炼钢车间生产与检修计划一体化时序控制系统

《工业控制计算机》2019年第32卷第6期炼钢车间是钢铁企业生产流程中的重要生产环节。

主要包含炼钢、精炼和连铸三大工序。

炼钢车间的时序控制即编制炼钢、精炼和连铸三大环节的一体化时序作业计划。

合理控制生产流程时序节奏,充分发挥设备的生产能力,以实现钢铁企业节能增效是提升企业竞争力的有效途径。

炼钢车间的作业计划主要包括生产计划和检修计划。

生产计划即生产任务,从调度人员的角度讲,可以细化到每个班次需要完成的浇次计划集合。

浇次计划是指在同一连铸机上进行连续浇铸的炉次计划的集合。

炉次计划是炼钢的最小基本单位,一个炉次是指同时在一个电弧炉或转炉内冶炼,从开始冶炼到浇铸为止的整个过程。

检修计划即对生产设备进行的日常保养维修计划,随着设备使用年限的增加,检修需求往往呈增长趋势,比如转炉,先期不用进行补炉,但随着炉龄的增加到一定值后,视炉况需要合理安排补炉,而补炉维护往往耗时较长,对生产调度的时序节奏控制影响较大。

因此,对检修计划进行时序调度是炼钢车间作业时序调度不可或缺的一部分。

根据“木桶理论”,炼钢车间的作业计划时序控制问题,本质上是在瓶颈工序上合理控制作业计划时序,这样其他处理能力相对富余的工序的时序节奏便可迎刃而解。

越是瓶颈工序上的设备,使用率越高,因此设备损耗越严重,需要检修的概率更大。

所以炼钢车间的生产调度不能仅仅处理炉次的时序调度问题,应该将检修计划和炉次计划一同考虑。

目前对生产计划的时序控制进行了较为深入的研究[1-3],而未能将检修计划和生产计划同时进行时序优化,直接导致其实用性大大降低。

目前国内钢铁企业的炼钢车间作业时序控制仍然以人工调度为主,调度人员既要考虑合理安排当前班次的所有生产任务,又要安排各种检修计划时序,导致炼钢作业计划时序控制是一项非常繁琐且技术性要求较高的工作。

同时炼钢车间生产和检修计划约束条件多,工艺线路上设备选择方式多样,单靠人工方法很难统筹全局,缺乏合理性和科学性,不能在完成作业计划的基础上实现节能降耗的控制,造成热能的损失及成本增加,尤其是在作业计划任务较重时,甚至很难编制出作业计划时序以组织生产。

因此迫切需要能处理炼钢车间作业时序控制的一套方法和系统,以提高作业时序控制的水平。

1炼钢车间生产与检修计划一体化时序控制系统1.1系统结构炼钢车间生产与检修计划一体化时序控制系统的系统结构如图1所示,主要包括:1)系统设置模块。

主要负责提供各种工艺相关的参数设置功能,它包括一下子模块:车间配置设置子模块、钢种设置子模块、处理时间设置子模块、运输时间设置子模块、缓冲时间设置子模块和调整时间设置子模块。

车间配置设置子模块设置炼钢车间中的生产工序名称、工序的编码,以及各个工序中配置的处理设备数量。

钢种设置子模块设置当前炼钢车间生产的钢种大类以及各个大类下的具体钢种信息,钢种大类信息包括钢种大类序号、钢种大类编码、钢种大类描述。

钢种信息包括钢种序号、钢种牌号、所属大类号。

处理时间设置子模块设置各个钢种大类的钢种在每个工序上的处理时间,包括工序编号、钢种大类序号、处理时间。

运输时间设置子模块,设置车间当前工序到达下一工序所需花费的时间。

缓冲时间设置子模块,设置各个工序前允许等待的最大时间。

调整时间设置子模块,设置连铸机断浇后到重新可用需要花费的时间。

2)优化设置模块。

包括优化周期设置,算法参数设置。

其中优化周期,是指生产与检修计划需要在该周期时间内完成。

算法参数设置,设置求解模型的智能算法的各个参数,包括种群大小、最大迭代代数、交叉率、变异概率、目标函数中的权重系数等。

炼钢车间生产与检修计划一体化时序控制系统梁小兵(中冶南方工程技术有限公司,湖北武汉430223)Integrated Time Sequence Control System for Steel-making WorkshopProduction and Maintenance Schedule摘要:提供了一种炼钢车间生产与检修计划一体化时序控制系统,该系统以浇次计划的集合作为生产计划,将各个浇次的开浇时刻和检修计划的开始时刻同时作为决策变量,通过炼钢车间生产与检修计划一体化时序控制模型和智能优化计算,自动得出符合约束条件的优化结果。

解决了目前炼钢车间调度中通过人为指定检修计划开始时刻的时序控制方式存在的不合理性、缺乏全局优化性等问题,提高了炼钢车间作业计划时序控制的科学性和实用性。

关键词:炼钢车间,时序控制,智能优化Abstract 押This paper provides an integrated time sequence control system for steel-making workshop production and maintenance schedule.It takes a set of cast plans as a production plan熏and considers the start time of every cast and maintenance as a decision variable熏automatically gets the optimized results in line with the constraints by an integrated time sequence control model for steel-making workshop production and maintenance schedule and intelligent optimization calcu⁃lation.The proposed system solves the irrationality and lack of global optimization problem exists in artificially specifying start⁃ing time of maintenance plans during steel-making workshop scheduling.Keywords 押steel-making workshop熏timesequence control熏intelligentoptimization图1炼钢车间生产与检修计划一体化时序控制系统系统结构113炼钢车间生产与检修计划一体化时序控制系统3)时序计划模块。

包括生产计划设置子模块、检修计划设置子模块和时序计划编制子模块。

生产计划设置子模块,设置系统需要进行时序控制的生产任务,即需要生产的浇次集合。

浇次信息包括:浇次序号、连铸机序号、钢种牌号和炉数。

检修计划设置子模块,设置检修计划。

检修计划信息包括,检修计划序号、检修设备编号、设备所在工序、预计检修时长。

时序计划编制子模块,基于炼钢车间生产与检修计划时序控制数学模型,通过智能优化算法进行优化求解,得出时序控制结果,该模块提供启动优化计算和时序控制结果显示的人机接口。

1.2时序控制模型炼钢车间生产与检修计划一体化时序控制模型,以炼钢车间的生产任务中的各个浇次的开始时刻和各个检修计划的开始时刻作为决策变量,建立如下的目标函数:f (X ,Y )=Max (1/(w 1∑h ∈H ,p ∈Pwt h ,p +w 2∑It j j ∈J)+w 3∑i ,i+1∈H ∪J ,p ∈Ptc i ,i+1,p )其中各个浇次的开始时刻组成向量为X=(x 1,x 2,…,x m ),各个检修计划的开始时刻组成的向量为Y=(y 1,y 2,…,y n )。

在这里,炼钢车间的工序集合为P ,工序上的加工设备的集合为D p (p ∈P ),炉次的集合为H.检修计划的集合为J 。

w 1、w 2、w 3表示权重,公式右侧的∑h ∈H ,p ∈Pwt h ,p 表示各个炉次在每一个工序前的等待时间之和,∑It j j ∈J表示检修计划的开始时刻与其所在设备上安排的前一个炉次的结束时刻(若无,则为所在设备的可用时刻)之差的和,∑i ,i+1∈H ∪J ,p ∈Ptc i ,i+1,p 表示各个工序上的各个设备上分配的所有炉次和安排的检修计划的时间冲突之和。

从目标函数f (X ,Y )的形式可以看出,无法直接从决策向量X 、Y 得到目标函数。

本文采用车间调度中广泛使用的启发规则,确定各个炉次在各个工序上开始时刻,以及各个炉次在各个工序上的加工设备。

具体过程如下:1)以浇次的开始时刻向量X=(x 1,x 2,…,x m ),根据连铸生产工艺中浇次内的各个炉次连续浇铸的特点,通过开浇时刻x 1计算该浇次1内的各个炉次在连铸机上的开始浇铸时刻,然后计算浇次2内的各个炉次在连铸机上的开始浇铸时刻,…,直至完成所有浇次内的炉次开始时刻计算。

2)根据公式st h ,p-1=st h ,p -pt h ,p-1-tt p-1,p 依次计算各个炉次在连铸工序前的各个工序上的开始时刻,其中st h ,p 表示炉次h 在工序p 上的开始时刻,pt h ,p-1表示炉次h 在工序p-1上的处理时间,tt p-1,p 表示工序p-1到下一工序p 所需的运输时间。

3)对各个工序上的所有炉次计划按照开始时刻升序排列,然后依次按照最早可用设备规则、设备使用率均衡规则和最小设备序号规则确定各个炉次的使用的加工设备。

与传统的最早可用设备规则不同的是,这里计算设备最早可用时刻,必须考虑检修计划。

计算设备最早可用时刻的过程为:将设备上已经分配的炉次计划和指定的检修计划添加设备任务集合,按照开始时刻升序排列,然后通过依次计算设备任务集合中的任务前后的间隔,若该间隔大于所需分配的炉次的处理时间,则对于所遇分配的炉次,该设备的最早可用时刻为上述间隔的开始时刻。

4)通过1)2)3)处理后,各设备上分配到炉次计划和设定的检修计划,之间可能存在时间冲突,尤其是在瓶颈工序上,单个设备上加工的任务较多,冲突相对严重,需要在最大缓冲时间内进行冲突消解。

连铸工序前可进行缓冲,各个炉次在连铸工序前的最大等待时间为WT p ,冲突消解过程步骤如下:Step1:计算连铸工序前的各个工序上的所有设备上任务间时间冲突(包括炉次计划和检修计划)之和,视和最大者为瓶颈工序p neck ;Step2:将瓶颈工序上p neck 的设备1分配到的炉次计划和指定的检修计划添加到设备1的任务集合T ,并按任务开始时刻升序排列。

对排序后的集合T ,从尾向前一次计算相邻任务t i 与t i-1间的时间冲突tc i ,i-1。

若冲突tc i ,i-1>0,则判断t i-1是否是炉次计划,若是,则该炉次计划的开始时刻提前min (WT p ,tc i ,i-1),该炉次在其它工序上的开始时刻提前时间min (WT p ,tc i ,i-1);Step3:重复Step2,直至瓶颈工序p neck 上的所有设备D p (p=p neck )遍历完毕。