1 引言

    煉鋼-連鑄是鋼鐵生產(chǎn)的關鍵環(huán)節(jié)，決定了產(chǎn)品的種類與質(zhì)量，同時煉鋼．連鑄生產(chǎn)是一個典型的多段生產(chǎn)、多段運輸?shù)碾x散和連續(xù)相混雜的大型高溫生產(chǎn)過程，其生產(chǎn)流程具有多元性、多層次、多尺度，以及開放性、非線性、遠離平衡、動態(tài)有序性等復雜系統(tǒng)的特性，生產(chǎn)組織和運行難度較大。

    本文以煉鋼．連鑄生產(chǎn)運行為研究對象，開發(fā)煉鋼一連鑄生產(chǎn)計劃調(diào)度輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過與現(xiàn)有制造執(zhí)行系統(tǒng)(MEs)的數(shù)據(jù)接口，可以接收來自企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)的生產(chǎn)批量計劃，收集實時生產(chǎn)狀態(tài)和生產(chǎn)計劃執(zhí)行信息；建立調(diào)度觸發(fā)機制，包括：基于生產(chǎn)狀況的自動觸發(fā)機制以及人機交互的人工觸發(fā)機制；以智能優(yōu)化算法以及相關擾動的調(diào)度規(guī)則進行重計劃，制定生產(chǎn)調(diào)度方案，設計基于生產(chǎn)物流和工位的調(diào)度方案的多種不同可視化表達方式；可以將調(diào)度方案反饋至現(xiàn)有信息系統(tǒng)，以供調(diào)度人員參考。通過在鋼廠的在線測試，將運行結果與現(xiàn)有人工調(diào)度方案進行對比，檢驗了系統(tǒng)的可行性和有效性。

2 煉鋼-連鑄計劃調(diào)度及其現(xiàn)狀

    煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度是指在煉鋼．連鑄生產(chǎn)作業(yè)計劃基礎上，盡可能滿足鋼廠當前生產(chǎn)條件下，通過下達生產(chǎn)指令，安排各爐次在各工序上的加工設備、加工時間和加工順序，以獲得生產(chǎn)作業(yè)計劃的總流程時間或生產(chǎn)成本最優(yōu)化。在實際生產(chǎn)過程中，煉鋼．連鑄生產(chǎn)調(diào)度需滿足連澆生產(chǎn)約束，生產(chǎn)資源約束，品種質(zhì)量約束以及不同生產(chǎn)節(jié)奏約束等限制，屬于混合流程車間有限等待時間調(diào)度問題。鋼鐵企業(yè)信息系統(tǒng)可分為4層，包括：L1基礎自動化級；L2過程控制級(Process Control System，PCS)；L3制造執(zhí)行系統(tǒng)(MEs)；L4公司管理級(ERP)。其中MEs系統(tǒng)在鋼廠制造過程中處于關鍵地位，并具有一定的生產(chǎn)計劃與調(diào)度功能，但對于生產(chǎn)中頻繁出現(xiàn)的擾動，處理能力有限。

    國外已開發(fā)多款針對鋼鐵生產(chǎn)計劃調(diào)度的商業(yè)軟件，并在鋼鐵企業(yè)成功應用。如visual 8公司開發(fā)的V8 steel，可進行1～12周連鑄熱軋鋼鐵生產(chǎn)計劃與調(diào)度；AIS公司開發(fā)的steel Planner生產(chǎn)調(diào)度軟件包，可為生產(chǎn)調(diào)度提供輔助決策；Broner公司開發(fā)的PPS可對煉鋼連鑄熱軋過程制定3級生產(chǎn)作業(yè)計劃和調(diào)度方案。國外商業(yè)化軟件，普遍采用與企業(yè)ERP或MES集成的方式建立體系結構，使生產(chǎn)管理合理化、在線化、集成化，使得系統(tǒng)的物質(zhì)流和信息流盡可能保持同步，前后工序緊密銜接，利于實現(xiàn)生產(chǎn)運行的整體，將局部工序的優(yōu)化轉(zhuǎn)變?yōu)檎�體工藝的最優(yōu)化，提高設備的生產(chǎn)效率。但由于我國大多數(shù)鋼廠的生產(chǎn)流程隨著鋼廠改建和擴建而不斷改變，生產(chǎn)流程和約束條件更為復雜，企業(yè)的自動化水平和管理水平尚未達到國外的水平，難以通過引進方式而加以有效應用并發(fā)揮作用。國內(nèi)近年也開發(fā)了一些有針對性的鋼鐵生產(chǎn)計劃調(diào)度系統(tǒng)，如寶鋼的煉鋼生產(chǎn)調(diào)度模擬系統(tǒng)，以及軌梁廠生產(chǎn)物流仿真系統(tǒng)一-等，可根據(jù)具體企業(yè)的不同的生產(chǎn)條件進行情況、生產(chǎn)計劃和調(diào)度方案的策略制定。這些是不同的生產(chǎn)調(diào)度方案。國內(nèi)應用系統(tǒng)在方法層面有一定的特點，但專用系統(tǒng)的普適性欠佳距商業(yè)化應用還存在一定的差距距離。因此，面向國內(nèi)典型鋼鐵企業(yè)MES系統(tǒng)，開發(fā)具有生產(chǎn)計劃調(diào)度信息集成和主要生產(chǎn)擾動識別和處理功能，能進行重計劃和重調(diào)度的煉鋼一連鑄生產(chǎn)計劃調(diào)度系統(tǒng)，具有重要意義。

3 煉鋼-連鑄生產(chǎn)計劃調(diào)度系統(tǒng)

    鋼廠信息系統(tǒng)主要為PCS(L2)和MES(L3)，通過MEs接受來自公司ERP(L4)的管理和生產(chǎn)指令。鋼廠MES系統(tǒng)是整個生產(chǎn)運行信息系統(tǒng)的核心，能夠接收ERP系統(tǒng)下達的生產(chǎn)批量計劃，并接受來自過程信息系統(tǒng)PCS生產(chǎn)過程實時生產(chǎn)信息。計劃調(diào)度人員通過L3下達生產(chǎn)作業(yè)計劃，并對執(zhí)行信息進行跟蹤，遇到問題，需及時進行調(diào)整，以保證生產(chǎn)計劃下達到產(chǎn)品生產(chǎn)的兌現(xiàn)。

    煉鋼-連鑄生產(chǎn)計劃調(diào)度系統(tǒng)體系結構如圖1所示。

    該系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)接口與鋼廠MES系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，借助數(shù)據(jù)交換，發(fā)揮其輔助煉鋼．連鑄計劃調(diào)度的功能。系統(tǒng)建有SQL server關系數(shù)據(jù)庫，關系數(shù)據(jù)庫包括外部數(shù)據(jù)庫表和內(nèi)部數(shù)據(jù)庫視圖，外部數(shù)據(jù)庫表用于存儲從MES系統(tǒng)直接接收的數(shù)據(jù)，內(nèi)部數(shù)據(jù)庫視圖用于存儲計劃調(diào)度系統(tǒng)運行過程和結果數(shù)據(jù)，相關的重計劃調(diào)度數(shù)據(jù)可返回MES系統(tǒng)，用于輔助生產(chǎn)計劃調(diào)度。數(shù)據(jù)庫具有對把計劃調(diào)度相關信息進行匯總和分類的功能，而且系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫中生產(chǎn)實績信息動態(tài)數(shù)據(jù)表的變化情況，可以進行生產(chǎn)實績信息中的生產(chǎn)計劃調(diào)度擾動信息進行的自動分類識別；以數(shù)據(jù)接口接收對生產(chǎn)實績判斷的生產(chǎn)擾動自動識別，或者以操作人員人工輸入人為擾動，生產(chǎn)實績信息跟蹤過程的擾動信息自動識別與人為設置的擾動的方式均可，作為計劃調(diào)度系統(tǒng)的觸發(fā)控制來啟動系統(tǒng)的重計劃和重調(diào)度功能；系統(tǒng)還建有包括遺傳算法、蟻群算法，以及時間并行順推算法等智能算法庫，用于制定滿足生產(chǎn)約束的優(yōu)化的生產(chǎn)調(diào)度方案；在生產(chǎn)作業(yè)計劃實施過程中，當系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)擾動情況，實時啟動重計劃或重調(diào)度功能時，既可根據(jù)需要以制定滿足設備沖突約束的重計劃，進行生產(chǎn)調(diào)度，確定當前未完成作業(yè)的生產(chǎn)爐次的工序工位選擇以及在工位上的作業(yè)時間，也可進行重調(diào)度的策略仿真。系統(tǒng)計劃調(diào)度方案的可視化表達既有以生產(chǎn)計劃中的物流為標志的調(diào)度方案列表表達方式，也有以物流計劃實施工位為標志的Gantt圖表達方式，為現(xiàn)場計劃調(diào)度人員提供直觀的顯示界面。

圖1 煉鋼-連鑄生產(chǎn)計劃調(diào)度系統(tǒng)體系結構圖

4 系統(tǒng)實現(xiàn)主要技術

4.1 煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度方法

    煉鋼-連鑄生產(chǎn)對鋼水時間節(jié)奏的控制和溫度要求較高，但生產(chǎn)中存在的諸多不可避免的不確定擾動因素將影響生產(chǎn)作業(yè)計劃(初始調(diào)度方案)的執(zhí)行，必須在滿足生產(chǎn)基本約束的前提下進行調(diào)整，生成一個新的可行調(diào)度方案，指導和維持生產(chǎn)的連續(xù)性。因此，煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)開發(fā)技術的關鍵是在生產(chǎn)執(zhí)行過程中，根據(jù)相關的擾動觸發(fā)條件，在考慮ERP生產(chǎn)批量計劃的執(zhí)行情況與現(xiàn)場實時生產(chǎn)條件下，通過智能優(yōu)化算法，對未完成的生產(chǎn)批量計劃，制定調(diào)度方案，以保證生產(chǎn)的順利運行。煉鋼．連鑄生產(chǎn)調(diào)度流程如圖2所示。

圖2 煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度流程圖

    由圖1系統(tǒng)觸發(fā)機制可知，煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度啟動包括兩種機制：通過數(shù)據(jù)接口自動獲得生產(chǎn)實時擾動，以及操作人員確定的人工擾動。系統(tǒng)通過不停掃描SOL數(shù)據(jù)庫的擾動信息，確認擾動發(fā)生并分類后，啟用實時調(diào)度機制：采用智能優(yōu)化算法根據(jù)現(xiàn)有條件自動編制調(diào)度方案，或是通過人工操作直接調(diào)整調(diào)度方案；在自動編制調(diào)度方案時，對于不同的擾動事件采用不同的策略，再確定該擾動事件對煉鋼一連鑄流程的網(wǎng)絡模型(由工位、運輸線和生產(chǎn)物流組成)的影響，調(diào)用開發(fā)并集成在系統(tǒng)中的智能優(yōu)化算法，制定調(diào)度方案。自動編制調(diào)度方案和人工調(diào)整的調(diào)度方案均可以列表或Gantt圖形式顯示。根據(jù)實時調(diào)度信息對擾動事件進行分類，確定生產(chǎn)擾動與人工擾動，確定與擾動相適應的調(diào)度原則；依據(jù)資源狀況及生產(chǎn)約束，調(diào)用智能優(yōu)化算法重新制定新的調(diào)度方案。生產(chǎn)擾動以及人工擾動分為任務擾動、設備擾動、生產(chǎn)工藝擾動和時間擾動等，如表1所示。

表1 擾動分類及其影響

    當生產(chǎn)過程出現(xiàn)擾動，生產(chǎn)作業(yè)計劃不能完成，需要進行重計劃時，其方法如圖3所示。

圖3 生產(chǎn)重計劃制定方法

    通過SQL數(shù)據(jù)庫接收MES的生產(chǎn)實績，將需要執(zhí)行重計劃的生產(chǎn)批量計劃分為正在作業(yè)計劃和未作業(yè)計劃，對正在作業(yè)的計劃應優(yōu)先安排，確定其調(diào)度方案，然后再對未作業(yè)計劃進行作業(yè)計劃重排。對正在作業(yè)計劃，利用時間并行順推算法進行擾動情況下的作業(yè)任務繼續(xù)執(zhí)行調(diào)度方案的調(diào)整，確定該生產(chǎn)爐次從當前工位至鑄機澆鑄的工序工位配置和時間分配；對未作業(yè)爐次計劃則采用基于遺傳算法的混合智能優(yōu)化算法進行重調(diào)度，在滿足鑄機連續(xù)澆鑄和設備保障能力前提下，確定其調(diào)度方案。煉鋼．連鑄生產(chǎn)計劃調(diào)度系統(tǒng)的主要工作流程為：

    步驟1啟動系統(tǒng)，連接L3數(shù)據(jù)庫，讀入生產(chǎn)實績信息，設定數(shù)據(jù)庫掃描間隔時間，轉(zhuǎn)入步驟2。

    步驟2根據(jù)生產(chǎn)計劃調(diào)度方法，確定初始生產(chǎn)計劃調(diào)度方案，并在終端顯示，轉(zhuǎn)入步驟3。

    步驟3掃描數(shù)據(jù)庫擾動信息，若捕捉到擾動發(fā)生或有人為施加的擾動，轉(zhuǎn)入步驟4，啟動重計劃與重調(diào)度；否則，轉(zhuǎn)入步驟5。

    步驟4對擾動進行分類，確定當前擾動類別，根據(jù)生產(chǎn)計劃調(diào)度流程確定擾動情況下的生產(chǎn)計劃調(diào)度方案，轉(zhuǎn)入步驟5。

    步驟5等待下一掃描時刻，轉(zhuǎn)入步驟3。

4.2 數(shù)據(jù)接口與數(shù)據(jù)庫設計

    數(shù)據(jù)接口是計劃調(diào)度系統(tǒng)應用的關鍵，通過數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)與鋼廠信息系統(tǒng)MES的數(shù)據(jù)交換。由于MES系統(tǒng)與Pcs和ERP信息系統(tǒng)相連，在企業(yè)信息系統(tǒng)向MEs的Oracle數(shù)據(jù)庫相關數(shù)據(jù)表中寫入生產(chǎn)信息時，利用socket協(xié)議將相關的數(shù)據(jù)包發(fā)送到系統(tǒng)所在工作站，再利用ODBc技術根據(jù)數(shù)據(jù)包信息標志將數(shù)據(jù)寫入對應的SQL server數(shù)據(jù)表中。建立的關系數(shù)據(jù)庫以接收生產(chǎn)批量計劃以及生產(chǎn)過程中與計劃調(diào)度相關的生產(chǎn)實績數(shù)據(jù)，同時存儲計劃調(diào)度系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)，以及生產(chǎn)計劃調(diào)度方案相應的數(shù)據(jù)。由于MES系統(tǒng)與PCS和ERP信息系統(tǒng)相連，內(nèi)部數(shù)據(jù)庫表設計了sQL觸發(fā)器，對外圍數(shù)據(jù)庫表進行基本處理后存儲計劃調(diào)度計算直接所需的數(shù)據(jù)。主要的關系數(shù)據(jù)庫中的外圍數(shù)據(jù)表，如表2所示。

表2 外部數(shù)據(jù)表名

    內(nèi)部數(shù)據(jù)庫視圖基本數(shù)據(jù)來源于表2中基本外部數(shù)據(jù)表，其基本關系如表3所示。

表3 內(nèi)部數(shù)據(jù)視圖名

5 在線測試

    以visual studio 2005為系統(tǒng)開發(fā)平臺，以visual c++開發(fā)相關的智能算法庫，通過socket和oDBc開發(fā)與L3系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，并利用SQL server 2005建立系統(tǒng)的關系數(shù)據(jù)庫，以Visual c#開發(fā)相關的用戶交互界面。系統(tǒng)的生產(chǎn)調(diào)度主界面如圖4所示。針對某鋼廠的生產(chǎn)條件，設計在線測試項目包括鑄機斷澆和設備檢修狀態(tài)下不同的調(diào)度方案與現(xiàn)有人工調(diào)度的對比，現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)如表4所示，測試結果如表5。

表4 在線測試

表5 系統(tǒng)調(diào)度與人工調(diào)度方案對比

    由表5可知，煉鋼．連鑄生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)能夠制定包括煉鋼-連鑄的生產(chǎn)調(diào)度方案，該方案能夠滿足鑄機連續(xù)澆鑄以及在各工序上基本工藝作業(yè)時間的條件；同時在生產(chǎn)發(fā)生擾動的同時，能夠自動進行重計劃，制定生產(chǎn)調(diào)度方案。該方案與現(xiàn)有人工調(diào)度方案相比，物流運行時間有所降低，設備利用率更加均勻。

6 結論

    開發(fā)了一套針對煉鋼-連鑄生產(chǎn)流程的生產(chǎn)計劃調(diào)度系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過與MEs系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，能夠接收ERP的生產(chǎn)批量計劃以及現(xiàn)場的生產(chǎn)實績信息，具有實時擾動識別和分類功能，可以制定滿足煉鋼．連鑄基本約束條件的重計劃和重調(diào)度方案，可輔助進行實時調(diào)度。通過在鋼廠的在線測試運行表明了系統(tǒng)的有效性，同時與人工調(diào)度相比具有一定的優(yōu)越性，能夠提供一種輔助生產(chǎn)調(diào)度的手段。

    進一步的開發(fā)工作，將以煉鋼．連鑄為對象的計劃調(diào)度拓展至整個鋼廠的所有工序環(huán)節(jié)，將鐵水預處理也包括在內(nèi)，并實現(xiàn)與鋼廠MEs系統(tǒng)有機集成，以提高鋼廠生產(chǎn)計劃與調(diào)度的自動化水平。

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本文標題：煉鋼－連鑄生產(chǎn)計劃調(diào)度系統(tǒng)（MES/ERP）開發(fā)

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