（计算机应用技术专业论文）焦炉作业计划与优化调度系统的设计与应用.pdf

摘要 焦炭是冶金生产不可缺少的原料之一，焦炭质量的好坏直接影响 到冶金产品的质量。焦炉作业计划对焦炉生产是否能稳顺进行起着重 要的作用。合理制定推焦计划，实行焦炉作业的优化调度是有效提高 焦炭产量，保证焦炭质量的关键。 本文从炼焦工艺出发，详细分析了影响焦炉作业计划编制的几个 因素，包括推焦串序、结焦时间、操作时间、检修时间和大循环时间 等，在此基础上提出了系统的实现目标和总体方案。 针对焦炉作业计划与优化调度的目标函数的多样性、约束条件复 杂、各系数不容易确定等难点，通过分析焦炉作业计划的特点以及编 制原则，分别对于焦炉生产经常遇到的乱笺、事故和病号炉等的异常 情况，建立了优化模型。对于正常工况下，根据现场的经验，设计了 焦炉作业计划的编排方法；而对于异常工况，运用基于图与网络模型 的优化调度思想，采用最短路径算法的迪克斯特拉( d i j k s t r a ) 算法编 排作业计划，并且在m a t l a b 仿真平台下进行了仿真，验证了d i j k s t r a 算法的有效性。 最后采用v c + + 6 0 语言和o r a c l e 数据库技术在w m d o w s2 0 0 0 操 作系统开发了焦炉作业计划与优化调度系统，建立了焦炉作业计划与 优化调度系统，实现了焦炉作业计划的自动科学编排、生产信息的在 线监测，投入运行后取得了显著的效果，有效的稳顺了焦炉生产。 关键词：推焦计划，优化调度，最短路径算法，d i j k s t r a a b s t r a c t t h ec o k ei st h ee s s e n t i a ll a wm a t e r i a l si nt h em e t a l l u r g yp r o c e s s t h e q u a l i t yo ft h ec o k ed i r e c t l ya f f e c t st h em e t a l l u r g yp r o d u c 各c o k e - p u s h i n g p l a np l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h es t e a d ya n ds u c c e s s i v ep r o c e s so fc o k e m a k i n gp r o p e rp u s h i n gp l a na n dc a r r y i n go u tt h eo p t i m i z a t i o ns c h e d u l i n g a r cc r u c i a lt oi n c r e a s et h ey i e l do f c o k ea n di n s u r et h eq u a l i t yo f c o k e t h i sp a p e rh a sm a d ed e e pa n a l y s i so nf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h e l a y o u to ft h ec o k e - p u s h i n gp l a n ，i n c l u d i n gc o k e - p u s h i n gs e r i a l s ，c o k i n g t i m e ，o p e r a t i n gt i m e ，e x a m i n i n ga n dr e p a l r i n gt i m ea n db i gc y c l et i m ee t c b a s e do nt e c h n o l o g ya n a l y s i s ，t h eg o a la n do v e r a l lp r o j e c to ft h i ss y s t e m a r ep u tf o r w a r d c o k e - p u s h i n gp l a n n i n ga n do p t i m i z a t i o ns c h e d u l i n g h a v em a n y d i 伍c u r i e s s u c ha s d i v e r s i t yo fo b j e c t i v ef u n c t i o n , c o m p l e x i t y o f c o n s t r a i n t sa n dd i 伍c u l t i e st od e t e r m i n et h ec o e f f i c i e n t b ya n a l y z i n gt h e c h a r a c t e r i s t i cc o k e - p u s h i n gp l a n , i t sl a y o u tp r i n c i p l e sa n do p t i m i z a t i o n m o d e sa r eb u i l ct ot h en o r u l a lo p e r a t i v em o d ea n da b n o r m a lo p e r a t i v e m o d e sf o rc h a o t i cg r o u p , a c c i d e n ta n ds i c kc o k i n gc h a m b e r f 汤e nt h e p r o c e s si ss t e a d y , t h ee x p e r te x p e r i e n c ei su s e dt ol a y o u tt h ec o k e - p u s h p l a n i na b n o r m a lo p e r a t i v em o d e s ，d i j k s t r aa l g o r i t h mf o rg e t t i n gt h e s h o r t e s tp a t hi su s e dt o a c q u i r et h ec o k 争p u s hp l a nb a s e do nt h e o p t i m i z a t i o ns c h e d u l n go fg r a p ha n dn e t w o r k a n dd i j k s t r aa l g o r i t h mi s s i m u l a t e di nm a t l a ba n di t sv a l i d i t yi sv e r i f i e d a tl a s t , 廿l ev c 抖6 0p r o g r a m m i n g l a n g u a g ea n d t h eo r a c l ed a t a b a s e t e c h n o l o g ya r eu s e dt 0d e v e l o pt h ec o k e - p u s h i n gp l a na n do p t i m i z a t i o n s c h e d u l i n gs y s t e m s c i e n t i f i cc o k e - p u s h i n gp l a n c a nb e l a y o u t a u t o m a t i c a l l ya n dt h ep r o c e s si n f o r m a t i o nc a i lb e s u p e r v i s c di nr e a lt i m e w i mt h i ss y s t e m w h e nt h i ss y s t e mi sp u ti n t os e r v i c e o b v i o u s e f f e c tc a n b eg o ta n dt h ec o k i n gp r o c e s si sm o r es t e a d y a n d s u c e e s s i v e k e y w o r d s ：c o k e - p u s h i n gp l a n ；o p t i m i z a t i o ns c h e d u l i n g ；s h o n e s tp a t h a l g o r i t h r n ；d i j k s t l a 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论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过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：蕉巫 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 名：塑导师芦魄学如歪日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 焦炭是冶金生产不可缺少的原料之一，焦炭质量的好坏直接影响到冶金产品 的质量，焦炭生产作为冶金生产过程的重要环节，一直以来都受到了国内外冶金 企业的广泛重视。炼焦是将煤在炭化室内高温干馏形成焦炭的过程，炼焦工艺主 要分为装煤、平煤、千馏、推焦、媳焦等。正常生产的焦炉每孔炭化室者5 应按一 定周转时间进行煤的干馏炼焦和出炉操作，由于焦炉机械只能逐孔推焦、拦焦、 装煤和熄焦，所以必须依据一定的推焦、装煤等顺序制定合理的推焦计划。因此， 合理制定推焦计划，实行焦炉作业的优化调度是有效提高焦炭产量，保证焦炭质 量的关键之一，对于冶金企业提高经济效益，增强企业竞争力具有重要意义 本文针对某钢铁企业炼焦生产的实际情况，分析焦炉作业计划与优化调度模 型，结合焦炉作业计划的工艺，针对不同工况，采用优化调度算法，实现了焦炉 作业计划的优化调度。本章说明了焦炉作业计划与优化调度作为炼焦生产的一个 重要环节，具有重要的研究意义，并简要介绍了研究背景与国内外的研究现状， 最后给出了论文的构成。 1 1 研究意义与目的 焦炉生产主要依靠四大车进行操作，这四大车分别是：装煤车、推焦车、拦 焦车和媳焦车。焦炉生产过程可以概述如下；首先根据焦炭质量要求，将各种品 质的煤按照一定的比例混合后，得到符合标准的混合煤，混合煤经皮带运送到达 焦炉一侧项部的煤塔，作为炼焦的基本材料；煤车在从煤塔装载合格的混合入炉 煤后，在一定的时刻将混合入炉煤运至焦炉炉顶，到达已经结束上一个炼焦周期 并已经推焦完毕的炭化室的上部，经装煤孔将混合煤注入到空的炭化室：在经过 约二十个小时的干馏后，炭化室中的煤被高温于馏变成焦炭，此时焦炭已经成熟； 在确定一个炭化室的焦炭已经成熟后，通过三大车的协调操作将焦炭取出：推焦 车打开机侧炉门将成熟的焦炭推出，同时在焦侧准备好的拦焦车将焦侧的炉门打 开，并且使推出的高温焦炭滑落到下侧轨道上的熄焦车内，最后，熄焦车将炽热 的焦炭运至熄焦塔进行熄焦，冷却后的焦炭被运输到储存地或冶炼现场。 四大车的操作根据焦炉作业计划进行，焦炉作业计划掌握整个焦炉生产时序 和调度，对焦炉生产是否能稳顺进行起着重要的作用，是焦炉生产控制的核心。 随着科技的不断进步和发展，现代化的管理方式越来越广泛的应用于各个领 中南大学硕士学位论文第一章绪论 域，2 0 世纪7 0 年代以后，炼焦工业开始采用计算机控制等自动化技术，在焦炉加 热、原料煤的配合等控制的精度上有了一定的提高i i 3 l ，但是在焦炉作业计划编制 方面还比较落后，无论是生产设备还是监控管理软件，都没有形成个完整成熟 的自动化体系。 长期以来，国内的焦炉作业计划编制还停留在人工编制的水平上，人工编制 推焦计划的方法存在着任务繁琐，效率低下、理论依据少、对异常情况难以及时 反应等问题，容易导致疲劳操作、机械过于损耗、焦炉加热制度不稳定等现象， 进而对焦炭质量和焦炉寿命产生不良影响；焦炉推焦和装煤生产操作各种原始数 据采集、记录和生产日报表各种数据一直由人工采集记录，人为因素较多，数据 的可靠性偏低，工人工作量也比较大，不利于安全生产；焦炉无故提前推焦或延 迟推焦的现象时有发生，管理者不能及时掌握生产情况；过程数据保存困难，查 阅不方便等。由于以上这些问题的存在，严重的影响了企业的效益。 中国炼焦行业协会继_ 2 0 0 0 年提出的焦炉“四项技术”( 加热煤气流量自动记 录、推焦电流自动记录、装炉煤称量自动记录、红外线高温计炉温测量) 1 4 1 之后， 2 0 0 1 年9 月下旬邀请业内专家在武汉研讨我国焦炉建设方针时，在充分分析国内 外焦炉建设与发展趋向后，结合我国实际，提出了我国焦炉建设意见，其中一条 就是“提高和积极推广焦炉生产操作和加热管理的机械化水平和计算机自动优化 控制系统”。因此，实现焦炉作业计划的自动编制，当生产出现异常情况时对作 业计划能及时修正，充分保证机械的定期维护是目前亟待解决的问题。 本文针对某钢铁公司的新l 桴、2 撑两座焦炉所存在的实际问题，研究智能优化 调度算法，针对不同的工况，设计焦炉作业计划与优化调度系统，并投入应用， 保证焦炉生产的稳顺进行，从而保证焦炭的质量，节约能源，降低工人的劳动强 度。 1 2 国内外研究现状 由于受焦化行业整体水平的限制。其技术水平相对低下，国内的推焦计划编 制很多还停留在人工编制的水平上，工作繁琐且灵活性差，但是，随着计算机在 焦炉管理与控制中的应用，很多企业开始关注焦炉作业计划的自动编制，以减小 工人的工作量，提高企业的信息化水平而与焦炉作业计划编制的落后相对比， 近年来，随着各种新的相关学科与优化技术的建立与发展，出现了许多新的优化 调度方法，并广泛应用于工业生产计划的各个领域。 1 2 1 焦炉作业计划编制方法 焦炉作业计划的制定受生产任务、工艺信息和资源配置的影响，具有多目标、 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 多约束特性。因此，焦炉作业计划的编制是随着各项工艺参数、实时的炉况而发 生改变的。 对于单座焦炉，文献【5 】应用计算机技术，采用均匀分段、按比例修正的算法 编制推焦计划，即在每个小循环中根据要求的检修次数均匀分段，再按每孔操作 时间及起始推焦时问依次得到各孔推焦时刻，并插入检修时间。若按此排截出现 每个小循环中推焦炉数少于或多于总炉数的情况时，则按各段之间比例进行修 正。 宝钢5 、6 号焦炉的加热自动控制系统的作业管理模块根据不同开工率、有 无定修( 一般为4 小时) 和前一天最后一趟笺的出炉数，确定不同模式的出炉计 划，实现了自动编制从焦炉装煤到火落、出焦的生产计划，并对生产实际进行显 示、设定和打印等功能1 6 】。 北京炼焦化学厂提出了推焦操作数据管理系统，它基于4 5 0 m h z 无线通信技 术，结合当前焦炉生产自动化技术发展的实际情况，实现了推焦操作数据管理功 能川。 2 0 0 3 年大连爱克新仪器有限公司、本溪钢铁公司焦化厂由a c t i o n 无线通讯 装置、a c t i o n 数据采集控制器、推焦车炉号识别装置、工业控制计算机和打印机 组成的推焦操作管理系统，自动排出推焦计划并可以打印成计划单和报表，且在 乱笺和撵炉的非正常情况下也可以方便地手动调整参数而形成新的推焦计划【8 】。 2 0 0 4 年马钢煤焦化公司的焦炉智能专家管理系统在作业计划管理方面采用 高可靠性的无线数据传输，将三级变频调速、抗干扰设计、炉号识别等综合技术 运用到焦炉四大机车上，实现机车精确定位与联锁控制，并自动生成推焦计划、 自动记录装煤量；同时，运用模糊控制技术对结焦终了时间进行判断，实现焦炭 质量在线检测和控制【9 】。 但是在炼焦生产中，焦炉与四大车在数量上并不是一一对应的，多座焦炉需 要共用这些机械设备，由于每个机械设备在执行生产任务中都有一定的操作时 问，并且具有间歇性，同时各座焦炉生产状况的差异对各机械设备的要求也不同， 使得焦炉作业的工况变得复杂。对于这种复杂的情况，也有少量的研究，例如针 对在同一条熄焦线上的多座焦炉，文献【1 0 制定的出炉计划，在调整操作时间的 前提下，通过优化排炉计划，使两套：媳焦系统作业按计划操作，稳定了炼焦生产。 可以看出，焦炉作业计划的编制在很大程度上还是结合了人工经验和经典方 法，并未将调度方法应用到作业计划编制中，当实际工况变化时很难最优地配置 资源；并且现有研究一般适用于单座焦炉，对于多座焦炉共用机械设备的情况， 研究较少。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 调度问题与优化调度方法 生产调度就是在一定的时间内，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 ll l 。影响调度问题的因素很多，正常情况 下有：产品的投产期、交货期( 完成期) ，生产能力，加工顺序，加工设备和原料 的可用性，而有些达到一定的满意度即可，如生产成本等。这些约束在进行调度 时可以作为确定性因素考虑。而对于设备故障，原料供应变化，生产任务变化等 非正常情况，都是事先不能预见的，在进行调度时大都作为不确定因素考虑【1 2 1 。 实际的调度问题有以下特点：复杂性、动态随机性和多目标性。近年来，智 能控制在计划调度方面的应用较为广泛，多变量、非结构化，是这类问题的共性， 是智能控制应用的重点领域。 在对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，这些方法得到的结果不理想，或者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，在调度领域也出现了许多新的优化方 法，比如神经网络、模拟退火法、遗传算法、禁忌搜索法等，使得调度问题的研 究方法向多元化方向发展。常用的方法有以下几种： ( 1 ) 确定性最优方法：这类方法主要是通过对车间调度问题建立一个整数规 划模型，采用基于枚举思想的分析定界法或动态规划算法进行求解。文 献 1 3 】【1 4 】中提出了不同的分析定界法，但其不同点主要在于分析规则、 定界机制和上界的产生三方面的差异。这类方法能从理论上求得最优解， 但计算复杂，不能获得真正的实用。 ( 2 ) 基于启发式规则的调度方法：易于实现，计算复杂度低，能够用于动态 实时调度系统中。许多年来一直受到学者们的研究，并不断涌现出许多 新调度规则。文献【1 5 】中总结t 1 1 3 条规则，并将他们分为了三类：简单 规则、复合规则、启发式规则。 ( 3 ) 仿真调度方法：通过仿真模型的运行收集数据，能对复杂的实际系统进 行性能、状态方面的分析，从而能对系统采用合适的控制调度方法。文 献【1 6 】中提出了纯仿真模型的调度方法，文献 1 7 】中运用纯仿真模型解决 了时间的调度问题，此方法虽然可以提供给使用者一个调度性能测试的 机会，但缺乏理论意义、费用高、仿真准确性受限制等。 ( 4 ) 基于d e d s ( d i s 口i 啦e v e n td y n a m i cs y s t e m s - 离散事件动态系统) 的解析模 型方法：用研究离散事件系统解析模型和方法探讨车间调度问题，如排 队论1 8 堋、极大极小代数模型【2 0 l 、p e t r i 网 2 1 1 等，文献 2 0 】针对f m s 中的 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 f o r k - j o i n 排队网络利用了极大代数方法对其进行建模，并分析了系统的 稳定性。 ( 5 ) 启发式图搜索法：用于解决整数规划的调度问题。与基于树搜索法相比， 可以提高搜索效率、减少内存使用、能解决比较大的规模问题【巩2 5 1 。 ( 6 ) 模拟退火法：能找到全局( 或近似) 最优解，有可能跳出局部极小。模 拟退火算法在工业中也有比较多的应用，如：文献【2 6 】中为f l o w s h o p n 题构造了一类模拟退火法。这种算法存在的主要问题是运行时间长和计 算内存大，这是大数据库求解的主要瓶颈。近年来，人们已经提出了针 对模拟退火算法的并行策略 2 7 , 2 s ，大大改善了以上问题。并且模拟退火 算法与其他优化算法相结合，并且在实际应用中也取得了较好的效果， 文献【2 9 】针对转炉提钒过程这个复杂非线性反应过程难以建立终点控制 模型的问题，提出了基于模拟退火的并行粒子群优化模型，得到了很好 的仿真和应用效果。 遗传算法：遗传算法是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过 程的一种新的全局优化搜索算法，作为目前常用的一种优化算法，从各 个方面得到了改进，解决了搜索速度慢、局部搜索能力弱等问题，有很 强的解决问题的能力和广泛的适应性，因而渗透到研究与工程的各个领 域辂0 - 3 2 3 ，取得了良好的效果，在工业应用中也有不错的应用p 3 蚓。 调度问题是一个优化问题，调度的目标是将任务合理地安排到各机器，并合 理的安排任务的加工次序和加工时问，使约束条件被满足，使性能指标达到最优 或者较优。 为了解决复杂工业过程的最优资源配置问题，智能计划调度方法u s , 3 0 3 越来越 多受到重视。虽然国外已经开发了很多计划调度系统，例如：新日铁的原料场运 转计划，日本钢管的炼钢工序调度系统，住友金属的热轧坯料分配调度系统，神 户、川崎制铁的厚板，无缝管、冷轧轧制顺序计划调度系统，日新制钢的镀锡调 度计划等【3 _ 7 】。m m 公司与日本钢管京滨厂合作开发了炼钢连铸- 车l 钢综合调度系 统，称为合作型专家系统，整个系统由3 个子系统组成：生产钢调度子系统：确 定转炉出炉时间、炉次，从转炉到连铸的制造过程和制造顺序，在作业变动时， 迅速调整计划，以提高连连铸炉数，减少中间等待时问；炼铁调度子系统：根据 所炼钢种，组合多种铁水，调整其成分；连铸轧钢调度子系统：制定铸坯最快进 入轧机的计划，提高热装比和直送比。 但是，在炼焦生产中对计划调度系统的研究比较少，资源利用效率未取得实 质性的提高，难以实现最优的生产调度与资源配置，造成很大的资源浪费。因此， 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 如何解决复杂工况下的焦炉作业计划与优化调度问题非常关键。 1 3 论文研究内容与结构安排 推焦计划的编制由于每座焦炉的炭化室数不同，推焦串序不同，结焦时间不 周而非常复杂，所以本文将优化调度的思想与焦炉作业计划的工艺相结合，针对 某钢铁企业的炼焦生产，对正常情况和异常情况两种工作状态分别建立优化调度 模型，提出相应的焦炉作业计划的编制方法，实现作业计划的自动编制，建立焦 炉作业计划与优化调度系统。论文的结构安排如下： 第二章介绍焦炉作业工艺流程以及相关概念，在此基础上分析某钢铁企业焦 炉作业计划与优化调度以人工为主进行导致的一系列问题，包括：不能合理利用 资源，难以处理故障情况，不能进行全局优化，从而提出的总体设计方案。 第三章主要是建立焦炉作业计划的优化调度模型。首先分析优化调度的基本 思想，从目标函数和约束条件两方面对焦炉作业计划与优化调度问题进行描述， 然后针对正常和异常两种工况，特别是分析异常工况下可能出现的情况以及相应 的解决办法，分别建立正常和异常工况下的优化调度模型。 第四章在介绍焦炉作业计划的基本思想和推焦计划的编制原则的基础上，针 对以上建立的优化调度模型，特别是在异常工况下基于图与网络的优化调度模 型，进行算法分析，提出基于d i j k s t m 算法的异常工况焦炉作业计划编排方法。 第五章阐述焦炉作业与优化调度系统的工业实现。首先，根据工业现场的实 际情况设计了系统的硬件结构图，并且根据系统的总体构架进行了程序数据流的 设计。在此基础上，介绍了系统的软件实现，着重介绍优化调度算法的实现。 第六章是对本学位论文工作的总结，并展望以后可以迸行的研究工作。 6 中南大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 第二章系统总体设计 焦炉作业计划是焦炉生产流程中重要的一环，实现焦炉作业计划与优化调 度，对于焦炉全流程的稳顺生产、提高焦炭质量、延长焦炉寿命、减少环境污染 和降低工人的劳动强度都具有非常重要的意义。 深入地了解焦炉作业计划的工艺流程是进行优化调度的必要条件。本章首先 详细地分析焦炉作业计划生产工艺及其在焦炉全流程的重要性，分析某钢铁企业 焦炉作业计划与优化调度的系统需求，进而提出系统的总体设计方案。 2 i 焦炉作业工艺 炼焦生产工艺涉及到多个过程，主要有：焦炉加热燃烧过程、焦炉煤气集气 过程、装煤过程、推焦拦焦媳焦过程和综合回收过程等。焦炉作业计划则主 要是综合考虑生产任务、工艺要求和设备资源，制定焦炉作业计划方案，实时指 导焦炉操作的有序进行。 2 1 1 四大车的功能 焦炉操作的四大车包括：装煤车、推焦车、拦焦车、熄焦车【3 8 】。装煤车的作 用是从煤塔取出一定重量的煤料，通过炭化室顶部装煤孔卸入炭化室内；推焦车 的作用包括：炭化室装煤完毕后，煤落在室内成锥形，由推焦机上的平煤杆将煤 推平；另一方面，焦炭成熟后，打开、清扫与关闭机侧的炉门，将成熟的焦炭从 炭化室的机侧推到焦侧的熄焦车上：拦焦车拦着从炭化室推出来的焦炭落到熄焦 车上，并打开、清扫与关闭焦侧的炉门；熄焦车( 或干法熄焦装置) 的作用是接 受推出的赤热焦炭，运到熄焦塔内喷水( 或运到干法熄焦装置用惰性气体将余热 导走发电或补充管网的蒸汽) ，将赤热焦炭熄灭，然后卸在凉焦台上冷却。 焦炉的推焦就是把成熟的焦炭推出炭化室的操作，必须按一定的规律进行。 出焦和装煤都应严格按计划进行，保证各炭化室的焦饼按规定结焦时间均匀成 熟，傲到安全、定时、准点，并定时进行机械和设备的预防性检修。推焦操作必 须在确定拦焦车和熄焦车均已做好接焦准备后方可进行，每次推焦后，应清扫炉 门、炉门框、磨板和小炉门上的积炭和焦油渣等脏物，及时清除尾焦，炉门应关 严，并消除炉门处冒烟冒火。推焦过程中应注意推焦电流的变化，电流大说明焦 饼移动阻力大，当电流达到一定值仍推不动焦炭时，应停止推焦，此时即所谓焦 7 中南大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 饼难推，俗称“二次焦”由于推焦困难，既损坏炉墙，劳动条件又极为恶劣， 故应尽力避免出现。只有严格按计划迸行生产，才能稳定加热制度，提高产品质 量，合理使用机械设备以延长炉体寿命。 2 1 2 推焦串序 焦炉推焦应按一定串序进行，推焦串序是否合理对炉体寿命、热量消耗、操 作效率及机械损耗等均有影响。推焦串序通常表示为m - n ，其中肼代表一座焦炉 所有炭化室划分的组数( 笺号) ，也即相邻两次推焦间隔的炉孔数；栉代表两趟笺 号对应炭化室相隔的整数。目前国内采用的推焦串序主要有以下两种：9 - 2 串序 和5 - 2 串序【3 9 】，本文涉及的焦炉采用5 - 2 串序推焦。 5 - 2 串序，即一套机械操作的炉孔分为5 个笺号，每个笺号内相邻推焦炉孔 号相差数为5 ，相邻笺号的对应炉孔号相差2 ，为了便于确定需要出炉的炭化室 号，采用5 - 2 串序时，炭化室编号中除去以零为结尾的炉号。5 5 孔焦炉的推焦串 序如下： 1 号笺： 2 号笺： 3 号笺： 4 号笺： 5 号笺： 1 ，6 ，1 1 ，1 6 ，2 1 ，2 6 ，3 1 ，3 6 ，4 1 ，4 6 ，5 1 ： 3 ，8 ，1 3 ，1 8 ，2 3 ，2 9 ，3 3 ，3 8 ，4 3 ，4 8 ，5 3 ： 5 ，1 0 ，1 5 ，2 0 ，2 5 ，3 0 ，3 5 ，4 0 ，4 5 ，5 0 ，5 5 ： 2 ，7 ，1 2 ，1 7 ，2 2 ，2 7 ，3 2 ，3 7 ，4 2 ，4 7 ，5 2 1 4 ，9 ，1 4 ，1 9 ，2 4 ，2 9 ，3 4 ，3 9 ，4 4 ，4 9 ，5 4 。 推焦车采用五炉距一次对位操作，即推焦杆和平煤杆的配置间隔五个炭化室 的尺寸，可在一次对位后同时进行某一炉孔的推焦和上一炉孔的平煤，则焦炉采 用“5 - 2 ”串序推焦。“5 - 2 ”推焦串序，其优点是操作较为紧凑，节省时间和电力， 机械行程更短，适用于5 炉距新型推焦车，因此“5 2 ”推焦串序在国内的应用越 来越广泛。5 炉距新型推焦车推焦杆居中，右侧为摘门机，它沿s 形轨道进退， 摘门退回时可转9 0 0 ，用清扫机构清扫炉门，推焦杆左侧为清扫炉门框机构，也 沿s 形轨道迸退，进行炉门框清扫作业，平煤杆和推焦杆相隔五炉距，可在推焦 同时对前一炉进行平煤。 本文涉及的某钢铁企业新l 撑、2 撑焦炉是j n 6 0 型焦炉，分别包括6 0 和5 5 个 炭化室，均采用5 - 2 串序进行推焦。操作设备包括两台推焦车、两台拦焦车、两 台加煤车和一台熄焦车。这两座焦炉同时生产，共用一套四大车系统，如何充分 合理利用这些资源，并提高生产效率是非常关键。 8 中南大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 2 1 3 炼焦生产中的几个“时间”概念 在编制推焦计划时，应该考虑到周转时间、操作时间、检修时间、结焦时间 和大循环时间等因素及其关系。 ( 1 ) 结焦时间 指煤料在炭化室内停留的时间，通常是指从开始平煤( 装煤时刻) 至开始推 焦( 推焦时刻) 的时间间隔。 ( 2 ) 操作时间 每炉操作时间一般为8 1 0 m i n ，缩短操作时间有利于炉体保护和减轻环境污 染，但是必须以保证各项操作为前提。操作时间应根据操作工水平和几个车辆综 合操作而定，应以工作最紧张的车辆作为操作时间的依据。一般熄焦车操作一炉 需要5 - 6 r a i n ，推焦车需要8 。l o m i n ，装煤车和拦焦车操作时间少于推焦车。 ( 3 ) 检修时间 周转时间分为总操作时间和检修时间，即：周转时间= 每孔操作时间孔数+ 检修时间。检修时间用于车间清扫，设备维修，以保证机械设备正常运行和焦炉 正常生产。检修时间以2 3 h 为宣，过短不利于维修和更换备品备件，起不至q 检修 的作用。过长会造成荒煤气发生量不均衡。所以在确定检修时间时应考虑到设备 状态及检修能力。 当周转时间较短时，一个周转时间内安排一次检修，若周转时间过长i 为均 衡出炉，有利于炉温稳定，可在一个周期时间内安排若干次检修。 ( 4 ) 周转时间 指某一炭化室从本次推焦( 或装煤) 至下次推焦( 或装煤) 的时间间隔。对 某个炭化室而言，周转时间= 结焦时间+ 炭化室处理时间，因炭化室处理时间相 对结焦时间而言比较短，所以近似认为周转时间和结焦时间相等。在一个周转时 间内，除完成整个炉组各个炭化室的装煤和出焦操作外，其余时间则用于检修设 备，所以对于全炉而言，周转时间= 全炉操作时间+ 检修时间。 周转时间是由生产任务来确定的，但是还应考虑到焦炉砖的材质、炭化室跨 度、炉体及设备状况、操作管理水平以及焦炭质量等因素，确定合理的周转时间 在确定周转时间时，应该留有一定的余地，以确保生产任务的完成。在生产 过程中，周转时间应保持稳定，不应频繁变动。当实际周转时间短于计划周转时 间称为强化生产。在炉体完全良好的状态下，强化生产最多只能短于周转时间1 个小时。 9 中南大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 ( 5 ) 大循环时间 根据焦炉周期操作的规律，为定期检修焦炉机械而制定的计划为循环检修计 划。周转时间a p , j , 循环时间，从某日的零时起或其它时刻起，可根据周转时间以 此排列全炉操作时间和检修时间，制定出月循环图表，它也具有周期性，即过了 若干小循环后又与第一天所排的检修时间重合，这个间隔时间称为大循环时间。 大循环天数) x 2 4 = 大循环中包括的小循环数( 工) 周转时间 其中，大循环天数y 、大循环中包括的小循环次数x 都要求为整数。 2 1 4 存在的问题 焦炉作业计划是根据机械设备的运行状况和历史生产状况来编排作业计划 的。目前某钢铁企业的新1 撑、2 群焦炉的作业计划采用人工方式进行编排。由于罩 式焦炉排产的复杂性，排产的结果受人为因素影响很大，不能达到作业计划的最 优性。同时，缺乏对焦炉作业相关信息的实时监控，不能全面掌握焦炉的生产操 作的情况。焦炉作业目前以人工为主进行的排产存在着如下几个问题： ( 1 ) 很难合理利用资源 作业计划与优化调度的目的就是尽量减少资源冲突或闲置，充分利用有限资 源，缩短工期，从而提高生产效率。目前人工进行生产调度还是依靠经验，主要 的过程是进行人工推理，预测到可能发生资源冲突的时间点，然后调整调度方案 设法避免冲突。但是，焦炉生产相当复杂，涉及的资源较多，资源相互之间影响 比较大，人工调度资源非常繁琐。而且，每个工人个人的经验不同，解决资源冲 突的方法不同，考虑的时间跨度有限，这些都会引起资源利用的局部性、短期性、 片面性。某个班组局部优化资源利用的处理方法可能会给其他班组带来更大的资 源利用不合理。 ( 2 ) 人工很难预测调度结果 按照己形成的调度对焦炉生产未来的生产情况进行模拟，是检验优化调度质 量的一个重要手段。但由于焦炉生产揉作步骤复杂、约束条件较多，印象因素也 比较多，特别是焦炉数量与机械设备的数量不是一一对应时，工人只能对本班次 进行粗略推算，这样只能保证局部最优性，本班次的调度经常造成其他班次出现 很大的资源闲置。 ( 3 ) 故障情况下人工进行再调度非常困难 由于炼焦生产涉及资源多、生产环境恶劣，所以异常或故障不可避免。在发 生异常和故障的时候，由人工完成再调度需要重新掌握当前的现场的各个炉台实 l o 中南大学硕士学位论文第二章系统总体设计 际工序、状态，分析待排产计划的数据，推算后期的工序，这些繁琐的工作需要 很长的时间，短时间由人工作出较好的调度是不可能的。而且发生故障后，故障 的信息不能及时进行监测，不利于进行再调度。 ( 4 ) 人工排产不能保证全局最优性 由于炼焦生产的各个工序都存在许多作业和设备等方面的约束，要从多方面 来综合进行调度编排，因此，需要特别有经验的调度人员来编制综合调度计划。 但是，由于工人能力的限制，调度人员一般只能考虑到本人或者本班次的任务， 所以也只能做到个别班次的较优，很难有统一的生产全线管理和综合考虑，不能 合理的将全部任务统一编排、调度，做到所有工序合理、顺行。 人工排产造成的问题具体表现为：针对以上存在的问题某钢铁企业的新1 群、 2 拌两座焦炉一起生产，共用一套四大车系统，所以如何充分合理利用这些资源， 并提高生产效率是非常关键。目前，焦炉采用人工编制作业计划的方式，每班的 工人根据本班焦炉生产的情况，编排下一班的推焦计划，并将计划分发给四大车 的工人；而推焦期间工人不能实时得到当前信息，信息由工人通过对讲机获得。 根据生产数据分析，采用人工编制作业计划的方式存在的问题，具体表现为： ( 1 ) 人工编制推焦计划时所需信息的获得通过人工方式，导致信息的可靠性降低； ( 2 ) 推焦计划编制主要依靠现场工人的经验，缺乏一定的理论指导和依据，比如 最佳结焦时间、周转时间、检修时间等的把握，以及异常情况的处理等；导致在 现场的生产中，检修时间很短，推焦车几乎没有时间卸余煤，增加了机械损耗， 并且影响生产效率：( 3 ) 焦炉作业中的异常情况很多，对于异常情况的处理不够 及时、准确，影响了焦炉的产量和焦炭的生产质量，也影响了焦炉炉体的寿命。 2 2 系统实现目标 针对原有系统存在的问题，系统实现的目标包括： ( 1 )通过分析推焦的过程，根据推焦计划编制原则和生产过程中的一些制约 因素，建立正常工况作业计划编制模型，为推焦计划表的编制提供决策 支持。 ( 2 )针对各种异常情况，基于焦炭质量要求和成本目标，建立异常工况作业 计划编制和优化模型，实现作业计划的在线计算和优化。 ( 3 )对作业计划编制过程的相关数据进行管理，进行数据库设计，实现数据 的自动备份和恢复，防止数据丢失，保证系统和信息的安全性。 中南大学硕士学位论文 第= 章系统总体设计 ( 4 )对自动生成的推焦计划表，能实现人工手动修改，删除和保存等功能， 方便用户操作和管理。 ( 5 )对编排好的推焦计划表，提供数据查询、曲线显示等功能，并可形成相 关数据日志及报表。 ( 6 )实现温度的自动统计和装煤量的自动计量。 ( 7 ) 优化系统接口，完善系统功能，实现数据的远程访问。 2 3 系统总体设计 根据以上分析，为了解决这些问题，焦炉作业计划与优化调度系统采用如图 2 1 所示的系统总体框图。本节主要介绍焦炉作业计划与优化调度系统的总体框 架，从而对该系统的整体设计思路进行说明。 ( 1 ) 信息的获取 获取的现场信息主要包括生产任务、工艺信息和资源信息三个部分。其中生 产任务包括每天焦炭的生产质量和生产产量指标；工艺信息主要包括单炉操作时 间、结焦时间和装煤时间；资源信息主要包括焦炉炉体状态和四大车( 推焦车、 熄焦车、装煤车、拦焦车) 状态。 ( 2 ) 焦炉作业计划的编制 这个部分是系统的核心部分，主要是在获得有效信息的基础上，采用智能优 化调度算法，获得合理的焦炉作业计划。首先将焦炉生产分为正常工况和异常工 况，再对不同的工况分别进行处理。 在正常工况下，建立了保证出焦延迟时间最短、检修时间足够长和总推焦系 数的优化调度模型；在异常工况下，通过将乱笺炉号、事故状态、病号炉三种情 况归结为乱笺炉号的情况，建立了系统实现目标不变，以恢复过程中所 有小循环总费用最小为目标的异常工况下的优化调度模型。 r 系统根据工况差异和相应的优化模型，研究优化调度算法。对于正常工况， 根据工艺需求，编排出合理的推焦计划；而对于异常工况，则基于图与网络模型 的优化调度思想，将最短路径算法的迪克斯特拉( d i j l c 咖) 算法和智能方法相结 合，产生合理的推焦计划。所生成的推焦计划包括计划的推焦炉数，计划推焦的 炭化室序号和相应计划推焦时间、装煤时间和单炉操作时间等参数。 ( 3 ) 焦炉作业计划的管理 1 2 中南火学硕士学位论文第二章系统总体设计 这个模块的主要功能是对相关信息的管理和对焦炉作业计划与优化调度系 统的管理。信息的管理包括作业计划的添加、删除、修改和打印。首先对于已有 的信息和已经生成的推焦计划表，可以根据不同的需求进行查询；并且可以通过 人工方式对推焦计划表进行添加和删除；同时系统可以根据需要，将推焦计划表 打印出来。对于这些信息，系统在本地进行管理的同时，需要通过网络及时的保 存到企业e r p 的l 2 层。 另外，这个模块的另外一个功能是对系统的管理，即系统的权限管理、操作 管理等。不同的工作人员有不同的工作权限，例如工艺人员可以设定相应的参数， 而一般的工人没有这个权限；对于不同的工人，属于不同的班次，只能够修改本 班的推焦计划，对于不同班次的计划只有查询的权限。 记录管理模块 园固 ： ，z i 奎主主： - 5 分配方案 因囡固 i 数据库备份和恢复 图2 1 焦炉作业计划与优化调度系统结构框图 中南大学硕士学位论文 第= 章系统总体设计 2 4 小结 本章主要从炼焦生产中四大车的功能、推焦串序以及炼焦生产中的“时间” 概念几个方面介绍了焦炉作业的工艺，在此基础上，分析了采用手工编制焦炉作 业计划存在的问题，包括：不能合理利用资源，不能进行全局优化，故障情况下 作业计划编排困难等。 为了解决这些问题，本章提出了焦炉作业计划与优化调度系统要实现的目 标，并且进行了总体设计，系统的主要功能包括；获取信息并进行预处理，焦炉 作业计划的自动编排以及工业现场的在线监测。 1 4 中南大学硕士学位论文第三章焦炉作业计划与优化调度模型 第三章焦炉作业计划与优化调度模型 本章主要是针对某钢铁企业新1 誊、2 # 焦炉的实际情况，分析和建立焦炉作 业计划的数学模型。焦炉生产包括多种工序，工况复杂，各操作设备的运行状 况也各不相同，形成了焦炉作业计划的不同工况。在考虑焦炉作业计划全局优 化的基础上，以保证每座焦炉作业的连续性、均匀性和各作业设备的负荷均匀 性为目标，并综合考虑可调度条件，建立当前工况下周期性的自适应任务模型。 3 1 优化调度的基本思想 优化调度是一个在给定产品集、计划周期、加工资源集和各产品的加工工艺 条件下关于生产的产品品种及其数量；操作的开始时间和结束时间；操作的设备 或处理单元：以及生产批量、进入生产系统的方式、加工设备选择规则、加工优 先级规则、中间存储策略的决策过程【蚰】。 调度问题描述的参数如下，参数之间的关系如图3 1 所示。 ( 1 ) 任务( j o b ) 数为厅，机器数( m a c h i n e ) 为所，下标，为任务的标号； c 蛩p ，( p r o c e s s i n gt i m e ) ：任务，在机器上加工完成需要的时闻； ( 3 ) c ：( c o m p l e t i o n _ l i m e ) ：任务，在机器上加工完成的时问； ( 4 ) r j ( r e l e a s ed a t e ) ：任务，到达加工系统( 准备加工) 的时间； ( 5 ) 4 ( m ed a t e ) ：交货日期：s j ( s t a r t i n g t i m e ) ：任务= ，开始加工的时间； ( 6 ) f j ( f l o w t i m e ) ：任务，待在加工系统中的时间； ( 7 ) 砀( w a i t i n gt i m e ) ：任务，在开始加工前所等待的时间； ( 8 ) l j ( l a t e n e s so f j o b ) = c j - d j ；t , ( t a r d i n e s so f j o b ) = - n m x o ，q 一马) ； ( 9 ) e j f e a r l i n e s s o f j o b ) = m a x o ，巧- c a ，u j ( u n i t p e n a l t y ) ：l ( i f c j 呦o r o ； 磅s jq鸯 图3 1 调度问题参数之间的关系 中南大学硕士学位论文第三章焦炉作业计划与优化调度模型 调度问题的目标是：m a k e s p a n ( c m a x ) ：c m a x = m a x ( c l ，c 0 ，即最后一个 零件离开加工系统的完成时闻( 所有任务加工的对问跨度) ；与机器的利用率相 关。l m a x ，l m a x - - m a x ( l l ，厶) ，即最大延迟时间。m i n ( a v g ( f j ) ) ，平均流动时间 最小。晰o ，t o t a lw e i g h t e dc o m p l e t i o nt i m e ( , g 的有效完成时间)