【正文】 東北大學碩士學位論文 第三章煉鋼連鑄/模鑄混合生產(chǎn)調(diào)度策略與實現(xiàn) 14 第三章 煉鋼連鑄/模鑄混合生產(chǎn)調(diào)度策略與實現(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)，引起許多學者和研究人員的關注。為此，如何在模型全面化與有效求解之間權衡，是調(diào)度過程需解決的問題。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)度管理是這一過程的核心環(huán)節(jié)，有著舉足輕重的地位和作用。多工序主要體現(xiàn)在：整個生產(chǎn)過程存在冶煉、精煉、連鑄/模鑄三階段，并且由于鋼種對于成份的要求不同，經(jīng)過的精煉重數(shù)也可能是一重或者多重，甚至為了調(diào)整物流平衡，生產(chǎn)沒有經(jīng)過精煉的鋼種。精煉過程中，每爐鋼都經(jīng)過的規(guī)定數(shù)量的精煉工位加工，即可能一爐鋼要經(jīng)過多個精煉工位，而每一個精煉工位對其加工設備都有工藝精煉類型要求。主要包括：①.脫磷、脫硫。鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度是一個東北大學碩士學位論文 第二章連鑄模鑄混合生產(chǎn)煉鋼調(diào)度過程描述 5 極為復雜的工業(yè)生產(chǎn)調(diào)度問題，涉及到多方面的問題:工件聚類與加工優(yōu)先級約束、機器設置和移除時間以及工件等待的高費用 [33,34,35]等。(7)處理時間：一個單元的作業(yè)時間范圍。日本京濱鋼鐵廠生產(chǎn)計劃調(diào)度系統(tǒng)的投入，使鋼水等待時間縮短 1/2，年增效益100 萬美元。文 [4]提出的是一種新的自適應神經(jīng)網(wǎng)絡和啟發(fā)式算法的混合算法，用于解決工件的調(diào)度問題；文 [46]選擇一內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)來建立智能仿真模型來評價東北大學碩士學位論文 第一章 緒 論 5 鋼廠的調(diào)度策略，提出一個通過仿真機制控制事件發(fā)生器和專家系統(tǒng)的框架。因此，啟發(fā)式算法的研究不僅僅在于找到方法，更重要的是在求解質(zhì)量、計算復雜性和適用性等方面對于算法進行必要的評價 [11]。顯然，為了提高生產(chǎn)效率，生產(chǎn)調(diào)度是企業(yè)系統(tǒng)集成的重中之重 [2,3,4]。模鑄工藝在國內(nèi)很多鋼廠都已經(jīng)沒有了模鑄生產(chǎn)線，由于一些鋼種只能有模鑄工藝進行加工，所以模鑄工藝存在是很有意義的，因此煉鋼連鑄/模鑄混合調(diào)度問題研究的意義也是不可小視的。 continous casting。學 位 論 文連鑄和模鑄混合生產(chǎn)煉鋼調(diào)度系統(tǒng)設計與開發(fā)作 者 姓 名 ：指 導 教 師 ：東北大學自動化研究中心申請學位級別： 碩士 學 科 類 別 ：工學學科專業(yè)名稱： 控制理論與控制工程論文提交日期： 論文答辯日期：學位授予日期： 答 辯 委 員 會 主 席 ：評 閱 人 ：A Thesis for the Degree of Master inThe design and development of steelmaking continuous casting and mould casting scheduling systemby Zhiyu ZhangSupervisor : Tianyou ChaiNortheastern UniversityJuly 2022－I－獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學位論文是在導師的指導下完成的。 mould casting。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)領域。由于現(xiàn)代生產(chǎn)調(diào)度問題的高度復雜性，當單一調(diào)度算法難以得到滿意的求解質(zhì)量和求解速度時，往往通過一定的調(diào)度策略將多種算法進行結(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)計劃與調(diào)度集成策略:生產(chǎn)計劃與調(diào)度的集成研究具有全局優(yōu)化的特征，也符合先進制造模式的思想，同時能夠提高了生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性。(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)學模型，側(cè)重對系統(tǒng)中運行的邏輯關系的描述，能夠?qū)ιa(chǎn)調(diào)度方案進行比較評價，分析系統(tǒng)的動態(tài)性能，并選擇系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù) [12]。文 [47]應用多目標遺傳算法檢驗批調(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)先權，允許多目標遺傳算法對批規(guī)模和任務分配做策略。韓國浦項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算機管理系統(tǒng)，其核心是實時調(diào)度和控制，它能根據(jù)主生產(chǎn)計劃，實時編制詳細作業(yè)計劃，通過在線跟蹤系統(tǒng)，掌握實際生產(chǎn)動態(tài)，對異常情況及時調(diào)整，確保計劃順利進行。(8)傳擱時間：工位間的運輸、傳遞時間。高效實用的鋼鐵生產(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之上。P 可以引起鋼的冷脆，而 S 則引起鋼的熱脆。東北大學碩士學位論文 第二章連鑄模鑄混合生產(chǎn)煉鋼調(diào)度過程描述 7 ③連鑄精煉后的鋼水運往連鑄機進行加工，滿足成份和溫度要求的精煉鋼水被注入連鑄機上面的大包，鋼水通過大包流入連鑄機的結(jié)晶器拉制成具有一定鋼級和規(guī)格的鋼坯，并為熱軋工序或其它工序提供原料。多擾動主要體現(xiàn)在：生產(chǎn)的過程中由于現(xiàn)場環(huán)境造成時間偏差、溫度過低、質(zhì)量成份不合格、設備故障等問題出現(xiàn)的時間擾動、溫度擾動、成份擾動等多種擾動。 煉鋼調(diào)度復雜性分析由于煉鋼連鑄/模鑄混合生產(chǎn)過程中處理機的數(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綜復雜，加上度量不同指標的目標函數(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)綜合因素分析的復雜性要準確的建模、求解、及時進行計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間，連鑄的銜接和物流流量因素進行綜合考慮，而有的因素之間存在著相互的關聯(lián)性，給因素的精確分析帶來了一定的很大的困難性。(6)主體設備與輔助設備綜合協(xié)調(diào)調(diào)度的復雜性從國內(nèi)外研究資料表明，對煉鋼連鑄生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)研究均局限在主體設備(轉(zhuǎn)爐，精煉爐，連鑄機/模鑄機)上，很少有人關注輔助設備 (鋼包、天車、臺車，模鑄澆注工位等) 調(diào)度問題。雖然有關煉鋼連鑄的調(diào)度文獻不少，但是由于煉鋼模鑄生產(chǎn)的特殊性和存在模鑄工藝的鋼廠在國內(nèi)本來就是很少，所以關于存在模鑄生產(chǎn)這個方面的文獻少之又少，而且目前大多數(shù)的煉鋼連鑄/模鑄混合生產(chǎn)調(diào)度都停留在交互式調(diào)度和經(jīng)驗式調(diào)度的水平上。調(diào)度問題包括對連鑄計劃的計劃編制，也能完成含有連鑄模鑄混合計劃的計劃編制，利用策略的理論和方法，研究煉鋼連鑄/ 模鑄混合生產(chǎn)調(diào)度的調(diào)度方法，力求在滿足生產(chǎn)的情況下達到計劃的整體優(yōu)化性。由于調(diào)度問題大都是NPhard的組合優(yōu)化問題，求解時間隨問題規(guī)模呈指數(shù)增長。調(diào)度管理關系如下圖 所示：煉鋼 連鑄 / 模鑄混合計劃調(diào)度管理關聯(lián)關系L 3L 2L 4調(diào) 度 管 理煉 鐵 生 產(chǎn) 熱 軋 生 產(chǎn)澆 鑄 順計 劃出 鋼 順計 劃煉鋼煉鐵熱軋實 時 運行 狀 態(tài)圖 煉鋼連鑄/模鑄混合計劃調(diào)度管理關聯(lián)關系 Diagram of relationship of steelmaking continuous and mould casting schedule management管理過程的流程描述：? L4 下發(fā)澆鑄順計劃給調(diào)度，調(diào)度人員根據(jù)實際情況安排生產(chǎn)，編制出鋼計劃；東北大學碩士學位論文 第二章連鑄模鑄混合生產(chǎn)煉鋼調(diào)度過程描述 11 ? 下發(fā)到 L2，執(zhí)行；? L2 實時上傳運行狀態(tài)；? 調(diào)度根據(jù)運行狀態(tài)，不斷修正、調(diào)整出鋼順計劃，再次下發(fā)；? 以上過程多次反饋；? 煉鐵與煉鋼相互協(xié)調(diào)(鐵鋼對應)；? 煉鋼與熱軋相互協(xié)調(diào)(熱送板坯、保溫緩沖等)。L D 1L D 2L D 33 R H5 R H 15 R H 2L F 1L F 21 C C2 C C3 C CK I P東北大學碩士學位論文 第二章連鑄模鑄混合生產(chǎn)煉鋼調(diào)度過程描述 9 圖 工藝流程示意圖 Diagram of the sketch map of product多設備主要體現(xiàn)在：生產(chǎn)過程中爐次計劃需要進行加工的設備眾多，包括主要加工階段(冶煉、精煉和連鑄/模鑄)的設備，另外在生產(chǎn)過程中還涉及天車，臺車，模鑄澆注工位，模鑄澆注錠模等輔助設備資源的合理分配，才能保證生產(chǎn)的穩(wěn)定進行。在精煉爐內(nèi)通過添加金屬成分等生產(chǎn)特定鋼級的鋼水。通過碳的氧化造成溶池的激烈沸騰以去除鋼中的氣體和非金屬雜物其反應式為 [37]： FeOCeo??(2)除去雜質(zhì)。圖 鋼鐵生產(chǎn)工藝過程 Diagram of the process of steel making鋼鐵生產(chǎn)是一個高溫、高能耗、物流量巨大的加工過程，整個生產(chǎn)流程工藝復雜，工序很多，各工序的工藝約束和目標也不盡相同 [29,30,31,32]。(6)沖突：同一工位上的兩個或多個單元在作業(yè)時間上的重疊。(2)熱軋爐前的管制：包括前工序進展情況的監(jiān)視，把 HCR 材的煉鋼～鑄造～切割～輸送的狀況，自動顯示；冷坯在庫檢索，作為 HCR 周期計劃用的活動材、跳躍材的檢索；周期計劃東北大學碩士學位論文 第一章 緒 論 6 編制。(2)組合方法文 [45]提出一種解決實時排序和調(diào)度問題混合方法的框架，綜合運用了神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法和實時仿真等方法。在深刻認識到調(diào)度問題的內(nèi)在復雜性以后，啟發(fā)式算法較大程度上依賴于問題特性的理解，其普遍適用性較差，且求解的質(zhì)量也不高。不僅要考慮鋼水到達時間偏差，設備故障，而且還需考慮鋼水成分不合格、鋼水溫度補償?shù)葎討B(tài)擾動事件。所以，在國內(nèi)現(xiàn)有的鋼鐵企業(yè) MES 實施方案流程中，煉鋼 MES中，包含功能強大且具有實用價值的動態(tài)煉鋼調(diào)度系統(tǒng)已經(jīng)成為 MES 產(chǎn)品競爭不可缺少的關鍵點之一。 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。論文中取得的研究成果除加以標注和致謝的地方外，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位而使用過的材料。 batch schedule policy。中國軍標和美國軍標規(guī)定若干場合不得采用連鑄鋼材，而只能采用模鑄鋼材，連鑄剛才不能取代 [1]。(2)人機協(xié)同策略:現(xiàn)有研究方法的缺陷以及人類獨特的思維能力決定了人機協(xié)同策略的生命力，大量研究表明人機協(xié)同交互策略可以減小系統(tǒng)的搜索時間，能夠在有限的時間、背景知識條件下解決一些困難的調(diào)度問題。由于制造系統(tǒng)的復雜性，很難用一個精確的解析模型來進行描述和分析，而通過運行仿真模型來收集數(shù)據(jù)，則能對實際系統(tǒng)進行性能、狀態(tài)等方面的分析，從而，能對系統(tǒng)采用合適的控制調(diào)度方法 [13,14]。 煉鋼調(diào)度方法研究現(xiàn)狀及應用煉鋼連鑄/模鑄混合生產(chǎn)過程是在高溫下進行的物理化學反應和金屬加工變形，具有高溫熔煉、高溫加工等特點，因此生產(chǎn)組織必須充分考慮利用熱能，要求連續(xù)生產(chǎn)，要求前后工序設備能力上協(xié)調(diào)，在制品在數(shù)量上、時間上緊密銜接，帶有有限的緩沖。對于煉鋼連鑄問題，已經(jīng)有了大量的學術的研究和實際現(xiàn)場的驗證，并已經(jīng)取得了很大的成果，但是國內(nèi)外對于煉鋼連鑄/模鑄混合調(diào)度問題的研究，卻很少。(9)斷澆：一個澆次內(nèi)在連鑄工位上，本應連續(xù)澆注的各爐次，出現(xiàn)的分斷情況。人類冶煉鋼鐵的歷史可以追溯到公元前一千年。脫磷、脫硫的反映如下 [37]： ?FS?加入強堿性氧化物 的目的是使 與其生成穩(wěn)定的磷酸鈣，從而提高渣氧化CaO25脫磷能力。連鑄機要盡量連續(xù)澆鑄，否則就必須重新引桿開啟鑄機，每開啟一次連鑄機需要設備的調(diào)整時間和調(diào)整費用，而且會使產(chǎn)量降低。調(diào)度目標有多個：由于煉鋼連鑄/模鑄混合生產(chǎn)是一個多模式，多工序，多擾動的問題，簡單的目標不能全面綜合產(chǎn)生優(yōu)化的結(jié)果，只能從多個目標體現(xiàn)，包括最小化最大完成時間、冗余等待時間最小、負荷均衡。例如，通過生產(chǎn)過程中，要優(yōu)先生產(chǎn)有澆期模鑄計劃，即應先保證有澆期模鑄計劃在設定的開澆時間之前進行模鑄澆注，由于有澆期模鑄計劃在轉(zhuǎn)爐精煉工序?qū)υO備的選擇優(yōu)先級高于連鑄計劃的優(yōu)先級，這樣就會給連鑄生產(chǎn)的物流平衡帶來一定的困難，這就需要在優(yōu)先保證有澆期模鑄計劃生產(chǎn)的前提下，盡量保證連鑄連連澆cast連續(xù)澆鑄。在實際生產(chǎn)中容易出現(xiàn)輔助設備的調(diào)度同主體設備的調(diào)度不協(xié)調(diào)現(xiàn)象，造成鋼包、天車和臺車不能及時到位，使得編制好的生產(chǎn)作業(yè)計劃不能及時配備到相應的主體設備上，影響主體設備對生產(chǎn)計劃的執(zhí)行，影響企業(yè)的生產(chǎn)效益。為了研究煉鋼連鑄/模鑄混合生產(chǎn)，首先來研究煉鋼連鑄/模鑄混合生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)調(diào)度特性，由前面的工藝所述，煉鋼連鑄/模鑄混合生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)主要包括三個環(huán)節(jié)：煉鋼、精煉、連鑄/模鑄。本文將深入研究實際煉鋼連鑄/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)相應的軟件系統(tǒng)。當全面建模后，問題的規(guī)模也急劇增大。它是 L3 級的神經(jīng)，操控指導著 L2 級，聯(lián)系著 L4 級，并橫