钢铁企业MES中的计划调度系统.docx

钢铁企业 MES 中的计划调度系统刘晓强 ,顾佳晨 ,孙彦广 ,崔新莹(冶金自动化研究设计院 研发中心 ,北京 100071) 摘 要 针对钢铁企业 MES 中计划调度系统的特点 ,讨论了计划调度系统的构成和实现 ,介绍了国内外在该领域的主要产品和研究成果 ,并分析了研究发展趋势 。 关键词 制造执行系统 ;计划调度 ;优化 中图分类号 TP27 文献标识码 A 文章编号 100027059 (2004) 0120022204Planning and scheduling system of MES in iron and steel industryL IU Xiao2qiang , GU J ia2chen ,SUN Yan2guang ,CUI Xin2ying(Automation Research and Design Institute of Metallurgical Industry ,Research and Development Center ,Beijing 100071 ,China) Abstract :According to the specialities of planning and scheduling system in iron & steel industry , the con2 stitute and implementation of planning and scheduling system are discussed. Some products are mentioned. The research trends in this field are analysed.Key words :manufacturing execution system ;planning and scheduling ;optimization0 概述制造执行系统 (MES) 是面向车间级的先进生产管理系统 , 生产计划调度是其核心功能 。MES 中的计划调度系统 ,对应于生产管理的短期计划 安排 ,即实施层次 ,计划调度主要进行资源优化和计划编排 , 并为计划的执行和控制提供指导 。它 位于整个企业计划系统的最低层次 , 直接控制生 产的稳定和有序执行 。良好的生产调度能够预先 解决生产中的干扰 ,缩短产品在车间的流动时间 , 减少在制品库存 ,保证准时交货1 4 。根据企业生产工艺的特点 , 通常将制造业分 成 3 种类型 :连续制造业 、离散制造业和介于两者 之间的混合企业 。典型的钢铁生产介于离散生产 过程和连续生产过程之间 ,属于混合型制造企业 。 钢铁行业的生产计划与调度有其特殊性5 6 :(1) 钢铁生产工艺流程从原料投入到最终产 品产出 ,整条物流中多数工序同时兼有物理和化 学变化 ,是高温 、高能耗工艺过程 , 其生产活动存 在实时性 、连续性和随机性等特点 ,生产计划调度的复杂性很高 。(2) 钢铁行业生产的关键是保证生产安全 、稳 定 ,物流畅通 , 最大限度地发挥瓶颈设备的能力 , 满负荷 、优质 、高效地生产 , 主生产计划应着重考 虑这一目标 。(3) 钢铁行业的生产计划和调度不仅要考虑 信息流和物料流 , 还必须考虑能源供应流 。其调 度决策功能需要对物料和能量提供最佳控制策 略 ,决策应不仅以提高生产效率和降低生产成本 为目标 ,同时还应将节省能源 、减少污染等目标考虑在内 。(4) 在制品的温度和生产时间在过程中的地 位非常重要 。温度太低 ,批次不得不重新加热 ,导 致能耗和时间的增加 ; 温度太高 , 可能会破坏机 器 。时间过早 , 机器被占用 ; 而时间过晚 , 产品的 连续性会被破坏 。(5) 钢铁生产的主要工艺路线和设备基本不 变 ,整个工艺流程有很强的连续性或分段连续性 , 有时也有多个工艺路线并存 。作业/ 任务持续时 收稿日期2003 211228 ; 修改稿收到日期2003 212204 作者简介 刘晓强(1972 - ) ,男 ,河北阜城人 ,工程师 ,博士 ,主要从事企业信息化和嵌入式系统方面的技术研究及应用开发。22 Metallurgical Industry Automation 2004 No 1钢铁企业 MES 中的计划调度系统间依赖于前序和后续的作业 。生产中既有 Flow2Shop 问题 ,又有 Job2Shop 问题 。1 主要功能MES 中生产计划调度系统主要包括生产订单生成 、生产计划生成和在线生产调度 3 部分功能 。1. 1 生产订单生成如何安排生产取决于所接受的销售订单 , 而 销售订单一般是无序且凌乱的 ,不仅是不同客户 ,甚至同一客户的订单都可能包含不同规格 、不同品种 ,甚至不同交货期的产品 ,而钢铁生产线只有 集中安排有相应规律性的产品 ( 比如相同钢种 ,相 同规格且具有一定数量) 在一段时间内生产才能 优化生产工艺 ,发挥出自身的生产能力 ,降低生产 成本 ,取得最大效益 。MES 的生产订单 , 是销售订单与生产成品之 间形成关联对应关系的中间媒介 , 是生产过程中用于产品跟踪控制管理的标识 , 生产订单从一定 的意义上说是由销售订单分解及综合重组而得 , 因此生产订单从一开始即与销售订单形成了关 联 。计划人员集中某段时间的销售订单 , 例如 3 天中的所有订单 , 然后选择品种 、规格 、数量等因 素 ,根据各因素的关注程度 ,采用一定的算法进行 归并 ,最后得出生产订单 。生产订单包含了成品的各种信息 ,如 :生产订单号 、销售订单号 、产品代 码 、钢种 、质量代码 、钢卷资料 、客户代码 、生产订 单的下达日期 、目的地 、生产日期 、产品描述 、客户 资料等等 。1. 2 生产计划生成当 MES 产生生产订单 ,并下达生产订单后 ,生 产计划生成模块即开始运行 , 将订单分解至每一工序 ,由计算机按照生产过程内部参数 ( 如生产工序在线时间 ,生产工序收得率等) , 生成各工序的 生产计划 : 炉次计划 、浇次计划和轧制批量计划 。 对于 MES 来说 ,生产计划的执行过程也是一个反 馈过程 ,只有在最后工序生产出满足客户所要求 的产品后 , 生产计划才视为有效 , 否则 , 所有工序 将按照未完成的生产订单进行重新计划 。1 . 2 . 1炉次计划 炉次计划是指炼钢分厂根据合同特征 、冶炼工艺 、设备能力 、与后续工艺的衔接关系等客观要求 ,对生产订单按炉次进行优化组合 ,达到总体生 产成本最低 、余材量最少 ,并基本保证后续工艺的冶金自动化 2004 年第 1 期要求 。首先根据生产订单要求的重量并结合各钢种 冶炼收得率和连铸成坯率确定所需钢水的总重 量 ,然后根据订单中钢材的品种 、技术条件等因素 确定炼钢的工艺路线 ,最后根据组合优化的理论 , 以炼钢生产中各类成本最小为目标 , 以一定的资 源能力和工艺要求为约束 ,进行多目标 、多约束的 组合优化 ,最终形成炉次计划 。在组合优化中考虑的主要约束包括 : 同一炉 次内订单的钢种 、规格 、坯型 、交货期等参数要相 同或接近 ;符合主设备生产能力的限制 ; 保证与后 续工序的衔接 ;限制不常见品种的余材量等 。1 . 2 . 2 浇次计划浇次是指在连铸工序中 , 在中间包及结晶器 等易损部件不更换的情况下 , 连铸机能连续浇铸的炉次序列 。由于连铸机每次开浇都需要一定的 调整时间 ,结束一个浇次时还要更换塞棒 、水口等 部件 ,因此希望每次能连续浇铸的炉数量尽可能的多 ,从而提高生产率 , 节省准备费用和调整时 间 。编制浇次计划包括给浇次分配炉次集合以及 浇次内部炉次的排序 。首先按照组成同一浇次的 炉次所要求满足的条件建立浇次优化模型 , 并对模型进行初始化 ,然后选用一定的方法求解浇次 优化模型 ,一般可考虑采用基于规则的启发式方 法或综合的7 10 智能优化方法 ,最后调度人员可根据实际情况进行人工修正 。 编制浇次计划主要考虑的约束条件包括 : 组成同一浇次的钢种成分最好相同 , 对异钢种连浇 要根据具体情况处理 ; 同一浇次中板坯的宽度不 能频繁改变 ,一般按照宽度非增顺序排列 ,且不能变化太大 ; 浇次中的炉次数量要受大包水口和中 间包使用寿命的限制 。1 . 2 . 3 轧制批量计划轧制批量计划是根据轧制规程约束和生产订 单特征的要求 ,对订单预选池中的订单进行组合 与排序 ,从而尽可能减少硬度 、厚度 、宽度的跳跃 幅度 ,减少轧制过程中换辊的次数 , 保证产品质 量 、提高轧制生产率 ,有效地组织生产 。轧制批量计划的编制首先要将生产订单按照 品种 、规格 、交货期 、优先级等要求组合成轧制单元 ,然后安排轧制单元内各订单的生产顺序 ,最后安排各轧制单元的轧制顺序 。组合优化和排序问23 钢铁企业 MES 中的计划调度系统题的求解可采用多种人工智能的方法 。1. 3在线生产调度钢铁生产过程产线长、工序多 ,任何环节出现 故障都会影响到整个生产的正常进行 。为了保证整个生产的正常进行 , 必须为每一个中间环节提供可供选择的调度手段 ,以实现正常的物流管理 ,以及在非常情况下的物流有效调度 。 计划调度系统具有在线协调生产的功能 , 对生产线的每一个生产工序都有事件监控能力 , 能够判断从各二级计算机传送的监控点事件信息是 否处于正常或是故障状态 , 根据故障影响生产的 时间长短 , 相应地调整生产计划 。生产调度人员 也可以对现场做出相应的协调指令 , 增强对现场 生产的调控能力 。例如当轧制工序出现故障需排 除时 ,二级机将送上轧机延迟信号 ,MES 将据此对后工序进行延时调整 ,并调整相应的生产计划 ,达 到协调生产的目的 。2主要产品与研究现状2. 1国外现代化钢铁企业的发展趋势是设备大型化及 生产过程的连续化、高速化和自动化 。钢铁产品竞争的焦点在于产品质优价廉 、准时交货 、多品种小批量 。国外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 5 大钢铁公司的各钢铁厂 ,韩国的浦项 ,德国的蒂森 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 , 其中包含 核心模块 生产计划和调度 , 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 。这些生产管理系 统使物质流和信息流尽可能保持同步 , 使前后工 序紧密衔接 ,保证了物料的一贯性 ,从而使局部工 序的最优化转变为整体工序的最优化 , 充分提高 了大型设备的生产效率 。同时也减少了工序的等 待时间 ,降低了物耗和能耗 , 从而降低成本 , 提高 了产品竞争力 。国外相关的研究单位如下 。(1) Visual8 Visual8 公司的 V82Steel 是一套为 钢铁生产设计的计划调度系统 , 用于连铸和热轧 流程 ,它产生一个 7 天到 12 星期的连铸和热轧计 划 ,计划的最小时间刻度是分钟 ,已在北美和欧洲 的几个大型钢铁行业应用 。V82Steel 考虑了因钢 种规格 、炼铁能力 、库存 、设备停工时间 、车间内运24 输交货期等引发的连铸速度问题 。V82Steel 分为两个模块 : 计划 、调度 。计划模块用于产生连铸 、 热轧同步计划 ;调度模块用于计划执行仿真 ,产生 操作性能报告 。(2) AIS AIS 是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 , SteelPlanner 是其在钢铁领域的产品 。AIS 的 SteelPlanner 套件 包括 :AlphaPlanner ,BetaPlanner ,MidTerm Scheduling ,ProductMatch 和 Material Flow Coordinator 等 5 部分 。 其中与计划调度密切相关的主要是 AlphaPlanner , BetaPlanner , MidTerm Scheduling 3 个模块 。AlphaP2 lanner 能够自动生成连铸计划 ,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 ;BetaPlanner 能够自动产生 轧钢计划 ; MidTerm Scheduling 则能够帮助生成各种钢材的加工序列 。根据订货合同 、可用物料 、物 料控制约束以及钢材类型方式约束等条件对不同钢材的生产进行计划编制 。同时为了充分利用生产线的加工能力 , 还能分派实际和预期的物料 。 采用 AIS 的 SteelPlanner 套件的钢铁公司主要有 :Ahmsa ,Bethlehem Steel ,BHP ,Corus ,CST ,DDS ,Dofas2co ,Duferco , Rautaruukki , Siderar , Stelco ,Usinor ,Voest2Alpine Stahl Linz , WCI 等 , 我国的沙钢集团也有一 条生产线准备采用该系统 。(3) SIMENS 西门子的 SIMATIC IT 中含有一 个详细排产模块 (Detailed Production Scheduler) ,能基于一个完全并且相当复杂的约束和规则产生一 个完 成 当 前 合 同 的 最 优 方 案 。与 SIMATIC IT Framework 集成后 ,还能够根据车间环境的任何变 化进行实时的生产调度调整 。该模块主要具有先进的多目标计划编制 、后推式编制 、有限人力资源 管理 、无限和有限物料管理和有限设备工作能力管理等功能 。(4) ILOG ILOG 公司提供的 Scheduler 模块可 以解决生产中的计划调度问题 。对于计划编制的 效率问题和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 API 函数供二 次开发调用 ,并能提供钢铁行业方面的技术支持 以协助开发 。浦项的 MES 中的计划调度模块是在 内嵌了 ILOG 产品基础上进行二次开发实现的 。(5) 维也纳大学 维也纳大学的 Dorn 等人开 发了一套计划调度模块 , 开发的基础是自己研发的 C + + 类库 。系统提供了计划编制的可视化界Metallurgical Industry Automation 2004 No 1钢铁企业 MES 中的计划调度系统面以及计划 、设备 、资源等特性 。系统虽然简单但是功能比较齐全 。经过定制 ,系统已经投入 BohlerKapfenberg 钢铁公司并运行使用多年 。此外 , Broner Group 、Camstar 、Cybertec 、Quintiq 等公司都有相关的计划调度产品 , 并且已在钢铁 行业有所应用 。212 国内目前国内专门开发用于钢铁生产的计划调度 软件产品并不多见7 10 。一些大学和科研单位作为学术研究 ,开发了一些专用的计划调度软件系 统 ,但未形成商业化产品 。在计划和调度的问题 中 ,计划编排方面的研究较多 ,一般集中在炼钢 - 连铸计划编制 、连铸 - 热轧计划编制以及炼钢 - 连铸 - 热轧一体化生产的计划编制等方面 , 主要 研究各种优化模型和优化算法 ( 数学规划 、专家系 统 、遗传算法等) 。如 : 北科大唐洪华 、田乃媛等基 于产生式规则 ,开发了一个电炉炼钢厂调度软件 ;钢研院 、北科大和上钢三厂联合开发了全连铸生 产调度管理系统 ; 武钢设计院胡维新对四位一体 的短流程生产线的调度问题提出了理想调度管理 模型与实时仿真管理模型相结合的调度系统构 想 ;天津钢管公司和东北大学共同研发的生产管 理系统能够按照合同订单进行合理的生产计划安 排 ;东北大学唐立新等就钢铁行业的生产调度问题进行了深入研究 ,提出了多种算法 。3 发展趋势钢铁行业的生产过程兼有连续和离散的性质 ,它有别于石油 、化工的连续生产过程 , 也有别 于机械行业的离散制造过程 , 是介于二者之间的 混合型生产过程 。因此 , 更带来了钢铁行业计划 编排和调度工作的复杂性 。从当前的研究情况来 看 ,国外的发展远远走在国内的前面 ,研究成果已 经在世界各国大型公司得到广泛应用 。相比而 言 ,国内针这方面的研究和发展处在起步阶段 ,这 和自身的生产工艺水平和生产管理方式有关 。钢铁行业计划编制和调度的研究方向大多集 中在以下几个方面 :(1) 通用性 。目前应用于各大钢铁企业的计 划调度系统都具有应用的单一性 , 只适用于个别钢铁企业 , 难以复用和推广 。这是因为各个钢铁 企业的具体生产工艺流程不同以及存在着生产管 理上的各种差异 ,为复用和推广工作带来了极大 的难度 ,因此大多钢铁企业选择重新开发 ,造成了冶金自动化 2004 年第 1 期人力和财力的极大浪费 , 大大影响了钢铁企业的信息化进程 ,为此 ,开发一种基于开放式架构的计 划调度系统 ,满足多种生产工艺流程的要求 ,为钢 铁企业日常的生产计划调度问题提供通用的 、可 扩展的决策处理平台 ,成为一个重要的研究方向 。(2) 计划编制的最优性 。Job2Shop 计划编制问 题是一个 NP (非确定性多项式) 问题 ,人们为了能 够得到最优解 ,不但在 Gantt 图法 、构造型方法 、动 态规划 、分支定界法 、排队论方法 、规则调度方法 和仿真方法等传统方法上进行了大量的研究 , 而 且运用统计式全局搜索技术和人工智能的方法如模拟退火 、遗传算法 、禁忌搜索 、进化规划 、进化策 略 、神经网络方法 、拉格朗日松弛和混沌优化等进 行了研究 。在研究基础上 , 提出了诸如最大完成 时间 、平均加工时间 、平均延迟时间 、生产成本和 E/ T 指标等调度的优化指标 。迄今 , 怎样能够得到计划编制的最优解仍然是国内外研究领域的热 点 。(3) 生产过程的准确模拟 。计划编制结束后 , 为了能够更好地比较各种编制方案的优劣性 , 建 立生产设备和流程的各种数学模型 , 并能够调整拟和车间的实际生产也就提上了议程 。(4) 动态调度的实时性 。当车间的设备发生 异常 、生产工况发生变化 , 或者人员 、物料出现短 缺后 ,由于钢铁行业工艺流程之间具有强耦合性 , 因此要求系统能够尽快进行实时调度 , 快速恢复 稳定生产 ,并给车间管理人员一个自动或者半自 动的动态调度决策方案 。 参考文献 1MESA International . 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CIMS 下生产批量计划理论及其应用 M .京 :科学出版社 ,1999.北6(下转第 29 页)25 人工智能模糊控制在大型立式淬火炉温度控制系统中的应用模糊变量 K 赋值表 (7 # 温控区)表 3不到 20 min 就达到保温温度 ; 在保温阶段温度控制精度为 1 ,炉内温度均匀性好 ,控制效果相 当理想 。K等级PBPMPSZONSNMNB43210- 1- 2- 310 . 200000000 . 70 . 20000000 . 10 . 80 . 60 . 20000000 . 40 . 80 . 400000000 . 60 . 80 . 10000000 . 20 . 700000000 . 2 - 4 0 0 0 0 0 0 1 表 4 K 值模糊查询表 (7 # 温控区)EEC - 4 - 3 - 2 - 1 0 1 2 3 4 图 5 温度控制曲线- 4- 3- 2- 10123400000000 . 10 . 20000000 . 10 . 20 . 3000000110 . 20 . 30 . 500000 . 10 . 20 . 30 . 50 . 80000 . 10 . 20 . 30 . 50 . 81000 . 10 . 20 . 30 . 30 . 81100 . 10 . 20 . 30 . 50 . 81110 . 10 . 20 . 30 . 50 . 811110 . 20 . 30 . 50 . 811111西南铝业集团有限公司大型立式挤压淬火炉温度控制系统于 2003 年 4 月投产运营 ,其硬件设 计合理 , 软件功能完善 , 操作 、维护方便 , 运行可 靠 ,控制精度高 , 完全满足低超调快速升温 、精确 保温 、温度分布均匀的生产工艺要求 。