开工时间延迟下的炼钢_连铸生产重调度方法
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
虽然炼钢 – 连铸生产静态调度问题被大量学者 进行了深入的研究, 但炼钢 – 连铸生产重调度问题 却被研究的很少. Ouelhadj 等[1] 对制造系统的动态 调度问题进行了综述, 将动态调度分为完全反应式 调度、预测 – 反应式调度和鲁棒调度, 其中预测 – 反 应式调度实质上就是调度/重调度, 重调度是根据生 产过程中的扰动事件对调度计划进行修复的过程. Abumaizar 等[2]、Sanmart´ı 等[3] 采用局部调度修复 策略对重调度问题进行了研究. Vieira 等[4] 对重调
收稿日期 2015-04-10 录用日期 2015-12-21 Manuscript received April 10, 2015; accepted December 21, 2015 国家高技术研究发展计划 (863 计划) (2015AA043802), 国家自然科 学基金 (61104174, 61473074) 资助 Supported by National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (2015AA043802) and National Natural Science Foundation of China (61104174, 61473074) 本文责任编委 赵千川 Recommended by Associate Editor ZHAO Qian-Chuan 1. 流程工业综合自动化国家重点实验室 (东北大学) 沈阳 110819 1. State Key Laboratory of Synthetical Automation for Process Industries, Northeastern University, Shenyang 110819
第 42 卷 第 3 期 2016 年 3 月
自动化学报 ACTA AUTOMATICA SINICA
Vol. 42, No. 3 March, 2016
开工时间延迟下的炼钢 – 连铸生产重调度方法
俞胜平 1 柴天佑 1
摘 要 在炼钢 – 连铸生产过程中, 因铁水或废钢供应不及时经常发生钢水在转炉设备上开工延迟, 导致相邻炉次在同一设备 上产生作业冲突或同一浇次内的相邻炉次在连铸机上断浇, 使原调度计划失效. 由于炼钢 – 连铸生产存在多台转炉、多台精炼 炉和多台连铸机, 以及多重精炼方式且存在着可重入生产情况, 加上要保证已开工和完工炉次按原调度计划执行, 使得已有炼 钢 – 连铸生产重调度方法难以适用. 本文建立了开工时间延迟下的炼钢 – 连铸生产重调度模型, 将模型分解和启发式方法相结 合, 提出了由炉次加工设备指派和作业时间决策组成的启发式重调度方法. 通过实际工业数据仿真实验和在某大型钢铁企业 的炼钢 – 连铸生产重调度的工业应用表明所提出的重调度方法显著减少了炉次加工冗余等待时间. 关键词 炼钢 – 连铸, 重调度, 启发式方法, 可重入 引用格式 俞胜平, 柴天佑. 开工时间延迟下的炼钢 – 连铸生产重调度方法. 自动化学报, 2016, 42(3): 358−374 DOI 10.16383/j.aas.2016.c150197
Rescheduling Method for Starting Time Delay in Steelmaking and Continuous Casting Production Processes
YU Sheng-Ping1
CHAI Tian-You1
Abstract In steelmaking and continuous casting production processes, the starting time delay often occurs, which may lead to casting break or processing conflict so that the initial scheduling plan becomes unrealizable. There are multiple converters, multiple refining machines and multiple continuous casters in the whole production process. It is more difficult to reschedule because of multi-refining number and reentrant line. Existing rescheduling methods are not suitable. A mixed programming model is presented which is decomposed into an equipment assignment submodel and an operation time decision submodel. A novel multi-stage heuristic method is proposed. Simulation experiment is studied for comparing the proposed method with other heuristic methods, which have different ordering rules and assignment rules. The results show that the proposed method is most effective. Finally, the proposed method is successfully applied to a large steel plant to show that the method can obviously shorten the redundant waiting time for all charges.
3期
俞胜平等: 开工时间延迟下的炼钢 – 连铸生产重调度方法
359
度问题的研究则采用了完全重调度策略. Roy 等[5] 对炼钢 – 连铸生产过程中的各种扰动建立了一个知 识模型进行管理. 对于炼钢 – 连铸生产过程中钢水 加工的实际处理时间与调度计划中处理时间的偏差 扰动问题, Dorn[6−7] 分别采用案例推理和基于模糊 集理论的调度专家系统进行重调度研究. 在炼钢 – 连铸生产重调度过程中, 为了避免由于很小的处理 时间偏差扰动即引起频繁重调度的问题, Dorn 等[8] 引入了处理时间偏差阀值和单个约束的满足程度阀
Key words Steelmaking and continuous casting, rescheduling, heuristic method, reentrant
Citation Yu Sheng-Ping, Chai Tian-You. Rescheduling method for starting time delay in steelmaking and continuous casting production processes. Acta Automatica Sinica, 2016, 42(3): 358−374
的变异策略. 现代大型炼钢 – 连铸生产过程都是由 多台转炉、多台精炼炉、多台连铸机及大量的精炼方
式组成, 并且存在着可重入生产现象, 使得炼钢 – 连 铸生产重调度问题不同于 job shop/flow shop/柔性 job shop/混合 flow shop 等调度问题, 是一类特殊 的生产调度问题. 目前已有的炼钢 – 连铸生产重调 度方法只是对简单生产模式进行了研究, 如 2 台电 弧炉 – 2 台精炼炉 – 2 台连铸机、2 台转炉 – 3 台精 炼炉 – 2 台连铸机, 没有对实际生产过程中更加复杂 的多台转炉、多台精炼炉和多台连铸机, 以及多重精
炼钢 – 连铸生产包括转炉冶炼、精炼炉精炼和 连铸机浇铸三大工艺过程, 其对物流的连续性、钢水 温度和作业时间都有极高的要求, 需要在满足生产 工艺要求的情况下, 充分发挥设备生产能力, 减少物 耗和能耗, 提高生产效率. 由于生产工艺复杂、设备 众多, 炼钢 – 连铸生产调度问题是一类非常复杂的 实际生产调度问题, 该问题的研究具有重要意义. 在
值, 采用模糊推理改进调度的鲁棒性和采用基于禁 忌搜索的局部搜索过程来进行调度修复. Ouelhadj 等[9−10] 针对炼钢 – 连铸生产重调度结果, 采用基于 重调度结果目标值与初始调度目标值偏差的效用
性指标、基于重调度后工件完成时间与初始调度中
工件完成时间偏差的稳定性指标、基于重调度后工
件开工时间与初始调度中工件开工时间偏差的稳定
性指标来评价扰动事件发生后调度的鲁棒性. Guo 等[11] 和 Li 等[12] 对于炼钢 – 连铸生产中的设备故障 重调度问题, Zhang 等[13] 对钢水成分和温度不合格 重调度问题均采用约束满足方法进行建模, 并采用 启发式方法进行求解. 对于钢水在连铸机上的浇铸 时间的不确定性, Worapradya 等[14] 建立基于调度 目标的有效性指标和基于浇铸开始时间的稳定性指 标ຫໍສະໝຸດ Baidu 采用遗传算法进行优化. Ozoe 等[15] 根据钢水的 实际吹炼温度预测钢水在精炼阶段的温度, 对钢水 在精炼阶段的预测温度与目标温度出现偏差时, 建 立智能体模型并采用蚁群算法进行求解优化. Chen 等[16] 根据炼钢 – 连铸生产过程中扰动发生时的工件 的加工状态对工件进行分类, 对于已进入加工状态 的工件, 采用反向逆推方法确定工件在每个阶段的 加工开始时间和结束时间, 并确定每个阶段的加工 设备; 对未进入加工状态的工件, 采用混合遗传算法 进行优化调整. Mao 等[17−18] 针对机器故障和处理 时间变化的炼钢 – 连铸生产重调度问题, 考虑了有 效性指标和稳定性指标, 采用拉格朗日松弛方法来 研究重调度问题. Tang 等[19] 针对炼钢 – 连铸生产 动态调度问题, 提出了一种改进的差分进化算法, 包 括实数矩阵编码、初始种群的两步产生方法、一种新
1 炼钢 – 连铸生产重调度问题描述
炼钢 – 连铸生产过程是现代钢铁企业生产流程 中的核心环节, 其生产过程是将液态的高温铁水经 过转炉冶炼、精炼炉精炼和连铸机浇铸等三大工序 的处理形成最终的固态板坯. 首先, 高炉产出的高 温铁水通过鱼雷车载运铁水到炼铁厂, 倒入转炉并 加入废钢进行吹炼, 把高温条件下的铁水进一步冶 炼为含碳量更低的钢水. 其次, 转炉产出的钢水倒 入钢包并由天车和台车运送到相应的精炼设备调整 钢水成分和温度, 进行深脱碳、去硫和去除杂质等 处理, 由普通的钢水变成优质钢水. 最后, 钢水由台 车和行车吊运到指定的连铸机并通过钢包的下水口 注入中间包, 通过中间包不断进入结晶器振动冷却 后形成板坯. 图 1 所示为中国某炼钢厂的生产工 艺过程, 该生产包括 5 个加工设备组, 即转炉 LD 加工设备组、真空循环脱气法精炼炉 (Ruhrstahl Heraeus process, RH) 加工设备组、粗真空钢包精 炼设备 (Ladle furnace process, LF) 加工设备组、 喷吹精炼炉 (Injection refining with temperature raising capability, IR-UT) 加工设备组和连铸机设 备组 (Continuous caster, CC), 每个加工设备组均 有多台功能相同的加工设备. 在炼钢 – 连铸生产过 程中, 钢水的钢种决定了其生产工艺路线. 图 1 所 示是较为主要的三种钢水的生产工艺路线, 均按照 1→2→3→4→5 的顺序进行加工. 图 1 (c) 生产工艺 路线中的 2 和 4 经过的加工设备组相同, 其生产工 艺路线属于可重入生产线[20], 这种可重入生产线使 得每台 RH 设备需要加工的钢水数量大幅增加, 增 加了钢水在 RH 设备上的竞争程度, 加大了生产调 度的复杂性和调度计划编制的难度. 图 1 所示包含 三种生产工艺路线的调度问题不同于 job shop/flow shop/柔性 job shop/混合 flow shop 等调度问题, 是 一类特殊的复杂生产调度问题.
炼方式情况下的重调度问题进行研究, 因此难以适 用于目前大型炼钢 – 连铸实际生产过程的需要.
本文以中国上海某大型炼钢厂的炼钢 – 连铸生 产线为背景, 针对多台转炉、多台精炼炉、多台连 铸机及多重精炼方式下的开工时间延迟扰动下的炼 钢 – 连铸生产重调度问题, 以炉次在相邻工序的等 待时间总和最小为目标, 建立了炼钢 – 连铸生产调 度的混合整数规划模型, 提出了基于模型分解的启 发式炼钢 – 连铸生产重调度方法.
实际炼钢 – 连铸生产过程中, 因铁水或废钢 (转炉生 产的原料) 供应不及时、钢水温度或成分不合格、运 输设备 (天车或台车) 没有及时到位、设备故障等各 种扰动事件的发生, 经常会使得初始调度计划的优 化性大大降低, 甚至变得不可行. 因此在扰动事件发 生时, 必须进行炼钢 – 连铸生产重调度, 迅速对初始 调度计划进行调整或者产生一个新的调度.
收稿日期 2015-04-10 录用日期 2015-12-21 Manuscript received April 10, 2015; accepted December 21, 2015 国家高技术研究发展计划 (863 计划) (2015AA043802), 国家自然科 学基金 (61104174, 61473074) 资助 Supported by National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (2015AA043802) and National Natural Science Foundation of China (61104174, 61473074) 本文责任编委 赵千川 Recommended by Associate Editor ZHAO Qian-Chuan 1. 流程工业综合自动化国家重点实验室 (东北大学) 沈阳 110819 1. State Key Laboratory of Synthetical Automation for Process Industries, Northeastern University, Shenyang 110819
第 42 卷 第 3 期 2016 年 3 月
自动化学报 ACTA AUTOMATICA SINICA
Vol. 42, No. 3 March, 2016
开工时间延迟下的炼钢 – 连铸生产重调度方法
俞胜平 1 柴天佑 1
摘 要 在炼钢 – 连铸生产过程中, 因铁水或废钢供应不及时经常发生钢水在转炉设备上开工延迟, 导致相邻炉次在同一设备 上产生作业冲突或同一浇次内的相邻炉次在连铸机上断浇, 使原调度计划失效. 由于炼钢 – 连铸生产存在多台转炉、多台精炼 炉和多台连铸机, 以及多重精炼方式且存在着可重入生产情况, 加上要保证已开工和完工炉次按原调度计划执行, 使得已有炼 钢 – 连铸生产重调度方法难以适用. 本文建立了开工时间延迟下的炼钢 – 连铸生产重调度模型, 将模型分解和启发式方法相结 合, 提出了由炉次加工设备指派和作业时间决策组成的启发式重调度方法. 通过实际工业数据仿真实验和在某大型钢铁企业 的炼钢 – 连铸生产重调度的工业应用表明所提出的重调度方法显著减少了炉次加工冗余等待时间. 关键词 炼钢 – 连铸, 重调度, 启发式方法, 可重入 引用格式 俞胜平, 柴天佑. 开工时间延迟下的炼钢 – 连铸生产重调度方法. 自动化学报, 2016, 42(3): 358−374 DOI 10.16383/j.aas.2016.c150197
Rescheduling Method for Starting Time Delay in Steelmaking and Continuous Casting Production Processes
YU Sheng-Ping1
CHAI Tian-You1
Abstract In steelmaking and continuous casting production processes, the starting time delay often occurs, which may lead to casting break or processing conflict so that the initial scheduling plan becomes unrealizable. There are multiple converters, multiple refining machines and multiple continuous casters in the whole production process. It is more difficult to reschedule because of multi-refining number and reentrant line. Existing rescheduling methods are not suitable. A mixed programming model is presented which is decomposed into an equipment assignment submodel and an operation time decision submodel. A novel multi-stage heuristic method is proposed. Simulation experiment is studied for comparing the proposed method with other heuristic methods, which have different ordering rules and assignment rules. The results show that the proposed method is most effective. Finally, the proposed method is successfully applied to a large steel plant to show that the method can obviously shorten the redundant waiting time for all charges.
3期
俞胜平等: 开工时间延迟下的炼钢 – 连铸生产重调度方法
359
度问题的研究则采用了完全重调度策略. Roy 等[5] 对炼钢 – 连铸生产过程中的各种扰动建立了一个知 识模型进行管理. 对于炼钢 – 连铸生产过程中钢水 加工的实际处理时间与调度计划中处理时间的偏差 扰动问题, Dorn[6−7] 分别采用案例推理和基于模糊 集理论的调度专家系统进行重调度研究. 在炼钢 – 连铸生产重调度过程中, 为了避免由于很小的处理 时间偏差扰动即引起频繁重调度的问题, Dorn 等[8] 引入了处理时间偏差阀值和单个约束的满足程度阀
Key words Steelmaking and continuous casting, rescheduling, heuristic method, reentrant
Citation Yu Sheng-Ping, Chai Tian-You. Rescheduling method for starting time delay in steelmaking and continuous casting production processes. Acta Automatica Sinica, 2016, 42(3): 358−374
的变异策略. 现代大型炼钢 – 连铸生产过程都是由 多台转炉、多台精炼炉、多台连铸机及大量的精炼方
式组成, 并且存在着可重入生产现象, 使得炼钢 – 连 铸生产重调度问题不同于 job shop/flow shop/柔性 job shop/混合 flow shop 等调度问题, 是一类特殊 的生产调度问题. 目前已有的炼钢 – 连铸生产重调 度方法只是对简单生产模式进行了研究, 如 2 台电 弧炉 – 2 台精炼炉 – 2 台连铸机、2 台转炉 – 3 台精 炼炉 – 2 台连铸机, 没有对实际生产过程中更加复杂 的多台转炉、多台精炼炉和多台连铸机, 以及多重精
炼钢 – 连铸生产包括转炉冶炼、精炼炉精炼和 连铸机浇铸三大工艺过程, 其对物流的连续性、钢水 温度和作业时间都有极高的要求, 需要在满足生产 工艺要求的情况下, 充分发挥设备生产能力, 减少物 耗和能耗, 提高生产效率. 由于生产工艺复杂、设备 众多, 炼钢 – 连铸生产调度问题是一类非常复杂的 实际生产调度问题, 该问题的研究具有重要意义. 在
值, 采用模糊推理改进调度的鲁棒性和采用基于禁 忌搜索的局部搜索过程来进行调度修复. Ouelhadj 等[9−10] 针对炼钢 – 连铸生产重调度结果, 采用基于 重调度结果目标值与初始调度目标值偏差的效用
性指标、基于重调度后工件完成时间与初始调度中
工件完成时间偏差的稳定性指标、基于重调度后工
件开工时间与初始调度中工件开工时间偏差的稳定
性指标来评价扰动事件发生后调度的鲁棒性. Guo 等[11] 和 Li 等[12] 对于炼钢 – 连铸生产中的设备故障 重调度问题, Zhang 等[13] 对钢水成分和温度不合格 重调度问题均采用约束满足方法进行建模, 并采用 启发式方法进行求解. 对于钢水在连铸机上的浇铸 时间的不确定性, Worapradya 等[14] 建立基于调度 目标的有效性指标和基于浇铸开始时间的稳定性指 标ຫໍສະໝຸດ Baidu 采用遗传算法进行优化. Ozoe 等[15] 根据钢水的 实际吹炼温度预测钢水在精炼阶段的温度, 对钢水 在精炼阶段的预测温度与目标温度出现偏差时, 建 立智能体模型并采用蚁群算法进行求解优化. Chen 等[16] 根据炼钢 – 连铸生产过程中扰动发生时的工件 的加工状态对工件进行分类, 对于已进入加工状态 的工件, 采用反向逆推方法确定工件在每个阶段的 加工开始时间和结束时间, 并确定每个阶段的加工 设备; 对未进入加工状态的工件, 采用混合遗传算法 进行优化调整. Mao 等[17−18] 针对机器故障和处理 时间变化的炼钢 – 连铸生产重调度问题, 考虑了有 效性指标和稳定性指标, 采用拉格朗日松弛方法来 研究重调度问题. Tang 等[19] 针对炼钢 – 连铸生产 动态调度问题, 提出了一种改进的差分进化算法, 包 括实数矩阵编码、初始种群的两步产生方法、一种新
1 炼钢 – 连铸生产重调度问题描述
炼钢 – 连铸生产过程是现代钢铁企业生产流程 中的核心环节, 其生产过程是将液态的高温铁水经 过转炉冶炼、精炼炉精炼和连铸机浇铸等三大工序 的处理形成最终的固态板坯. 首先, 高炉产出的高 温铁水通过鱼雷车载运铁水到炼铁厂, 倒入转炉并 加入废钢进行吹炼, 把高温条件下的铁水进一步冶 炼为含碳量更低的钢水. 其次, 转炉产出的钢水倒 入钢包并由天车和台车运送到相应的精炼设备调整 钢水成分和温度, 进行深脱碳、去硫和去除杂质等 处理, 由普通的钢水变成优质钢水. 最后, 钢水由台 车和行车吊运到指定的连铸机并通过钢包的下水口 注入中间包, 通过中间包不断进入结晶器振动冷却 后形成板坯. 图 1 所示为中国某炼钢厂的生产工 艺过程, 该生产包括 5 个加工设备组, 即转炉 LD 加工设备组、真空循环脱气法精炼炉 (Ruhrstahl Heraeus process, RH) 加工设备组、粗真空钢包精 炼设备 (Ladle furnace process, LF) 加工设备组、 喷吹精炼炉 (Injection refining with temperature raising capability, IR-UT) 加工设备组和连铸机设 备组 (Continuous caster, CC), 每个加工设备组均 有多台功能相同的加工设备. 在炼钢 – 连铸生产过 程中, 钢水的钢种决定了其生产工艺路线. 图 1 所 示是较为主要的三种钢水的生产工艺路线, 均按照 1→2→3→4→5 的顺序进行加工. 图 1 (c) 生产工艺 路线中的 2 和 4 经过的加工设备组相同, 其生产工 艺路线属于可重入生产线[20], 这种可重入生产线使 得每台 RH 设备需要加工的钢水数量大幅增加, 增 加了钢水在 RH 设备上的竞争程度, 加大了生产调 度的复杂性和调度计划编制的难度. 图 1 所示包含 三种生产工艺路线的调度问题不同于 job shop/flow shop/柔性 job shop/混合 flow shop 等调度问题, 是 一类特殊的复杂生产调度问题.
炼方式情况下的重调度问题进行研究, 因此难以适 用于目前大型炼钢 – 连铸实际生产过程的需要.
本文以中国上海某大型炼钢厂的炼钢 – 连铸生 产线为背景, 针对多台转炉、多台精炼炉、多台连 铸机及多重精炼方式下的开工时间延迟扰动下的炼 钢 – 连铸生产重调度问题, 以炉次在相邻工序的等 待时间总和最小为目标, 建立了炼钢 – 连铸生产调 度的混合整数规划模型, 提出了基于模型分解的启 发式炼钢 – 连铸生产重调度方法.
实际炼钢 – 连铸生产过程中, 因铁水或废钢 (转炉生 产的原料) 供应不及时、钢水温度或成分不合格、运 输设备 (天车或台车) 没有及时到位、设备故障等各 种扰动事件的发生, 经常会使得初始调度计划的优 化性大大降低, 甚至变得不可行. 因此在扰动事件发 生时, 必须进行炼钢 – 连铸生产重调度, 迅速对初始 调度计划进行调整或者产生一个新的调度.