炼钢厂计算机辅助生产调度系统的应用现状

1、2003 年钢铁研究学报第15卷Vol. 15, No.5Oct. 2003钢铁研究学报JOURNAL OF IRON AND STEEL RESEAR CH2003 年钢铁研究学报第15卷2003 年钢铁研究学报第15卷测试与控制2003 年钢铁研究学报第15卷2003 年钢铁研究学报第15卷炼钢厂计算机辅助生产调度系统的应用现状周永良，刘浏，何平，刘锟,贺庆(钢铁研究总院冶金工艺 研究所，北京100081)摘 要：介绍了炼钢生产计算机辅助调度系统的地位和作用，概要说明了几种用于调度系统的数学模型的思路和求解方法，并结合生产实际对这些调度系统的特点、应用现状和前景作了分析。 关键词：炼钢;调

2、度系统；数学模型中图分类号：TF701. 3文献标识码：B 文章编号：1001 0963(2003) 05 0051 05Computer Aided Scheduling System of Steelmaking PlantZHOU Yong liang, LIU Liu, HE Pi ng,LIU Kun, HE Qing(Central I ron and Steel ResearchI nstitute, Beijing 100081, China)Abstract: The statusand purposeof the computer aided scheduling syst

3、em used for steelmaking plant as well as mathematical modelsand calculation methods were introduced. The features, application condi tions and prospect of scheduling system were depicted.Key words: steelmaking;scheduling system;mathematical model2003 年钢铁研究学报第15卷2003 年钢铁研究学报第15卷近年来不断发展的IT技术为钢铁行业提高劳 动

4、生产率、降低成本、实现利润最大化提供了新的机 遇。实现生产调度的计算机化已成为许多钢铁企业 考虑的核心问题之一。相对于化学工业和机械制造工业而言，钢铁工业的生产调度计算机化是比较落后的，发表的成果也不多。这与钢铁联合企业的生产特点是分不开 的1:生产过程是多段带有间歇性的！准连续？过程,各个工序可能是刚性衔接的，也可能是柔性衔接 的;#前后工 序的物流 要协调一致,时间要紧 密衔 接;? 一般需要高温连续作业，对等待时间有苛刻要 求,等待时间长意味着能量流失。正是这些特点造 成钢铁行业实现完全意义上的计算机自动调度有难 度。对此，国内外的科技工作者作了很多研究，指出常规算法通常无法完善地解决这

5、类问题，因而调度工作的完全自动化是不可能的1。也就是说，目前条件下实现炼钢生产计算机自动化调度、完全脱离人工干预还不现实，计算机系统只能作为辅助手段。 本文涉及的是计算机辅助生产调度系统(CAPSS)。作者简介：周永良(1976 ),男，硕士生； 收稿日期：2002 05 21;1生产调度的基本原则和CAPSS的逻辑结构11生产调度的基本原则CAPSS的主要任务是：进行生产调度，以便在 设备使用状态最佳化的条件下，尽量缩短整个工厂各台设备的运行时间，即用最短的生产时间取得最 佳的生产效果。炼钢厂生产调度计划的编制原则是：结合生产部门下达的计划和现场设备的运行情况，考虑铁水处理与运输、转炉炼钢、

6、精炼、钢包周转和天车运行 各环节的衔接和匹配问题 ，在充分发挥连铸机生产 能力的前提下，安排各个生产工序运转。具体运作 情况是：以连铸机生产为中心，在确定铸机开浇时刻 序列后，前推转炉出钢时间序列和可浇注钢种以及 对应钢种的精炼工艺路线。1 2 CAPSS的逻辑结构炼钢连铸调度计划的任务是：以炉次为最小计修订日期：2002 09 04划单位,在追求某一评价函数（如最小等待时间、 最 低生产成本）最佳化的前提下对多工件、多工序、多机进行特殊job shop排序,即确定以何种顺序、在何 时、用何种设备安排钢水从转炉到连铸机的各个工 序。生成一个调度方案大致要经历如下步骤：首先排出连铸机浇注的次序，

7、再生成子调度和粗调度方 案,最后形成炼钢 连铸计划方案，流程见图1。Fig 1 Schedulemode f low chart of steelmaking CC production2生产调度方法用计算机代替人来编制调度计划需要借助某些 算法。常用的调度方法有：制造资源计划法（MR Pll , Material Resource Planning ）、准时 制 生产法 （JIT, Just in Time）、运筹学（数学规划）法、随机优 化法、离散事件仿真法、人工智能法和虚拟现实 法2。一般来说，确定的数学模型是简单实用的。但实际生产过程存在各种各样的影响因素，尤其在原料短缺（如铁水不足）

8、、关键设备发生故障和人为干 扰因素较多的情况下，很难建立精确的数学模型，所以有必要建立基于人工智能的知识模型。在传统生 产调度工作中（特别是异常情况下）,人们往往凭经 验进行调度，而这些经验就有可能是有用的、甚至是 非常有效的知识。因此，可把这些经验存入知识库， 建立用于生产调度的专家系统，以确保在生产优化 的基础上实现合理的调度决策。下面介绍其中最基 础、最简单的方法：线性规划法、排队论和产生式系 统。21线性规划法对于图1中由子调度简单叠加而成的粗调度，发生设备冲突一般不可避免。这就要求能借助计算 机的计算能力来缓合设备冲突，此时可采用线性规 划法。当然，线性规划法也可以用于将调度的每个

9、环节看成一个有机整体，从整体的角度来生成一个 调度计划。炼钢生产调度的核心是通过提高连铸比来降低 成本、扩大经济效益，所以可以用经济效益作为目标 函数来建立数学规划。应该指出，虽然求解线性规划是一件比较简单的工作，但确定规划参数仍有很 大难度,选择不当将造成求解出的结果不准确，甚至出现明显的错误，所以采用线性规划法有较大的局 限性。实际生产系统中，经济效益是调度工作追求的 最主要目标。对于炼钢厂，经济效益可以表现为：尽 可能的多炉连浇、缩短钢水的平均等待时间、无回炉钢水。这就有可能不直接以单一环节%成本控制作为目标，而是以一些具体生产要求作为目标，建立一个多目标规划。2 2排队论常用排队论的方

10、法来仿真离散事件。排队是指 到服务机构要求服务的对象排成一个等待队列，而排队论是研究各种排队现象的理论。在排队论中 ， 将接受服务的对象称为顾客，提供服务的机构称为 服务台，服务时间是指顾客占用服务台的时间。服 务台按照一定的次序对顾客提供服务，称为服务规则。文献2论述了有关！排队论？的基本观点，并分 析研究了转炉向连铸机供应钢水的合理时间间隔和 某座转炉向某台连铸机供应钢水等具体时间的节奏 调控问题。实践证明，将数学知识与连铸生产的调 度问题相结合是有益的、切实可行的尝试。2 3产生式系统% 52 %Acadvtnie Jcsumal EltctroPtbdl rights产生式系统是专家系

11、统的先驱，也可以认为是 专家系统的较初级、较简单的阶段。在产生式系统 中,论域的知识分为两部分：用事实表示静态知识 ， 如事物、事件和它们之间的关系；用产生式规则表示 推理过程和行为。由于这类系统的知识库主要采用 存储规则，因此又把此类系统称为基于规则的系统。第5期周永良等：炼钢厂计算机辅助生产调度系统的应用现状10月一个产生式系统由工作存储器（Working Memory,简称 WM ）、产生 式规则库（Production Rule Base）和规则解释程序3部分组成。规则解释程序包括匹配器、冲突集、冲突消解器及解释器，其基本 结构见图2。产生式系统是调度系统常用的一种有效方法，它可以部分

12、模仿人的思维活动，进行推理，以得出所 要的结论。产生式系统应用于调度实践 ，需将专业 知识和操作经验总结为规则，供计算机推理时采用。图2产生式系统的基本结构Fig 2 Framework of creating system3生产调度自动化的实现31计算机调度的核心功能模块311制定生产计划以生产合同为前提，以生产能力为依据，以利润 最大化为目标，根据上级领 导的要求 和指示，自动 （也可手工干预）编制进度计划。炼钢生产是一个条 件相对苛刻（高温液态金属，对钢水成分和温度均有 严格要求）的过程,要求将各 工序（炼钢、精炼及连 铸）的操作互相协调，有序而及时地推进生产过程，避免工序阻塞或钢水温降

13、过大。此外，因钢铁企业的主要设备比较庞大，投资极高，所以又要避免某些 设备过分闲置，造成浪费。调度计划的生成以自动 编制与操作员人工干预相结合的方式进行，这样既可以充分利用计算机准确高效的优势，同时又借助操作员的长期经验积累。312在线实时调整调度计划实际生产操作时往往会遇到各种意外情况。对 于炼、铸、轧连续作业的现代冶金生产过程来讲，更容易出现与调度计划不符的情形。一个可用的调度 系统应该能实时修改生产计划，以备不时之需。在操作人员确定要改变原有的生产计划后，调度系统会参考实时数据库的信息，自动进行修改，必 要时也可以手动调整。经过调整，生产计划将继续推进，生产不至于中断。随后，调度系统会继

14、续完成 监测、控制的功能。3 2计算机调度系统的利弊3 2 1编制生产计划速度快，避免人为的盲印性以前可能需要几天才能完成的编制生产计划的 工作,现在几分钟之内就可完成，这带来以下几点好 处：有利于缩减员工，降低人工成本；#可以将原 来的！月？计划改为！日？计划，便于微观控制生产合 同的完成情况、作业计划的执行情况以及各种资源 （包括设备）的利用情况；？便于随时根据生产中出 现的问题及时调整已安排好的计划和任务，既保证按时交货，又避免资源浪费。此外,人工编制计划常常受到个人喜好和当时 的情绪等因素的影响。计算机则完全不同，它会按照应有的规则不折不扣地执行。计算机准确高效的 特点是人所无法比拟的

15、，这使得它具有比人工操作 更高的可靠性。同时计算机还可以设置查错模块，用于跟踪验证调度计划的正确性。3 2 2可与工厂其它部门的计算机系统连网，实现信息共享，协调生产过程计算机调度系统可以保证信息流快速和高可靠 性的传输，加快调度反应，提高生产效率。同时，该 系统可以与工厂其它的计算机系统连接，把不同部门有效的数据集合成一个逻辑整体，实现生产计划、 统计、成本管理、设备管理、大型工具管理一体化。 尤其在连铸、热装热送时，炼钢与后续环节的紧密联 系、生产工序之间的相互制约以及生产协同是必须 考虑的核心问题。3 2 3建模困难，很难完全反映实际生产情况，生成的调度计划与实际生产无法完全一致现代炼钢

16、过程的机理十分复杂，现场的实际生产情况又千差万别，所以建立一个统一的控制模型 有相当的难度。对于 炼钢这个实 际的生产 过程来 说,涉及的环节非常多，所以在建模时要充分考虑其 复杂性,不要包容过多的功能，而应以核心功能为着 眼点。辅助功能最好在后续开发中逐步增加，一步一步地实现目标。虽然建立计算机调度系统时总是期望系统能运 行在最优或较优状态，但实际运行时通常会出现各 种随机的扰动，使系统的实际状态与期望状态出现 偏差。造成这种偏差的原因可能有：对未来生产活动的预测方法不完善，模型本身有缺陷；#在计划 实施过程中出现了随机波动 ，如关键加工设备发生 延误；？操作工的人为失误。由于出现偏差通常是

17、 无法避免的。所以制定调度计划时应考虑留有适当I 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing Hodml AH rights reserved, htrp: %第5期周永良等：炼钢厂计算机辅助生产调度系统的应用现状10月的缓冲时间，以应付现场的复杂情况。此外 ，制定出 的计划只是作为一种指导性或辅助参考性的计划，可以根据实际情况进行修改。4计算机调度系统的应用实例计算机调度系统作为典型CIMS应用、ERP系统中相对基础的子系统，因其实用性和可行性在国 内外许多先进的钢厂都有应用。目前还没有采用这 一系统的企业中，也有一些正在关注

18、相关技术的进 展。41国外应用情况国外的计算机应用水平通常要高于国内，尤其是在德国、日本、韩国，人工智能原理和运筹学知识 得到了有效应用。国外某些钢厂已运行了包括炼钢 调度系统在内的全厂综合生产计算机管理系统，例如：日本NKK京滨钢铁厂的 Scheplan系统、韩国光 阳钢铁厂的H IPASS系统和奥地 利Linz钢铁厂的 VAI Schedex系统。国外许多钢铁公司都有很强的 研发能力，上述这些实用系统多为钢铁公司的自动 化控制部门与专业的IT公司合作开发的。这样开 发的系统针对性更强，更能适应现场的条件，可认为 是相对专用的系统。还有一少部分系统是由专业的 信息系统公司单独开发的。这些系统

19、并非针对某个 钢厂的实际情况，它解决的是共性的问题，面向的是 更加广泛的用户，可视为相对通用的系统。据文献3报道:Alstom Power Con version 公 司 与PSI BT AG公司合作，为德国Eko Stahl公司位 于Eisenhuttenstardt的钢铁厂开发了先进的PPS系统（Production Planning and Scheduling System）。该 系统对现有生产布局作了分析，深入研究了该厂物 流、能量流和信息流的运动及其相互影响，提出了先进的系统设计思想。利用该系统可以生成、监控和更新调度计划，使生产布局更加合理、经济、有序。 该系统的逻辑框架及其与其

20、它自动化系统的联系见 图3。4 2国内应用情况位于高雄的中华钢铁公司（CSC）是台湾地区唯一的大型钢铁联合企业。该公司利用台湾较高的信 息技术水平和人才优势，基于ERP的思想，结合钢 铁工业的特点，开发建立了中钢资讯作业管理系 统4,该系统包括一个动态排程（即调度）生产系统（简称DPSS）。目前，中钢第一炼钢厂和第二炼钢厂 都装备了 DPSS。DPSS用计算机辅助值班主管来管丁血化订単社舞-Y客户订单二1主产计划与训度葢斷 卩用肯锁） 凰最计划宝生产计划炼钢.热轧详堀计划 挣軋详细计划味钢热轧详细计划冷轧详细讣划 般指导盍见1 1生产划 陶料疗戟管理：卄钢电 热轧昔卷备工位加工计划: 炼钢.连

21、棒事务报告技术乞订单处坦 半产H耻士艇和时间讥划.杳验顾材堤需求 订単姐踪 加丄丄娣集生立廿程监遂： 协逗工位叵加遁度空时條止调匡计创i过程盍武巴渥厂，韦间的过翟汁算机图3 Eko Stahl的PPS系统的逻辑框架Fig 3 Logical framework of Eko Stah&s PPS system理厂内的炼钢调度作业：各工位的信息在网络上的 计算机之间传递，再由该系统取得足够的生产数据 ， 经由实绩监视功能告知值班主管，使其确切掌握各 工位的状况及生产实绩；值班主管可根据主电脑提 供的订单和周生产计划，用动态生产排程电脑系统 的推理机作出的调度最适规划来统筹安排各设备的 生

22、产排程及产量，以减少设备的闲置时间，达到最高 生产效率；动态生产排程电脑系统将炼钢吹炼计划 分别传送给氧气厂（以便调整氧气的产出量）和能源 调度中心（以便估计转炉炉气的产出量，配合能源调 度,控制能源消耗量）。受自动化水平、员工素质等方面的限制，国内钢 厂的信息化水平比较落后，大多未建立大型整合管 理系统。宝山钢铁公司对台湾中钢公司的整合管理 系统比较认同，委托中钢公司为其开发了自己的信 息管理系统。武汉钢铁公司目前也正在与中钢公司 合作,为其开发类似的管理系统。但是 ，对于大多数 钢厂来说，建立大型整合管理系统为时尚早。由于 计算机调度系统简单实用、投资少、见效快、易于掌 握,现阶段首 先采用这样的 系统是现 实可行的，首 钢、八钢、重钢等都已成功地应用。这些系统普遍采 用物流管制、专家系统、排队论反推等方法来生成生 产调度中的日作业计划或班作业计划，可保证连浇炉数增加，生产物流顺畅，节能降耗，作业效率提高。 人机交互画面的引入使系统的实用性和灵活性增 强。应该说这些系统的应用取得了明显的效果。5展望% 54%T钢铁企业的生产流