（系统工程专业论文）基于案例推理的炼钢连铸动态调度系统的研究与开发.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 基于案例推理的炼钢一连铸动态调度系统的研究与开发 摘要 在日趋激烈的市场竞争中，钢铁企业立足的基本条件是：以灵活的产品结构、 生产组织方式和高质量的产品响应市场需求，以多品种小批量生产、准时交货和 具有竞争力的价格占领市场。所有这些都与钢铁生产的动态调度密切相关，因此 加强动态调度、提高动态调度的实时性和可靠性、缩短动态调度的调整时间已成 为钢铁企业提高竞争力的重要途径。 钢铁生产工艺复杂，是集多种设备、多种工序、多种产品结构于一体的生产 系统，致使动态调度不仅要考虑钢水到达的时间偏差、温度偏差，还要考虑设备 故障、钢种不合格及多扰动等动态扰动事件。显然，作为钢铁企业制造执行系统 m e s ( m a n u f a c t u r ee x e c u t i o ns y s t e m ) 的重要组成部分，动态调度对于消除钢铁 生产扰动，加快钢铁生产，提高企业经济效益具有重要意义。 本文以宝钢炼钢生产计划与动态调度为背景，根据钢铁生产调度的特点， 采用c b r ( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ) 技术和人机交互的方法研究和开发了宝钢一炼钢 动态调度系统。 本文在分析宝钢一炼钢动态调度系统现状的基础上，归纳了生产过程中的扰 动种类、扰动状态及扰动的处理方法，根据动态调度的特点和c b r 理论，在传统 的一级案例的基础上，提出了采用两级案例推理来实现系统，提高了系统的实时 性和可靠性。两级案例思想在动态调度系统中的应用，解决了系统的时间类、温 度类和浇铸异常类的扰动，再结合人机交互界面，提供了消除其它扰动的平台。 本文采用框架表示法，成功地实现了宝钢一炼钢的实际调度经验的结构化 表示，采用最近相邻法实现了案例匹配，开发了动态调度系统，提供了解决各 种扰动的方法，并为以后的维护扩展提供了接口，所开发的系统已经成功地应 用到宝钢一炼钢生产中，实际应用表明，动态系统大大减少了动态调度需要的 时间，提高了生产效率。 关键词：动态调度案例推理人机交互两级案例库 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t s t u d ya n dd e v e l o p m e n to nc b rb a s e dd y n a m i cs c h e d u l i n g s y s t e mf o rs t e e lm a k i n g - c o n t i n u o u sc a s t i n g a b s t r a c t w i t hm o r ea n d m o r ei n t e n s ec o m p e t i t i o no fm a r k e t ，t h ee s s e n t i a lc o n d i t i o n so f i r o na n ds t e e le n t e r p r i s e se x i s t i n gt u r nt ou s i n gf l e x i b l ep r o d u c t i o ns t r u c t u r ea n d p r o d u c ts e t u pm o d e ，h i g hq u a l i t yp r o d u c t i o nt oa n s w e r i n gm a r k e td e m a n da n d u s i n gm u l t i s p e c i f i c a t i o ns m a l lb a t c hp r o d u c t i o n ，d e l i v e r yo nt i m ea n dc o m p e t i t i v e p r i c e t o o c c u p y i n gm a r k e t a l lt h e s e a r em u c hc o r r e l a t i v et ot h ed y n a m i c s c h e d u l i n go fs t e e lm a k i n g ，t h u s ，s t r e n g t h e n i n gt h ed y n a m i cs c h e d u l i n g ，e n h a n c i n g t h er e a lt i m ea n dr e l i a b i l i t yo fd y n a m i cs c h e d u l i n ga n ds h o r t e n i n ga d j u s t e dt i m eo f d y n a m i cs c h e d u l i n gh a v eb e c o m et h ei m p o r t a n ta p p r o a c hf o rt h ei r o na n ds t e e l e n t e r p r i s e st oi m p r o v et h ec o m p e t i t i o nf o r c e t h es t e e lm a k i n gt e c h n i c si sv e r yc o m p l e xa n di n t e g r a t e sm u l t id e v i c e s ，m u l t i w o r k i n gp r o c e d u r ew i t hm u l t ip r o d u c t i o ns t r u c t u r e ，i tm a k e sd y n a m i cs c h e d u l i n gt o t h i n ka b o u tn o to n l yt h ea r r i v a lt i m ed i f f e r e n c e ，t h ec o m p e n s a t i o no ft e m p e r a t u r e b u ta l s ot h ef a i l u r eo fe q u i p m e n t s ，t h ed i s q u a l i f i c a t i o no fs t e e lg r a d ea n ds oo n d i s t u r b i n ge v e n t s o b v i o u s l y , a st h ei m p o r t a n tc o m p o n e n to fm a n u f a c t u r i n g e x e c u t i o ns y s t e m ( m e s ) o fi r o na n ds t e e le n t e r p r i s e s ，d y n a m i cs c h e d u l i n gi s s i g n i f i c a n tf o re l i m i n a t es t e e lm a k i n gd i s t u r b i n ge v e n t s ，q u i c k e n i n gt h et e c h n i c s r h y t h t na n di m p r o v i n gt h ep r o f i to fe n t e r p r i s e s i nt h i sp a p e r ，t a k i n gt h ef i r s t f l l i a l eo fs t e e lm a k i n gp l a n to fb a o s t e e la s b a c k g r o u n da n da d o p t i n gc b r ( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ) t e c h n o l o g ya n di n t e r a c t i v e a p p r o a c h e sb e t w e e np e o p l ea n dc o m p u t e r , w eh a v es t u d i e da n dd e v e l o p e dt h e d y n a m i cs c h e d u l i n gs y s t e mb yt h ef e a t u r e so fs t e e lm a k i n g t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h ed y n a m i cs c h e d u l i n gp r e s e n t a t i o n ，t h ec a t e g o r y , s t a t u sa n dm a n a g i n gm e t h o d so fd i s t u r b i n ge v e n t si ns t e e lm a k i n g a c c o r d i n gt ot h e f e a t u r e so fd y n a m i cs c h e d u l i n ga n dc b rt h e o r y , o nt h eb a s i so fc o n v e n t i o n a l o n e - g r a d ec b rs y s t e m ，t h et w o g r a d ec b rs y s t e mi sp r o p o s e ds oa st oe n h a n c e r e a lt i m ea n dr e l i a b i l i t ya n di m p l e m e n t st h ed i s t u r b i n ga d j u s t m e n to ft h et i m e ， i v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t e m p e r a t u r ea n dc a s t i n gd i s t u r b i n ge v e n t s a n dt h ei n t e r a c t i v ei n t e r f a c eb e t w e e n p e o p l ea n dc o m p u t e rc a nh e l pt oe l i m i n a t et h eo t h e rd i s t u r b i n ge v e n t s t h ef r a m es t r u c t u r ei sa d a p t e dt oi m p l e m e n tt h es t r u c t u r e dr e p r e s e n t a t i o no f d y n a m i cs c h e d u l i n ge x p e r i e n c ei nt h ef i r s tf i l i a l eo fs t e e lm a k i n gp l a n to fb a o s t e e l p r o d u c t i o ns u c c e s s f u l l y t h en e a r e s tn e i g h b o r ( n n ) a l g o r i t h mi su s e dt or e t r i e v e c a s ea n dd y n a m i cs c h e d u l i n gs y s t e mi ss t u d i e da n dd e v e l o p e d al o to fm e a n sa r e p r o v i d e dt os o l v et h ed i s t u r b i n ge v e n t si nd y n a m i cs c h e d u l i n ga n dm a n yi n t e r f a c e s a r ee s t a b l i s h e df o rm a i n t e n a n c ea n db e i n ge x t e n d e di nt h ef u t u r e t h ed y n a m i c s c h e d u l i n gs y s t e mh a sa p p l i e di nt h ei nt h ef i r s tf i l i a l eo fs t e e lm a k i n gp l a n to f b a o s t e e lp r o d u c t i o ns u c c e s s f u l l y , r e d u c e dt h en e e d f u lt i m eo fd y n a m i cs c h e d u l i n g o b s e r v a b l ya n di m p r o v e dt h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo fs t e e lm a k i n g k e yw o r d s ：d y n a m i cs c h e d u l i n g ，e a s e b a s e dr e a s o n i n g ，i n t e r a c t i v ea p p r o a c h e s b e t w e e np e o p l ea n d c o m p u t e r ，t w o g r a d ec a s el i b r a r y v 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 氨糕t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同 意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 一1 卜一 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 在全球钢铁行业竞争日益激烈情形下，人们将目光投向内部生产管理，重 新审视钢铁集成制造系统内在结构体系。国内外学者逐渐意识到，“企业资源 计j r t i $ 0 造执行系统过程控制系统( e n t e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n g m a n u f a c t u r e e x e c u t i o ns y s t e m p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ，e r p m e s p c s ) ”三层结构符合现代 企业生产管理结构“扁平化”的思想，与五层结构相比更易于集成和实现1 1 1 ， 是集成制造系统的未来发展趋势。 动态调度系统是制造执行系统( m e s ) 的重要组成部分，相对静态调度而言， 更强调实时性、在线性和自适应性，具有广阔的实际应用空间，但其难度也大 大增加1 2 】。静态调度是指所有待安排加工的工作均处于待加工状态，因而在以 后的加工过程中就不再改变。动态调度是指作业依次进入待加工状态、各种作 业不断进入系统接受加工、同时完成加工的作业又不断离开，还要考虑作业环 境中不断出现的动态扰动，如作业加工的时间超时、温度低于目标温度、设备 故障等。因此动态调度要根据系统中作业、设备的状况，不断地进行调整，实 际调度的过程往往是动态的。 钢铁市场竞争日益激烈，产品生产呈现多品种小批量的趋势，同时要求产 品质优价廉、准时交货，并提供优质的售后服务1 3 】。为适应钢铁市场复杂多变 的需求，提高企业效益，从2 0 世纪7 0 年代开始，国外先进的钢铁企业致力于 建设集成化的计算机生产管理系统。进入2 0 世纪8 0 年代后，国外各大钢铁企 业尤其重视在操作方式、物流管理、信息流管理等方面进行重大革新，建立高 效、集成在线的计算机生产管理系统，实现各工序集中计划管理、分散控制， 使各工序负荷保持均衡、物流生产紧密衔接，工序间的等待时间缩短，从而大 大提高生产效率、产品质量和生产的灵活性，降低能源和材料的消耗，降低成 本，提高产品竞争力。 因此，建立一个炼钢生产动态调度系统，对于理顺工艺流程，消除钢铁生 产扰动，加快钢铁生产，提高企业经济效益具有重要意义。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2国内外炼钢连铸调度研究现状 在钢铁企业中，生产计划与调度的最优化是实现其产品质优价廉、准时交 货的重要途径，而炼钢连铸是钢铁生产的瓶颈【4 j ，科学确定其生产调度可以充 分提高大型设备的生产效率，减少工序等待时间，提高设备利用率。 因此多年来，国内外学者为探求钢铁企业复杂生产环境下的动态调度问题 的解，对动态调度问题进行大量的研究，其具体研究方法如下： ( 1 ) 基于模型的方法 在基于模型的方法中，典型的是运筹学方法，它是将生产调度问题简化为 数学规划、排队论、网络与图论等相应问题，然后求解其最优化或近优化问题 的解，例如唐立新、杨白厚、王梦光对基于准时制的炼钢连铸生产调度问题 研究1 5 l ；方宇炜、韩曾晋对炼钢连铸过程建立了p e t r i 网实时调度模型 6 1 ； r e d w i n ec n 等人1 7 1 考虑大型集成钢铁企业在每台设备上的面向订单的调度 问题，建立混合整数线性规划模型，并设计一种分解算法来求解该模型。 ( 2 ) 基于人工智能的方法 人工智能的方法主要包括启发式搜索、专家系统、神经网络、m u l t i a g e n t 等方法。其中启发式方法以调度规则以及实践经验为基础，快速有效地求出调 度问题的近似解。如：刘光航、李铁克【8 】在探讨炉次设备指派规则、缓解资源 冲突的方法的基础上，提出面向实际应用的启发式算法。 专家系统是人工智能从数值信息处理转向非数值( 知识) 信息处理的转折 里程碑，它在钢铁工业也获得广泛的应用 9 1 。钢铁调度专家系统是一个能在钢 铁调度领域内，以专家的水平去解决该领域中困难问题的计算机程序，通常将 钢铁调度领域知识和现场的各种约束表示成知识库，然后根据现场实际情况从 知识库中产生调度方案，并能对意外情况采取相应的对策。如：庞哈利、王庆、 郑秉霖等【l o l 采用专家系统方法对炼钢连铸生产计划和调度进行研究等。 f 3 ) 基于人机交互的方法 随着调度理论与实践的不断结合，基于人机交互的方法逐步得到重视。美 国p u r d u e 大学的k o n d a k e i ，s u n a ，等人【i l l 针对具有到期约束的动态j o bs h o p 调度问题，提出一种交互式的方法。b i s t l i n ew i l l i a mqs r 等人【1 2 】针对动态j o b s h o p 调度问题限制传统的精确方法在实际应用中适用的特性，通过人机交互 方式，修正许多限制资源的约束能力，从而降低调度问题的复杂性，对实时调 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 度提出一个决策支持系统。 ( 4 ) 基于多种方法组合的方法 上述基于模型、人工智能、人机交互的方法各有优缺点，随着对动态调度 研究的不断深入和不断应用，更多的学者注重采用综合的方法解决动态调度问 题。具体的组合方式包括：基于模型和人工智能相结合的方法、人机交互和人 工智能相结合的方法、基于模型和人机交互的方法等等。 1 3 国内外炼钢连铸生产调度应用现状 先进国家的钢铁企业在7 0 年代初便致力于生产调度系统的开发与研究， 许多企业在8 0 年代末和9 0 年代初期完成了基于计算机的调度系统开发的主要 工作。在发达国家钢铁动态调度系统实现的初期，主要采用以人工为主的方法。 目前，很多发展中国家，钢铁生产水平较低，大都采用此方法。在我国上千家 大中型冶金企业中，虽然很多企业生产过程管理具有一定的信息化管理水平， 但对于动态调度这一难题，绝大部分采用人工为主的方式，通过电话等通讯设 施进行生产过程调度管理。生产过程的人工调度反应滞后，调度人员仍然没有 摆脱繁重的工作。 国外的许多钢铁企业，如美钢联所属的加里厂，日本的新日铁、住友、川 崎、日本钢管、神钢等5 大钢铁公司的各钢铁厂，韩国的浦项、光阳，英国 b r o n e r ，奥地利b o h l e r 、l i n z 钢铁厂，德国的蒂森、t h y s s e nk r u p pt s c r 钢铁 厂等，近年来在设备及过程级自动化的基础上，致力于建设集成化的计算机生 产管理系统，其中包括核心模块一一生产调度系统，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。 a i s 是比利时一家专门从事流程工业生产计划和供应链管理软件开发的公 司。a i s 的s t e e l p l m m e r t l 3 套件包括：a l p h a p l a n n e r , b e t a p l a n n e r ，m i d t e r m s c h e d u l i n g ，p r o d u c t m a t c h 和m a t e r i a lf l o wc o o r d i n a t o r 等5 部分。其中与调度 密切相关的主要是a l p h a p l a n n e r , b e t a p l a n n e r ，m i d t e r ms c h e d u l i n g3 个模块。 a l p h a _ p l a n n e r 隧够自动生产连铸计划，操作人员通过图形界面指导、分析和修 改计划，同时给专家提供增加和配置连铸规则的接口，b e t a p l a n n e r 能够自动产 生轧钢计划，m i d t e r ms c h e d u l i n g 则能够帮助生产各种钢材的加工序列。采用 a i s 的s t e e l p l a n n e r 套件的钢铁公司主要有：a h m s a ，b e t h l e h e ms t e e l ，b h p , c o r u s ， c s ld d s ，d o f a s c o ，d u f e r c o ，r a u t a r u u k k i ，s i d e r a r , s t e l c o ，u s i n o r , v o e s t a l p h i n e 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 度提出一个决策支持系统。 f 4 ) 基于多种方法组合的方法 上述基于模型、人工智能、人机交互的方法各有优缺点，随着对动态调度 研究的不断深八和不断应用，更多的学者注重采用综合的方法解决动态调度问 题。具体的组合方式包括：基于模型和人工智能相结合的方法、人机交互和人 工智能相结合的方法、基于模型和人机交互的方法等等。 1 3国内外炼钢连铸生产调度应用现状 先进国家的钢铁企业在7 0 年代初便致力于生产调度系统的升发与研究， 许多企业在8 0 年代末和9 0 年代初期完成了基于计算机的调度系统开发的主要 工作。在发达国家钢铁动态调度系统实现的初期，主要采用以人工为主的方法。 目前，很多发展中国家，钢铁生产水平较低，大都采用此方法。在我国上千家 大中型冶金企业中，虽然很多企业生产过程管理具有一定的信息化管理水平， 但对于动态调度这一难题，绝大部分采用人工为主的方式，通过电话等通讯设 施进行生产过程调度管理。生产过程的人工调度反应滞后，调度人员仍然没有 摆脱繁重的工作。 国外的许多钢铁企业，如美钢联所属的加里厂，日本的新曰铁、住友、川 崎、日本钢管、神钢等5 大钢铁公司的各钢铁厂，韩国的浦项、光阳，英国 b r o n e r ，奥地利b o h l e r 、l i n z 钢铁厂，德国的蒂森、t h y s s c nk r u p pt s c r 钢铁 厂等，近年来在设备及过程级自动化的基础上，致力于建设集成化的计算机生 产管理系统，其中包括核心模块一一生产调度系统，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。 a i s 是比利时一家专门从事流程工业生产计划和供应链管理软件开发的公 司。a i s 的s t e e l p l a n n e r ”1 套件包括：a l p h a p l a n n e r , b e t a p l a n n e r ，m i d t e r m s c h e d u l i n g p r o d u c t m a t e h 和m a t e r i a lf l o wc o o r d i n a t o r 等5 部分。其中与调度 密切相关的主要是a l p h a p l a n n e r , b e t a p l a n n e r ，m i d t e r ms c h e d u l i n g3 个模块。 a l p h a p l a n n e r 能够自动生产连铸计划，操作人员通过图形界面指导、分析和修 改计划，同时给专家提供增加和配置连铸规则的接口，b e t a p l a r m e r 能够自动产 生轧钢计划，m i d t e r ms c h e d u l i n g 则能够帮助生产各种钢材的加工序列。采用 a i s 的s t e e l p l a n n e r 套件的钢铁公司主要有：a h m s a ，b e t h l e h e ms t e e l ，b h p , c o r u s c s t , d d s ，d o f a s c o ，d u f e r c o ，r a u t a r u u l d d ，s i d e r a r , s t e l c o ，u s i n o r , v o e s t a l p h i n e c st d d s ，d o f a s c o ，d u f e r c o ，l h u t a r u u k k i ，s i “t a r , s t e l c o ，u s i n o r , v o e s t a l p h i n e 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 s t a h ll i n z ，w c i 等，我国的沙钢集团也有一条生产线准备采用该系统 1 4 1 。 美国爱荷华州v a nv o o r h i st 等人 1 5 】与h a r r i s o n 钢厂合作开发能够实现当 前调度自动化的软件，并通过估计浇铸调度关于下游工序的半成品库存水平， 设计一个整数规划模型使得总成本函数最小化。这个软件运用启发式算法找到 这个整数规划问题的多个解，每个解对应着可行调度。此系统能被扩展到其它 铸造厂。d a v i sj s t e v e 等人在工程中，采用一个人机交互的计算机图形方法来 对工作中心的调度的建立与修正1 1 6 。工件的调度通过g a n t t 图显示出来。工 件以带有颜色的横道表示，其长度表示j n t 与设置时间，如果一个工件紧跟另 一个相同颜色的工件，没有设置时间。用户能够通过拖拽人为地修正调度来操 纵工件，并能调用嵌入常规程序自动地重调度。此系统显示一定的质量测量和 其它地调度含义来辅助用户评价调度。这类采用人机交互的计算机图形方法较 为普遍。加利福尼亚伯克利大学的f u y u k i ，m 与i n o u e ，i 建立一个交互的j o b s h o p 调度实时支持系统【l ”。 法国i l o g 公司提供的s c h e d u l e r 模块可以解决生产中的调度问题。对钢铁 行业的特殊性问题能够提供良好的支持，可以提供各种优化算法的a p i 函数供 二次开发调用，并能提供钢铁行业方面的技术支持以协调开发。浦项的m e s 中的调度模块是在内嵌i l o g 产品基础上进行二次开发实现的l l “。 a s s a f r ，c h e nm 和k a t z b e r gj 针对于加拿大的一钢厂调度提出基于隐枚举 法的算法【”】，在可接受的时间内有效地解决实际调度问题，计算结果显示优 化调度比人工调度潜在的存储能力。 伯利恒钢铁集团的一个分厂b e t h f o r g e 是一个顾客定制的重型锻造厂。 d o s h i ，b h a v i nj 等人提出一个混合整数规划来描述炼钢调度问题，采用两级 局域搜索算法解决实际规模的调度问题【1 9 。澳大利亚b h p 钢铁公司开发了交 互调度和实时生产监控智能支持系统i s a 。其中该公司的钢铁涂层部s t i r l i n g ， d a 与y u e n ，w y d 2 0 1 介绍基于知识的专家系统，该系统对无锈钢管冷轧 提供了有效的调度。此系统综合有经验操作者的启发式知识和深奥的轧钢理论 和冶金领域的物理模型，提供原始的工厂计划调度，实时重调度并对后序工序 补救。 此外，美国1 2 、英国b r o n e r g r o u p 、德国s i m e n s 、日本n k k 等公司都有 相关的调度产品，并且已在钢铁行业有所应用。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 4本文的主要工作 本文以宝钢一炼钢生产调度为背景，并结合“宝钢一炼钢动态智能调度系 统”项目的系统开发和实践过程，分析炼钢连铸生产过程中动态调度的现状和 动态调度系统扰动种类及调整方法，并根据宝钢一炼钢厂动态调度的实际困 难，采用c b r 技术，提出两级案例推理来解决实际经验的知识化、系统化和 结构化表达、快速检索等问题，将c b r 技术与宝钢一炼钢的实际应用相结合， 应用于实践中。 因宝钢一炼钢的生产流程非常复杂，产生的动态扰动种类繁多，所以单 用c b r 技术还不足以解决所有的动态调度问题。本文引用c b r 技术和人机交 互界面相结合、计算机自动处理和人工操作相结合、局部调整与整体调整相结 合来解决宝钢炼钢厂可能出现的各种动态扰动情况。通过这些调整，很好地实 现了c b r 技术与动态调整在实践上结合的问题，明显改善了动态调度人员的 动态调整速度和效率。 本文对“宝钢一炼钢动态智能调度系统”中的动态调度系统进行设计与开 发，经过了需求分析、基本设计、详细设计、编码和测试等步骤，并成功应用 于宝钢一炼钢的实际生产中。并与现场调度相比较，大大缩短了动态调度的计 算时间和调整时间，减少了动态调度人员的工作量，提高了动态调度的实时性 和调整质量。 本文的意义在于研究如何把理论和实践很好地统一起来，让理论研究更好 地为实践服务。 东北大学硕士学位论文 第2 章炼钢连铸及其动态扰动分析 第2 章炼钢连铸及其动态扰动 分析 2 1 炼钢连铸生产背景 2 1 1 炼钢连铸工艺流程 钢铁生产是从铁矿石( 或废钢) 原料投入到钢材成品产出的过程，根据各个 工序间的紧密衔接程度，大致可以分为几个主要工序： 炼铁工序； 炼钢工序； 精炼工序； 连铸工序： 热轧工序； 精整工序。 铁矿石经过炼铁高炉处理生成高温铁水，与废钢一起投入转炉中冶炼，转 化成钢水。钢水经过模铸或连铸机固化冷却成钢锭、钢坯，间接或直接送到热 轧车间，轧制成各种规格的板卷。热轧产品可以作为成品直接出厂，也可以进 行精整形成满足客户要求的钢材产品。其中从炼钢工序到连铸工序是整个钢铁 生产流程的重要组成部分，由于其设备、产品种类繁多，造成炼钢连铸的生产 流程非常复杂，而且由于不同钢种所需用设备不同，存在多种生产流程。 炼钢连铸的生产工艺比较复杂，其精炼环节包括一次精炼、二重精炼、 三重精炼以及最多的四重精炼。此外转炉还有脱c 钢种和脱p 脱c 钢种的区 分，铸机有连铸和模铸的区分。 炼钢连铸主要流程如图2 1 所示。其中r h 、c a s 、k i p 与l f 为不同用途 的精炼设备名称，本文着重研究炼钢连铸这一主要流程中的动态调度问题， 例如： 怎样让转炉、精炼炉、铸机等设备在不发生时间冲突的前提下尽可 能地发挥生产能力，使钢水在钢包内停留的时间最短、功耗最少、 东北大学硕士学住论文第2 章炼钢连铸及其动态扰动分析 各道工序相连有序、物流顺畅，并确保连铸生产连续进行； 怎样在生产异常出现时最大限度地降低异常对炼钢生产、钢种及产 品所造成的影响； 怎样在温度降低时最快的利用空闲设备进行升温，以保证连铸的连 续浇铸，同时又尽可能少的影响其它的设备生产； 怎样在设备出现故障时，合理的选择替换的设备，在设备平衡能力 不变时，有效地使生产按照计划进行，若设备能力变化； 怎样进行调整使损失最少等。 这些都是本文所要考虑和解决的问题。 废钢帼 - 脱脱 一 磷 1 ， 碳 蝈 - ：始 转转稚 炉炉 橱 - 鬟 脱硫 钢 旧 - 连 铁水 双联法 包 铸 扒 叫! _ 咽 - 机 渣 一 常 帼帼 ， n 模 絮 叫! _ 悃 -注 废钢 炼 转 线 炉 一k i p i 一 ， = ：i 一 石 ，卜叶可i 卜 单联法 1 图2 1 炼钢一连铸生产流程 f i g 2 1p r o d u c t i o nf l o wf r o ms t e e lm a k i n gt oc o n t i n u o u sc a s t i n g 2 1 2 炼钢连铸调度现状 国内钢铁厂的生产调度大部分都采用人工经验和电话通讯等手段，以获取 有限信息进行事后的生产调度，因此无固定模式和较好的手段，更谈不上建立 调度模型和利用计算机建立调度模型系统来进行调度。 东北大学硕士学位论文第2 章炼钢连铸及其动态扰动分析 炼钢连铸设备包括转炉、精炼炉、连铸机等主体设备，同时具有众多的 钢包倾转台、钢包烘烤台、行车和台车等辅助设备。所以动态调度不仅要考虑 转炉、精炼炉、连铸机等主体设备的状态、路径选择和时，刻表的调整等问题， 还要考虑钢包、钢包烘烤位、台车、天车等辅助设各对动态调度的影响。 炼钢产品种类繁多、生产工艺复杂，其精炼过程包括一重、二重、三重甚 至四重精炼处理，转炉还有脱c 和脱p 脱c 两种方式。其动态调度的目标是 使这些设备在保证炼钢质量的前提下，尽可能地发挥生产能力，使钢水在钢包 内停留的时问最短、各道工序相连有序、物流顺畅，确保连铸生产连续进行， 并在生产出现异常时最大限度地降低异常造成的损失，提高钢水的利用率。 由于炼钢生产计划是由人工排定的，对计划在以后的执行效果没有一个直 观的、明确的认识，而且人脑的限制和调度水平不一，有些可以对计划趋势多 预测些，有些就只能少预测一些，由于很难判断编制出的出钢顺计划是否是 最优或是较优，也难以判断计划的问题在哪里，而只有等到计划执行后才发现 问题，再来进行大量的调整。这样容易造成物流堵塞或是设备闲置，严重时还 会造成钢水冻结、连铸断浇，严重影响生产、影响合同交货期。 鉴于上述原因，炼钢调度在排出钢顺计划时就不愿意多排，对计划采取走 一步看一步的做法，便于调整。否则计划排的越多，异常时调整的量就越大， 造成调度难于应付的被动局面。由于计划排的少，造成铁水与钢水的对应困难， 整个生产工序的准备也都处于被动状态，始终处于调整应付状态。 由于炼钢生产工艺复杂、环节多，影响生产的因素时刻都有可能发生，对 于这些影响生产、影响物流的因素一旦发生，如何去进行生产、物流调整、计 划调整等诸多调接，靠调度人员在短时间内综合考虑这些因素拿出方案也是较 困难的，由于调整不及时、不到位而影响生产、影响浇注、影响物流和设备。 虽然国内许多钢铁厂建立起炼钢连铸的计算机管理系统，这些计算机系 统的投入运行为炼钢连铸区域的生产管理提供较好的条件，但生产调度仍以 人工调度方法为主。而动态调度完全是凭调度人员的主观经验，按照不同的 生产异常状态提出不同的调整方法。如当钢水温度出现偏差时，凭经验确定是 否通过o b 升温，若是则选择升温的路径；当成份出现偏差时，需根据工艺要 求确定成份补偿的设备和时刻表；当时间出现偏差时，调整在某些工位上的处 理时间；当某些设备出现冲突或故障时，要重新选择钢水处理的工艺路径。而 某一炉次的动态调整以后还将影响静态计划甚至是其它炉次的执行状况，因此 还要对计划以及其它的炉次进行在线调整，确保生产的正常进行。 东北大学硕士学位论文 第2 章炼钢连铸及其动态扰动分析 更重要的是炼钢生产可能受诸多因素影响，导致在计划执行和生产调整 时，需要大量的计算求解的时间，需要处理巨大的信息量，特别是在动态条件 下，在有限的时间内靠人工方式加以解决，调度人员的工作量很大，同时没有 一个信息化的支持，没有直观的动态g a n t t 图显示画面，也为调度人员带来 很多不便。这些大量的计算依靠人工计算是远远跟不上炼钢生产的快节奏的。 只凭借经验值估算，到时再作不断地修正，这不符合企业信息化的要求。 随着钢铁生产的发展和用户需求的不断扩大，钢铁的生产管理面临着一 个十分严峻的问题，就是在不断提高产量的同时，如何不断提高质量、增加 品种，缩短交货周期，确保对用户产品质量和交货时刻的需求。为此就要求 在快节奏地生产组织下，如何保证铁水、钢水的成分、温度、时间都符合工 序的要求，如何保证各工序之间的物流平衡，如何保证设备能力的发挥、提 高作业率等，就成为炼钢调度当前迫切需要解决的问题。据此，动态调度系 统的信息化十分必要，而且它也是反映炼钢厂生产技术水平的一个重要标志。 如上所述钢铁生产调度物流纵横交叉，生产流程的调度问题在钢铁生产实 际中是非常复杂的。这使得人工调度方法很难适应将来的生产发展，迫切希望 研究和开发适合炼钢实际情况的动态调度系统，建立起冶金企业炼钢生产动态 调度的新模式，以求得设备能力的最大发挥，并随之提高钢铁企业的整体管理 水平和产品质量水平。 2 2动态调度扰动分析 2 2 1 动态调度扰动分类 在炼钢连铸生产过程中，动态调度要跟踪各个生产状态下的时间、温度、 钢种以及铸机的浇铸状况、设备运行状况等各种情况。根据生产过程中所跟踪 的信息，动态调度系统的扰动可分为： 时问类扰动； 改钢类扰动； 温度类扰动； 浇铸异常类扰动； 设备故障类扰动； 其它类扰动。 9 东北大学硕士学位论文第2 章 炼钢连铸及其动态扰动分析 而在每类扰动中，都包括不同的扰动情况。如时间类扰动，动态跟踪炼钢 流程可得到某个生产状态开始的实际时间，实际时间和计划时间相比较可得到 时间差值，由时间差值的大小判断时间类的不同扰动情况。设备故障类扰动则 分为转炉设备故障、精炼炉设备故障和连铸机设备故障等，如图2 2 所示，其 中r h 、c a s 、k i p 与l f 为不同用途的精炼设备名称。时间类扰动和温度类扰 动分别根据时间差值和温度差值的大小来识别的，其差值大小的不同结合扰动 产生状态环境的不同而产生多种多样的调整方法。 2 2 2 动态调度扰动及其处理分析 动态调度系统的扰动多种多样，对不同扰动的处理方法也是各不相同。下 面将结合炼钢连铸生产实际及生产中调度人员的丰富经验来具体分析动态调 度系统中的各种扰动以及其在不同情况下的处理方法。 ( 1 ) 时间类扰动 时间类扰动是由实际时间和计划时间的差值引起的，如图2 2 所示，其调 整方向主要是由时间差值所处的不同区间范围所决定的。在生产过程中，调度 人员积累了大量的对时间扰动处理的经验，例如；时间差值在区间 5 , 5 】内， 一般不进行调整，因为在生产实际中，炼钢工艺非常复杂，其动态调度不是严 格按照制定的计划执行的，而是允许生产过程中出现一定的偏差，不是进行频 繁地调整，这样也使时刻表和炼钢生产处于比较稳定的状态，保证生产的顺利 进行。 而如果时间差值超过规定的区间，进入区间( 1 0 ，+ 一) ，则说明实际的生产 过程已经偏离所制定的计划比较大的距离，为使生产实际与计划统一起来，需 要对所制定的计划时间进行调整，使其与实际生产的时间相符。而对生产来说， 因为其实际运行已经与其它工位的计划时间发生偏离，为保证连铸机的连续运 行，则需要调整其后续工位的时间，甚至对其进行改变钢种，换到其它的铸机 上进行浇铸。 因为调度人员在多年实际生产中总结了大量的经验，而这些经验是经受住 生产实际考验的，属于炼钢生产的宝贵财富，如表2 1 所列时间类扰动的调整 方向，因为其所列调整属于经验，不是一成不变的，故在表2 1 中对同类的时 间差值列出两个调整方向。 1 0 东北大学硕士学位论文 第2 章炼钢连铸及其动态扰动分析 图2 2 动态调度系统扰动分类 f i g 2 2d i s t u r b a n c e 耐p e so fd y n a m i cs c h e d u l i n gs y s t e m 表2 1 所列的调整方向中，改钢指改变钢种，改向指改变浇铸目的地，改钢改 向指要改变当前钢的钢种，而且要改变浇铸的铸机，例如从1 号铸机改变到2 号 铸机。不改钢不改向指不改变当前钢的钢种，也不改变浇铸的铸机。不改钢不改 东北大学硕士学位论文 第2 章炼钢连铸及其动态扰动分析 向顺延指不改变钢种、不改变铸机号，只是把时间顺序向后延长一段。 当然表2 ，1 所列的调整只是调整的方向，丽不是完全的调整方法，在调整方向 的基础上，要对时刻表进行具体地调整。如：不改钢不改向表明对当前炉不需要 改变钢种、不需要改变铸机号，而更具体地调整包括顺延、提前、等待等，提前 即表示在当前工位上顺序提前一段时间，指具体的调整方法，在调整方向之后的 具体调整。其它的类似，就不在赘述。 表2 1 时间扰动的调整方向 t a b l e 2 1a d j u s t m e n td i r e c t i o no ft i m ed i s t u r b a n c e 由上述调整可以看出，对于比较小的扰动，一般不进行大的调整，或者对时 刻表进行局部调整，或者干脆不调整；而对于比较大的调整，则需要改变当前钢 的钢种，甚至需要改变铸机号，使铸机不能连续浇铸。 ( 2 ) 温度类扰动 温度类扰动是由实际测量温度和目标温度之间的差值引起的，其调整方向是 由温度差值所在的区间所决定的。调度人员对温度调攘同样具有丰富的经验，如 温度差值在区间(