【正文】 連鑄 /模鑄混合生產(chǎn)過程中 處理機(jī)的 數(shù)量、種類和環(huán)境情形各異，工件和資源的約束條件更是錯(cuò)綜復(fù)雜，加上度量不同指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)，形成了種類繁多的調(diào)度問題，與經(jīng)典調(diào)度問題相比， 煉鋼 連鑄 /模鑄混合生產(chǎn) 調(diào)度問題主要體現(xiàn)出以下特征 : (1)綜合因素分析的復(fù)雜性 要準(zhǔn)確的建模、求解、及時(shí)進(jìn)行 計(jì)劃編制 就要對 煉鋼 連鑄 /模鑄混合 生產(chǎn)過程中的有澆期模鑄的 開澆時(shí)間 ，連鑄的銜接和 物流流量因素進(jìn)行綜合考慮，而有的因素之間存在著相互的關(guān)聯(lián)性，給因素的精確分析帶來了一定的很大的困難性。 AMR 將 MES 定義為“位于上層的計(jì)劃管理系統(tǒng)與底層的工業(yè)控制之間的面向車間層的管理信息系統(tǒng)”， 它為操作人員和管理人員提供計(jì)劃的執(zhí)行、跟蹤以及所有資源 (人、設(shè)備、物料、客戶需求等 )的當(dāng)前狀態(tài) 。 多擾動(dòng)主要體現(xiàn)在：生產(chǎn)的過程中 由于現(xiàn)場環(huán)境造成 時(shí)間偏差、溫度過低、質(zhì)量成份不合格、設(shè)備故障等 問題出現(xiàn)的時(shí)間擾動(dòng)、溫度擾動(dòng)、成份擾動(dòng)等 多種擾動(dòng) 。IC)生產(chǎn)過程由冶煉、精煉和連鑄 /模鑄 三個(gè) 主要階段 構(gòu)成 ，如圖 ， 整體煉鋼 連鑄 /模鑄混合 生產(chǎn)過程是一個(gè)由冶煉、精煉和連鑄三個(gè)生產(chǎn)階段構(gòu)成，一般情況下有多臺轉(zhuǎn)爐設(shè)備、多臺類型不同的精煉爐設(shè)備 (如 RH 設(shè)備、 LF設(shè)備、 CAS 設(shè)備、 KIP 設(shè)備、 IR_UT 設(shè)備等 )及多臺連鑄機(jī) 和模鑄機(jī) 。 ③ 連鑄 精煉后的鋼水運(yùn)往連鑄機(jī)進(jìn)行加工，滿足成份和溫度要求的精煉鋼水被注入連鑄機(jī)上面的大包，鋼水通過大包流入連鑄機(jī)的結(jié)晶器拉制成具有一定鋼級和規(guī) 格的鋼坯，并東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 二 章 連鑄模鑄混合生產(chǎn)煉鋼調(diào)度過程描述 7 為熱軋工序或其它工序提供原料。 高爐鐵水運(yùn)輸?shù)綗掍摖t后，和廢鋼一起傾倒入煉鋼爐中。 P 可以引起鋼的冷脆，而 S 則引起鋼的熱脆。 從煉鋼工序到連鑄模鑄工序是整個(gè)鋼鐵生產(chǎn)流程的重要組成部分，其設(shè)備、產(chǎn)品種類繁多，這樣就造成不同鋼種要求的加工路徑不同。高效實(shí)用的鋼鐵生產(chǎn)調(diào)度必須建立在對鋼鐵生產(chǎn)工藝過程的充分了解基礎(chǔ)之上。 圖 所示為 連鑄和模鑄混合生產(chǎn)的調(diào)度計(jì)劃的 甘特圖 表 示形式，為了容易分別相鄰爐次用不同顏色進(jìn)行表示。 (8)傳擱時(shí)間：工位間的運(yùn)輸、 傳遞時(shí)間。一個(gè)爐次整個(gè)生產(chǎn)過程中包括多個(gè)生產(chǎn)工位。 韓國浦項(xiàng)鋼鐵公司的光陽鋼鐵廠，開發(fā)了從鐵水處理到軋制成材的一體化管理計(jì) 算東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 6 機(jī)管理系統(tǒng)，其核心是實(shí)時(shí)調(diào)度和控制，它能根據(jù)主生產(chǎn)計(jì)劃，實(shí)時(shí)編制詳細(xì)作業(yè)計(jì)劃，通過在線跟蹤系統(tǒng)，掌握實(shí)際生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，對異常情況及時(shí)調(diào)整，確保計(jì)劃順利進(jìn)行。 文獻(xiàn) [51]以 最小化 makespan為目標(biāo)，建立了煉鋼 連鑄生產(chǎn)調(diào)度問題的混合整數(shù)規(guī)劃模型，并基于分解策略確定爐次計(jì)劃、澆次計(jì)劃和作業(yè)時(shí)間表，該文提到僅在第一個(gè)生產(chǎn)階段存在并行機(jī)，但給出的求解算法中看不出是如何實(shí)現(xiàn)機(jī)器分配的。文 [47]應(yīng)用多目標(biāo)遺傳算法檢驗(yàn)批調(diào)度問題，采用交互的方式允許人參與優(yōu)化過程，包括改變參數(shù)的優(yōu)東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 5 先權(quán)，允許多目標(biāo)遺傳算法對批規(guī)模和任務(wù)分配做策略。目前在動(dòng)態(tài)調(diào)度中使用最多的是遺傳算法。 (4)系統(tǒng)仿真方法 基于仿真的方法不單純追求系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，側(cè)重對系統(tǒng)中運(yùn)行的邏輯關(guān)系的描述，能夠?qū)ιa(chǎn)調(diào)度方案進(jìn)行比較評價(jià)，分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，并選擇系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù) [12]。 經(jīng)典調(diào)度方法： (1)有效最優(yōu)化算法 有效最優(yōu)化方法是針對特定的調(diào)度目標(biāo)，可以在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)求得最優(yōu)調(diào)度的一類方法，此方法一直是研究者們追求的理想目標(biāo)。 由于現(xiàn)代生產(chǎn)調(diào)度問題的高度復(fù)雜性，當(dāng)單一調(diào)度算法難以得到滿意的求解質(zhì)量和求解速度時(shí)，往往通過一定的調(diào)度策略將多種算法進(jìn)行結(jié)合，調(diào)度策略是生產(chǎn)調(diào)度高層次的決策部分，成為調(diào)度問題研究方法的一種趨勢，目前主要的研究策略可分為以下幾種 [5,6,7]： (1)生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度集成策略 :生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度的集成研究具有 全局優(yōu)化的特征，也符合先進(jìn)制造模式的思想，同時(shí)能夠提高了生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性。 生產(chǎn)調(diào)度 策略 生產(chǎn)調(diào)度，即對生產(chǎn)過程進(jìn)行作業(yè)計(jì)劃，作為一個(gè)關(guān)鍵模塊，是整個(gè)先進(jìn)生產(chǎn)制造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)管理技術(shù)、運(yùn)籌技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)、自動(dòng)化與計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的核心。 模鑄 存在的 意義和作用 如下 ： ? 現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是在特殊鋼生產(chǎn)領(lǐng)域。 (3)根據(jù)作業(yè)加工在線特點(diǎn)分為靜態(tài)調(diào)度和動(dòng)態(tài)調(diào)度。 batch schedule policy。 本文以鋼鐵企業(yè) 煉鋼 連鑄 /模鑄混合生產(chǎn)過程 為背景，針對煉鋼 連鑄 /模鑄混合生產(chǎn)過程中存在模鑄的復(fù)雜性問題進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)和開發(fā)了相應(yīng)的調(diào)度系統(tǒng)。論文中取得的研究成果除加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包括本人為獲得其他學(xué)位而使用過的材料。煉鋼 連鑄 /模鑄混合生產(chǎn)過程是高溫作業(yè)過程，實(shí)時(shí)性要求高，時(shí)間效益顯著，復(fù)雜性增加。 Mathematics expression is used to qualitatively analysis the steelmaking continuous casting and mould casting problem. And the differences between continuous casting and mould casting are brought out. The mathematics model is also established. 4. Tested by the actual data, it is verified to be efficacy that the schedule method and policy of the steelmaking continuous casting and mould casting. Keywords： steelmaking。在煉鋼區(qū)域，連鑄、模鑄前的煉鋼精練工序從過去的 1 重發(fā)展到現(xiàn)在有 23重甚至更多來滿足市場對高品質(zhì)產(chǎn)品的需要，并且采用柔性設(shè)備和工藝，以滿足柔性的市場需求。 鑒于 當(dāng)前煉鋼廠的已經(jīng)有多臺連鑄機(jī)和模鑄，精煉設(shè)備眾多，精煉重?cái)?shù)多且復(fù)雜，再加上煉鋼擾動(dòng)眾，依賴人 工經(jīng)驗(yàn)編制煉鋼調(diào)度計(jì)劃已經(jīng)幾乎不可能，勉強(qiáng)人工調(diào)度，其結(jié)果只能是效率低下。這是連鑄不可能實(shí)現(xiàn)的，連鑄的理論最高澆注厚度 為 450mm，現(xiàn)在可東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 2 以實(shí)現(xiàn)的澆注厚度為 300mm，這樣厚度的鋼板無法實(shí)現(xiàn)高壓縮比。鋼鐵生產(chǎn)工藝復(fù)雜、生產(chǎn)設(shè)備多、物流縱橫交錯(cuò)。 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 3 (5)并行或分布策略 :為適合不同車間控制結(jié)構(gòu)與高度復(fù)雜問題的需要，不少學(xué)者利用并行或分布策略來解決生產(chǎn)調(diào)度問題。 (3)啟發(fā)式算法 啟發(fā)式算法是一種近乎經(jīng)驗(yàn)和直覺的尋求合理解答的方法，基于對特定問題特點(diǎn)的理解，通過一定的搜索規(guī)則縮小求解空間，能夠快速求解問題 [9,10]。 (2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法 Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的提出為求解各種有約束優(yōu)化問題 開辟了一條新途徑，用Hopfield網(wǎng)絡(luò)解決 TSP問題就是其在組合優(yōu)化問題中的最成功的應(yīng)用之一 [18]。文 [21]針對傳統(tǒng)精確方法在實(shí)際動(dòng)態(tài) JobShop調(diào)度應(yīng)用中的有限性，通過 人機(jī)交互方式，修正許多限制資源的約束能力，從而降低調(diào)度問題的復(fù)雜性。 文獻(xiàn) [49]在煉鋼 連鑄生產(chǎn)工藝的約束條件下，針對多階段均有并行機(jī)的生產(chǎn)環(huán)境，建立綜合考 慮爐次的設(shè)備指派和作業(yè)調(diào)度的混合整數(shù)線性規(guī)劃模型。 日本加古川鋼廠于 1993 年實(shí)現(xiàn)了從高爐至熱軋的一體化管理，開發(fā)管制技術(shù)有下述兩種： (1)煉鋼作業(yè)管制：包括煉鋼指令的 在線化，以郵件形式把指令書進(jìn)行 CRT化 (大屏幕顯示 )，在線發(fā)行；連鑄機(jī)替換機(jī)能，某連鑄機(jī)發(fā)生故障，隨時(shí)可以替換；在線充當(dāng)機(jī)能，煉鋼至切割之間，把不符合原合同的改作后續(xù)爐次的板坯。 5) 采用 C++語言和 Oracle 10g/MSSQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)建立了調(diào)度系統(tǒng)的算法主體部分，并通過建立動(dòng)態(tài)鏈接庫的方式實(shí)現(xiàn)其他程序?qū)λ惴ǔ潭鹊恼{(diào)用。 (5)澆次：由工藝要求決定的多個(gè)爐次順序構(gòu)成的集合。 (13)有澆期模鑄計(jì)劃：按照要求， 要 在 規(guī)定的時(shí)間 ，即在 開澆時(shí)間 之前進(jìn)行澆注生產(chǎn)。 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 二 章 連鑄模鑄混合生產(chǎn)煉鋼調(diào)度過程描述 4 圖 調(diào)度計(jì)劃的表格形式 Diagram of schedule plan show in table 為了表述問題，也為了能直觀描述問題需要，文中對于調(diào)度問題的闡述和說明都是在 甘特圖基礎(chǔ)上進(jìn)行的。因此，煉鋼 連鑄 /模鑄 混合 生產(chǎn)具有承上啟下的地位和作用，同時(shí)對此過程的調(diào)度管理對確保鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的高效運(yùn)行起著非常重要的作用。鋼中含碳量增加，則硬度、強(qiáng)度、脆性都將提高，而延展性能將下降。主煉鋼區(qū)域接收高爐煉制出來的鐵水，并將鐵水加工成為半成品 (板坯、鋼卷、棒材、線材等 )，這些半成品根據(jù)其中所含的金屬成分不同分為不同的鋼級，規(guī)格也不盡相同。 ② 精煉 煉鋼爐生產(chǎn)出的鋼水有時(shí)還需要進(jìn)行精煉，鋼水放置在鋼包中 ,由天車、臺車運(yùn)送到精煉設(shè)備處，一個(gè)鋼包的容量和一個(gè)爐次的容量相等。 附圖 ，模鑄線生產(chǎn)布局示意圖： 圖 模鑄線生產(chǎn)布局示意圖 Diagram of the position mould casting line ④ 模鑄 某 煉鋼廠有 其特有的生產(chǎn)方式， 模鑄生產(chǎn) 就是最明顯的特別之處， 模鑄的主要工藝情況如下： ? 某 煉鋼模鑄部分由 2 個(gè)跨， 4 條臺車線， 7 個(gè)處理位 (30， 31， 40， 41， 51， 52，61)，每兩個(gè)相鄰處理位共用一個(gè)臺車線； ? 在制造時(shí)間上，模鑄計(jì)劃的處理時(shí)間，在轉(zhuǎn)爐上一般是 45 到 50 分鐘，精煉與鋼種有關(guān)，普遍占較長時(shí)間，模鑄時(shí)間與具體鋼種有關(guān)，靜置時(shí)間一般是 4 到 5 個(gè)小時(shí)，最長的約 8 小時(shí)，有些鋼種的靜置時(shí)間是有最大邊界限制 (不能超期靜置 )； ? 模鑄計(jì)劃在一天內(nèi)大約有 14 條左右，占一天計(jì)劃的 5%~10%； ? 模鑄計(jì)劃有一定的優(yōu)先級規(guī)則 ，訂單存在交貨期，對于一些有澆期模鑄訂單，是在要開澆時(shí)間之前生產(chǎn) ，對于一些 無澆期模鑄計(jì)劃的 訂單，一般情況下是按轉(zhuǎn)爐處理能力來安排 無澆期 模鑄計(jì)劃，且具體模鑄計(jì)劃無具體處理位，模鑄計(jì)劃間一般也無作業(yè)順序要求； ? 對于 有澆期 模鑄訂單，則要在規(guī)定時(shí)間前完成，而且 有澆期 模鑄計(jì)劃的優(yōu)先級，是比連鑄計(jì)劃的優(yōu)先級別高的，即當(dāng)需要 有澆期 模鑄生產(chǎn)的時(shí)候，即使出現(xiàn)連鑄斷澆的情況，也要保證 有澆期 模鑄生產(chǎn)。 多模式主要體現(xiàn)在：冶煉、精煉是一個(gè)間歇的生產(chǎn)模式， 在鑄機(jī)工序部分， 連鑄是一個(gè) 不間斷的 生產(chǎn)模式 ， 要求一個(gè) 澆次 內(nèi)的 所有 爐次在連鑄機(jī)連續(xù)生產(chǎn)， 而模鑄卻是一種必須間斷生產(chǎn)的離散生產(chǎn)模式，要求模鑄澆注后必須在澆注位置鎮(zhèn)靜一段時(shí)間以后才可以進(jìn)行下一次澆注；并且由于 不同模鑄計(jì)劃對于 開澆時(shí)間 的要求不同，這樣導(dǎo)致連鑄和模鑄生產(chǎn)的首先級別也不同，這樣就產(chǎn)生了不同 開澆時(shí)間 的模鑄計(jì)劃和連鑄計(jì)劃協(xié)調(diào)生產(chǎn)的組合多模式問題。 執(zhí)行層 (Manufacturing Execution System， MES)：強(qiáng)調(diào)計(jì)劃的執(zhí)行功能。它是 L3 級的神經(jīng)，操控指導(dǎo)著 L2 級，聯(lián)系著 L4 級，并橫向影響到工藝前序的煉鐵和后序的熱軋，處于樞紐地位。Garey等 [44]證明即便對于單機(jī)調(diào)度問題，如果考慮 n個(gè)作業(yè)而每個(gè)作業(yè)只考慮加工時(shí)間與序列有關(guān)的準(zhǔn)備時(shí)間， 就等價(jià)于 n個(gè)城市 TSP問題 。當(dāng)全面建模后，問題的規(guī)模也急劇增大。因此現(xiàn)在存在以下問題沒有很好的解決： 首先，從 鋼鐵生產(chǎn)的 機(jī)理角度講，煉鋼屬于冶金物理化學(xué)混合過程，其中的內(nèi)部規(guī)律很復(fù)雜、難以用確定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行全面描述 ，通常對問題做一些假設(shè)和簡化，不能充分反應(yīng)生產(chǎn)實(shí)際的復(fù)雜性，所得調(diào)度結(jié)果往往與生產(chǎn)實(shí)際存在差距 。 本文將 深入研究實(shí)際煉鋼 連鑄 /模鑄混合 生產(chǎn)調(diào)度問題 ，根據(jù)現(xiàn)場需求分析建模 、探求有效算法和開發(fā)相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。 ? 按照爐次計(jì)劃是否開始生產(chǎn)可分為：半爐次計(jì)劃和整爐次計(jì)劃； ? 按照爐次計(jì)劃的類別可分為：連鑄計(jì)劃和模鑄計(jì)劃 ? 按照是否有澆期約束可分為：有澆期模鑄計(jì)劃和無澆期模鑄計(jì)劃 按照實(shí)際生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)的爐次 類別可分為 一下六種情況 ：半爐次連鑄計(jì)劃，半爐次有澆期模鑄計(jì)劃，半爐次無澆期模鑄計(jì)劃，整爐次連鑄計(jì)劃，整爐次有澆期模鑄計(jì)劃，整爐次無澆期模鑄計(jì)劃。東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 三 章 煉鋼 連鑄 /模鑄混合生產(chǎn)調(diào)度策略與實(shí)現(xiàn) 14 第三章 煉鋼 連鑄 /模鑄混合生產(chǎn)調(diào)度策略與實(shí)現(xiàn) 連鑄 /模鑄混合調(diào)度生產(chǎn)模式分析 煉鋼 連鑄 /模鑄混合生產(chǎn) 作為鋼鐵生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，引起許多學(xué)者和研究人員的關(guān)注。 其次，從鐵水輸入到鋼坯運(yùn)出，要經(jīng)過鐵水預(yù)處理、混鐵爐存放、轉(zhuǎn)爐煉鋼、吹 Ar處理、鋼水精煉、連鑄機(jī) /模鑄機(jī) 等諸多工位。為此 ，如何在模型全面化與有效求解之間權(quán)衡，是調(diào)度 過程 需解決的問題。 煉鋼 連鑄 /模鑄混合生產(chǎn)過程要考慮的首要目標(biāo)是盡量保證連鑄機(jī)連續(xù)澆鑄、鋼水運(yùn)輸過程中冗于等待時(shí)間盡量小，保證有澆期模鑄計(jì)劃的開澆時(shí)間。 由上可知，煉鋼生產(chǎn)中鋼鐵生產(chǎn)加工鏈中的核心工序，調(diào)度管理