（系统工程专业论文）结晶器铜板电镀车间调度系统的研究与实现.pdf

摘要 摘要 近年来，随着信息技术的发展和生产敏捷性、快速性要求的提高，制造执 行系统( m e s ) 作为面向车间层的管理信息系统，在上层计划管理系统与底层工 业控制系统之间搭建了一座桥梁。车间调度系统作为m e s 系统的一个核心功能 模块，直接关系着企业的生产、经营和管理效率，它对于企业生产计划的执行、 反馈、控制起着至关重要的作用。因此，研究车间生产调度系统有着巨大的理 论价值和实用价值。 首先，论文基于离散制造业m e s 与生产调度系统的相关理论，构建了车间 生产调度系统作业排序、作业执行与控制、作业实时信息采集的三层功能模型。 其次，以宝钢机械厂连铸核心产品结晶器铜板电镀车间为背景，通过对结晶器 铜板电镀车间的需求分析，将其调度问题定位为不兼容类的差异工件批调度问 题，并改进了解决该类问题的e d d ( e a r l i e s td u ed a t e ) ，a t c ( a p p a r e n tt a r d i n e s s c o s t ) ，w s p t ( w e i g h t e ds h o r t e s tp r o c e s s i n gt i m e ) 等启发式调度算法。论文 用v c + + 6 o 编制算法仿真程序，以加权拖期总和( t o t a lw e i g h t e dt a r d i n e s s ) 作为调度性能目标，比较分析了三种算法在不同生产条件下的性能优劣。再次， 按照作业控制层的要求，通过采集铜板电镀作业过程中的实时信息，给出了相 应的动态调度策略，实现了结晶器铜板电镀过程的闭环控制。 最后，在上述研究的基础上，论文采用面向对象的建模方法对结晶器铜板 电镀车间进行可视化建模，设计实现了宝钢机械厂结晶器铜板电镀车间调度系 统。该系统有着友好的人机界面，优化了结晶器铜板电镀的作业排序，提高了 企业的排程效率，并实现了企业对结晶器铜板电镀加工过程的监控与追踪。 关键词：生产调度系统，结晶器铜板，不兼容类，差异工件，批调度 a b s t r a e t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，、加t l lt h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h er e q u e s t o fa g i l ea n dr a p i dp r o d u c t i o n , 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 ) ，w h i c hi sa m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mf o rt h ej o b s h o pl a y e r ，b e c o m e sab r i d g eb e t w e e n t h eu p p e rl a y e ro fp l a nm a n a g e m e n ta n dt h eg r o u n df l o o rl a y e ro fi n d u s t r i a lc o n t r o li n e n t e r p r i s e a n dt h ej o b s h o ps c h e d u l i n gi st h ec o r em o d u l eo fm e s ，w h i c hd i r e c t l y a f f e c t se f f i c i e n c y , o p e r a t i o na n dm a n a g e m e n ti np r o d u c t i o n e f f e c t i v es c h e d u l i n g m e t h o dc a l li m p r o v eb e n e f i ta n dr e d u c ec o s t ，t h e r e b ye n h a n c et h ec o m p e t i t i v e a d v a n t a g eo f t h ee n t e r p r i s e t h u s ，t h er e s e a r c ho nt h ej o b s h o ps c h e d u l i n gp r o b l e mi s o fg r e a tv a l u eb o mi nt h e o r ya n dp r a c t i c e f i r s t ，t h ep a p e ra n a l y z e st h er e l a t e dm e st h e o r yo fd i s c r e t ee n t e r p r i s ea n d j o b s h o ps c h e d u l i n gt h e o r y , a n dc o n s t r u c t st h et h r e el a y e r so fs c h e d u l i n gm o d e 嘶吐l p r o d u c t i o na r r a n g e m e n t , p r o d u c t i o nc o n t r o la n dp r o d u c t i o ni n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n s e c o n d ，b a s e do i lt h eb a c k g r o u n do ft h ep r o d u c t i o ns i t u a t i o na n ds c h e d u l i n gp r o b l e m e x i s t i n gi nt h em o u l dc o p p e rp l a t i n gp r o c e s so fb a o s t e mm a c h i n ef a c t o r y , t h em o u l d c o p p e rs c h e d u l i n gp r o b l e mi s l o c a t e d 船t h eb a t c h s c h e d u l i n gp r o b l e mo f i n c o m p a t i b l ej o bf a m i l i e sw i t hn o n - i d e n t i c a lj o bs i z e s n l ei m p r o v e de d d ，a t c ，a n d w s p th e u r i s t i ca l g o r i t h m sa r ep u t t e df o r w a r d t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n tf o r m i n i n l i z i 】唱t o t a lw e i g h e dt a r d i n e s s i s d e s i g n e da n dt h e s i m u l a t i o ns y s t e mi s c o n s t r u c t e df o rc o m p a r i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h et h r e ea l g o r i t h m s w h a t sm o l e ， a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to fp r o d u c t i o nc o n t r o ll a y e r , t h ep a p e rp r o p o s e st h er e l a t e d d y n a m i cs c h e d u l i n gs t r a t e g i e sw h i c hf o r m e dt h ec l o s e d l o o pc o n t r o li np r o d u c t i o n f i n a l l y , b a s e dt h er e s e a r c ha b o v e ，w ed e s i g nt h ep r o d u c t i o ns y s t e mb ym e a n so ft h e o b j e c t - o r i e n t e dm e t h o d t h es y s t e mh a sg o o dm a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，o p t i m i z e dt h e p r o d u c t i o na r r a n g e m e n to ft h em o u l dc o p p e r ，a n de n h a n c e se n t e r p r i s es c h e d u l i n g e f f i c i e n c ya n dp r o d u c t i o ns u p e r v i s i o na n dt r a c i n g k e yw o r d s ：p r o d u c t i o ns c h e d u l i n gs y s t e m ，m o u l dc o p p e r ，i n c o m p a t i b l ef a m i l i e s ， n o n i d e n t i c a lj o bs i z e s ，b a t c hs c h e d u l i n g i l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本。学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文。学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务。学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名- 1 岛压。义 1 年月占e t 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。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创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 一 麓瀣成 年多月卢e t 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 结晶器铜板调度问题概述 1 钢铁冶炼中的连铸核心设备。 钢铁工业是原材料工业，是国民经济发展的基础性工业，钢铁产品广泛应 用于各个行业，它的发展直接关系到国民经济的整体发展。钢铁产品数量、质 量和生产技术己以成为衡量一个国家工业水平的得要指标。 2 0 世纪下半叶以来，世界钢铁工业的技术面貌发生了革命性的变化，突出 的贡献之一就是连续铸钢技术的工业化，基本取代了钢锭模铸钢、初轧机开坯 的第一代钢液成型技术，不但可以提高成材率8 0 * - ! - 1 0 0 , 4 ，节约能源2 5 5 0 ，而 且使从炼钢到轧制成型材的工艺生产连续化成为可能。目前，连铸比高低已经 是钢铁工业重要的技术水平指标。 连铸( c o n t i n u o u sc a s t i n g ) 是指使钢水连续不断地通过水冷结晶器，凝成硬壳 后从结晶器下方出口连续拉出，经喷水冷却全部凝固后切成坯料的铸造工艺， 和通常的钢锭浇铸相比它具有增加金属收得率，节约能源，提高铸坯质量， 便于实现机械化、自动化等优点。连续坯产量与整个钢产量的百分比反映了一 个国家炼钢工艺的先进水平。连铸比的提高己受到国内外的广泛重视。 连铸设备主要由钢包、中间包、结晶器( 一次冷却) 、结晶器振动装置、二次 冷却和铸坯导向装置、拉坯矫直装置、切割装置、出坯装置等部分组成l lj 。结晶 器是连续铸钢中的铸坯成型设备，也是连铸机核心设备之一。过热的钢水由中 间包进入结晶器，在结晶器内通过器壁的传热，使得钢水的温度下降，并部分 达到凝固温度，在结晶器壁附近形成坯壳。 2 结晶器铜板的结构与修复工序。 结晶器由两块宽面方形铜板( 图中对称的内弧板与外弧板) 和两块窄面方形 铜板组合而成的长方体中空管以及安装在长方体管外部的冷却水箱组成f 2 1 。结晶 器的中空管结构见图1 1 。外弧板上开有水槽，外部水箱里的冷却水流入水槽进 行循环将高温钢水冷却形成钢坯。长方体管的内侧镀有一定厚度的电镀层( 如 第1 章绪论 n i ，n i - c o c o - n i 等) ，结晶器使用过一段时间后，内部铜板表面的镀层就会磨 损，需要将结晶器拆解成两长边、两短边四块铜板重新在电镀池中电镀修复。 图l2 是结晶器长方体管展开后的四块铜板位置图。 图l _ l 不带水蓿的结晶器铜板结构圈 圈围困 图12 结晶器内管展开简化模型 结晶器铜板的修复工序如图1 3 所示将待修复的结晶器内管拆分为两块长 边铜板( 宽面铜板) 和两块短边铜板( 窄面铜板) ，分别为每块铜板制定修复工 艺。按照加工设备的功能，主要分为两大工作中心：机加中心( 机加车间) 和 表面中心( 电镀车间与热处理车间) 。其中，表面中心负责铜板的电镀和热处理， 机加中心负责铜板电镀前后电镀层的整平、去剌等处理，机加中心的机床设备 属于通用设备，当其产能不足时，可以外协。而电镀工序耗时约2 7 天，占用 大部分的铜板修复时间，并且，根据工人的经验和设备负荷率历史数据表面 中心的电镀槽是结晶器铜板修复的瓶颈设备，电镀工序就成为制约生产效率的 瓶颈工序。 第1 章绪论 d 瓶颈工序 图1 3 结晶器铜板生产线的瓶颈工序示意图 3 结晶器铜板生产调度的研究方法。 任何系统都存在一个或多个约束条件 3 1 ，约束因素分为内部( 如生产线上效率 最低的机器) 和外部( 如定单不足) 两类。瓶颈指实际生产能力小于生产负荷的一 切资源。它是系统内部制约产销率的约束因素。瓶颈可能是一台机器，也可能 是缺乏高技能的工人，或是缺乏专业化的工具。实践表明大部分工厂只有为数 极少的瓶颈作业。而瓶颈和约束因素的概念是t o c 理论的核心。 根据约束理论( t o c ，t h e o r yo fc o n s t r a i n t s ) 1 3 4 1 ，瓶颈资源的利用率应达到 1 0 0 ，瓶颈环节应该被调整到最优程度。当一个“瓶颈一被确定以后，该瓶颈就 成为系统中的一个控制点。控制点被称为鼓，因为它决定了系统的其余部分( 或是 它所能影响的部分) 发挥作用的节奏。用瓶颈作为一个控制点的原因是确保其上 游作业工序不过量生产，可以预防瓶颈不能处理过量的在制品而增加库存成本。 因此，对企业的生产计划排程可以采用基于瓶颈工序的前向拉动式和后向推动 式的排程方法1 5 j 。 将t o c 理论应用到结晶器铜板的生产调度问题，那么，结晶器铜板生产的瓶 颈工序一电镀工序就成为排序优化的重点。先把铜板在电镀槽内的电镀计划排 定后，再根据电镀工序的前向工序和后向工序加工时间、转运时间等工艺信息 向前、向后推算出铜板其他工序的生产计划，最后就可以排出铜板的整体生产 计划。图1 4 是基于瓶颈工序的结晶器铜板调度方法示意图。 由于论文篇幅和作者精力的限制，本文着重研究结晶器铜板电镀工序的排 序优化方法，以及建立结晶器铜板电镀车间的调度系统。 第1 章绪论 1 2 生产调度理论概述 1 2 1 调度问题的描述 图1 4 基于瓶颈工序的排程方法 调度问题是指作业或任务如何占用有限资源的决策过程【6 】，其目标是使某一 函数最优，而目标函数通常是对加工时间的长短、资源利用率的描述。调度问 题是一类重要的组合优化问题。本文研究机器调度问题，是指如何分配工件( 作 业) 在机器上进行加工处理，以使某一目标函数最优。工件( 作业) 在机器上加工 时可能需要满足一定约束条件，如工件的到达时间、工件的加工顺序、工件加 工时是否允许抢占、机器对工件加工时间的影响等等。 为便于叙述，本文使用通用的三元组符号口f l v 来描述调度问题的类型， 即从机器、工件和目标函数三个要素来描述调度问题。 ( 1 ) 、口域表示机器的数量、类型和环境，主要有： l ( s i n 西ep r o c e s s o r ) - 指只有一台机器，此类问题成为单机问题。 p ( i d e n t i c a lp a r a l l e lp r o c e s s o r s ，同速机) ：指所有的机器都具有相同的速度； q ( u n i f o r mp a r a l l e lp r o c e s s o r s ，恒速机) ：指机器的速度不同，但每个机器的 速度都是常数，不依赖于被加工的工件； r ( u n r e l a t e dp a r a l l e lp r o c e s s o r s ，变速机) ：指机器的速度依赖于被加工的工 件。 尸、q 、尺类机器统称为平行机，记机器的数量为m ，则上述三类平行机 问题依次表示为尸所、q m 、r m 。 f ( f l o ws h o p 机器模型，流水作业) ：指工件需要在所有机器上加工，且每 个工件在所有机器上的加工序列相同： j ( j o bs h o p 机器模型，异序作业) ：指工件需要在所有机器上加工，且每个 工件有自己的加工序列； 4 第1 章绪论 o ( o p e ns h o p 机器模型，自由作业) ：指作业需要在所有机器上加工，而每个 工件在所有机器上的加工序列可以任意； 记机器的数量为m ，则上述三类车间调度问题依次表示为f m 、j m 、o m ( 2 ) 、域表示工件的性质、加工要求和对加工的限制等约束条件，它可同 时包含多项，也可为空，如，、p m t n 、p r m u 分别表示工件有到达时间、工件加 工时允许中断、车间调度中工件按排列方式加工。 ( 3 ) 、l ，域表示目标函数。常见的目标函数有：制造跨度( m a k e s p a n ) c 懈、加 权完工时间和_ q ，最大延误螂、拖期任务数、拖期时间羔乃、加权拖 期总值w ，i 等。本论文仅研究目标函数为加权拖期总值的调度问题，这类也 i = 1 是实际生产生活中常见的一类问题。 1 2 2 调度问题的分类 调度问题有经典调度( c l a s s i c a ls c h e d u l i n g ) 和现代调度( m o d e ms c h e d u l i n g ) 之 分。根据e l a w l e r 等1 9 9 3 年的观点【7 】，经典调度问题有如下四个基本假设： ( 1 ) 资源的类型：一台机器在任何时刻最多只能加工一个工件，一个工件在 任何时刻最多只能被一台机器加工。 ( 2 ) 确定性：调度问题的一个实例所需的任何输人参数都是事先知道的、完 全确定的。 ( 3 ) 可运算性：经典调度是在可以运算的程度上研究调度问题，而不去顾及 诸如如何确定工件的交货期、如何购置机器和设备等技术上可能发生的问题。 ( 4 ) 单目标和正则性：经典调度假设调度的目标是使衡量排序算法好坏的一 个一维目标函数的函数值最优，此目标函数是任何工件完工时间的非减函数( 称 为正则函数) 。 唐国春等在其著作现代排序论里【3 】，详细介绍了发展较为完备的1 0 种现 代调度模型，其中成组分批调度( s c h e d u l i n gw i t l lb a t c h i n gl o t s i z i n g ) 、同时加工调 度( b a t c hs c h e d u l i n g ) 、不同时开工调度( s c h e d u l i n g 、i t hn o ns i m u l t a n e o u sm a c h i n e a v a i l a b l et i m e ) 和资源受限调度( s o u r c ec o n s t r a i n ts c h e d u l i n g ) 打破了假设( 1 ) 的限制； 第1 章绪论 可控调度( c o n t r o l l a b l es c h e d u l i n g ) 、随机调度( s t o c h a s t i cs c h e d u l i n g ) 、模糊调度 ( f u z z ys c h e d u l i n g ) 和在线调度( o n l i n es c h e d u l i n g ) 打破了假设( 2 ) 的限制；多目标调 度( m u l t i c r i t e r i as c h e d u l i n g ) 、准时调度( j s ts c h e d u l i n g ) 和窗时调度( d u ew i n d o w s s c h e d u l i n g ) 打破了假设( 4 ) 的限制。 1 2 3 现代调度问题中的差异工件批调度问题 批调度( b a t c hs c h e d u l i n g ) i 口- 题是重要的一类现代调度问题，它打破了经典调 度问题假设( 1 ) 的限制，即一台机器可以同时加工多个工件而非仅仅一个工件。 w e b s t e r 和b a k e r 区分了三类批调度 9 1 ：( 1 ) b u m i n l i t l 0 1 ，一个批次的加工时间等于 该批次中所有工件的加工时间的最大者，又称为平行分批调度；( 2 ) s u m t l l 】型，一 个批次的加工时间等于该批次中所有工件的加工时间之和，并且当一个新批开 始时，有一个安装时间s ，此类问题又称为继列分批调度问题；( 3 ) c o n s t a n t i l 2 】型， 一个批次的加工时间是一个常数，与该批次中所包含的工件无关。 b u r n - i n 型，这一类问题起源于大规模集成电路生产过程中的燃烧操作调度问 题。集成电路生产的最后一个阶段是燃烧操作，将芯片放在板子上然后放入烤 箱烘烤，烘烤过程中出现问题的芯片就被淘汰。每个芯片有一个预定的燃烧时 间，经受住这段时间烘烤的芯片被视作合格产品。芯片的燃烧时间与它的类型 和( 或) 客户的要求有关。由于芯片在烤箱中的停留时间可以大于它的燃烧时间， 因此可将不同的产品作为一批同时放入烤箱进行烘烤。这样，一个批次的加工 时间就是该批次中所有产品的燃烧时间的最大者。将烤箱视为批机器，燃烧操 作调度问题就是将所有的单个工件进行分批，然后在机器上安排加工，使得某 个目标函数最优。 批调度问题又可区分为工件具有相同尺寸和工件具有不同尺寸两类问题。 在第一类问题中，工件没有大小之分，机器的容量定义为可同时加工工件的个 数；如相同类型的集成电路生产过程中的燃烧操作等。在第二类问题中，每个 工件有其特定的容量需求，同一批中工件的总尺寸不能超过批的容量限制，因 此，包含在每一批中的工件个数可能不同，如不同种类集成电路生产过程中的 燃烧操作、金属加工业的热处理工序等。 从工件尺寸的角度来讲，第一类问题可以称为同类工件的批调度问题，而 第二类问题称为差异工件的批调度问题。 6 第l 章绪论 差异工件批调度问题的例子还有很多，另外还有陶瓷烧制、港口货物装卸、 汽车货运等，它更贴近实际生产生活中的问题。目前，关于第一类问题已有相 当多的文献研究，而在差异工件批调度问题上的研究较少。 批调度问题要远远复杂于经典调度问题，它可以看作是由分批和批加工两 个子问题组成的。分批子问题即是在满足批容量约束的前提下把工件分为多个 批次；批加工子问题是在工件分批后，安排这些批在机器上加工，此时可以把 一个批看作一个工件，这样，第二个子问题即是经典调度问题( 与经典调度不同 的是，这里批的加工时间是不确定的，它由第一个子问题的解给出) 。而差异工 件批调度问题的研究具有重要的理论经济价值。它进一步扩展了经典调度理论， 在经典调度的基础上结合了空间约束，提供了新的研究方向。而且，它有着广 泛的实际应用背景，如在芯片集成制造系统中，生产调度决策好坏直接决定了 半导体芯片工业的效率和对客户需求的响应速度，并且该工业在整个经济发展 中扮演了重要角色，而预烧工序通常又是半导体制造企业进行有效生产调度的 关键之一。这是因为预烧工序相对于其它工序，它的加工时间特别长，并且它 发生在制造过程的末端，几乎没有可能通过后续工序的挖潜来补偿预烧工序的 延迟，因此该工序对按期交货有直接影响。而且相对于其它的制造业来说，半 导体制业的设备费用十分昂贵，因此资源有效使用就显得更为关键。同样在电 镀行业中，钢铁连铸线核心部件结晶器铜板制造、修复的电镀工序属于关键工 序，铜板电镀工序需要2 7 天时间，占用了铜板制造或修复的大部分生产时间。 该工序用到的设备一电镀槽属于瓶颈资源，制约着铜板的整体生产效率。在结 晶器铜板电镀调度时，需要将不同尺寸但具有相同电镀时间的铜板一并放在电 镀槽内进行电镀，同时要满足放入的铜板尺寸之和不超出镀槽的总长度限制， 电镀槽作为批处理机，结晶器铜板的调度问题就是将所有铜板分批，并安排各 批次的加工顺序，达到某个调度目标函数最优。 1 2 4 差异工件批调度问题研究现状 差异工件批调度问题中的工件不仅具有加工时间的约束条件，而且具有工件 大小不同的空间约束条件，它是批调度问题的扩展，因此，比求解批调度问题 更加困难。 与经典调度和批调度问题相比，差异工件批调度问题的相关研究相当少 7 第1 章绪论 1 3 h 1 9 1 。针对问题1 ( b ) fs ，l c ，u z s o y f l 3 1 证明了它是强n p ! 难的，并提出了几 个启发式算法；g h a z v i n i 乘l d u p o n t t l 4 】给出了两个新的启发式算法。针对问题l ( b ) i s ，ic 一，u z s o y 1 3 】也证明了它是强n p 难的，并根据装箱问题的f i r s t - f i t 0 5 1 启发 式规则给出了几个启发式规则算法，其中，f f l p t 的性能最好，但并未对这些算 法进行最差性能分析；d u p o n tl 【1 6 l 等给出了另外的两个启发式算法b f l p t 和 s k p ( s u c c e s s i v ek n a p s a c kp r o b l e m ) ，b f l p t 的性能要优于f f l p t ：d u p o n t 和 f l i p o t l 7 1 提出了该问题的一个分枝定界算法；m e l o u k 1 8 1 和d a m o d a r a n ，p 1 9 1 分别 利用模拟退火算法( s a ) 和遗传算法( g a ) 求解了此问题，但只与求解线性规划的 商业软件c p l e x 作了比较，未与具有较好性能的f f l p t 和b f l p t 启发式规则算 法作比较。 1 3 课题研究的背景 1 3 1 宝钢机械厂企业简介 宝钢机械厂是宝钢集团设备维修与备件制造中心【2 0 】，工厂固定资产原值4 4 亿元人民币，拥有包括国j f 弓i 进具有世界先进水平的j p 8 0 0 0 、i p 5 0 0 0 超音速喷涂 设备，等离子喷涂、电弧喷涂设备以及数控镗铣床、加工中心、数控龙门铣和 结晶器铜板电镀生产线、自动堆焊设备等6 0 0 多台( 组) 各类设备。 宝钢机械厂下设制造中心( 机加、装配) 、铆焊、表面工程技术中心( 喷焊、 热处理、电镀) 、下料间等生产车间和管理创新室、经营室、生产室、技术质量 室、设备管理室、测绘室、财务室等职能部门。 工厂以喷涂堆焊辊、结晶器、高精度轴承座、连铸设备备件、钢带卷曲取 机及滚筒法钢渣处理设备为核心的六大类主导产品。以电镀、喷涂、堆焊为代 表的表面技术、精密加工技术、在线加工修复技术三大类核心技术，已处于国 内领先、国际先进水平。 宝钢机械厂是典型的中型离散制造企业，业务综合度高，同时具备机械产 品制造、设备备件修复、生产线设备运行点检维护等业务形态。其中产品制造 及备件修复是以多品种、小批量为特点，混合按订单生产、预投计划生产、应 8 第1 章绪论 急抢修相交错的复杂生产模式。 1 3 2 宝钢机械厂m e s 项目简介 在过去的一两年里，宝钢机械厂以o r a c l ee b s 套件为基础建立了一个统 一的企业管理创新平台( e r p ) ，通过规范流程、统一数据，并进一步达到决策 智能化，实现管理提升的目标。但在车间层面，生产作业现场会产生大量实时 的有用数据，当前生产现场的数据主要依靠生产现场的作业人员进行收集，由 于生产现场作业人员身兼生产与收集数据两职，采用这种人工收集的方式，不 仅输入速度慢，而且出错率高，并且不能及时地反映出生产过程的实际情况， 使得管理者对生产进度，资源使用情况，实际工时等信息不能及时准确把握， 影响了e r p 系统效能的发挥。 为了弥补e r p 系统现场管理的不足，宝钢机械厂计划通过实施m e s 项目，项 目将以连铸结晶器铜板的制造、用户现场使用及返回修复过程的精细化管理为 主，实现在车间执行层面实现对铜板物流的规范化管理，铜板生产计划与调度 的优化。通过m e s 架起连接上层e r p 与底层设备与操作层的桥梁，从而弥补e r p 的不足、实现对车间层的精细化管理。 1 3 3 宝钢机械厂结晶器铜板生产调度问题 宝钢机械厂目前核心产品结晶器铜板生产调度方面存在一些问题：e r p 层面 的计划排程只是基于车间无限产能的订单简单拆分，还不能满足铜板基于车间 有限能力的调度排程。其中主要的问题是： 1 电镀排程效率低。 车间计划调度人员依靠经验，采用手工的方式对到达工厂修复的铜板进行 排程，结晶器铜板来源于众多不同的客户，宝钢内部有i c c ，2 c c ，3 c c 等连铸 生产线，宝钢外部有梅山钢铁，马钢，鞍钢等大大小小的钢厂。待修复铜板品种 多、批量小、插单频繁等生产特点，当紧急插单、设备故障的情况出现时，就 需要对调度方案作出修正，采用手工排程的方式就要投入较大的工作量，从而 影响了车间作业的执行效率。 2 电镀排程结果优化程度有待提高。 9 第1 章绪论 缺乏调度优化软件的指导，调度结果就很难做到精细化与准确化，导致瓶 颈环节电镀槽利用率波动太大，有时会出现电镀待电镀铜板的过多堆压，增加 了企业的库存成本。 另外一个问题就是待电镀结晶器铜板的“拼槽”优化不到位。所谓“拼槽”， 就是指将长短不一、具有相同电镀层种类且电镀时间近似相等的铜板按照工艺 约束放在同一个电镀槽内进行同时加工，另外要保证放入铜板的尺寸之和不能 超出电镀槽的总长度，如图1 5 所示。“拼槽”的目的就是让电镀槽的利用率尽可 能的最大化。“拼槽 的计算量太大，单纯依靠手工方式，计划调度员就要花费 过多的时间与精力，所以企业很少考虑“拼槽 方案的优化。 圈圆圈圈圈 h - _ - - _ - _ _ - 一l l - _ _ _ _ _ _ 一l _ - _ _ _ - 一、- _ 一l l _ 一 i 俯视；俯视i 俯视；俯视 俯视 n i 电镀槽c o - n i e g 镀槽 图1 5 结晶器铜板电镀工序“拼槽“示意图 3 对结晶器铜板生产与修复的控制能力不足。 因为修复或新制的铜板数量过大，即使是有经验的计划调度员，也只是短 期的调度能力强而长期的分析能力不足。对于设备、人工等资源与需求的匹配 做不到准确分析，工厂常常因为调度方案不合理而造成交货延期，进而影响企 业的销售计划。因为对未来的计划不能精确预测，工厂的采购计划也往往是粗 略的，这就会造成库存积压，增加了库存成本。客户有时候需要追踪订单产品 的生产进度，没有调度系统的支撑，经营人员查询起来也不方便，进而影响了 企业客户关系的稳定性。 在车间层面，建立一个可靠实用的结晶器铜板车间计划调度系统就成了 m e s 项目的一个重点。 l o 第1 章绪论 1 4 课题研究的目的与意义 结晶器铜板电镀调度问题的本质问题属于差异工件批调度问题。目前，差 异工件批调度问题主要运用在半导体行业内，而在电镀行业却很少甚至几乎没 有运用。本课题以宝钢机械厂结晶器铜板电镀车间的调度问题为背景，研究差 异工件批调度问题的关键算法，并构建基于m e s 的结晶器铜板电镀车间调度系 统，针对宝钢机械厂在结晶器铜板调度方面的问题与需求，生成铜板电镀调度 的优化方案。 借此课题，希望企业的核心产品结晶器铜板调度能在以下几个方面得到改 善： 1 提高结晶器铜板的电镀调度效率。 通过系统的自动排程，较之之前的人工排程，能极大缩减调度方案的生成 时间，同时也容易实现调度方案的调整和修改。当有临时插单、设备故障等不 确定因素发生时，调度系统可以在较短的时间内给出重调度方案，保障了企业 的生产秩序，提升了企业的快速应变能力。 2 优化铜板生产调度性能指标。 结晶器铜板的生产模式是多品种、小批量、订单驱动的，生产工艺复杂， 机床生产资源多为通用，尤其是电镀槽关键资源利用比较紧张。把调度优化算 法嵌入到系统内核，通过在时间上优化铜板的加工顺序，尽量保证铜板在与客 户约定的交货期内完工，实在因为瓶颈资源紧张不能准时交货，要尽量保证企 业较为重要的客户订单较早完成。在保证交货期的同时，进一步优化铜板的总 制造时间跨度等其它调度性能指标。另外，在空间上能够做到长短不一的铜板 “拼槽 ，实现瓶颈资源电镀槽的利用率最大化。 3 提升企业对铜板生产的控制能力。 经营部门也可以通过系统查询车间的电镀槽设备生产能力，来决定销售订 单的接收数量和交货承诺日期。客户方面，也能及时了解到自身订单产品的加 工过程信息和加工进度信息。 4 节约企业生产成本。 信息化系统的实施有助于增强结晶器铜板制造与修复的自动化程度，缩减 繁琐的人工操作环节，在优化企业生产流程的同时，也节约了人力资源成本和 第1 章绪论 车间管理成本。 1 5 研究内容及章节安排 本论文共分为六章叙述。论文内容主要作如下的安排： 第一章：绪论部分，概述结晶器铜板的调度问题与生产调度理论，介绍课 题的背景以及研究意义。 第二章：介绍基于m e s 的生产调度系统，重点阐述m e s 框架下车间生产调 度系统的功能层次，为结晶器铜板电镀调度原型系统的构建提供理论支撑。 第三章：主要对不兼容类的差异工件批调度问题进行剖析。包括该类调度 问题的描述、常用的调度性能指标以及用数学语言对该问题进行建模。本章为 下一章不兼容类差异工件批调度算法的实现奠定基础。 第四章：主要研究不兼容类的差异工件批调度算法。分析解决不兼容类差 异工件批调度问题的研究方法与实现步骤，形成解决差异工件多机批调度问题 的系列算法，并编制仿真系统对各种算法进行仿真与性能评价。 第五章：详细介绍以不兼容类差异工件批调度算法为核心的结晶器铜板电 镀车间调度系统的构建方案。主要包括生产模型构建、系统的主要功能模块设 计、系统开发技术简介、主要功能的实现机制、系统实际应用效果评价五个部 分。 。 第六章：是对论文及研究开发工作的总结，以及对系统将来工作的展望。 1 2 第2 章基于m e s 的车间生产调度系统整体分析 第2 章面向m e s 的车间生产调度系统整体分析 研究车间生产调度系统，离不开制造执行系统( m e s ) 。生产调度模块作为 m e s 的一个重要功能模块，是企业产品生产环节中的核心，它在很大程度上决 定企业的生产效率和生产效益。另外，生产调度功能的体现也离不开m e s 其他 功能模块的支撑，产品质量管理的好坏、生产实时数据的反馈、设备状态的变 动，关系着企业产品生产调度计划执行的连续性与准确性。 本章在阐述离散制造业m e s 的基础上，分析车间生产调度系统与m e s 系统 的关系，将m e s 框架下的车间生产调度系统划分为三个功能层次：作业排序层， 作业执行与控制层，作业实时信息采集层。 2 1 离散制造业企业m e s 概述 2 1 1 离散型制造企业的生产特点踟 制造业按其产品制造工艺过程的特点，通常将制造业分成3 种类型：连续型制 造业离散型制造业和介于两者之间的混合企业。离散型制造业的产品往往由多 个零件经过一系列并不连续的工序的加工最终装配而成，它主要包括机械、电 子、航空、造船、车辆等。 随着市场竞争的加剧，企业的生产正朝着多品种、小批量方向发展。在离 散型制造企业尤其是机械行业，生产的产品品种多、批量小，并且绝大部分是 按订单进行生产，因此具有以下特点： ( 1 ) 订单的随机性。企业在计划期内的订单是事先无法确定的，只能按照 随机到达的订单逐项进行作业计划安排，工作难度大，计划的及时性、应变性 j l ( 2 ) 生产的动态多变性。由于品种杂而多变，产品的生产过程和工艺路线 就相差很大，而且生产过程不稳定因素多，使得生产计划的制订与生产任务的 管理工作繁重。 ( 3 ) 生产的不均衡性。由于离散型生产任务来自于客户韵订单，其不确定 性决定了任务本身相应的生产负荷是不均衡的；同时多品种的工艺路线各不相 第2 章基于m e s 的车间生产调度系统整体分析 同，完工时间以及交货期参差不齐，使得生产任务无法在时间上进行均衡地分 派。 ( 4 ) 作业计划以及调度排产的复杂性。实际的生产过程存在着各种随机扰 动，是一个动态过程，致使车间层的调度能力薄弱，制约着计划和控制的统一。 2 1 2 离散型制造企业m e s 的概念 2 l 世纪的制造业面临着日益激烈的国际竞争，许多企业通过实施m r p ，e r p 来加强管理，这些管理信息系统强调的是企业的计划性，以生产能力、客户订 单和市场需求为计划源头，力求充分利用企业内的各种资源、降低库存、提高 企业的整体运作效率。同时位于底层车间进行生产控制的是以先进控制、操作 优化为代表的过程控制技术( p c s ) ，它强调的是设备的控制通过控制优化， 减少人为因素的影响，提高产品的质量与系统的运行效率。但两者之间却忽略 了有效的配合，导致企业上层经营管理缺乏有效的实时信息支持、下层控制环 节缺乏优化的调度与协调。 这种计划、控制与调度三者分开的形式造成企业级计划管理与车间级生产 管理严重脱节，产生信息孤岛与断层现象。例如，工厂内的生产调度、工艺管 理、质量管理、设备维护、物料管理、过程控制等系统之间相互独立、缺乏数 据共享，从而导致了功能重叠和数据矛盾。企业级计划管理系统无法得到及时 准确的生产实绩信息，无法把握生产现场的真实情况，而生产现场人员与设备 也得不到切实可行的生产计划与生产指示。这一系列问题都成为制约制造自动 化和信息化进一步集成的瓶颈，为此，将经营计划与制造过程统一起来的制造 执行系统( m e s ) 应运而生。 2 1 3 离散型制造企业m e s 体系与功能定位嘲嘲 参照a m r _ 三层企业集成模型，可以建立多品种小批量生产企业信息化的三 层结构模型。基于m e s 的管理系统的体系结构如图所示( m e s 为虚线框所表示 的部分) ，它针对多品种小批量生产企业的特点，明确了m e s 在信息化体系中 的位置，并突出了生产计划和调度体系的作用。模型中各个层次的特点如下： ( 1 ) 计划层。如m i 冲i i 系统，强调计划的执行。主要处理销售订单管理、库 存控制、应收账、应付账管理、采购管理等事务。由它产生主生产计划( m p s ) 、 1 4 第2 章基于m e s 的车间生产调度系统整体分析 物料需求计划q , , t r p ) 以及许多其它的文档，包括车间生产所需的加工单等。主生 产计划决定在什么时间生产什么产品以及生产多少。物料需求计划决定在什么 时间需要什么样的零部件和原料以及需要数量，并形成采购计划和生产计划。 根据生产计划，初步确定车间作业计划，确定在什么时间，使用何种设备和资 源，加工完成什么零部件及加工批量等。 ( 2 ) m e s ( 制造执行系统) 层。包括生产作业计划、生产调度、设备管理、质 量管理、物料跟踪、工艺管理、数据管理、数据分析等功能模块。管理的重点 是产品生产的执行过程，对产品的制造过程进行跟踪，平衡整体的生产能力并 且在计划层和控制层之间进行双向传递信息。m e s 层的计划系统基于工厂内的 详细状况，对产品交货期、生产工艺限制、生产顺序优化等进行综合考虑，制 定生产作业计划，进行动态生产调度。 ( 3 ) 控制层。强调设备的控制，主要包括：处理来自执行层的信息；根据车 间现有状态及来自执行层的信息，实施控制生产过程；实施监控车间状态，并 将生产过程中的动态数据和状态信息实时反馈给执行层。m e s 与上下层的信息 交互：i v i e s 向上层计划管理系统提交生产能力、材料消耗、劳动力和生产线运 行性能、在制品的存放位置与状态、实际定单执行等涉及生产运行的数据；向 底层生产控制系统发布生产指令控制及有关生产线运行需要的各种参数等。同 时分别按受上层的中长期计划和底层的数据采集设备的实际运行状态等。图2 1 反映了计划层m e s 控制层三者之间的信息流动。 第2 章基于m e s 的车间生产调度系统整体分析 计划层 执行层 拉制层 图2 1 基于m e s 的管理系统体系结构图 i v i e s 信息的及时性能够很好的满足生产运行变化迅速的这一要求，从 m e s 职能出发，它可以提高企业生产调度的科学性和车间运作信息化水平，同 时能够快速及时的反映市场和加工过程的变化，并及时做出相应的调整，从而 大大提高系统运作的效率。 2 2 车间生产调度系统与m e s 系统 生产调度是整个m e s 的一部分，也就是说它的系统是m e s 的一个子系统【2 。 因此，制造企业期望利用信息技术建立的生产调度系统必须在m e s 的总体框架 下进行构建，将计算机作为辅助手段对生产进行有效计划排产和调度控制，以 满足i v i e s 的理念。这就要求车间调度系统具有以下需求： 1 信息需求 m e s 系统自身是一个集成的面向车间的实时信息系统，它要