连铸和模铸混合生产炼钢调度系统设计与开发毕业论文.doc

东北大学硕士学位论文目 录 I 连铸和模铸混合生产炼钢调度系统设计与开发连铸和模铸混合生产炼钢调度系统设计与开发 毕业论文毕业论文 目录 独创性声明 I 摘 要 II ABSTRACT IV 第一章 绪 论 1 1 1 课题来源及意义 1 1 2 生产调度策略 2 1 3 炼钢调度方法研究现状及应用 5 1 4 本文主要工作 6 第二章 连铸模铸混合生产炼钢调度过程描述 8 2 1 引言 8 2 2 炼钢生产工艺流程 11 2 3 炼钢调度过程描述 14 2 3 1 炼钢调度特性分析 14 2 3 2 炼钢调度系统关联分析 15 2 4 炼钢调度复杂性分析 17 2 5 存在问题 18 第三章 炼钢 连铸 模铸混合生产调度策略 20 3 1 连铸 模铸混合调度生产模式分析 20 3 2 连铸 模铸混合生产调度策略 26 3 2 1 基于分批调度的连铸 模铸混合计划策略 28 3 2 2 连铸 模铸混合计划分批次调度策略实现 29 3 3 整半炉次连铸计划调度方法 33 东北大学硕士学位论文目 录 II 3 3 1 半炉次连铸计划启发式编制方法 34 3 3 2 整炉次连铸计划启发式编制方法 37 3 4 整半炉次连铸与混合浇期模铸计划调度方法 38 3 4 1 半次连铸计划与混合浇期模铸计划启发式编制方法 40 3 4 2 整炉次连铸与混合浇期模铸计划启发式编制方法 42 3 4 3 连铸 模铸混合生产调度批次综合策略 43 第四章 混合生产炼钢调度系统 46 软件设计与开发 46 4 1 混合生产炼钢调度软件结构 46 4 2 静态调度子系统软件设计 47 4 3 静态调度子系统类设计 48 4 3 静态调度子系统模块处理流程 50 4 3 1 初始化模块处理流程 50 4 3 2 数据输入模块处理流程 50 4 3 3 数据输出模块处理流程 51 4 3 4 主体算法模块处理流程 52 4 4 静态调度子系统开发 54 4 4 1 人机界面设计 54 4 4 2 主要的数据表及字段 60 第 5 章 混合生产炼钢调度系统实验验证 63 5 1 课题背景 63 5 2 组织机构 63 5 2 1 设备条件 64 5 2 2 工艺流程 65 5 3 系统运行环境与网络结构 65 5 4 实验验证 65 5 5 实验验证效果 68 总结与展望 70 东北大学硕士学位论文目 录 III 东北大学硕士学位论文第一章 绪 论 0 第一章 绪 论 1 1 课题来源及意义 随着社会进步和生活水平的提高 市场更加需要具有特色 更高品质 符合顾客个 人要求样式和功能千差万别的产品 激烈的市场竞争也迫使钢铁企业进行转变 批量 生产时代正逐渐被适应市场动态变化的生产所替换 在炼钢区域 连铸 模铸前的炼 钢精练工序从过去的 1 重发展到现在有 2 3 重甚至更多来满足市场对高品质产品的需 要 并且采用柔性设备和工艺 以满足柔性的市场需求 调度问题的分类方法有许多种 如 1 根据加工系统的复杂度分为单机和多机并 行调度 2 根据加工路线的一致性分为 Flow Shop 所有工件都在同样的设备上加工 并有一致的加工操作和加工顺序 和 Job Shop 允许工件加工具有不同的加工路径 调度 3 根据作业加工在线特点分为静态调度和动态调度 静态调度是指所有待安排加工的 作业均处于待加工状态 因而进行 1 次调度后 各作业的加工时序被确定 在以后的 加工过程中就不再改变 动态调度是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 完成加工的作业又不断地离开 同时还要考虑作业环境中不断出现的动 态扰动 如作业的加工超时 设备的损坏等 因此动态调度要根据系统中作业 设备 等的状况 不断地进行调度 炼钢 连铸 模铸混合生产调度应属于多机并行机问题 也是调度中最难解决的问题之一 鉴于当前炼钢厂的已经有多台连铸机和模铸 精炼设备众多 精炼重数多且复杂 再加上炼钢扰动众 依赖人工经验编制炼钢调度计划已经几乎不可能 勉强人工调度 其结果只能是效率低下 所以 在国内现有的钢铁企业 MES 实施方案流程中 炼钢 MES 中 包含功能强大且具有实用价值的动态炼钢调度系统已经成为 MES 产品竞争不可缺 少的关键点之一 模铸工艺在国内很多钢厂都已经没有了模铸生产线 由于一些钢种只能有模铸工艺 进行加工 所以模铸工艺存在是很有意义的 因此炼钢 连铸 模铸混合调度问题研究 的意义也是不可小视的 模铸存在的意义和作用如下 现代钢铁工业生产中 尤其是在特殊钢生产领域 中国军标和美国军标规定若干场 合不得采用连铸钢材 而只能采用模铸钢材 连铸刚才不能取代 1 模铸的增加可以实现销售计划 物流平衡和增加设备利用率 由于销售计划的需要 一些钢种只能有模铸工艺生产 例如 可浇注成份质量要求 很高镇静钢 最高可以浇注 900mm 厚度的钢板 3 5 压缩比 满足特种钢材的要求 比如军工用钢 这是连铸不可能实现的 连铸的理论最高浇注厚度为 450mm 现在可 东北大学硕士学位论文第一章 绪 论 1 以实现的浇注厚度为 300mm 这样厚度的钢板无法实现高压缩比 物流平衡 处理成分不行的钢水 可以浇注成份质量不是很高要求的压盖钢 处理 一些连铸不能浇注的钢水 进行模铸浇注处理 以后再进行切割后再处理 在连铸生 产节奏相对于转炉精炼工序慢很多的时候 会有一些钢水不能进行合理的连铸浇注生 产 这个时候要分配给模铸生产 调节整体加工生产的节奏 由上述可以看出 模铸的存在不仅仅从提高设备利用率 提高企业效益和增加产 品种类有着很重要的意义 同时在保护国家安全方面也有着不可或缺的作用 1 2 生产调度策略 生产调度 即对生产过程进行作业计划 作为一个关键模块 是整个先进生产制 造系统实现管理技术 运筹技术 优化技术 自动化与计算机技术发展的核心 有效 的调度方法和优化技术的研究与应用 是实现先进制造和提高生产效益的基础和关键 改善生产调度方案 可以大大提高生产效益和资源利用率 进而增强企业的竞争能力 生产调度的研究主要可分为建模和调度算法设计两方面 它是一个交叉性研究领域 涉及运筹学 数学 计算机工程 控制工程 工业工程等多个学科 利用科学的生产 调度方法是集成制造系统的未来发展趋势 是面向过程的生产活动与经营活动桥梁和 纽带 是现代集成制造系统的关键 钢铁生产工艺复杂 生产设备多 物流纵横交错 不仅要考虑钢水到达时间偏差 设备故障 而且还需考虑钢水成分不合格 钢水温度 补偿等动态扰动事件 显然 为了提高生产效率 生产调度是企业系统集成的重中之 重 2 3 4 由于现代生产调度问题的高度复杂性 当单一调度算法难以得到满意的求解质量 和求解速度时 往往通过一定的调度策略将多种算法进行结合 调度策略是生产调度 高层次的决策部分 成为调度问题研究方法的一种趋势 目前主要的研究策略可分为 以下几种 5 6 7 1 生产计划与调度集成策略 生产计划与调度的集成研究具有全局优化的特征 也符合先进制造模式的思想 同时能够提高了生产系统的柔性 2 人机协同策略 现有研究方法的缺陷以及人类独特的思维能力决定了人机协同 策略的生命力 大量研究表明人机协同交互策略可以减小系统的搜索时间 能够在有 限的时间 背景知识条件下解决一些困难的调度问题 3 动态重调度策略 车间制造过程的随时性和不确定性需要不断的进行重调度 以处理突发的事件 基于目前的研究 对于动态调度的具体策略有周期调度 连续调 度 事件驱动调度 周期与事件驱动混合调度 周期与连续调度混合等 4 分解与成组策略 利用分解生产计划或CT Cmup Technology 的调度策略可以大 东北大学硕士学位论文第一章 绪 论 2 大降低问题的复杂性和规模 求得调度问题的较优解 同时优化系统的一些性能指标 5 并行或分布策略 为适合不同车间控制结构与高度复杂问题的需要 不少学者 利用并行或分布策略来解决生产调度问题 6 多目标权衡决策 实际调度问题是多目标的 且这些目标往往相互冲突 如何 对调度系统的不同目标进行权衡分析 实现多目标调度优化是十分必要的 通过使用调度策略应用一下方法实现调度问题的求解 比如最优化方法 领域搜 索方法 基于人工智能和实时智能的各种调度方法 经典调度方法经典调度方法 1 有效最优化算法 有效最优化方法是针对特定的调度目标 可以在多项式时间内求得最优调度的一 类方法 此方法一直是研究者们追求的理想目标 调度问题复杂性研究表明 大多数 调度问题属于 NP hard 问题 对此类问题有效最优化算法是不存在的 因此 有效最 优化算法只适用于特定或相对窄的问题领域 8 2 精确最优化算法 精确最优化方法是一类具有一般性的组合最优化方法 主要包括 数学规划 排 队论 网络与图论等方法 由于调度问题固有的组合特征 搜索过程中通常引起 组 合爆炸 带来求解计算的困难性和复杂性 精确最优化方法为追求问题求解的最优 性而要付出极大 甚至是不可实现 的计算代价 这类方法一般仅可处理小规模问题或某 类特定问题 应用局限性较大 3 启发式算法 启发式算法是一种近乎经验和直觉的寻求合理解答的方法 基于对特定问题特点 的理解 通过一定的搜索规则缩小求解空间 能够快速求解问题 9 10 在深刻认识到调 度问题的内在复杂性以后 启发式算法较大程度上依赖于问题特性的理解 其普遍适 用性较差 且求解的质量也不高 因此 启发式算法的研究不仅仅在于找到方法 更 重要的是在求解质量 计算复杂性和适用性等方面对于算法进行必要的评价 11 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 侧重对系统中运行的逻辑关系的描 述 能够对生产调度方案进行比较评价 分析系统的动态性能 并选择系统的动态结 构参数 12 由于制造系统的复杂性 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 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 13 14 东北大学硕士学位论文第一章 绪 论 3 5 构造性方法 其主要包括优先分配规则 譬如SPT LRM MWR 基于瓶颈的启发式算法和插入 方法等 该类方法能够快速建立问题的解 但通常解质量较差且缺少柔性 否则需要 建立复杂的启发式规则 14 智能方法智能方法 1 专家系统 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 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 16 17 2 神经网络方法 Hopfield神经网络模型的提出为求解各种有约束优化问题开辟了一条新途径 用 Hopfield网络解决TSP问题就是其在组合优化问题中的最成功的应用之一 18 它的主要 思路是 通过一个Lyaplmov能量函数构造网络的极值 当网络迭代收敛时 能量函数达 到极小 使与能量函数对应的目标函数得到优化 19 3 智能搜索方法 应用于调度问题的智能搜索方法包括模拟退火 禁忌搜索和遗传算法等 目前在 动态调度中使用最多的是遗传算法 遗传算法解决调度问题的优势在于它可以随机地 从一个调度跳到另一个调度 从而可以解决其他方法易于使解陷入局部最有的问题 20 另外 它还具有计算速度快且易于与其他算法相结合的有点 非常适合于解决动态调 度的问题 组合方法组合方法 1 基于交互调度的方法 交互式调度 是在建立调度和动态维护调度的过程中 充分利用人的经验和能力 通过人与算法的信息交互 调整算法的条件和参数 迅速获得较好的可行方案 交互 的作用主要体现在人对过程操作的监控方面 如判断以外事件的发生 估计动态变化 对调度性能的影响 以采取适当的策略 文 21 针对传统精确方法在实际动态JobShop调 度应用中的有限性 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 2 组合方法 文 45 提出一种解决实时排序和调度问题混合方法的框架 综合运用了神经网络 遗传算法和实时仿真等方法 文 4 提出的是一种新的自适应神经网络和启发式算法的混 合算法 用于解决工件的调度问题 文 46 选择一内嵌结构来建立智能仿真模型来评价 东北大学硕士学位论文第一章 绪 论 4 钢厂的调度策略 提出一个通过仿真机制控制事件发生器和专家系统的框架 文 47 应 用多目标遗传算法检验批调度问题 采用交互的方式允许人参与优化过程 包括改变 参数的优先权 允许多目标遗传算法对批规模和任务分配做策略 1 3 炼钢调度方法研究现状及应用 炼钢 连铸 模铸混合生产过程是在高温下进行的物理化学反应和金属加工变形 具有高温熔炼 高温加工等特点 因此生产组织必须充分考虑利用热能 要求连续生 产 要求前后工序设备能力上协调 在制品在数量上 时间上紧密衔接 带有有限的 缓冲 钢铁生产是一个多阶段 离散和连续加工方式并存的复杂过程 大部分钢铁调 度问题都是NP难问题 在炼钢 连铸生产静态调度理论研究的方法方面 国内外的学者做了大量的研究工 作 数学规划是主要方法 文献 48 对于在安排炼钢 连铸中的时间调度问题 建立了基 于准时制调度思想的数学模型 连续变量 经过变换 将非线性规划问题转化为线性 规划问题 用标准线性规划程序进行求解 文献 49 在炼钢 连铸生产工艺的约束条件下 针对多阶段均有并行机的生产环境 建立综合考虑炉次的设备指派和作业调度的混合 整数线性规划模型 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 文献 50 针对各阶段均有并行机的HFS炼钢 连铸生产调度 问题 建立了问题的约束满足模型 将其归结为最小化操作开工时间偏移的调度问题 文献 51 以最小化makespan为目标 建立了炼钢 连铸生产调度问题的混合整数规划模型 并基于分解策略确定炉次计划 浇次计划和作业时间表 该文提到仅在第一个生产阶 段存在并行机 但给出的求解算法中看不出是如何实现机器分配的 日本和韩国的钢铁公司在解决钢铁调度方面占据着领先地位 九十年代初期日本 京滨钢铁厂利用 AI 技术 实现了从高炉 炼钢 连铸 热轧的一体化调度系统 它的 特征有 1 需求模拟仿真 过程间负荷的调整的长期预测和关于生产量 交货期 合 理化的最优性的评价 2 利用 AI 技术进行在线的实时调度和重调度 使作业变动具 有一定的灵活性 3 作业实绩的高度可视化 同期作业的实现 统一管制中心的设立 一体化最优性的实际绘图机能 日本加古川钢厂于 1993 年实现了从高炉至热轧的一体化管理 开发管制技术有下 述两种 1 炼钢作业管制 包括炼钢指令的在线化 以邮件形式把指令书进行 CRT 化 大屏幕显示 在线发行 连铸机替换机能 某连铸机发生故障 随时可以替换 在线 充当机能 炼钢至切割之间 把不符合原合同的改作后续炉次的板坯 2 热轧炉前的 管制 包括前工序进展情况的监视 把 HCR 材的炼钢 铸造 切割 输送的状况 自 动显示 冷坯在库检索 作为 HCR 周期计划用的活动材 跳跃材的检索 周期计划 东北大学硕士学位论文第一章 绪 论 5 编制 日本京滨钢铁厂生产计划调度系统的投入 使钢水等待时间缩短 1 2 年增效益 100 万美元 韩国浦项钢铁公司的光阳钢铁厂 开发了从铁水处理到轧制成材的一体化管理计算 机管理系统 其核心是实时调度和控制 它能根据主生产计划 实时编制详细作业计 划 通过在线跟踪系统 掌握实际生产动态 对异常情况及时调整 确保计划顺利进 行 对于炼钢连铸问题 已经有了大量的学术的研究和实际现场的验证 并已经取得了 很大的成果 但是国内外对于炼钢 连铸 模铸混合调度问题的研究 却很少 本课题 是以国内某大型钢铁企业为研究背景 针对于该企业的特殊模铸工艺存在的特点为研 究背景 提出了针对炼钢 连铸 模铸混合生产加工的特殊工艺情况 提出解决方法 1 4 本文主要工作 本文以钢铁企业炼钢 连铸 模铸混合调度生产过程为背景 针对炼钢 连铸 模铸混 合调度问题进行了研究 并设计和开发了相应的动态调度系统 主要研究工作包括 1 在调研炼钢调度现场生产工艺流程 进行调度过程描述 分析复杂性基础上 总 结了多生产模式炼钢 连铸 模铸混合生产调度策略 2 以多生产模式炼钢 连铸 模铸混合生产调度策略为依据 提出了连铸 模铸混合计 划分批次调度策略 整半炉次连铸计划调度方法 以及整半炉次连铸与混合浇期模铸 计划调度方法 包括半炉次连铸计划启发式编制方法 整炉次连铸计划启发式编制方 法 半次连铸计划与混合浇期模铸计划启发式编制方法 整炉次连铸与混合浇期模铸 计划启发式编制方法和连铸 模铸混合生产调度批次综合方法 3 在总结多生产模式连铸 模铸混合生产调度策略基础上 进行了系统软件设计与开 发 包括静态调度子系统设计思想 初始化 数据输入 输出 人机界面 数据处理以 及主体算法模块 4 应用现场实际数据进行测试 验证了调度整体解决方案 连铸 模铸混合生产调度 策略和调度方法的有效性 5 采用 C 语言和 Oracle 10g MS SQL 数据库技术建立了调度系统的算法主体部分 并通过建立动态链接库的方式实现其他程序对算法程度的调用 6 通过现场数据的模拟验证 通过甘特图和表格的方式显示得到仿真测试的结果 可以看出 对于炼钢 连铸 模铸混合生产计划的编制结果可以达到功能要的要求 并 且通过软件的测试 调度的方法可以在比较短的时间内得到满意的结果 实现了炼钢 连铸 模铸混合生产计划的计划编制 东北大学硕士学位论文 第二章连铸模铸混合生产炼钢调度过程描述 1 第二章 连铸模铸混合生产炼钢调度过程描述 2 1 引言 为了方便讨论和统一对业务对象的理解 特将相关名词总结如下 1 工位 也称为处理位 指在一个处理操作过程中 指一个炉次计划在某个设备 上的作业时间范围 一个炉次整个生产过程中包括多个生产工位 2 炉次 一炉铁水经过转炉冶炼后 顺序经过精炼过程和连铸过程的一个作业单 位 它由多个连续的单元组成 相当于工件 Job 3 工序 指炼钢过程的阶段数 一般包括冶炼工序 精炼工序和连铸 模铸工序 一个工序可能包含多个工位 例如一个多重精炼工序包含多个工位 每一重精炼就是 一个工位 4 路径 一般情况下与炉次对应 指一个炉次中各个单元工位的顺序集合 5 浇次 由工艺要求决定的多个炉次顺序构成的集合 6 冲突 同一工位上的两个或多个单元在作业时间上的重叠 7 处理时间 一个单元的作业时间范围 8 传搁时间 工位间的运输 传递时间 9 断浇 一个浇次内在连铸工位上 本应连续浇注的各炉次 出现的分断情况 10 炼钢 连铸 模铸调度计划 简称调度计划 它指定各作业的执行设备以及在 该设备上执行的开始时刻和结束时刻 它具体明确了某个设备需要顺序完成哪些个炉 次计划 在什么时刻开始加工 在什么时刻结束加工 同时也明确了某个炉次计划在 多个设备上的加工次序及作业时间 11 半炉次计划 已经开始生产 但在浇铸工位还未开始生产的炉次计划 12 整炉次计划 没有开始生产的炉次计划 13 有浇期模铸计划 按照要求 要在规定的时间 即在开浇时间之前进行浇注 生产 14 无浇期模铸计划 在保证有浇期模铸计划和连铸计划生产顺利进行的前提下 可以在任意时间生产 但是要兼顾整体生产的优化性 东北大学硕士学位论文 第二章连铸模铸混合生产炼钢调度过程描述 2 1LD 2LD 3 RH 1 CC 3 CC 3LD 5 RH1 5 RH2 1 LF 2 LF IR UT 2 CC 3 IC 2 IC 传传输输时时间间 冗冗余余等等待待时时间间 冲冲突突 一一个个工工序序 一一个个炉炉次次 准准备备时时间间 静静置置时时间间 当当前前时时间间t 模模铸铸一一个个浇浇次次 开开浇浇时时间间 1234 连连铸铸一一个个浇浇次次启启动动时时间间 AB 开开浇浇时时间间 工工位位 图 2 1 调度计划甘特图形式 Fig 2 1 Diagram of schedule plan show in Gantt paragraph 一般情况下调度计划有两种表示形式 甘特图和表格 图 2 1 所示为连铸和模铸混 合生产的调度计划的甘特图表示形式 为了容易分别相邻炉次用不同颜色进行表示 如图所示 纵轴为设备列表 表明炼钢 连铸 模铸混合过程中的设备情况 横轴是时间 坐标轴 表示作业时间坐标 图中数字 1 4 代表炉次在浇次内序号 这里只画出一个浇 次的计划 实际生产中是多个浇次构成一个连连浇 Cast 连续浇铸 图中字母 A B 表示两个模铸浇次计划 炉次 1 表示的一个半炉次连铸计划 炉次 A 表示一个 半炉次模铸计划 炉次 2 4 表示整炉次连铸计划 炉次 B 表示整炉次模铸计划 每 条横线代表一个机器设备 每个长方型代表一个工位 长方形的长表示所在机器上加 工时间的范围 由虚线连接的多个长方形表示一个炉次 同一个炉次的两个相邻工位 间的虚线表示为运输时间与冗余等待时间之和 竖线是表示当前时间 t 利用这条虚线 作为参照轴 是随着生产的进行 可以观察到相应时间工位使用情况 炉次生产情况 甘特图表示了各炉次及其各个工位在炼钢 连铸 模铸混合生产过程中的任务安排 同 时表现了炉次在路径与作业时间的两维关系 使调度人员可以在整体上观察到整个生 产的任务安排情况 同时可以看到当前生产执行的状态 哪些单元未生产 哪些单元正 在生产 哪些单元已生产结束 某个具体设备上是否正在生产等 这是非常直观的表 现形式 表格形式可以按不同的字段标识进行浏览和编辑 其中每一行都是一条炉次计划 其中包含内容如下图 2 2 所示 东北大学硕士学位论文 第二章连铸模铸混合生产炼钢调度过程描述 3 图 2 2 调度计划的表格形式 Fig 2 2 Diagram of schedule plan show in table 为了表述问题 也为了能直观描述问题需要 文中对于调度问题的阐述和说明都 是在甘特图基础上进行的 图 2 3 钢铁生产工艺过程 Fig 2 3 Diagram of the process of steel making 钢铁生产是一个高温 高能耗 物流量巨大的加工过程 整个生产流程工艺复杂 工序很多 各工序的工艺约束和目标也不尽相同 29 30 31 32 钢铁企业的生产调度是一个 东北大学硕士学位论文 第二章连铸模铸混合生产炼钢调度过程描述 4 极为复杂的工业生产调度问题 涉及到多方面的问题 工件聚类与加工优先级约束 机 器设置和移除时间以及工件等待的高费用 33 34 35 等 高效实用的钢铁生产调度必须建立 在对钢铁生产工艺过程的充分了解基础之上 人类冶炼钢铁的历史可以追溯到公元前一千年 现代钢铁冶炼仍然保持了最初的 两步法 先把矿石炼成生铁 再把生铁炼成钢 现代钢铁生产工艺过程较为复杂 涉 及的工序很多 一个典型钢铁企业的生产工艺过程如图 2 3 所示 36 可以分为三大部 分 炼铁 Iron Making 区域 主炼钢 Primary Steelmaking 区域和精整加工 Finishing 区 域 其中主炼钢区域包括炼钢 连铸 热轧等工序 精整加工区域包括冷轧 镀涂等 工序 2 2 炼钢生产工艺流程 炼钢 连铸 模铸混合生产过程是现代钢铁企业的核心工序 其基本生产流程是转 炉将高炉生产的铁水进一步冶炼为钢水 经过精炼炉进行精炼后 以保证钢水的化学 成分和温度等工艺指标满足制造工艺的要求 然后在连铸机或者模铸机上浇注成一定 尺寸外形的板坯 供给下游生产工序或用户 因此 炼钢 连铸 模铸混合生产具有承 上启下的地位和作用 同时对此过程的调度管理对确保钢铁企业生产的高效运行起着 非常重要的作用 国内某炼钢厂炼钢 连铸 模铸混合生产过程是一个由冶炼 精炼 模铸和连铸四 个生产阶段构成的 一般情况下有多台转炉设备 多台类型不同的精炼炉设备 如 RH 设备 LF 设备 CAS 设备 KIP 设备等 多台连铸机以及多个模铸工位组成 所以 炼钢 连铸 模铸生产过程是存在多设备并行机条件下 不同类型 不同批次的生产原 料 铁水 冶炼钢水 精炼钢水等 通过物流运输系统 天车 台车 钢包 铁水包等 在时间维度与设备维度上进行交叉 流转的复杂过程 从炼钢工序到连铸模铸工序是整个钢铁生产流程的重要组成部分 其设备 产品 种类繁多 这样就造成不同钢种要求的加工路径不同 炼钢 连铸 模铸混合生产 其 精炼环节包括一重精炼 二重精炼 三重精炼甚至有四重精炼 而且不同种精炼路径 的炉次计划往往会要在同一班次进行生产 另外连铸和模铸的开浇时间 只要在用户 要求的时间范围内 是可以变化的 工艺路线与钢种有关 不同类型的钢种可能有不 同的精炼需求及处理时间需求 前后工序的物流要协调一致 时间节奏要紧密衔接 生产过程一般都需要高温连续作业 没有中间库存 等待时间的增加可能意味着温度 的降低 再升温能源的浪费和生产成本的增加 需要对加工对象进行一定组合 按批 量生产 炼钢包括转炉 电弧炉炼钢和精炼两个阶段 基本任务包括以下 3 个方面 东北大学硕士学位论文 第二章连铸模铸混合生产炼钢调度过程描述 5 1 脱碳并将其含量调整到一定范围 钢中含碳量增加 则硬度 强度 脆性都将 提高 而延展性能将下降 通过碳的氧化造成溶池的激烈沸腾以去除钢中的气体和非 金属杂物其反应式为 37 FeOCFeCo 2 除去杂质 主要包括 脱磷 脱硫 P 可以引起钢的冷脆 而 S 则引起钢的 热脆 脱磷 脱硫的反映如下 37 25 2544 5PFeOCaOCaO POFe FeOCaOCaSFeO 加入强碱性氧化物的目的是使与其生成稳定的磷酸钙 从而提高渣氧化CaO 25 PO 脱磷能力 3 调整钢液成份和温度 为保证钢的各种物理 化学性能 还应加入适量的合金 元素 并使其含量达到规定要求 控制温度主要是保持一定的温度范围 进行化学反 应 主炼钢区域包括图 2 3 中的炼钢 连铸和热轧 是钢铁生产中的主要工序 主炼钢 区域接收高炉炼制出来的铁水 并将铁水加工成为半成品 板坯 钢卷 棒材 线材等 这些半成品根据其中所含的金属成分不同分为不同的钢级 规格也不尽相同 主炼钢 区域的重要生产设备为转炉或电弧炉 精炼炉 连铸机和模铸 炼钢 转炉或电弧炉 炼钢的主要任务就是按照所炼钢种的质量要求将炼钢原料 生铁 废钢 熔化 通 过氧化作用及加入铁合金将其中的碳 锰 硫 磷及其他元素含量调整到规定的范围 并达到一定的出钢温度准备浇铸 高炉铁水运输到炼钢炉后 和废钢一起倾倒入炼钢炉中 然后通过加热将炼钢炉 中的铁水和废钢加工成均匀的液态钢水 去除其中的杂质和其中所含的碳使其达到希 望的比例 钢铁生产一般用两类炼钢炉 转炉和电弧炉 其中转炉更为常见 根据原料来源特点 炼钢炉必须保证能消化所有高炉生产出来的铁水 而在炼钢 炉的输出方面 每一炉生产的钢水都具有一个特定的钢级 炼钢炉每次加工的钢水都 是一个满容量 精炼 炼钢炉生产出的钢水有时还需要进行精炼 钢水放置在钢包中 由天车 台车运送 到精炼设备处 一个钢包的容量和一个炉次的容量相等 在精炼炉内通过添加金属成 分等生产特定钢级的钢水 精炼过程中 每炉钢都经过的规定数量的精炼工位加工 即可能一炉钢要经过多个精炼工位 而每一个精炼工位对其加工设备都有工艺精炼类 型要求 东北大学硕士学位论文 第二章连铸模铸混合生产炼钢调度过程描述 6 连铸 精炼后的钢水运往连铸机进行加工 满足成份和温度要求的精炼钢水被注入连铸 机上面的大包 钢水通过大包流入连铸机的结晶器拉制成具有一定钢级和规格的钢坯 并为热轧工序或其它工序提供原料 连铸机要尽量连续浇铸 否则就必须重新引杆开 启铸机 每开启一次连铸机需要设备的调整时间和调整费用 而且会使产量降低 为 了提高生产效率 降低生产成本 就需要把尽可能多的炉次计划在同一连铸机上进行 连续浇铸 板坯有几个重要参数 宽度 厚度 长度 重量和钢级 每个炉次生产的钢水重量都是 固定的 一个炉次的钢水在连铸机上浇注出来的板坯一般为 1020 块左右 附图 2 4 模铸线生产布局示意图 图 2 4 模铸线生产布局示意图 Fig 2 4 Diagram of the position mould casting line 模铸 某炼钢厂有其特有的生产方式 模铸生产就是最明显的特别之处 模铸的主要工 艺情况如下 某炼钢模铸部分由 2 个跨 4 条台车线 7 个处理位 30 31 40 41 51 52 61 每两个相邻处理位共用一个台车线 在制造时间上 模铸计划的处理时间 在转炉上一般是 45 到 50 分钟 精炼与钢种 有关 普遍占较长时间 模铸时间与具体钢种有关 静置时间一般是 4 到 5 个小时 最长的约 8 小时 有些钢种的静置时间是有最大边界限制 不能超期静置 模铸计划在一天内大约有 14 条左右 占一天计划的 5 10 模铸计划有一定的优先级规则 订单存在交货期 对于一些有浇期模铸订单 是在 要开浇时间之前生产 对于一些无浇期模铸计划的订单 一般情况下是按转炉处理 能力来安排无浇期模铸计划 且具体模铸计划无具体处理位 模铸计划间一般也无 东北大学硕士学位论文 第二章连铸模铸混合生产炼钢调度过程描述 7 作业顺序要求 对于有浇期模铸订单 则要在规定时间前完成 而且有浇期模铸计划的优先级 是 比连铸计划的优先级别高的 即当需要有浇期模铸生产的时候 即使出现连铸断浇 的情况 也要保证有浇期模铸生产 影响模铸计划的另一个因素是工艺条件 它包括台车线是否被占用 是否有钢种对 应的锭模来浇铸钢锭 模铸工艺还包括热模铸和冷模铸 冷模铸需要锭模预热过程 同时也可能因此来构 成模铸计划的约束 2 3 炼钢调度过程描述 2 3 1 炼钢调度特性分析 炼钢 连铸 模铸混合 SCC 待调度模铸炉次的集合 为总模铸炉次数 i 第个模铸的炉次集合 且 n n 12N 12N 有浇期模铸集合 R R 无浇期铸集合 R R RR 炉次 的生产的工位集合 i ii 炉次 的没有开始生产的工位集合 i ii 炉次 在工序的机器上的工艺标准加工时间 ijk pt ijk d Xijk 炉次 的第个工位和个工位间的标准运 1 i j j utk k 1 ijk i jk t XX ij1j 输时间 炉次 在工位的机器上的加工开始时间和加工结束时间 ijkijk stet ijk 连连浇 Cast 的给定开浇时间 n Jn 有浇期模铸浇次的给定的浇期时间 n Tn 连连浇 Cast 之间的间隔时间 cast adjt 模铸浇次之间的间隔时间 即下一炉模铸浇注的准备时间 mould adjt 已指派的炉次集 再记为工位第台设备上已指派的炉次集 jk jk 11 1 1 jkj jm kK 连连浇 Cast 的断浇惩罚系数 由专家经过现场验证给出 1nCn 150 n C 炉次 在工位和工位之间的冗余等待时间惩罚系数 由专家经2ijCij1j 过现场验证给出 25 ij C 连连浇 Cast 的非准时开浇惩罚系数 由专家经过现场验证给出 3nCn 320 n C 炉次 在工位的机器 已由设备指派确定 上的优化后的加工开始 ijk Xijk 东北大学硕士学位论文第三章炼钢 连铸 模铸混合生产调度策略与实现 20 时间 选为模型的决策变量 炉次 在工位是否在设备加工 or 选为模型的决策变量 ijk yijk1 ij y 0 在工位上的设备加工炉次 与炉次的时间间隔 i j ki j k jki i i j ki j ki jkijk stet 对一对操作的顺序柔性的简单估计 表示为这一对的间 i j k ij k 隔最小值 对一对操作的顺序柔性评估方法 表示为一对操作最小 i j k ij k 值和最大值乘积的开方 3 2 1 基于分批调度的连铸 模铸混合计划策略 炼钢 连铸 模铸混合生产计划是由连铸计划和模铸计划组成的 模铸计划 又分为有浇期模铸计划和无浇期模铸计划 模铸计划浇次 A 问题描述 拟解决的问题可以描述为 在现有设备资源约束下 根据各连连浇 Cast 设 定的开浇时间和有浇期模铸的开浇时间约束 为炉次计划中的每一炉次 在工位i 的处理指派设备 目的是保证生产连续稳定进行的基础上达到优化的效果j ijk y 21 B 生产要求 考虑设备间除正常运输时间外 工序间无等待 不可中断 3 5 1 1 1 1 i ijkijkijkijkj ji ijk etstpstetutijm 每个连连浇 Cast 内严格连续浇铸 3 6 1 2 iiii SI i m k m ki m ki m kn ststptinN 保证有浇期模铸计划要在浇期之前进行加工生产 3 7 i i m kn stTR i C 分配策略 由于连铸和模铸计划有着不同的约束 对于炼钢 连铸 模铸混合生产模式 这个复杂的问题利用分批调度策略 将复杂问题简单化 再对每个小问题进行 处理 最后综合在一起进行综合优化 22 23 对于炼钢 连铸计划的调度方法利用的是启发式方法 24 根据连铸机为了保 证连连浇 cast 而设定的开浇时间 向前向进行设备的指派 通过考虑最优设备 和最优工位 选择适合炉次加工的设备和加工的开始时间 最优设备的选取规则如下 东北大学硕士学位论文第三章炼钢 连铸 模铸混合生产调度策略与实现 21 选取最早进入连铸加工的加工单元规则 3 8 1 min ii i m ki m k Rsty 当按规则确定出炉次 的可选择作业工位集中有多个工位时 选择传搁 1 Ri 时间最小的可行工位来加工 即 3 9 2 1 min i j j Rutk 获得规则选取的设备 再利用规则 判断其是否比其为选择的设备更 2 R 3 R 满足规则 选择最满足规则的设备和加工开始的时间 3 R 3 R 3 10 3 0 min jijk RF q i kst 在进行模铸计划编制的时候 为了保证有浇期模铸满足浇期生产 无浇期 模铸可以生产并达到优化的效果 所用的规则如下 对于有浇期模铸计划 要在满足浇期的基础上尽量提前生产 即 3 11 1 min ii i m kni m k SstTstiR 有浇期模铸计划对于设备选定是根据最优设备进行选择的 无浇期模铸计 划实际的作用是在生产的时候 在生产的时候 设备有空闲生产能力的时候投 入生产 增加设备利用率和提高产能 那么有了这样的规则 对于无浇期模铸 计划选择设备的规则和最优设备选取的规则是不同的 无浇期模铸的设备选择 规则为 3 12 1 j j min i jkijkSI i j kki k TptetststiRi 从转炉开始进行设备的选择 根据选择后确定炉次加工开始时间 进行 1 T 下一个设备的选择 规则如下 3 13 2 1 min i j j TutkiR 然后继续利用在这个工位进行设备的选择和确定炉次加工开始时间 1 T 3 2 2 连铸 模铸混合计划分批次调度策略实现 整体优化调度策略 炉次精炼次数不同及精炼设备的特殊要求下对于新增 的连铸模铸混合计划进行计划编制 根据连连浇 Cast 计划 优化目标 尽量连 续浇铸 尽量减少钢水冗余等待时间 尽量减少完成时间 约束条件 设备能 力约束 作业顺序约束 工艺标准 不可中断约束 有浇期模铸的浇期 原有 东北大学硕士学位论文第三章炼钢 连铸 模铸混合生产调度策略与实现 22 计划对于工位的占用情况 采用分批次调度策略 将原有计划和新增计划分成 两个批次 半炉次批次和整炉次批次 分别采用启发式方法和基于线性规划模 型的优化调度方法 25 编制出调度方案 采用系统设定的评价指标进行模糊 static S 综合评价确定出一个可执行的 满意的 结合炼钢生产调度过程 提出如 static S 图 3 1 所示 连铸计划 连铸 模铸混 合计划 优化目标 工艺标准约束 设备可用时间 参数 主体设备 调度计划 调度指令炼钢 连铸生 产过程 辅助设备调 度子系统 辅助设备 调度计划 调 度 指 令 约束条件 断浇最小 冗余等待时间最小 综合评价 新增计划 设备占用情况 炼钢 连铸 模铸混合计划编制 图 3 8 炼钢 连铸 模铸混合生产调度的优化策略结构 Fig 3 8 Diagram of optimize policy structure of steelmaking continuous casting and mould cast A A 分批次调度策略分批次调度策略 通过研究和分析 对于炼钢 连铸 模铸混合生产模式的处理方法是利用分 批次调度的策略 实现连铸模铸混合计划的计划编制 分批次调度策略基于实 际生产 将整体计划分为半炉次批次 整炉次批次 然后在根据模铸和连铸的 区别 对半炉次和整炉次批次再进行二次分批处理 连铸模铸混合调度计划分 批次处理调度策略如下 step1 炉次计划的生产状态是以当前时间为衡量标准的 根据当前时间 now T 将开始生产但是未开始浇铸的炉次计划归为半炉次计划 组成一个批次 now T 集合 半炉次批次集合为 f H step2 除去第一个批次中的半炉次批次集合 根据当前时间 将未开始 now T 生产的炉次归为整炉次计划 对于新增计划也作为整炉次计划 和原有整炉次 计划共同组成一个批次集合 整炉次批次集合为 f W step3 根据连铸计划 有浇期模铸计划 无浇期模铸计划的区别 对半炉次 集合进行二次分批次处理 分别分为批次集合 和 f H 0 H 1 H 2 H 东北大学硕士学位论文第三章炼钢 连铸 模铸混合生产调度策略与实现 23 step4 对于新编制的计划 为了实现连铸计划生产和原有连铸计划衔接 连 铸计划的第一条炉次计划有开始浇铸时间的设定的 而对于有浇期模铸计划也 是有开始浇注时间的设定 对于连铸计划 是要尽量满足开始浇注时间 对于 有浇期模铸计划是要在开浇时间之前生产以满足浇铸时间 对于无浇期模铸计 划是没有开浇时间限定的 对于整炉次的批次计划也分为批次集合 和 0 W 1 W 2 W 以图 3 8 中的 11 条计划连铸模铸混合调度计划为例 假设炉次计划为 1 10 有浇期模铸计划 模铸炉次计划为无浇期模铸计划 按照上述的分批为 2 11 由于在 1 2 1 3 1 4 1 6 1 7 1 8 1 10 f H 2 5 2 9 2 11 f W 第一个半炉次批次里面只有为模铸计划 而且仅有这一条模铸计划为有浇 1 10 期模铸计划 所以 0 1 10 H 1 1 2 1 3 1 4 1 6 1 7 1 8 H 对于第二个批次 整炉次批次集合 只有一条无浇期模铸计划 2 H 2 11 所以 0 W 1 2 5 2 9 W 2 2 11 W 在调度过程中 对于连铸生产这个工艺过程 新增计划要考虑调度计划的 连续性 以此来保证生产的连续性和稳定性 因此要考虑新增计划之前班次的 计划 以保证在考虑设备占用和连铸生产连续的前提下进行生产加工 通常情 况下 保持新增计划前班次已经分配的半炉次计划的加工设备不变 仅仅是对 其加工时间进行一些编制操作 但是对于还未生产的整炉次计划 是可以根据 需要进行配置性的编制操作 重新编辑设备 或者仅仅对设备的加工时间进行 编制 now T CF1 CF2 RH1 RH2 LF1 CC1 CC2 1 1 2 2 2 5 1 1 3 3 1 1 4 4 1 1 6 6 1 1 7 7 1 1 8 8 2 9 0 0 1 1 i j ij符号说明 表示分批后组的序号 表示炉次在连铸 模铸机上排序号 1 1 1 10 0 2 11 1 IC 东北大学硕士学位论文第三章炼钢 连铸 模铸混合生产调度策略与实现 24 图 3 9 计划的分批调度策略结果 Fig 3 9 Diagram of the results batch splitting scheduling policy 基于分批调度策略的炼钢 连铸 模铸混合计划调度求解 如图 3 10 原混合调度计划 分批策略 0 H 1 H 2 H 子问题调度 半批次紧急模 铸调度方法 最终调度计划 分组 f H f W 0 W 1 W 2 W 分批策略 半批次连铸调 度方法 半批次连铸调 度方法 整批次紧急模 铸调度方法 整批次连铸调 度方法 整批次连铸调 度方法 断浇时间优化 处理 分组 图 3 10 基于分批的调度求解策略 Fig 3 10 Diagram of the batch splitting scheduling policy B B 分批次调度策略处理流程分批次调度策略处理流程 基于分批调度策略的炼钢 连铸 模铸混合计划调度求解过程如下 step1 分类出半炉次计划和整炉次计划 将其分为两个调度集合 step2 是否存在半炉次计划集合 如果不存在是跳转 step8 step3 在半炉次集合里面分类出连铸炉次计划计划 有浇期模铸炉次计划集 合与无浇期模铸炉次计划计划 step4 对于半炉次集合里面的批次都不进行设备的编制 只进行时间的编制 并且对于有浇期模铸计划是要尽量在浇期之前生产的 step5 依照连铸和模铸的优先级别关系 首先对于半炉次有浇期模铸计划集 合进行时间编制 必须保证有浇期模铸计划的开浇时间在浇期时间之前生产 0 H 另外有浇期模铸计划开浇时间限制但是没有连铸生产先后顺序的约束 所以模 东北大学硕士学位论文第三章炼钢 连铸 模铸混合生产调度策略与实现 25 铸计划生产的先后顺序是可以变化的 当编制结束或者集合为空 则继续到下 一步 step6 进行半炉次连铸计划集合时间编制 在中 从第一炉开始进行 1 H 1 H 时间编制 编制结束或者集合为空则继续下一步 step7 对于无浇期模铸计划集合进行时间优化编制 由于无浇期模铸计 2 H 划是没有开浇时间设定 所以模铸计划生产的先后顺序是可以变化的 当集合 编制结束则继续到下一步 step8 对于整批次集合的调度过程和半批次集合的调度过程是基本类似 f W 的 也是以 这样的顺序进行计划编制的 只是这个时候进行对于 0 W 1 W 2 W 整炉次集合的设备和时间都进行编制 step9 对于半批次集合和整批次集合进行线性规划混合模型优化处 f H f W 理 step10 编制结束 基于分批策略的调度方法总体步骤如下 流程如图 3 11 东北大学硕士学位论文第三章炼钢 连铸 模铸混合生产调度策略与实现 26 确定半炉次计划和整炉次计划 对半炉次计划进行分类 结束 读取出钢顺计划表中的数据 是否存在半炉次计划 对半炉次有浇期模铸计划 进行路径锁定编制 Y 对半炉次连铸计划 进行路径锁定编制 将整炉次计划和半炉次计 划分成两个的批次 对半炉次无浇期模铸计划 进行路径锁定编制 对整炉次有浇期模铸计划 进行时间与设备编制 对整炉次连铸计划 进行时间与设备编制 对整炉次无浇期模铸计划 进行时间与设备编制 线性规划混合模型 N 图 3 11 基于分批策略的炼钢 连铸 模铸混合生产计划求解算法流程图 Fig 3 11 Diagram of the batch splitting scheduling polic flow chart of steelmaking continuous casting and mould casting 3 3 整半炉次连铸