，计划的质量就会下降。 摒除炼、铸、轧三大工序相对独立的传统生产工艺，通过三大环节的合理衔接、匹配，使 钢铁生产的三个主要生产工序的生产管理成为一体化、有机的系统。热轧生产计划编制 时必须同时考虑热轧、炼钢、连铸的生产约束条件，只有对这些约束条件合理的考虑，才 能编制出可行的热送热装生产计划并进而能简化工艺流程，缩短物流周期，大幅度地降 低消耗，提高生产效率。 张志勇：宝钢热轧生产计划编制方法的研究与应用 3 热轧计划模型的研究和算法的设计 3 1 热轧轧制计划问题描述 一个完整的轧制计划由烫辊材和主体材两部分组成。轧制计划中的板坯编排在宽度 上呈“双梯形结构”( 见图3 1 ) 。正梯形是烫辊材部分，反梯形是主体材部分 3 0 1 p ”。烫 辊材部分板坯宽度呈递增变化，其主要目的是初始轧制时，加热轧辊，使轧辊热膨胀均匀 保证后续带钢的质量。 通常一个轧制计划对应一个换辊周期，每个轧制计划对应不同的计划类型。若由计 划员根据计划类型的要求，靠排程经验，人工挑选材料形成轧制计划，则难以综合考虑 合同交货期、轧制规程、连铸热轧衔接、后续工序要求等诸多因素的影响，编制出整体 最优的轧制计划。本模型基于上述问题，旨在提供一个整体最优的轧制计划形成方法。 图3 1 轧制计划构成图 f i g 3 1 t h e f i g u r e o f a h o tr o l l i n g p l a n ( 1 ) 模型目标 保证合同交货期： 保证各工序集批要求； 轧制厚度、宽度、硬度、出炉温度、终轧温度、卷曲温度跳跃少、跳跃量小 冷热坯尽量集中编制计划，冷热坯混装次数少，连续冷坯、连续热坯多； 违规次数少。 ( 2 ) 模型约束 轧制计划公里数； 表面等级公里数： 大连理工大学硕士学位论文 烫辊材段轧制规程：宽度跳跃、厚度跳跃、硬度跳跃、出炉温度跳跃、终轧 温度跳跃、卷曲温度跳跃； 过渡材段轧制规程：宽度跳跃、厚度跳跃、硬度跳跃、出炉温度跳跃、终轧 温度跳跃、卷曲温度跳跃； 主体材段轧制规程：宽度跳跃、厚度跳跃、硬度跳跃、出炉温度跳跃、终轧 温度跳跃、卷曲温度跳跃； 混合排程属性； 冷热坯连续区间范围。 3 2 建模思想及模型描述 3 2 1 建模思想 热轧生产计划的编制问题由于约束条件众多，优化目标多，是一个复杂的组合优化 问题。针对轧制计划编制这个具体问题，将其归结为车辆路径问题( 姆w 丁) 。 v r p 的原型是旅行商问题，即给定n 个城市和每两个城市之间的距离，求一条访问 各城市一次且仅一次的最短路线。v r p 问题是多路旅行商问题的扩展，每个城市( 顾客) 有一个需求量，每个旅行商( 车辆) 有一定的能力( 载重) ，一条路线上的顾客总需求 量不能超过行使该路线的车辆的能力，求从仓库出发回到仓库的一组总运输费用最少的 路线。 本文把各块板坯作为各顾客，一个轧制计划作为一个车辆，各个轧制计划内板坯之 间规格( 宽度、厚度、硬度和轧制时间) 上的差异总惩罚值作为运输费用，要求使用最少 的车辆( 轧制计划数) 服务每个顾客( 板坯) ，且只能服务一次，目标为车辆数最少情况下 总运输费用( 各个轧制计划内板坯之间的总惩罚值) 最小。这样，可建立不确定轧制计划 数的轧制计划v r p 模型，用于解决将热轧日计划中的疗块板坯编制为m 个轧制计划的 问题。 带时间窗e l 的v r p 口6 】田】阱1 是物流配送决策中经常遇到的实际问题，每个顾客都有一 个服务时间窗口，车辆只能在这个时间范围内访问该顾客，不允许早到和迟到，称为“硬 窗口”问题，有一些模型中通过附加费用或惩罚来允许早到和迟到，称为“软窗口”问 题。 由于在编制计划的时候有很多板坯是只有切断时间的非库存虚拟板坯，这就要求在 编制计划的时候对板坯的轧制时间有特定的限制，不能够出现轧制时间在切断时间前面 的情况。基于此，本文把热轧轧制计划的编制归结为带时间窗口的车辆路径问题 ( v r p t w ) 。 张志勇：宝钢热轧生产计划编制方法的研究与应用 v r p 是一个组合优化问题，在实际应用中，往往是多约束的复杂问题。解决v r p 的 方法大致历经三个时代：简单的启发式方法时代、启发式数学规划方法时代、目前的精 确优化算法与智能优化方法并存时代。较为成功的精确优化算法有k 树法、拉格朗日放 宽法等；而智能方法主要以模拟退火法、禁忌搜索法和遗传算法为代表。v r p 是一个n p 一 完全问题，只有在客户数和路段较少时才有可能得到其精确的最优解，而一般情况下， 只需找到一个近优解，而这也正符合热轧轧制计划的特点。 以上所述的各种算法各有所长，根据不同的实际问题可以选用不同的算法来求