（系统工程专业论文）轧辊热处理过程组批优化的初步研究与应用.pdfVIP

at h e s i si ns y s t e m se n g i n e e r i n g r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n0 fb a t c h i n g o p t i m i z a t i o np r o b l e m i nr o l l e rh e a t i n g p r o c e s s b yl iq i n g f e n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rt a n gj i a m n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i 够 j u n e2 0 0 9 _ 聱 独创性声明 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已在论文中作了明确的说明并表示诚挚 的谢意。 学位论文作者签名： 力药辱 i 签字日期 ： 岔卯7 7 ，甲 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。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年一年半口两年口 导师签名： 签字日期： 一7 ，r 么可帮1谚娜 名 目 獬 期 者 j 慨 日 文 艺 彩 字 位 釜 铫 签 一i j | 1 哩 1 ， y i 东北大学硕士学位论文摘要 轧辊热处理过程组批优化的初步研究与应用 摘要 近年来，我国国民经济快速发展，拉动了钢铁产品的需求，也带动了与钢铁生产相 关的配套产品的需求。其中轧钢轧辊的市场需求十分旺盛，同时也对轧辊的品种、质量 和交货期提出了更高的要求。轧辊生产流程复杂、环境多变，其中热处理过程更是由于 具有生产周期长、工艺复杂、并行批量生产( p a f a l l e lb a t c l l i n gp r o d u c t i o n ) 等特点，成 为生产能力的瓶颈，处于重要突出的位置。 在此背景下，本文以轧辊制造企业) ( j 公司的生产计划系统信息化项目为依托，旨 在通过运用系统工程的思想、先进的生产管理方法、优化理论的方法和信息技术对企业 生产计划系统中的热处理过程组批优化问题进行研究，提高热处理过程的生产效率和降 低热处理过程产品制造能耗，从而提高企业的生产效率，加快企业对市场需求的响应速 度，保证企业在激烈的竞争中赢得主动。本文的研究结果为其他制造企业热处理过程的 计划管理提供了理论和方法的支持，具有一定的指导和借鉴意义，主要工作包括三个方 面： 第一、对轧辊生产企业生产计划系统的定性研究。通过对公司的实地调研，分 析了轧辊典型生产流程和销售过程，总结了其中与轧辊生产计划相关的特点。针对这些 特点对x j 公司生产计划系统进行了分析和研究，指出了系统主生产计划层次所存在的 问题，提出了相应的改进方法，并引出了热处理过程中的组批问题。 第二、对热处理过程中组批问题的建模与求解的定量研究。通过对轧辊生产的热处 理过程的分析，确定了热处理过程组批问题的基本因素和特殊因素。建立了热处理过程 组批优化问题的模型，其中创新性地提出了轧辊兼容性矩阵和考虑布局的尺寸约束的验 算方法。建立了热处理过程组批问题启发式算法的框架，提出了尺寸和处理时间两个维 度的求解策略，并在此基础上针对热处理组批模型的特点设计并实现了多种专用启发式 算法。通过仿真分析评价了算法的性能，并根据各算法的特性研究了算法的适用场合和 使用策略。 第三、热处理过程组批优化方法的应用研究。在对热处理组批优化模块进行了需求 和系统分析后，完成了具有决策支持功能的模块及其界面的初步设计和实现，为热处理 过程组批优化在公司生产计划系统中的应用提供了可行的解决方案。 关键词：组批问题；启发式算法；生产计划管理；轧辊生产；热处理过程 i i i ， j _ 1 j ， v i 东北大学硕士学位论文 a b s 臼阻c t t h et h i r da s p e c ti sa p p l i c a t i o nr e s e a r c ho no p t i m i z a t i o nm e t h o d so fh e a t i n gp r o c e s s b a t c l l i n gp r o b l e m i nt h ep a r t ，t h r o u 曲r e q u i r e m e n ta n ds y s t e ma i l a l y s i so fh e a t i n gp r o c e s s b a t c h i i 蝎o p t i m i z a t i o nm o d l l l e ，m o d l l l ea sw e l la si t si n t e r f a c ew i t hd e c i s i o n - m a k i n gs u p p o r t f u n c t i o nw e r ed e s i g n e da n dd e v e l o p e d ，w t l i c hp r o p o s e daf e a s i b l es o l u t i o nf o ra p p l i c a t i o no f h e a t i n gp r o c e s sb a t c h i n go p t i m i z a t i o nm e t h o d si i lp r o d u c t i o np l 猢i n gs y s t e mo f x jc o 印 k e yw o r d s ：b a t c l l i n gp r o b l e m ，h e u r i s t i c s ，p r o d u c t i o np l a i l i l i n gm a n a g e m e n t ，r o l l e rp r o d u c t i o n ， r o l l e rh e a t i n gp r o c e s s v i ，： o ) 和处理时间( p ， o ) ，每个批次有重量限制( 职 o ) 。批次中工件的重 量之和不超过其重量限制，批次处理时间为批次中工件处理时间的最大值。问题是寻找 最优的将工件分配到批次的方案，在满足批次重量限制的条件下，而使各批次处理时间 之和，即总处理时间最小。 批次是一个抽象的概念，指的是由工件组成的一个子集，在此子集里的工件要满足 其重量限制。通常，批次的重量限制由处理批次的并行批处理设备的最大载重量所决定。 设备与批次有对应关系，一方面任意设备可以被指派处理多个满足此设备重量限制的批 次，设备不能在同一时间处理多个批次，但可以在不同的时间对其进行处理；另一方面 在满足设备重量限制的条件下，任意批次也可被指派到任意设备，但每个批次被且仅被 指派一次。确定批次在什么时间内以及在哪台设备进行处理属于后续的计划调度问题， 本文不作深入研究。在本文的研究中所有的设备其载重限制相同( 矽 o ) 。工件的重量 和处理时间则可以不同。 2 3 2 组批问题与其他经典问题的联系与区别 组批问题是以装箱问题的基础提出的，并借鉴了背包问题的相关概念。为了理解三 者的联系与区别，首先介绍一下装箱问题和背包问题。 装箱问题( b i n p a c k i n gp r o b l e m ) 为经典的全口h a r d 问题，指的是现要将个物品 装入若干个箱子中( 最多个箱子) ，每个物品有重量( m o ) ，每个箱子有重量限制 ( 形； o ) 。问题是寻找最优的将物品分配到箱子的方案，使得箱子中物品的重量之和不 超过其限制，而使用的箱子数最少。通常，所有的箱子有相同的重量限制( 形 o ) 【2 引。 背包问题( k n a p s a c kp r o b l e m ) 也为经典的n p - h a r d 问题，指的是从若干个物品中 选择一些来填充一个背包。存在n 个物品可以使用，每个物品具有重量( o ) 和费 用( c o ) 。背包有重量限制( 0 ) 。问题是如何寻找物品的最优子集从而在满足背 包重量限制的条件下，使得费用之和最大化【2 引。 组批问题与装箱问题最主要的区别在于组批问题考虑了工件处理时间的因素。处理 时间在概念上与背包问题的费用相似，但又有不同组批问题中一个批次处理时间为 批次内的批次内工件处理时间的最大值，为非线性关系；背包问题中的一个背包总费用 为背包内物品的费用之和，为线性关系。另外，组批和装箱问题的终止条件是优化过程 结束后，无剩余的项目( 工件或物品) ；而背包问题是无剩余的容器即背包，可以剩余 项目即物品。这一区别决定了组批和装箱问题往往存在于生产计划层，而背包问题多存 在于生产调度层。组批问题、装箱问题及背包问题特点的比较如表2 1 所示： 1 6 东北大学硕士学位论文第2 章生产计划理论概述与组批问题的综述 表2 1 组批问题、装箱问题及背包问题的比较分析 t - a b l 皇至：! 堡q 坐巳垦坚哇i ! 里垒璺里! y ! i ! 垒呈垒! 皇旦翌! 箜里垒i 翌g 巳翌! ! 呈里：! i 望：p 垒里鉴! 翌g 巳翌垒! 曼堕垒旦垒坚望垒巳! 堑鉴p 翌9 l e m 组批问题 装箱问题 背包问题 n a 表示无此概念 2 3 3 组批问题的基本因素与分类 组批问题存在广泛的存在于各行各业的实际生产中，例如热处理设施，尤其在钢铁 行业( 比如本课题) 和陶瓷行业；集成电路工业的某些工序；一些机加工和p c b 板的 切割工序f l o 】。而不同的行业中的组批问题所考虑因素的属性也各异。下表为组批问题的 基本因素，即一般组批都需要考虑到因素，如表2 2 所示( 见下页) 。 一般可以按问题的基本因素对划分类别。主要划分类别的依据是并行批处理环境、 工作到达时间以及批次能力。 2 3 4 组批问题的相关求解方法 2 3 4 1 精确算法 ( 1 ) 线性整数规划 线性整数规划主要包括线性规划( l p ) 、整数规划( 口) 、混合整数规划( m l p ) 、 l a g m g i 觚松弛等。d a n t z i g1 9 4 9 年提出解l p 的单纯法；1 9 5 8 年g o m o r y 提出解整数 规划的割平面法、l a l l d 和d o i g 提出分支定界、法【2 9 1 ，b a l a s 于1 9 6 5 年提出求解o 1 规划 的隐枚举法内点法，形成求解线性整数规划的基础算法f 3 0 ，3 。某些组批问题通过建立整 数规划或混合整数规划模型来描述，分支定界法是求解此类问题的有效方法，u z s o y 和 g 通过分支定界法求解批量调度问题以使得带权重的总完成时间最少【2 6 1 。d u p o m 和 d h a e n e n s f l i p o 也通过分支定界方法实现总流程时间最小【2 l j 。 ( 2 ) 动态规划 动态规划是在1 9 5 1 年，美国数学家b e l l m e n 等人，根据一类多阶段决策问题最后 的最优策略只取决于当前的状态的特点，把多阶段决策问题变换成一系列相互联系的单 - 1 7 - 静 东北大学硕士学位论文 第2 章生产计划理论概述与组批问题的综述 阶段问题，然后逐个加以解决，最后求出整个问题的最优决策序列。动态规划算法的核 心是将待求解问题分解成若干子问题，先求解子问题，然后从这些子问题的解得到原问 题的解。动态规划算法在求解规模较小的问题时，能够在可接受的时间内求出问题的最 优解，是一种非常有效的方法，在批量生产问题的求解中也很常用，文献【2 4 3 2 ，3 3 】使用动 态规划方法有效地解决半导体行业集成电路批量生产计划调度问题。 以上两种方法均属于精确解法，其优点在于可求得最优解，缺点在于求解时间过长。 表2 2 组批问题考虑的基本因素 旦垒! 皇! ：兰旦箜i 里墼! q 垡q ! 坠型里墅竖巳! q 垒! 皇坐 因素属性 并行批处理机环境 批次能力 工件到达时间 工件重量尺寸 批次处理时间 工件族 s e t u p 时间 单机 多机：设备类型相同 设备类型不同 无限 有限 同时到达( 静态) 不同时到达( 动态) 相同 不同 与批次中工件无关 与批次中工件相关 单一 多种 包括在处理时间中 不包括在处理时间中 2 3 4 2 启发式方法 启发式算法( h e u r i s t i ca l g o r i t i 姐) 是指一种基于直观或者经验构造的算法，在可接 受成本条件( 计算时间、占用空间等) 下求得待解决问题的满意解。一般为近优解，不 能保证所得解的最优性，甚至在大多数条件下无法判别所得解与最优解的近似程度，但 由于启发式算法能够比较快地得到满意解，所以对n p - h a r d 问题的求解具有重要的现实 意义。比较常用的启发式规则有：最少完成时间优先规则( s p t ) ；最早交货期优先规则 - 18 东北大学硕士学位论文第2 章生产计划理论概述与组批问题的综述 ( e d d ) ；预期完成时间最小的优先规则( l d d ) ；持续时间最小的优先规则( l p t ) ； 松弛性最小的优先规则( l s t ) ：剩余工作最多的优先规则( l w r ) ；松弛性与剩余工作 之比最小的优先规则( l s w r ) 等等。文献【8 ，2 2 ，2 5 ，3 4 】介绍了一些针对批量生产方式的启 发式规则。这些启发式规则的提出结合了所在行业领域的知识经验，对许多实际问题的 求解起到了积极的推进作用。启发式算法之所以得到迅速发展和广泛应用，主要在与它 包含如下优点1 3 5 j ： ( 1 ) 数学模型本身是实际问题的简化，加之假设了若干边界条件、输入参数的不准确 性，因而有可能使最优化算法求出的解与实际问题相差较大，甚至精度还不如使 用启发式算法的解； ( 2 ) 有一些较难的组合优化问题在现有条件下无法找到最优算法，即使存在，由于算 法的复杂性，根本无法在可接受的时间内求出问题的解； ( 3 ) 一些启发式算法可以在最优算法中计算出算法估界( 如：分支定界算法) ； ( 4 ) 算法速度快，简单、直观，易于实施； 2 3 4 3 亚启发式方法 进入2 0 世纪8 0 年代，一些新颖的优化算法通过模拟或揭示自然现象或过程得到发 展，其思想涉及数学、物理、生物进化、人工智能等各方面，为解决复杂问题提供了新 的思路和手段。在优化领域，由于这些算法构造的直观性与自然机理，因而被称为智能 优化算法( i n t e l l 追e n to p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ) 或亚启发式算法( m e t e - h e u r i s t i ca l g o r i t l m ) 。 主要的亚启发式方法有人工神经网络、混沌搜索、模拟退火和随机搜索、禁忌搜索、模 糊逻辑、遗传算法、进化规划和进化策略等【3 6 3 9 1 。 2 3 4 4 系统仿真方法 基于仿真的方法不单纯追求系统的数学模型，它侧重于对系统中运行的逻辑关系的 描述，而且与数学规划采用全局的而且经常是简化的视图相比，它对所有分配、排序和 时间选择决策的结果提供局部的分析，通过分析能够对生产调度方案进行比较评价，并 选择效果最优的生产调度方法和系统动态参数。 由于生产系统的复杂性，很难用一个精确的解析模型来进行描述和分析，而通过运 行仿真模型来收集数据，则能对实际系统进行性能和状态等方面的分析，从而能对系统 采用合适的控制调度方法。但是纯仿真方法具有以下局限性：应用仿真方法进行生产调 度的费用很高，不仅在于产生调度的计算时间上，而且在于设计、建立和运行仿真模型 上；仿真的准确性受人员的判断和技巧的限制，甚至很高精度的仿真模型也无法保证通 过实验总能找到最优或次优的调度：仿真实验缺乏理论意义。因此系统仿真的方法多与 其他优化方法结合使用【4 训。 - 1 9 东北大学硕士学位论文第2 章生产计划理论概述与组批问题的综述 2 3 5 组批问题的相关研究现状 yi k m 和mg i m p l e 于1 9 8 6 年在o p e r a t i o n sr e s e a r c hl e t t e r s 发表的文章田1 被普遍 认为是研究批处理机调度问题的第一篇文章。进入9 0 年代，特别是近几年，由于它深 刻的应用背景，批处理机调度问题得到了广泛的关注【7 ，1 0 ，1 1 1 。但就目前所知，还没有发 现在e r p 的主生产计划层次单独研究组批问题的相关文献。 2 4 本章小结 本章在对相关文献资料的整理的基础上，对生产计划理论进行了介绍，对组批问题 进行了综述，为轧辊生产热处理计划优化问题的研究奠定了基础。 - 2 0 - 东北大学硕士学位论文 第3 章x j 公司生产计划系统的研究与分析 第3 章x j 公司轧辊生产计划系统的研究与分析 3 1 引言 经过5 0 多年的持续发展，我国钢铁、轧钢业的已经迅速崛起，生产能力已经居于 世界领先地位。各类现代化轧机的建成投产为轧辊业的发展奠定了坚实的基础，提供了 需求和巨大的市场，同时也对轧辊企业的生产计划系统提出了更高的要求。 如何建立高效实用的生产计划系统对轧辊生产的复杂流程进行管理是极为困难，也 亟待解决的生产管理问题。这一方面是由于轧辊生产属于多品种小批量的生产类型，强 调产品的个性化与多样化，要求生产计划系统以市场为导向，由客户合同驱动生产。另 一方面是由于轧辊生产流程工艺复杂，环境多变，过程连续性强，其中热处理工序还具 有并行批处理设备的特点，生产计划系统需要和轧辊产品及其生产流程的特点相匹配。 因此，本文首先试着从定性研究的角度，通过分析和归纳的方法回答这一问题。 3 2 轧辊产品简介 轧辊是钢铁企业轧钢机上的重要零件，轧机上使受轧制的金属发生塑性变形的部 件，通过利用一对或一组轧辊相对滚动时产生的压力来轧碾钢材。 轧辊产品具有多种用途和功能，不同的用途和功能会对轧辊产品有不同的性能要 求，且各种性能要求间需要优化匹配。而轧辊的性能要求决定于轧辊材质及其冶金质量， 形状和尺寸以及生产工艺。因此在轧辊的设计和生产过程中需要根据性能的不同要求确 定轧辊的具体形状、尺寸、材质和生产工艺。例如轧机、轧制产品和轧制条件都会对轧 辊的硬度、耐磨度、强度和咬入度有着各种要求。这类性能要求的满足需要企业的技术 部门进行有针对性发设计，生产部门再根据个性化的工艺设计保质保量的完成生产任 务。因此，充分了解轧辊产品及其特点是建立高效实用的生产计划系统的基础。下面本 文从轧辊的用途和功能、性能要求、形状及尺寸、材质几个方面介绍轧辊产品及其特点 拍，4 l 】 o 3 2 1 轧辊产品的用途和功能 确定轧辊的用途和功能需要根据以下四个方面来确定：( 1 ) 轧辊轧制的产品类型， 一般包括带钢、型材、板材、管材和线材。轧制不同的产品类型会对轧辊有不同的性能 要求。( 2 ) 轧辊应用的轧机类型，一般包括大、中、小型粗轧机和大、中、小型精轧机。 不同的轧机类型会对轧辊的形状和尺寸有不同的需求，如在孔型设计、水冷条件和轴承 种类上会有特殊要求。( 3 ) 轧辊轧制条件，其中包括轧制温度，轧制强度、轧制速度。 - 2 1 东北大学硕士学位论文 第3 章x j 公司生产计划系统的研究与分析 其中按照轧制温度可以将轧辊分为冷轧辊和热轧辊：( 4 ) 轧辊轧制功能，一般包括工作 轧辊和支承辊。直接接触轧件的轧辊称工作轧辊：为增加工作轧辊的刚度和强度而置于 工作轧辊背面或侧面又不直接接触轧件的轧辊称支承辊。 3 2 2 轧辊产品的性能要求 轧辊的性能和质量一般取决于其化学成分和制造方式并可由其组织、物理和力学性 能以及存在于轧辊内部的残余应力类型来评估。轧辊在制造和使用前的准备工序中会产 生残余应力和热应力。使用时又进一步受到了各种周期应力的作用，包括有弯曲、扭转、 剪力、接触应力和热应力等。这些应力沿辊身的分布是不均匀的、不断变化的，其原因 不仅有设计因素，还有轧辊在使用中磨损、温度和轧辊形状的不断变化。此外，轧制条 件经常会出现异常情况。轧辊在使用后冷却不当，也会受到热应力的损害。所以轧辊除 磨损外，还经常出现裂纹、断裂、剥落、压痕等各种局部损伤和表面损伤。因此在制造 轧辊时要严格控制轧辊的冶金质量或辅以外部措施以增强轧辊的承载能力。 轧辊在轧机中的性能不但取决于轧辊材质及其冶金质量，还和使用条件、轧辊设计、 操作维护有关。合理的辊形、孔型、变形制度和轧制条件也能减小轧辊工作负荷，避免 局部高峰应力，延长轧辊寿命。不同类型轧机的轧辊使用条件有很大差异，造成差异的 因素有：( 1 ) 轧机条件。如轧机类型、轧机和轧辊设计、孔型设计、水冷条件和轴承种 类等；( 2 ) 轧制条件如轧材品种、规格及其变形抗力、压下制度和温度制度、产量要求 和操作等；( 3 ) 对产品质量和表面质量的要求等。 最常用来评价轧辊在轧机中使用性能的方法有：( 1 ) 轧制1 t 轧材所消耗的轧辊重量 ( 蚝) ( 简称辊耗) ，用k 卧表示；( 2 ) 每单位轧辊直径减少所轧材的重量，用t m m 表 示。随着轧机的现代化，对轧辊使用失效的深入研究以及轧辊材质和制造工艺的改进， 工业发展国家的平均消耗已降低到l k 卧以下。这种消耗速度下延长了轧辊的使用周期， 降低了生产成本。轧辊消耗量决定于三个因素：( 1 ) 轧机、轧材和轧制条件，以及轧辊 的合理选择；( 2 ) 轧辊材料及其制造质量；( 3 ) 轧辊的使用和维护制度。 因此，不同类型的轧机以及同类型而使用条件不同的轧机，对所用的轧辊性能要求 不尽相同。而一个真正满足客户需求的轧辊，其强度、耐磨性和其他各种性能指标间应 有较优的匹配。如方坯和板坯初轧机轧辊要具有好的扭转和弯曲强度、韧性、咬入性、 抗热裂性和热冲击性以及耐磨性；而热带精轧机架要求轧辊辊面的高硬度、抗压痕、耐 磨、抗剥落和耐热裂等性能。通常对粗轧辊以强度、抗热裂为主要要求；而精轧辊速度 较高，轧制最终产品要有一定的表面质量，对它以硬度、耐磨等为主要要求。此外，对 轧辊还有一些特殊要求，如压下量大时，要求轧辊有较强的咬入能力，较耐冲击；轧制薄 规格产品时，则对轧辊的刚性、组织性能均匀性、加工精度以及表面光洁度等要求较严； 2 2 东北大学硕士学位论文第3 章x j 公司生产计划系统的研究与分析 轧制复杂断面的型钢时，还要考虑辊身工作层的切削加工性能等。 3 2 3 轧辊产品的材质 在轧辊的生产过程中轧辊的分类主要按其制造材料主要划分为铸铁系列轧辊、铸钢 系列轧辊、锻造系列轧辊三大类别【6 ，4 1 1 。 铸造轧辊是指将冶炼钢水或熔炼铁水直接浇铸成型这一生产方式制造的轧辊种类。 铸造轧辊按材质又可分为铸钢轧辊和铸铁轧辊两类；按制造方法又可分为整体铸造轧辊 和复合铸造轧辊两类。复合铸造轧辊指轧辊辊身外层与心部以及辊颈采用两种或两种以 上材质复合铸造而成，辊身外层和辊颈分别通过不同材质的成分设计和热处理工艺获得 要求的组织和性能。复合铸造方法有半冲洗复合铸造、离心复合与溢流复合三种，复合 铸造轧辊需要特殊的工艺装备，工艺相对复杂，控制难度大，需要较高的制造成本。 碳含量小于2 2 的铁基材料铸造的轧辊统称为铸钢轧辊。其中合金元素总量不大 于0 8 的铸钢称为碳素钢；合金元素总量大于o 8 的铸钢称为合金铸钢；碳含量 不小于1 3 的合金铸钢称为半钢。铸钢轧辊主要品种有碳素铸钢轧辊、合金铸钢轧辊、 半钢轧辊、石墨钢轧辊、高铬钢轧辊、复合铸钢支撑辊、高速钢轧辊、半高速钢轧辊等。 含碳量在2 2 以上的铁碳合金铸造的轧辊统称为铸钢轧辊。工业用铸铁一般含碳 量为2 2 4 。铸钢轧辊主要品种有合金无限冷硬铸铁轧辊、合金冷硬铸铁轧辊、珠 光体球墨铸铁轧辊( 离心) 、针状贝氏体球墨铸铁轧辊( 离心) 、合金球墨铸铁轧辊( 离 心) 。 锻钢系轧辊通过冶炼、锻造、热处理，使轧辊辊身工作层具有均匀一致高硬度、高 耐磨性和优良的抗事故能力，同时保证轧辊辊颈和辊身芯部具有一定的强度和高的韧 性。锻钢轧辊具有的这一独特性能，使其在冷轧以及有色轧制方面，有着铸造轧辊不可 替代的优势。 3 2 4 轧辊产品的特点 经以上介绍和分析，轧辊产品与生产计划系统相关的主要特点有以下几点： ( 1 ) 轧辊主要根据用途、功能和材质分类，由前文分析可知轧辊具有多品种的特点； ( 2 ) 即使品种相同，轧辊的尺寸和生产工艺有着较大差别； ( 3 ) 轧辊属于耐用品，如果使用方法得当，轧辊的使用寿命较长； ( 4 ) 轧辊重量、体积庞大，物流运输困难； 3 3x j 公司生产流程分析 轧辊生产流程工艺复杂，环境多变，过程连续性强，其中热处理工序还具有并行批 处理设备的特点。分析生产计划系统首先要对轧辊生产流程进行深入的分析。 一2 3 奎! ! 奎堂塑主堂堡垒奎 第3 章x j 公司生产计划系统的研究与分析 二二一一：一二= ： ：= ：! 竺： 3 3 1 轧辊生产流程 下面以轧辊制造企业x j 公司铸钢分厂的实际生产为例介绍轧辊典型生产流程，其 生产流程用s a p 公司流程建模工具e p c 描述，其中热处理工序的详细流程在后文中介绍， 如图3 1 所示： 图3 1 轧辊生产工艺流程 f i g3 1p r o c e s sn o wo fr o l l e rm a n u f a c t u r i n gp r o d u c t i o n 2 4 恼 一 固审一 圉 东北大学硕士学位论文第3 章x j 公司生产计划系统的研究与分析 ( 1 )生产订单下达后，首先开始模具的制备工序和钢水冶炼工序，由于两个工序 需要同时完成，因此生产所需时间较长的工序一般先开始生产。钢水冶炼工序是指根据 产品要求的材质和工艺在钢包中冶炼钢水的过程。而模具的制备工序可细分为造型、干 燥和合箱三个步骤。在造型开始前需要根据产品尺寸的要求将轧辊整体模具分解为各个 分块模具，其中包括底箱，中圈，冷型，冒口，铸浇管等。分解完成后再根据各分块模 具的尺寸要求选择适合的钢质模板，向其中填充沙粒制成符合尺寸要求的分块模具，这 就是造型过程。造型完成后，再将制作好的模具放入干燥窑中进行加热。干燥完成后再 将制作好的各个分块模具组成轧辊整体模具，放入地坑中等待浇铸，这一过程被称为合 箱。合箱完成后，模具制备完毕。 ( 2 )浇铸工序是指将冶炼完的钢水注入模具，制成毛坯的生产过程。浇铸完成后， 还需要根据铸造工艺要求进行电加热以及在地坑中保温缓冷，这个过程需要一直占用地 坑资源。 ( 3 )开箱工序是指将达到工艺要求的毛坯从模具中取出的过程。根据浇铸工序保 温的时间不同可以分为冷开箱和热开箱。热开箱一般保温1 2 2 4 个小时，开箱后必须马 上进入热处理炉进行热处理工序。冷开箱保温时间较长，一般需要三天以上，保温完成 后经热处理炉( 一般在地坑中) 退火处理消除内应力，然后转到加工分厂进行加工，加 工后根据工艺要求再返回铸钢分厂进行热处理等工序。 3 3 2 轧辊生产流程的特点 经以上分析可知轧辊生产流程中有以下特点： ( 1 ) 轧辊生产流程工序繁多，工艺路线复杂，且由于轧辊生产工具和设备具有一定的 通用性，产品工艺路线具有柔性特征。 ( 2 ) 生产瓶颈严重，并且瓶颈会随生产环境出现在不同工序，无法简单的利用扩大某 工序的生产能力来解决瓶颈问题。 ( 3 ) 轧辊生产过程连续性强，在有些环节，工序间的衔接在时间上有严格的要求，如 冶炼和浇铸之间、热开箱和热处理之间，属于无等待的流水生产模式。 ( 4 )由于产品品种多，批量小，在某些设备或工作中心如果不采用组批生产的方式很 难保证其工作负荷饱满，而单纯为了提供某些设备或工作中心的利用率，又容易 造成在制品的积压。 3 3 3 热处理过程 在整个轧辊生产流程中热处理处于突出重要的地位，其作用已经从单纯的消除铸造 应力转向改善轧辊的组织结构和性能。热处理过程不仅是轧辊生产所必须的一道工序， 而且是整个生产流程的瓶颈，对于企业的生产周期、生产成本、经营目标都具有至关重 - 2 5 - 东北大学硕士学位论文 第3 章x j 公司生产计划系统的研究与分析 要的作用。 一 痼国国圄 r 与 熟处理工 序结束7 、1j 豳国 图3 2 轧辊热处理工艺路线 f i g3 2p r o c e s sr o u t i n go fr o l l e rh e a t i n g 压蕊丙 i 理过程f l 、j 根据设备工艺处理能力的区别，热处理工序可以分为高温热处理、低温热处理、地 坑热处理三个阶段，每个阶段都有多台热处理设备。设备包括加热炉和地坑。加热炉主 要类型有电阻炉、煤气炉、，每种类型的加热炉根据其能达到的最高温度又可分为高温 炉、低温炉。低温炉的最高温度可达6 5 0 摄氏度，高温炉大最高温度1 1 0 0 摄氏度。炉 子根据其型号和空间大小可以分为3 8 个区，每个区都要设置控制点，实行分区控制。 而轧辊在加热炉中进行热处理时其摆放位置会影响其热处理效果，因此轧辊在加热炉的 摆放需要满足一定的要求。地坑的目的是在可利用的资源范围内，提高高温炉和低温炉 的利用率。具体的方法：辊坯在低温炉阶段进行热处理工艺，当毛坯辊的温度低于4 5 0 以下，粗加工辊的温度低于3 0 0 以下时可以将轧辊从低温炉倒入到地坑进行后续处 理。 轧辊生产的热处理过程就是将浇铸成的辊坯或经过粗加工后的轧辊装入加热炉按 - 2 6 趸完 一 赢警一意 面 东北大学硕士学位论文 第3 章x j 公司生产计划系统的研究与分析 照热处理工艺曲线对工件进行加工。由于不同的轧辊产品的工艺要求有所不同，其工艺 路线也会不同。如某些轧辊需要先经高温热处理再转炉进行低温热处理，而某些轧辊可 以经过高温热处理后其热处理工序结束，可能的工艺路线有四种，如图3 2 所示。 轧辊生产的热处理环节具有组批生产的典型特征，热处理设备即加热炉可以在满足 其能力限制的情况下，对多个辊坯进行热处理，多个辊坯同时装入，同时卸出加热炉， 处理过程不允许中断，批次的处理时间长度以批次中处理时间最长的辊坯的热处理时间 长度为准。组批生产可以提高设备的利用率，从而提高热处理工序的生产效率。考虑到 热处理工序为整个生产流程的瓶颈，热处理工序的升高也是整个生产流程效率的提升。 不同的轧辊在热处理工序工艺曲线不同，而且在热处理工序上不同的热处理过程的 工艺要求也各有不同。工艺要求一方面是处理时间的区别，一方面是热处理温度的区别。 而工艺区别过大的轧辊是不能组批生产的，只有工艺要求相近的轧辊才可以组批生产。 除了工艺相近，组批生产时还需要考虑加热炉容积，载重的限制，一个批次中的轧 辊必须满足加热炉在尺寸和重量上的限制。虽然轧辊的基本形状大致相同，但尺寸的差 别较大，并且轧辊在加热炉中摆放的方式会影响到组批的结果。因此在热处理过程的组 批生产中需要重点考虑尺寸对组批的影响。 3 3 4 热处理过程的特点 经以上分析可知轧辊生产的热处理过程有以下特点： ( 1 ) 热处理过程可以组批生产，即热处理设备一次可以同时对多个轧辊进行处理，其 处理过程不允许中断，批次的处理时间长度为批次中轧辊处理时间最大值。 ( 2 ) 组批生产中需要考虑轧辊尺寸，布局，处理时间对组批的影响。 ( 3 ) 热处理过程周期比较长，一般需要两天到十几天，并且是整个生产流程中的瓶颈， 需要充分利用生产能力，尽量避免加热炉闲置。 ( 4 ) 热处理过程分为高温热处理、低温热处理、地坑热处理三个阶段，不同的轧辊其 工艺路线不同，但各个阶段的衔接不允许等待，即一个工序完成后需立刻进入下 一个工序。 3 4x j 公司生产计划系统分析 3 4 1 销售过程分析 随着轧钢技术的发展，客户对轧辊的性能的需求更加多样化。由于轧辊作业环境、 使用条件、产品用途都会对所使用的轧辊提出不同的性能要求。而生产的轧辊要满足这 些性能要求就需要对轧辊生产的材料和工艺进行设。因此就需要企业在销售过程中准确 的了解客户在经济和技术上需求，弄清轧辊的作业环境、使用条件以和产品用途，再根 2 7 东北大学硕士学位论文 第3 章x j 公司生产计划系统的研究与分析 据当前各种轧辊材质的性能和制造工艺，正确地选用轧辊材质和设计生产工艺【5 ，4 2 1 。 本文对轧辊制造企业x j 公司的销售过程进行了分析和研究，其销售过程具体过程 如下： ( 1 ) 与客户的技术交流，具体包括以下步骤： ( a ) 了解轧机的基本参数，轧机操作、使用特点； ( b ) 了解轧制产品的品种及特性； ( c ) 了解轧制产品的质量要求； ( d ) 了解对轧辊产品的一般要求和特殊要求； ( e ) 介绍轧辊各种材质、各种品种的特性； ( 2 ) 提出轧机配辊方案建议； ( 3 ) 根据使用效果及客户要求对轧辊材质、性能进行改进。 ( 4 ) 与客户商谈产品售价，交货期等事宜，进行订单接受决策； ( 5 ) 如果决定接受订单，与客户签订销售合同。 销售过程的前三个步骤是企业与客户进行沟通，确定产品技术需求的过程。在技术 需求确定后，企业需要和客户商谈价格、交货期等事宜，并根据商谈结果进行订单接受 决策。订单接受决策对生产计划系统的影响最为显著，下面着重对此进行分析。 客户订单一般包括要订货的轧辊产品型号、性能和技术要求、数量、交货时间和价 格。在客户心里可能还有一个最高可以接受的价格和最迟的交货时间。超过此期限，客 户将另寻生产厂家。 轧辊生产企业来需要综合考虑客户订单需求的产品和对产品性能的特殊要求，以及 市场行情，现有任务情况和生产能力，生产技术推备周期、产品制造周期等因素，做出 是否接受订单的决策。在企业生产能力内的订单可能在较低价格下成交，超过企业生产 能力的订单由于会对企业生产计划造成一定冲击，可能在较高价格下成交。 3 4 2 生产类型分析 面对形形色色的制造业企业和千差万别的生产过程，为了识别它们的特征及其经营 管理的规律性，在研究中将按照一定的分类标志，对不同的生产过程进行分类，从而划 分成不同的生产类型。相对于不同生产类型，将有与之相适应的生产计划管理系统的解。 因此，分析生产类型的特点，也是研究企业生产计划系统的出发点【1 2 】。 ( 1 ) 按照企业组织生产的特点划分，轧辊生产属于订货制造型生产。轧辊生产周 期长、生产工序多、生产过程复杂、涉及的生产信息复杂且相互关联。而正是由于轧辊 的上述特点，轧辊生产需要与客户以协议或合同的形式确认对产品性能、质量、数量和 交货期的要求，再将销售合同转换为生产合同，通过生产计划系统组织设计和制造。以 - 2 8 - 东北大学硕士学位论文第3 章x j 公司生产计划系统的研究与分析 往公司营销部门和生产、技术部门之间联系不够紧密，许多重要市场信息往往不能 及时反馈到企业内部，使得企业无法迅速的对市场变化进行反应，难以满足客户的需求。 而以针对订货制造型生产方式设计的生产计划系统组织生产能够更好的满足市场对产 品的定制化需求，从而实现生产现场与销售现场的无缝对接。 ( 2 )按产品品种和生产数量划分，轧辊生产属于多品种小批量生产。轧辊属于耐 损耗的产品，产品价格昂贵，客户对轧辊的性能的呈多样化和个性化要求，因此需求呈 现出小批量、多品种的特征。因此，这也就意味着轧辊生产的稳定性和重复性较差。轧 辊生产的这一特点使得其生产计划体系更为复杂。 ( 3 )按照生产工艺特性和生产过程连续程度划分，轧辊生产属于混合型生产，即 在浇注工序前属于流程型生产，生产过程是连续的，在制品不是自然可分的；在此之后 属于加工装配型生产，生产过程是离散的，在制品是自然可分的，例如热处理和机加工 序都是离散的生产过程，在制品可以按轧辊的支数清点。连续的流程型工业生产和离散 型工业生产，在生产活动的组织和执行上有着较大的差异，因而在生产计划的制定和执 行上也有较大的不同。与离散工业相比，流程工业具有设备大型化、自动化程度较高、 一 生产周期较长、过程连续或批处理等特征，故中期生产计划十分关键。 3 4 3 公司主要组织结构 盘 在本文的实证研究中，x j 公司总厂中与生产计划相关的部门有： 营销部：主要负责市场调研、产品销售，分销商管理、客户管理等工作。 技术部：主要负责产品制造工艺的设计、研发等工作。萨 生产部：主要负责根据销售部门提供的订单、技术部提供的生产工艺资料和各分厂 的生产能力，制定主生产计划、能力需求计划等、物料需求计划，并监控各分厂的计划 执行情况等工作。 信息部：主要负责公司企业资源计划系统的维护与研发等工作，为公司其他部门提 供信息技术的支持。 除了上述职能部门外，公司对于其生产系统实行厂中厂策略，即将总厂的生产 系统分成若干个子工厂，在子工厂内集中进行小范围的，少数品种的产品生产或服务的 提供。这样可将管理的注意力集中于较少的工作任务中，职工的工作目标也比较单一， 从而能取得较好的生产效果。公司分为从事毛坯生产的铸钢分厂、铸铁分厂、锻压 分厂、锻造分厂；从事加工生产的机加二分厂、机加五分厂以及其它子公司。 在各个分厂和子公司也设立相关的职能部门，包括： 生产科：主要负责根据总厂下发的生产任务，考虑设备人员能力，制作周计划和日 计划，并监控车间的计划执行情况。 2 9 东北大学硕士学位论文 第3 章公司生产计划系统的研究与分析 技术科：主要负责分厂的制造工艺和工装工具的设计等工作。 3 4 4 生产合同管理 由于轧辊生产企业是订货制造型的生产方式，市场的需求仅由销售合同确定。在本 文的实证研究中，生产合同库是公司生产部以市场部提供的销售合同以及技术部提 供的生产工艺资料为依据，通过对销售合同库进行分解整理所得到的，是后续计划工作 的信息输入，其生产步骤为： ( 1 )由总厂营销部与客户进行交流以明确客户在经济和技术上的需求并签订销 售合同。由于轧辊产品的个性化和定制化程度高，企业的需求严格由签订的销售合同确 定，不存在对市场预测的成分。销售合同内容具体包括：轧辊产品的数量和价格、质量 和性能要求、交货期和交货方式。签订销售合同后，由于合同时间跨度较长，市场不稳 定因素较多，市场部根据每家用户的运行情况和风险程度，将产品区分为a 、b 、c 、 d 四大类别，根据市场反馈信息，动态的调整生产和发货计划。在本文的实证研究中， 企业正准备为国内一家钢铁企业生产一批大型轧辊，而该用户此条轧线即将停产。营销 部门获取到此信息后通知生产部门立即进行了相应调度。半个月后，企业接到用户请求 此产品暂时停产的通知，由于先期及时处置避免了大量资金被占用的风险。 ( 2 )由总厂技术部根据销售合同中的各项要求合理的选用轧辊材质和设计生产 工艺。并从工艺的角度给出生产相关的信息，其中包括确定各工序所需的设备和工装工 具并推算各工序生产时间，确定产品的物料清单( b i l lo f m a t e r i a l b o m ) 。 ( 3 )总厂生产部以市场部提供的销售合同以及技术部提供的生产工艺资料为依 据，通过对销售合同库进行分解整理形成以制修号为基本元素的生产合同库。制修号包 括合同号、材质、尺寸和工艺等信息。根据合同的数量要求，同一制修号可能包含多个 轧辊产品。再根据生产合同库，以生产效率和生产均衡性为目标编制主生产计划。 3 4 5 生产计划业务逻辑 公司的生产现状是供不应求，以往可以通过增加投资，扩大产能的方法解决此 矛盾。但考虑到金融危机下市场变幻莫测，前景不定，扩大产能这种粗旷式的管理模式 会带来较大风险。因此本文通过对公司e i 冲系统生产计划层次的分析，发现了系统 中的不足和问题，并通过建模和优化的方法提高了企业生产能力的利用率和生产效率【5 1 。 由于轧辊生产属于多品种小批量生产，由于销售订单到达具有随机性、产品往往又 是一次性需求，无法事先对计划期内的生产任务作总体安排，也就不能应用线性规划进 行品种和产量组合上的优化，但企业仍需要编制生产计划大纲，因为它可以对计划年度 内企业的生产计划编制和接受订货决策进行指导。 由于公司生产计划系统的核心问题是怎样编制高效合理的生产计划使得现有的 - 3 0 - 东北大学硕士学位论文第3 章x j 公司生产计划系统的研究与分析 生产能力的条件下尽可能的提高产出，因此本文的研究主要集中生成了生产合同库后的 生产计划层次h ，4 3 1 ，公司生产计划系统业务逻辑如图3 3 所示，组批问题存在于其中 虚线所指的计划层次： ， ， 组 j n 批 jq 桡 7 优 化 图3 3 ) ( j 公司生产计划系统业务逻辑 f i g3 2p 眦e s s1 0 9 i co fp r o d u c t i o np l 锄i n gs y s t e mi nx jc 0 r p o r a t i o n ( 1 )主生产计划( m a s t e rp r o d u c t i o ns c h e d u l e ) ，是确定在一定的计划时间单位 内最终项目( e n di t e m ) 生产数量的计划。主生产计划在e r p 系统中是上下内外交叉的 枢纽，在计划层次上起着从宏观计划向微观计划过渡的承上启下作用，又是联系市场、 供应链和生产的桥梁。 3 1 - 东北大学硕士学位论文 第3 章公司生产计划系统的研究与分析 在本文的实证研究中，公司的主生产计划编制的依据是生产合同库。由于轧辊 的生产类型是订货制造型，产品个性化程度很高，中间产品的通用性差，因此以成品轧 辊的制修号作为最终项目，即计划的对象。制修号不仅包括了产品的销售信息，还包括 了产品的工艺信息。公司在制定主生产计划时还将产品按材质分类，这样做有助于 企业制定物料需求计划，确定原材料的采购计划。 主生产计划的原则是均衡的安排生产使得客户需求与企业能力相匹配，强调生产的 均衡性，各工作中心的协调性。制定主生产计划时要相伴运行粗能力计划，只有经过按 时段平衡了供应与需求后的主