（控制理论与控制工程专业论文）轧钢过程生产调度及其优化算法的研究与应用.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 轧钢过程作为钢铁行业深加工的主要工序，是提高其产品附加值、提升企业整体竞 争力、为企业创造经济效益的重要制造流程。随着钢铁工业计算机集成制造系统的发展 与应用，建立在底层自动化基础之上的制造执行系统的运行能力及水平直接影响到企业 的生产成本和利润。而作为制造执行系统核心功能的生产计划与调度技术，已成为连接 钢铁行业生产管理与具体制造作业的重要纽带。本文依托国家“8 6 3 计划课题，针对 目前钢铁企业轧制过程的管理模式，对轧制过程的生产计划与调度问题开展了深入系统 的研究工作。本文的主要内容如下： 对目前钢铁企业带钢热轧的生产实际情况，综合考虑合同的交货期及轧制规程的约 束条件，提出了基于两阶段的热轧生产调度方法。第一阶段给出了热轧批量生产计划编 制模型，将该模型归结为一类多约束条件下基于时间窗的车辆路径问题( v i 冲t w ) ， 提出一种并行离散粒子群优化算法结合启发式规则对模型进行求解；第二阶段以第一阶 段得到的多批量计划编制结果为入口数据，采用多智能混合算法对轧制计划结果进行全 局优化。 以热轧生产调度方案为基础，从工序角度进行前推，提出了板坯加热炉装炉计划自 动生成方法。将加热炉炉群的装炉作业计划归结为一类提前拖后生产调度问题，通过基 于规则的进化方法对调度模型进行求解，并采用现场生产数据对提出的模型及算法进行 了仿真验证。 研究了冷轧流程多品种订单的合同组批及其对合同交货期的调度优化问题。考虑机 组处理批量任务时作业时间的不确定性，建立了具有模糊批量处理时间和模糊交货期的 组批生产调度模型，将该模型归结为一类特殊的模糊j o bs h o p 调度问题，各批量的机组 处理时间采用三角模糊数表示，使其与该批量合同的模糊交货期共同形成模型的目标函 数，实现对多批量订单交货期的全局优化。 研究了冷轧机组的批量作业调度问题。将问题规划为优化拼卷和批量计划编制两个 部分。首先对位于轧制流程后期的拼卷过程进行优化，将问题归结为多容器装箱问题 ( m c p p ) 。在保证求解质量的前提下，提出一种用于求解组合优化问题的离散微分进 化算法( d d e ) 对拼卷模型快速求解。针对拼卷后的批量虚拟钢卷，建立了冷轧批量计 划编制的无优先双旅行商问题( d t s p ) 数学模型。通过将此d t s p 模型分解为两个轧 制区段分别求解，降低了模型求解的复杂度。 轧钢过程生产调度及其优化算法的研究与应用 基于上述方法的研究，结合软件工程方法，开发了钢铁轧制过程生产调度系统。在 上海宝钢股份有限公司运行情况表明该系统可以提高钢铁企业生产计划与调度决策的 能力，达到了降低生产成本、节约能源、减轻人工调度复杂度的效果。 关键词：轧钢过程；生产计划与调度；合同组批；智能优化算法；启发式；p d p s o 算 法；d d e 算法 大连理工大学博士学位论文 r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fp r o d u c t i o ns c h e d u l i n ga n di t so p t i m a l a l g o r i t h m so ns t e e lr o l l i n g a b s t r a c t a so n eo ft h ed e e pm a n u f a c t u r i n gp r o c e d u r e si ns t e e li n d u s t r y ，r o l l i n gp r o c e s si sav e r y s i g n i f i c a n tw o r k i n gs t a g e ，w h i c hc a ni n c r e a s et h ea d d i t i o n a lv a l u eo fs t e e lp r o d u c t , i m p r o v e t h ee n t i r ec o m p e t i t i o np o w e ro fs t e e le n t e r p r i s ea n dg a i nt h er e l a t e de c o n o m i cb e n e f i t sf o r m a n u f a c t u r e r w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fc o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g s y s t e m ( c i m s ) i ns t e e li n d u s t r y ，t h er t m n i n ga b i l i t yo fm a n u f a c t u r i n ge x e c u t i v es y s t e m ( m e s ) ，b a s e do np r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ( p c s ) ，m a k e sad i r e c ti n f l u e n c eo np r o d u c t i o nc o s t a n dc o m p e t i t i o np o w e ro fe n t e r p r i s e a sf o rt h em a i nf u n c t i o no fm e si ns t e e li n d u s t r y ， 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 gi sp l a y i n gav e r yi m p o r t a n tr o l eo nc o n n e c t i n gp r o d u c t i o n m a n a g e m e n t 、航mm a n u f a c t u r i n gj o b b a s e do nak e yp r o j e c to f n a t i o n a lh i g h - t e c h r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n tp r o g r a m m e ，t h i s d i s s e r t a t i o ns t u d i e st h e p r o d u c t i o np l a n n i n g a n d s c h e d u l i n gp r o b l e mo fr o l l i n gp r o c e s si nd e t a i lt a k i n gi n t oa c c o u n tt h ec u r r e n tp r o d u c t i o n m a n a g e m e n tm o d eo fs t e e lp l a n t t h ed i s s e r t a t i o nh a sm a i n l yc a r r i e do nt h ef o l l o w i n g m s e a r c h a t w o - s t a g ep 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 gm e t h o do fh o tr o l l i n gi sp r o p o s e di n t h i sd i s s e r t a t i o nb a s e do nt h em o d e mr o l l i n gm a n u f a c t u r i n gm o d e f i r s t l y ，ap r o d u c t i o n p l a n n i n gm o d e lf o rh o tr o l l i n gb a t c hp l a ni sb u i l tu p t h em o d e li sf o r m u l a t e da sa c l a s so f v e h i c l er o u t i n gp r o b l e m 谢t 1 1t i m ew i n d o w s ( v r p t w ) u n d e rac o u p l eo fc o n s t r a i n t s ， w h i c hi ss o l v e db yan e wp d p s oa l g o r i t h mc o m b i n e dw i t ht h eh e u r i s t i cr u l e s s e c o n d l y ， t a k i n gt h ep l a n n i n gr e s u l t so f t h ef i r s ts t a g ea st h ei n p u td a t a , s e v e r a lb a t c h e so fr o l l i n gp l a n a r eo p t i m i z e db ym u l t i - i n t e l l i g e n th y b r i da l g o r i t h m s b a s e do nt h eo b t a i n e ds c h e d u l i n gs o l u t i o no fh o tr o l l i n g ，ac h a r g i n gp l a n n i n gm e t h o do f w a l k i n gb e a mf u r n a c et h a tw o r k si nf r o n to f h o tr o l l i n gp r o c e s si sp r e s e n t e d t h i sd i s s e r t a t i o n s u m m a r i z e st h ec h a r g i n gp l a na sa ne a r l i n e s s t a r d i n e s ss c h e d u l i n gp r o b l e m ，a n ds o l v e si t u s i n gah e u r i s t i cb a s e de v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m t h e n ，t h er e a lm a n u f a c t u r i n gd a t ai su s e dt o v e r i f yt h em o d e la n di t sr e l a t e da l g o r i t h m t h em u l t i t y p eo r d e r sg r o u p i n gt oc o l dr o l l i n gp r o c e s sa n di t sd u ed a t eo p t i m i z e dm e t h o d a r es t u d i e d a no r d e rg r o u p i n gs c h e d u l i n gm o d e lw i t l lf u z z yp r o c e s st i m eo fm a c h i n e sa n d f u z z yd u ed a t ei sc o n s t r u c t e dd u et ot h ew o r k i n gt i m eu n c e r t a i n t yo fp r o d u c i n gag r o u po f o r d e r s t h i sm o d e li ss u m m e du pa sas p e c i f i cf u z z yj o bs h o ps c h e d u l i n gp r o b l e m ，i nw h i c h i i i 轧钢过程生产调度及其优化算法的研究与应用 t h ep r o c e s s i n gt i m eo fag r o u po fo r d e r si sd e s c r i b e da sa t r i g o n a lf u z z yv a l u et h a tc o m b i n e d 、析t l lt h ef u z z yd u ed a t ef u n c t i o no ft h i sg r o u pt of o r mt h eo b j e c t i v er u c t i o no ft h em o d e lf o r g l o b a lo p t i m i z a t i o n ， ，n l ec o l db a t c hr o l l i n gs c h e d u l i n gp r o b l e mi ss t u d e di nt h i sd i s s e r t a t i o n i ti sd i v i d e di n t o t w op a r t s ，c o i lm e r g i n ga n dr o l l i n gp l a n n i n g f i r s t l y ，t h ec o i lm e r g i n go p t i m i z a t i o n ，w h i c hi s w o r k e da tt h ee n dr o l l i n gp e r i o d ，i sc a r r i e do n n l i sp r o b l e mi sf o r m e da sam u l t i p l e c o n t a i n e rp a c k i n gp r o b l e m ( m c p p ) a n di ss o l v e db yan e wi n t e l l i g e n ts e a r c ha l g o r i t h m - - - d i s c r e t ed i f f e r e n t i a le v o l u t i o n ( d d e ) t h i sa l g o r i t h mh a sar e l a t i v e l yh i g hc o m p u t a t i o n a l s p e e dg u a r a n t e e i n gt h es o l u t i o nq u a l i t y s e c o n d l y ，ad o u b l et r a v e l i n gs a l e s m a np r o b l e m ( d t s p ) w i t h o u tp r i o r i t ym o d e lt h a ts e p a r a t e sab a t c ho fp l a ni n t os e v e r a lr o l l i n gs e g m e n t si s u s e dt os o l v et h ec o l dr o l l i n gp l a n n i n gp r o b l e ma f t e rc o i lm e r g i n go p t i m i z a t i o n b a s e do nt h er e s e a r c hm e n t i o n e da b o v e ，as c h e d u l i n gs o f t w a r es y s t e mf o rr o l l i n g p r o c e s s i ns t e e li n d u s t r yi sd e v e l o p e d t h ea p p l i c a t i o ni ns h a n g h a ib a o s t e e lc o l t d s h o w st h a tt h e s y s t e mc a ni m p r o v et h ed e c i s i o na b i l i t yo fp 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 gi n s t e e l e n t e r p r i s e ，d e c r e a s et h ep r o d u c t i o nc o s t ，s a v ee n e r g ya n dr e d u c et h ew o r k i n gc o m p l e x i t yo f s c h e d u l i n gw o r k e r k e yw o r d s ：r o l l i n gp r o c e s s ；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 ；o r d e rg r o u p i n g ； i n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ；h e u r i s t i cm e t h o d ；p d p s oa l g o r i t h m ；d d e a l g o r i t h m i v 独创性说明 作者郑重声明：本博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j j , j d n 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已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 日期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 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： 越移 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 钢铁工业的发展是衡量一个国家工业化水平高低的重要标志之一，世界上各主要发 达国家都花费大量的投资发展钢铁工业。相关资料表明，我国钢材产量以2 0 0 6 年为转 折点正在由供不应求发展到供大于求，由钢材净进口转变为净出口大国，我国的钢铁工 业正处在难得的产业升级时期，同时也正面临着全面升级，由大到强，全面协调、和谐 发展的机遇和挑战。然而，钢铁品种结构的不合理仍是我国钢铁业中存在的主要问题之 一，我国目前整个钢铁行业的板带比仍相对较低，2 0 0 5 年生产的板带比为3 8 7 ，市场 消费为4 1 9 ，而工业发达国家的生产比例一般超过6 0 。近几年我国进口的钢材中， 板带材的数量约占8 5 以上【l 】【2 1 。因此，钢铁行业在资金密集、技术密集型等高附加值 产品方面的生产能力亟待加强。而轧钢过程，尤其是热精轧和冷轧生产流程，作为钢铁 行业深加工的主要工序，是提高钢铁板带材比例的重要阶段，也是提升钢铁产品附加值， 提升冶金企业整体竞争力，为企业创造经济效益的重要制造流程【3 j 。 近年来，计算机集成制造系统( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t t t d n gs y s t e m ，c i m s ) 技术获得了极大的发展和应用。c i m s 应用到钢铁行业又称为钢铁工业综合自动化系统。 随着钢铁企业市场竞争的日益剧烈，国际上先进的钢铁企业已陆续建成了不同程度的 c i m s ，我国宝钢集团c i m s 工程的成功实施也取得了明显的经济效益。钢铁行业c i m s 是将先进的工艺制造技术、现代管理技术和以先进控制技术为代表的信息技术相结合， 将企业的经营管理，生产过程的控制、运行与管理作为一个整体进行实施，以实现企业 的竞争力f 4 】。由企业资源计划系统( e n t e r p r i s er e s o u r c e sp l a n n i n g ，e r p ) 、生产执行系 统( 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 ，m e s ) 和生产过程控制系统( p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ， p c s ) 组成的整体解决方案已经成为钢铁流程工业综合自动化系统的事实标准。这种三 层结构的c i m s 将流程工业综合自动化系统分为以设备综合控制为核心的p c s ，以财物 分析、决策为核心的e r p 和以优化管理、优化运行为核心的m e s t s l t 6 1 。其中，m e s 在 整个c i m s 中起到承上启下的作用，是生产活动与管理活动信息的桥梁，是c i m s 技术 发展的关键所在，其主要功能是完成生产的计划与调度、生产过程成本控制、产品质量 控制与管理、物流控制与管理、设备安全控制与管理、生产数据采集与处理等等，其中 生产计划与调度是钢铁行业m e s 的核心功能。 生产计划与调度在指导钢铁企业日常生产活动中起着十分重要的作用，其制定的好 坏直接关系到企业的资源能否得到合理的利用，从而影响到企业的生产、经营和管理效 率。在企业界，随着产品和技术更新速度的大大加快，产品的生命周期和技术设备的使 用寿命大为缩短，顾客对产品和服务的期望值越来越高，这些变化也为生产计划与调度 轧钢过程生产调度及其优化算法的研究与应用 注入了新的内容，使得计划与调度的研究范围超出了传统的生产管理范畴f 刀。在学术界， 国内外学者和研究开发机构综合运用生产管理、运筹学、工业工程、控制理论、人工智 能、计算机科学、系统仿真等理论，在编制生产计划的理论方法及其应用软件系统等方 面已取得了大量的研究成果。现阶段的生产计划与调度是指针对某一任务，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【8 1 。 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，那么生产调 度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聚类组批；合同计划与轧制作业计 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；如何充分运用高温坯的潜热，减少甚至取消再加热过程， 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【5 j 。 钢铁轧制过程中，生产管理的集成化、自动化和智能化，对生产流程中的物流、信 息流和能量流进行优化综合管理，使得物流和信息流尽可能同步，前后工序紧密衔接， 保证物流的一贯性，可以充分发挥大型设备的作业效率，降低物耗和能耗，缩短在制品 库存，从而降低生产成本。目前钢铁轧制流程的作业管理和生产计划与调度问题越来越 受到国际各大重要研究机构和企业解决方案提供商的重视。而钢铁企业由于自身生产制 造流程的特殊性，在轧钢过程中很难将其生产计划与调度问题归结为某种典型的调度模 型来完成求解，再加上其生产过程的多约束性和多目标性，需要采用一系列特定的方法 来获得生产调度的最优方案，也就大大增加了问题求解的难度口f 9 】口f 1o 】【1 1 1 。因此，建立 钢铁轧制过程的合同组批调度和轧制作业调度系统，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。 本章首先介绍了论文的课题研究背景，然后对钢铁企业中轧制过程的工艺特点及其 生产计划与调度的现状进行概述，并对智能优化求解算法进行了阐述，最后简要介绍了 本文的主要研究工作。 1 1 研究背景及目的 1 1 。1 研究背景 1 、钢铁行业m e s 在流程工业c i m s 的研究、开发与应用过程中，首先作为流程工业c i m s 体系结构 标准提出的是p u r d e 企业参考体系结构( p u r d u ee n t e r p r i s er e f e r e n c ea r c h i t e c t u r e ) 1 2 1 ， 如图1 1 所示。p u r d e 模型中企业的c i m s 由过程控制、过程优化、生产调度、企业管理 大连理工大学博士学位论文 和经营决策五个层次组成，将生产过程控制和管理明显分开，忽视了生产过程中的物流、 成本、产品质量及设备的在线控制与管理。另外，由于实现c i m s 的结构复杂、层次多， 不便于形成平台技术，难于推广，不适用于扁平化管理模式【3 1 。 图1 1p u r d e 模型 f i g 1 1 p u r d em o d e l 上世纪9 0 年代，美国a m r ( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gr e s e a r c h ) 提出了三层企业集 成模型【l3 。，揭示了过程控制与现存的m r pi i f e r p 系统间存在的断层，并将厂家提供的 位于中间执行层的系统称为制造执行系统，作为一种更加简单实用的c i m s 体系结构， 如图1 2 所示。制造行业的三层e r p m e s p c s 结构，已经成功地在半导体、液晶制品 业、石油化学业、机械电子业、钢铁业中得到了推广，取得了显著经济效益。后来，a m r 推出了m e s 的集成系统模型，强调在制造执行领域信息共享和系统集成的重要性。国 际制造执行系统协会m e s a 在公布的m e s 白皮书中提出了m e s 的功能模型和一系列 相关模型，为实施基于组件技术可集成的m e s 提供了信息结构、功能结构和技术框架。 m e s 国际联合会对m e s 的定义如下：m e s 能通过信息的传递对从生产命令下发到产品 完成的整个生产过程进行优化管理。当工厂中有实时事件发生时，m e s 能及时对这些 事件做出反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行约束和处理【1 4 1 。 图1 2c i m s 三层体系结构 f i g 1 2 t h et h r e e l a y e rs t r u c t u r ef o rc i m s 轧钢过程生产调度及其优化算法的研究与应用 钢铁行业m e s 目前已经成为世界各大钢铁企业普遍重视的研究发展方向，国内外 有实力的公司纷纷研究开发以钢铁工业m e s 为核心的整体解决方案。如德国s i e m e n s 提出了完整的钢铁工业m e s 功能方案，并成功地应用到德国蒂森克虏伯钢厂，获得很 好效果。美国i 2 公司提出了钢铁工业m e s 全面解决方案，通过在韩国浦项钢铁公司实 践，获得很大成功，使浦项钢铁公司生产与销售计划循环次数减少7 5 ，导致更大柔性 与更快重计划能力，将承诺可能性的通知时间从2 小时缩减到2 5 秒，对于资金密集型 钢铁企业有助于优化生产效率并最大程度满足接收的合同，准时交货率从8 2 推进到 9 5 ，在顾客满意度方面给予浦项巨大竞争力。美国c a m s t a r 早在1 9 9 8 年就提出企 业m e s 解决方案i n s i t e l i v e ，后应用于比利时年产6 0 万吨钢铁产品的剐z 钢铁厂，可 节省费用达到7 5 0 万美元。法国a l s t o m 提出的钢铁工业m e s 解决方案，特别是在计 划、排产、控制、运输、库存管理等方面有较深入的研究开发。a s p e nb r o n e r 公司以协 同制造( c o l l a b o r a t i v em a n u f a c t u r i n g ) 的理念，研发了a s p e nb r o n e rp p s ( p r o d u c t i o n p l a n n i n ga n ds c h e d u l i n g ) 系统是专门针对钢铁生产业务需求而开发的一套钢铁行业供应 链解决方案。系统涵盖了钢铁企业复杂的生产环境下进行生产与作业调度的需求，所有 的模块都采用先进的基于约束的运算规则和优化算法来确定物料和生产能力的配置顺 序。而且，这些模块均由参数驱动，使得企业的物料配置、能力计划策略和作业调度可 以根据工厂的实际要求进行剪裁。在国内，上海宝信软件公司提出的宝信钢铁信息化全 面解决方案( t o t a ls o l u t i o n ) 由三部分组成：处于最上层的e r p ( 企业资源计划) 系统、 处于最底层的p c s ( 过程控制系统) 、处于承上启下核心地位的m e s ( 制造执行系统) 。 宝信信息化方案引入了“以财务为中心”的管理理念，采用以“功能覆盖产线和面向 “企业运作 对象的设计策略和方法，使钢铁企业得以实现“按合同组织生产，进行全 过程的生产管理和控制，追求企业营销和生产的最大能力”的目标。 我国钢铁工业过去注重建立管理信息系统( m i s ) 和过程控制系统( p c s ) ，而忽 视这两个系统中间的连接层，致使经营管决策和实际生产过程不能有效的衔接。这已经 成为企业实行信息化、发挥生产经营信息系统整体效能的瓶颈。2 0 世纪9 0 年代中期， 国际上逐步发展起来的生产制造执行系统m e s ，成为打通这一瓶颈不可或缺的手段。 随着经营管理的扁平化，企业经营管理信息系统已经由原来的六层结构向经营管理决策 层( e r p ) 、生产执行层( m e s ) 、过程控制层( p c s ) 的三层结构转化。m e s 成为企 业实现生产活动与经营活动的有效集成，进行优化运行、优化控制与优化管理的桥梁和 纽带，也将成为信息流、物质流、资金流最佳集成，发挥信息化的功能，提升企业竞争 力的关键技术。m e s 能够填补钢铁企业计划系统与控制系统之间的空白，它不仅是面 向工厂内部管理的系统，而且在企业范围的信息集成中起着承上启下的重要作用川。 大连理工大学博士学位论文 2 、轧制过程生产计划与调度 生产计划与调度是钢铁企业生产循环中的关键环节，计划与调度模块由于直接与经 营计划系统和过程控制系统相连接，成为钢铁行业m e s 的核心。生产调度的制定既要 受企业长期计划的约束和引导，同时也要根据生产执行过程中的实时信息及时调整和更 新。合理的生产计划还是保证企业长期规划顺利、顺畅实施和企业生产能力充分发挥的 基础，从而对于整个企业的成本控制、节能增效起到至关重要的作用。特别是现代钢铁 企业生产流程更为紧凑，通过提高计划与调度水平促进各工序之间的协调运转已经成为 企业新的利润增长点。对于钢铁行业的重要制造流程轧钢过程而言，提高其生产计 划与调度的智能决策能力，对于提高企业的经济效益更有重大的现实意义。 目前市场上对于轧钢过程生产计划与调度问题解决方案的竞争，世界上多家大型软 件解决方案提供商均有参与，如美国i 2 公司的热轧批量生产计划与调度系统，使得韩国 浦项钢铁公司生产计划与销售的循环次数减少了7 5 ，提升了决策层的重计划能力；英 国的a s p e nb r o n e r 公司专门针对轧钢过程研发了生产计划与调度系统r o l l i n gs c h e d u l e r ， 涵盖了轧制过程生产环境下进行生产计划和作业调度的需求，系统模块采用基于约束的 运算规则及优化算法来确定轧制生产过程的最优次序；法国a l s t o m 公司提出的冶金 工业m e s 解决方案，特别是在计划、排产、控制、运输、库存管理等方面也有较深入 的研究开发。 虽然目前各大冶金m e s 行业解决方案提供商的产品已在世界多家钢铁制造企业进 行了成功的应用，但是就我国目前的情况来看，对于国外生产调度方案的全盘接纳仍然 存在的诸多的缺憾：首先是国外企业的产品价格相当昂贵，其冶金m e s 解决方案通常 成套出售，这样动辄数百万甚至上千万美元的价格使得国内的钢铁企业常常很难承受， 其运行风险也相当巨大；其次，出于对产品关键技术保密的原因，国内企业的研究人员 很难了解到产品的技术细节，这一情况导致当产品在运行中出现故障或者厂方的生产运 行及管理模式发生变化时，我们很难独自自主的完成对软件的相应变更；再次，多数国 外冶金m e s 方案提供商研发的信息化产品在某些功能上无法与我国钢铁企业的需求完 全一致，使得其软件的适应度较差。因此，针对上述情况，国内钢铁企业及其研发单位 亟需结合我国企业的现有实际情况，研发出适合本国企业的低成本、高灵活度的钢铁轧 制过程生产计划与调度系统软件。 鉴于钢铁制造流程的多阶段性，各阶段的生产工艺和生产管理方法存在着较大的差 别，对于轧制阶段的生产调度问题，就无法采用求解其它生产过程的调度方法来获得其 决策方案。轧制过程生产作业计划的编制是以订货合同为主要依据的，换句话说，是将 上层生产计划规定的生产任务，落实到具体的订货合同上。实际上订货合同的数量很多， 轧钢过程生产调度及其优化算法的研究与应用 每份订货合同对产品规格、质量、数量与交货期的要求各异，如果按照每份订货合同进 行生产必然不符合生产组织的要求，因此需要将订货合同作适当的处理，将同类合同归 并为生产批量，在实际生产中，按照形成的生产批量组织生产。对于冷轧生产过程来说 更是如此，冷轧产品一般订货批量小，几乎所有的订货合同均需要归并，将用户和订单 合同经过整理归并后再下发生产作业，待生产完成之后，要将归并后的合同批量还原成 订单合同交付客户使用。上述给出的轧制过程生产调度问题的简要描述充分说明，在进 行生产计划编制时，不仅需要考虑轧制过程的工艺约束、设备约束，更重要的是要考虑 产品的订货属性和交货期等问题，要在保证订单交货期的基础上，充分降低因生产调度 产生的企业制造成本的增加。 1 1 2 选题来源和研究目的 本文研究工作的选题来源于国家“8 6 3 计划重点课题“冶金工业m e s 关键技术 ( e m s e a m i p s ) 研究与示范应用”( n o 2 0 0 4 a a 4 1 2 0 2 0 ) 子课题“连铸一热轧一体 化计划调度技术”和国家“8 6 3 计划”专题课题“冷轧薄板生产计划与调度一体化技术 及应用”( n o 2 0 0 乃必0 4 2 15 6 ) 。 课题的研究目的是针对目前国内钢铁企业j ；l s u 过程的生产管理模式，研究开发提高 订单交货准确度、降低生产成本、节约能源消耗、实时、高效为目标的钢铁轧制过程生 产调度系统。所研究的生产调度问题包括钢铁工业热轧和冷轧两大轧制工序，通过对两 大轧制过程的特点分别进行分析，对其轧制工序中生产计划与调度的其它重要相关环节 进行研究，分别提出热轧和冷轧及其相关工序的钢铁轧制过程生产计划与调度方法，并 形成应用软件在上海宝钢股份有限公司生产现场实际应用。本文涉及的主要工作包括热 轧机组原料预选、批量计划自动生成及其优化技术，热轧厂加热炉装炉计划自动编制技 术，冷轧厂合同组批优化调度技术和冷轧机组自动排产技术。 1 2 轧钢过程生产调度相关问题概述 生产调度作为钢铁工业m e s 的重要组成部分，向上连接着企业级e r p 销售计划， 向下又为生产车间制造过程p c s 提供物料分配计划，其在整个流程行业产销一体化中处 于承上启下的重要地位。而轧钢过程作为钢铁工业的一个重要生产工序，其生产计划与 调度水平的高低直接关系到整个钢铁企业的产品质量、成本消耗、能源节约以及对地区 资源和环境的影响。 钢铁轧制过程是一个物流量巨大的加工工序，该过程工艺复杂、约束条件众多，生 产调度的目标在不同层面、不同时期也各有区别【1 6 1 。轧制不仅包含能源消耗巨大的热轧 及板坯加热工艺，也包括子工序众多的冷轧制造流程。在现代市场化的新环境下，面对 6 大连理r 大学博士学位论文 客户u 单批量小、品种多、交货期准确度要求提高等情况，如何在保证客户满意度的前 提f ，进步提高流程中各机纽的作业效率，同时减少生产成本、降低能耗，成为了目 前钢铁轧制过程中各企业普遍关心和亟待解决的问题。 121 轧钢工艺流程介绍 钢铁上业的轧制过程普遍包括板带制轧制和棒线材及特殊钢轧制两种物流渠道，由 于板材在牲个轧制过程中所占比例较大，同时考虑到其产品的市场需求逐年增加的实际 情况，口前钢铁企业对于轧制过程的生产管理和技术要求也集中体现在板带钢产品e 1 1 7 。为此，本文书要研究板带钢产品的轧制生产计划与调度问题。圈i3 给 | 了钢铁轧 制工序的物流情况简图。如图所示，板坯的轧制过程土要可分为两个大的阶段：热轧工 序阶段和冷轧工序阶段，其中热轧是冷轧的前道工序。虽然两道工序均属轧制生产过稃， 但是其原材料、生产过程、t 岂约束、产出品等情况却各不相同。 热轧 怍线书 幽】3 铡铁轧制过桴物流简图 f i g i3t h e l o g i s r i ec h a r to fr o i l i n gp r o c e s s i ns t e e l i n d u s l r y 轧钢过程生产调度及其优化算法的研究与应用 热轧工序的生产原料来自于前一生产过程连铸机组下线的浇注板坯，板坯在进行热 轧工序之前先放入板坯库或者保温坑进行存放，待需要时可装上加热炉完成重加热，再 进行轧制生产。其轧制产出品经卷取机卷取后，一般形成厚度在2 3 m m 的热轧卷。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 - - 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，可采用大立辊* l n 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，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，同时也创造了热态装炉的条件。对于质量要求较高的板坯， 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， 加热炉采用计算机自动控制板坯的加热过程，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* l n 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，以去除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，进入二辊轧机轧制。此时板坯厚度大、温度高、塑性好、抗力小， 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，在每架四辊粗轧机前 面一般均设置小立辊进行轧边。 ( 4 ) 精轧 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。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。 大连理工大学博士学位论文 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) ， 然后进入精轧机轧制。精轧机组一般由6 - 7 架组成连轧。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s l $ i j 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s l $ i j 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。 2 、冷轧 冷轧工序一般在钢铁企业是具备分厂级生产能力的工序流程，其物流情况与热轧工 序相比更为复杂。该工序的生产原料为热轧卷，除冷轧机组外，生产原料在冷轧工序还 需经过酸洗、热处理、精整、涂镀等附加工序。其产出品的种类也很多，包括轧硬卷、 冷轧板卷、极薄冷轧板卷以及涂镀产品等等。 冷轧带钢和薄板的厚度一般为o 1 - 3 m m ，宽度为1 0 0 2 0 0 0 m m ，均以热轧带钢或热 卷为原料，在常温下经冷轧机组s l $ f j 成材。冷轧冷轧带钢和薄板具有表面光洁、平整、 尺寸精度高和机械性能好等优点，产品大多成卷，并且有很大一部分经加工成涂层钢板 出厂。成卷冷轧薄板生产效率高，使用方便，有利于后续加工，因此应用广泛，已逐渐 取代同样厚度的热轧薄板，只有少量的特殊用途的冷轧合金钢板采取单片s l s t j 。冷轧带 钢和薄板的产量在工业发达国家己占钢材总产量的3 0 左右。钢种除普通碳钢外，还有 硅钢、不锈钢和合金结构钢等。冷轧机组的发展从法国人布律列尔制成的第一台二辊式 轧机开始，以后改进采用工作辊辊径较小而刚性较大的四辊轧机。为了s l $ ；j 更薄