煉鋼連鑄計劃調度優化系統

［摘 要］鋼鐵企業的煉鋼連鑄計劃調度問題一直是學術界和企業界研究的熱門課題。煉鋼連鑄生產計劃調度系統是鋼鐵企業制造執行系統的重要組成部分，在企業的生產管理中起著承上啟下的作用。本文首先簡述了煉鋼連鑄計劃調度理論的發展歷程和生產工藝流程，并進一步描述了煉鋼連鑄計劃編制的流程。針對煉鋼連鑄計劃調度的現場要求，架構了煉鋼連鑄計劃調度優化系統的功能模塊，并較詳細地說明了各功能模塊的功能特點。該系統不僅能對靜態調度計劃應用多種優化方法進行編制，而且對復雜生產環境的各類響應事件可以做到快速響應，滿足動態調度的要求，保證生產的穩定順行。

［關鍵詞］CAST；靜態排程；動態調整

doi:10.3969/j.issn.1673-0194.2009.15.002

［中圖分類號］TP273;F273;TF777［文獻標識碼］A［文章編號］1673-0194（2009）15-0007-03

0 引 言

鋼鐵企業的煉鋼連鑄計劃調度問題一直是學術界和企業界研究的熱門課題。鋼鐵生產主要流程包括煉鋼、連鑄、熱軋三大工藝階段。煉鋼連鑄是鋼鐵生產的瓶頸工序，其過程是多階段、半連續的。這3個工序間呈現順序加工關系，且前后工序緊密銜接，存在著物質與能量的轉換與傳遞［1］。煉鋼連鑄生產計劃調度系統是鋼鐵企業制造執行系統的重要組成部分，在企業的生產管理中起著承上啟下的作用，通過它來決定計劃在煉鋼連鑄區域的加工順序和作業開始時間。隨著企業生產規模的不斷擴展，煉鋼連鑄區域的設備越來越多，冶煉的鋼種也越來越多，目前的計算機調度系統將很難適應將來調度的需求，因此研究和開發煉鋼連鑄計劃調度優化系統就顯得十分必要。

1 煉鋼連鑄計劃調度理論發展歷程簡述

從國內外研究發展狀況看，20世紀60-70年代，采用數學模型方法；80年代，采用人工智能方法；90年代，研發綜合集成方法。數學模型存在“剛性有余，柔性不足”的問題，難以適應復雜多變的實際狀況。人工智能方法柔性雖有改善，但受知識完備性、搜索效率等影響，有效性、靈活性仍受限。為解決煉鋼連鑄計劃調度優化問題中所遇到的困難，國外的大型鋼鐵企業已經認識到采用綜合集成技術是一個有效的途徑。因此20世紀90年代后，開始大力研發數學模型、人工智能和人機交互式的協調型生產計劃與調度編制技術。

2 煉鋼連鑄生產工藝流程

某鋼廠目前有3臺轉爐、3臺連鑄機和一些模鑄線，還包括一些精煉設備：2臺CAS（其中1臺可進行KIP處理）、1臺LF、2臺RH等。在正常生產情況下，煉鋼日平均生產實績在90爐左右，連鑄日平均生產實績在75爐左右，模鑄日平均生產實績在15爐左右。煉鋼、精煉、連鑄區域生產組織的基本原則是連鑄優先，模鑄起著生產的調節作用。其生產工藝流程如圖1所示。

3 調度計劃編制流程

煉鋼連鑄計劃調度的業務主要包括組CAST計劃、鑄機分配、靜態計劃編制、動態計劃調整和輔助設備的調度計劃。

3.1 組CAST、鑄機分配流程

根據后工序各流向的材料申請，根據連鑄規程和計劃要求進行組CAST作業。在組CAST的基礎上，再實現鑄機優化分配。它的目標是在滿足連鑄澆鑄規程的前提下，使連鑄的生產能力達到最大，并且充分發揮精煉RH、LF的能力，同時使中間包最少。

3.2 煉鋼計劃靜態編制流程

煉鋼計劃靜態編制是指靜態批量編制包括從轉爐開始的、經過精煉最后完成澆鑄的計劃經過的所有工序的時刻表，它的依據是日連鑄澆鑄順計劃和模鑄計劃。

出鋼計劃的編制流程是：

（1）依據日連鑄澆鑄順計劃的信息，結合工藝標準、設備狀況、作業進程等因素，先安排第一爐鋼水的處理工藝路線，并以每一CAST LOT中第一爐的開澆時間為起點逆向推算各工位的加工時刻。

（2）根據上一爐的澆鑄時間，算出第二爐鋼的開澆時刻，并作為起點逆推出第二爐鋼在各工位的加工時刻；以此類推，最終確定每一CAST LOT中全部爐次的加工時刻表。

（3）為了保證轉爐能力的充分發揮，還要根據上面的結果計算出轉爐生產的時間間隔。若間隔時間大于40分鐘可插入模鑄計劃；若小于40分鐘則空閑。

3.3 煉鋼計劃動態調度流程

煉鋼計劃動態調度是針對靜態計劃執行過程中所出現的生產擾動所進行的在線調整。它的依據是跟蹤系統采集到的現場計劃執行信息、設備狀態信息以及由現場調度人員識別出的擾動狀態類別和處理結果。調度人員按照不同的生產擾動狀態提出不同的策略，如：當鋼水溫度出現偏差時，確定是否通過OB升溫，若是則進一步選擇升溫的路徑；當時間出現偏差時，調整某些工位上的處理時間或調整路徑；當某些設備出現沖突或故障時，要重新選擇鋼水處理的工藝路徑。

3.4 輔助設備計劃制訂流程

調度人員根據出鋼計劃的結果，編制鋼包、臺車和吊車等輔助運輸設備的運行時刻表，并進一步編排鋼錠模使用計劃。

4 調度系統功能模塊

煉鋼連鑄計劃優化系統的主要功能模塊有：

（1）連鑄計劃自動生成和優化。

（2）模鑄計劃自動生成。

（3）出鋼計劃靜態排程和優化。

（4）出鋼排程動態調整。

4.1 連鑄計劃自動生成和優化

該模塊主要功能由以下幾個部分構成：

（1）生產能力設定與計算；

（2）連鑄、模鑄、精煉生產能力預分配；

（3）煉鋼連鑄外供坯和連鑄坯初軋加工合同LOT自動生成；

（4）自動組CAST、CAST優化；

（5）連鑄機自動分配與排程。

4.1.1 生產能力設定與預計算

生產能力設定與預計算包括：設備、檢修計劃的設定；精煉生產能力的預計算；轉爐生產能力的預計算；模鑄生產能力的預計算；連鑄生產能力的預計算。

4.1.2 連鑄、精煉、模鑄生產能力預分配

連鑄、精煉、模鑄生產能力預分配的結果在組爐、組CAST中作為約束條件。這些能力預安排可以是一個范圍，精煉生產能力的預分配主要是針對瓶頸工序RH和LF進行的。

4.1.3 煉鋼連鑄外供坯和連鑄坯初軋加工合同LOT自動生成

煉鋼連鑄外供坯合同和連鑄坯初軋加工合同LOT自動生成的主要功能有：合同收池、制造命令號確定、自動組LOT、制造命令號提交等。

4.1.4 自動組CAST、CAST優化

連鑄是以CAST為單位組織生產的。從提高連鑄機的生產能力、降低連鑄生產成本和質量成本角度考慮，希望盡量延長連續澆鑄生產的時間和提高CAST爐數。組CAST的任務是根據連鑄澆鑄規程，從已形成的CAST LOT材料申請中獲得CAST。CAST優化是把CAST分配在各連鑄機上并確定在各連鑄機上的順序。

4.1.5 連鑄機自動分配與排程

由于2CCM在設備、工藝等方面與1CCM差異比較大，為了提高RH生產能力、有利于兩臺連鑄機的生產能力發揮，同時考慮到連鑄機的生產能力平衡，需要在兩臺鑄機間進行鋼種的分配，即以CAST為單位，在1CCM和2CCM間進行CAST分配。由于3CCM的鋼種特點，把3CCM的材料申請和CAST計劃單獨編制。

連鑄機自動排程是在組CAST以后，以CAST為單位的鑄機自動分配，并在各連鑄機上對CAST進行順序調整。連鑄機自動分配與排程和出鋼靜態排程優化、調度計劃動態調整結合起來，并利用綜合模糊評價模型對分連鑄機的CAST順序進行評價和優化，達到轉爐、精煉、連鑄的能力最大化。

4.2 初軋向、冷錠模鑄計劃自動生成

根據初軋向合同和冷錠計劃要求，生成日模鑄計劃和模鑄排程計劃。編制初軋向和冷錠模鑄計劃的外部條件主要有兩個：一個是生產能力，一個是用戶合同。生產能力包括煉鋼生產能力、精煉生產能力、連鑄生產能力、模鑄生產能力等。用戶合同又分為鋼坯合同和內部流向材料申請，并且以內部去向為優先去向。

因此，初軋向模鑄計劃自動生成也是一個獨立的模塊。考慮了模鑄生產能力的模鑄出鋼計劃，在滿足以連鑄生產為主、模鑄協調平衡的要求和確定的轉爐排程計劃下， “適時”地插入模鑄計劃，充分發揮轉爐、精煉和模鑄的生產能力。模鑄與連鑄在煉鋼連鑄區域的優化，是一個分階段的、局部的優化，在滿足連鑄“局部”最大化的基礎上，追求模鑄能力的最大化，實現在整個區域的生產能力最大化。

4.3 日出鋼計劃靜態排程優化

根據分配的連鑄機、確定的CAST順序和CAST間隔，并根據給定的轉爐、精煉等設備條件，對各臺連鑄機日計劃和模鑄日計劃進行出鋼計劃靜態排程。一方面，可通過日出鋼計劃綜合評價模型，對出鋼計劃進行優化，并進一步對CAST和連鑄機分配等進行優化。另一方面，為了充分尊重調度人員的調度經驗，也可以人機交互的方式對日出鋼計劃進行可視化調整和優化。

排程優化的目標可以根據實時調度的需求進行選擇，基本上可以分成以下4種情況。

4.3.1 生產能力平衡

受模鑄和連鑄、工位沖突和行車競爭等因素的影響，在出鋼計劃編制完成后，煉鋼、精煉、連鑄和模鑄原來的生產能力平衡可能會打破，需要重新對整個流程的各工序進行生產能力平衡。

4.3.2 以RH生產能力最大化為目標優化

以RH生產能力最大化為目標的優化是考慮RH為流程瓶頸時，追求各臺RH生產能力損失和為最小的優化。這時主要考慮鋼種和流向在各RH上的分配等。

4.3.3 以連鑄生產能力最大化為目標優化

由于后工序的軋制能力大于供坯能力，連鑄生產能力最大化是長期追求的目標。連鑄生產能力最大化不是某一臺連鑄機的生產能力最大化，而是3臺連鑄機總生產能力的最大化，即追求3臺連鑄機停機生產能力損失和為最小。由于各連鑄機設備和工藝的差異，對應生產的鋼種、規格、CAST澆鑄爐數、小時產能有差異性，因此需要在連鑄機間設置停機產能損失權重，通過權重計算3臺連鑄機停機生產能力損失和。

4.3.4 多目標優化

當RH生產能力最大化和連鑄生產能力最大化兩個目標發生矛盾時，分別為兩個目標設置重要性指數來綜合優化。當RH生產能力不構成流程的瓶頸時，考慮連鑄生產能力最大化和庫存均衡化兩個目標來綜合優化。

4.4 出鋼計劃動態調整

由于出鋼計劃執行過程中的影響因素很多，并且生產過程是一個動態過程，因此需要跟蹤生產過程、評估事件對計劃執行的影響程度，并及時動態更新和調整出鋼計劃。出鋼計劃的調整原則為：繼承性和優化性相結合。繼承性是指當影響生產的事件出現時，可以通過工序的柔性組合或工序間的緩沖來消除這種不利影響時，盡量減少對原出鋼計劃的調整，從而保持計劃的連貫性和一致性；優化性是指因為設備故障或工序間不匹配等原因需要對原出鋼計劃進行調整時，調整的方向是針對當前的條件對原計劃進行優化。

5 結 論

作為鋼鐵企業制造執行系統的重要組成部分，煉鋼連鑄生產計劃調度系統一直是工業工程領域研究的熱門課題。煉鋼連鑄計劃調度優化系統結合現場不同的應用要求，對其功能進行了系統化的架構。該系統不僅能對靜態調度計劃應用各種優化手段進行編制，而且對復雜生產環境的各類事件可以做到快速響應，滿足動態調度的要求，保證生產的穩定順行。

主要參考文獻

［1］ 鄭秉霖，胡琨元，常春光.一體化鋼鐵生產計劃系統的研究現狀與展望［J］. 控制工程，2003，10(1):6-10.

An Optimal Planning and Scheduling System for

Steel-making and Con-casting

CHEN Wen-ming， GAO Xue-dong

(School of Economics and Management，University of Science and Technology Beijing，

Beijing 100083，P.R. China)

Abstract: Planning and scheduling for steel-making and con-casting in metallurgical enterprise is always a hot point for academe and enterprise. Planning and scheduling system for steel-making and con-casting is an important component of manufacture execution system in metallurgical enterprise， it plays a connecting link between the preceding and the following role in production management of enterprise. Firstly， the progress course and manufacture technical flow of steel-making and con-casting is presented briefly in this paper， then the flow of planning and scheduling is described further. According to the requirement of planning and scheduling， an optimal planning and scheduling system for steel-making and con-casting has been constructed and described. This system not only makes plan using several methods， but also satisfies respond of dynamic requirement for any events of complex manufacture condition. It can ensure the plan and schedule’s performance.

Key words: Cast; Planning; Scheduling