[摘要] 本文以高級(jí)計(jì)劃排程系統(tǒng)(APS)理論為基礎(chǔ),對(duì)鋼鐵生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和功能需求進(jìn)行了分析和界定,設(shè)計(jì)了基于.NET三層客戶端/服務(wù)器模式的鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)計(jì)劃管理中生產(chǎn)工單接收、計(jì)劃排程、批量計(jì)劃管理等核心功能。系統(tǒng)以承鋼1780熱軋卷板生產(chǎn)線為背景進(jìn)行仿真驗(yàn)證,仿真結(jié)果表明,系統(tǒng)能夠有效地提高生產(chǎn)計(jì)劃管理效率,達(dá)到了預(yù)期的目的。
[關(guān)鍵詞] 鋼鐵企業(yè); 生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng); APS; 三層C/S; .NET
doi : 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2011 . 16. 053
[中圖分類號(hào)]F270.7;TP315 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1673 - 0194(2011)16- 0084- 03
1引言
煉鋼-連鑄-熱軋生產(chǎn)過程是現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)的核心工序,其生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度問題是鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)管理的核心與難點(diǎn)。在中國鋼鐵行業(yè)已經(jīng)普及基礎(chǔ)信息化的今天,日益激烈的競爭直接催生了高級(jí)計(jì)劃排程系統(tǒng)(Advanced Planning and Scheduling, APS),鋼鐵企業(yè)迫切需要利用APS來幫助解決日益困擾他們的生產(chǎn)計(jì)劃相關(guān)問題。APS將鋼鐵生產(chǎn)的計(jì)劃體系分為訂單計(jì)劃系統(tǒng)、生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)和生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)3個(gè)主要部分。生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)位于整個(gè)系統(tǒng)的中間層,是鋼鐵生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),上接訂單計(jì)劃,下發(fā)批量計(jì)劃給生產(chǎn)調(diào)度,生產(chǎn)計(jì)劃編排的優(yōu)劣直接影響到生產(chǎn)調(diào)度能否合理編排,在鋼鐵生產(chǎn)管理中的地位至關(guān)重要。
多年來,針對(duì)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度理論與方法的研究一直備受關(guān)注。文獻(xiàn)[1]以鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)為背景,敘述了一體化管理在企業(yè)管理中的地位,進(jìn)而綜述了鋼鐵生產(chǎn)工序管理和生產(chǎn)計(jì)劃理論方法發(fā)展趨勢。文獻(xiàn)[2]提出了基于MRP II與JIT相結(jié)合的特鋼行業(yè)生產(chǎn)管理模式,采用多層遞階計(jì)劃和動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)度策略,構(gòu)建面向企業(yè)上層管理企業(yè)資源規(guī)劃(Enterprise Resource Planning, ERP)系統(tǒng)和下層執(zhí)行制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System, MES)的集成化解決方案,建立了適合特鋼企業(yè)經(jīng)營管理與生產(chǎn)制造一體化的信息系統(tǒng)。文獻(xiàn)[3]介紹了寶鋼四層架構(gòu)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度管理功能,分析了鋼鐵企業(yè)MES中常見的兩種計(jì)劃管理模式及其特點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]提出了面向制造執(zhí)行系統(tǒng)的生產(chǎn)計(jì)劃管理系統(tǒng)集成解決方案,研究了生產(chǎn)計(jì)劃管理系統(tǒng)和其他子系統(tǒng)的集成關(guān)系,開發(fā)了基于瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server, B/S)模式的企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃管理系統(tǒng)。文獻(xiàn)[5]基于APS思想,提出了面向訂單的鋼鐵企業(yè)一體化計(jì)劃與調(diào)度系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)模型。文獻(xiàn)[6]在綜合考慮生產(chǎn)計(jì)劃的復(fù)雜性、工藝及成本管理與計(jì)劃管理的協(xié)同性等要素的基礎(chǔ)上,建立了縱橫向交叉的集成化生產(chǎn)計(jì)劃管理模型。文獻(xiàn)[7]以某鋼鐵聯(lián)合企業(yè)為背景,探討了鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度系統(tǒng)。
本文對(duì)基于APS的鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)進(jìn)行研究,從系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)實(shí)現(xiàn)的角度提出更具一般性的系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)與開發(fā)實(shí)現(xiàn)方案:首先對(duì)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃的基本問題進(jìn)行歸納,進(jìn)而從功能需求和業(yè)務(wù)流程兩個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)需求進(jìn)行分析,在此基礎(chǔ)上,提出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,最后采用.NET三層客戶端/服務(wù)器(Client/Server, C/S)模式完成系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)。
2鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃的基本問題
鋼鐵生產(chǎn)過程是以鐵礦石或者廢鋼為原料,先冶煉成高溫鐵水,然后由轉(zhuǎn)爐冶煉成高溫液態(tài)鋼水,鋼水由轉(zhuǎn)爐出來進(jìn)入精煉以保證鋼水的化學(xué)成分和溫度,經(jīng)過精煉后的鋼水注入中間包,由連鑄機(jī)拉出高溫固態(tài)鋼坯,再由軋機(jī)軋制成滿足合同要求的產(chǎn)品,以供應(yīng)市場或下游工序。此過程中的生產(chǎn)計(jì)劃核心問題可以歸結(jié)為兩大類:批量組合問題和批量調(diào)度問題。
(1) 批量組合問題。即如何把待生產(chǎn)的多品種、小批量合同按照生產(chǎn)的工藝路線、技術(shù)條件、設(shè)備的作業(yè)要求組織成批量生產(chǎn)計(jì)劃。煉鋼、連鑄、熱軋每個(gè)階段分別有自己的加工單位和工藝約束。煉鋼階段的加工單位是爐次,連鑄階段的加工單位是澆次,熱軋階段的加工單位是軋次。鋼鐵生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)首先要解決的問題是按照每個(gè)階段的工藝約束和優(yōu)化目標(biāo)制訂煉鋼批量計(jì)劃、連鑄批量計(jì)劃和熱軋批量計(jì)劃。煉鋼、連鑄、熱軋生產(chǎn)階段批量計(jì)劃主要包括兩部分:煉鋼-連鑄批量計(jì)劃和熱軋批量計(jì)劃。
(2) 批量調(diào)度問題。即根據(jù)作業(yè)計(jì)劃實(shí)績和批量組合計(jì)劃編排情況合理安排各個(gè)批量計(jì)劃的下發(fā)時(shí)刻,把編排的批量組合計(jì)劃按執(zhí)行計(jì)劃時(shí)間展開,并對(duì)下發(fā)序列進(jìn)行可行性評(píng)價(jià),以保證作業(yè)調(diào)度順利進(jìn)行。
3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能
3.1總體結(jié)構(gòu)
生產(chǎn)計(jì)劃的目的是為編排一段時(shí)期內(nèi)(如一周)的調(diào)度任務(wù),從而解決小批量訂單與作業(yè)調(diào)度的協(xié)調(diào)問題。生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)分為4個(gè)主要的功能模塊:生產(chǎn)工單接收模塊、熱軋計(jì)劃排程模塊、煉鋼-連鑄計(jì)劃排程模塊、批量計(jì)劃管理模塊。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
生產(chǎn)訂單來自于訂單計(jì)劃系統(tǒng),是訂單計(jì)劃系統(tǒng)將銷售訂單按訂單項(xiàng)拆分成對(duì)應(yīng)于最終產(chǎn)品的生產(chǎn)訂單后,再進(jìn)一步按照產(chǎn)品要求的工藝路線,將生產(chǎn)訂單分解到各工序上,形成針對(duì)各工序的生產(chǎn)需求,也稱為工序生產(chǎn)訂單。為避免混淆,本文統(tǒng)稱為生產(chǎn)工單。訂單計(jì)劃系統(tǒng)下發(fā)的生產(chǎn)工單通過生產(chǎn)工單的接收與處理模塊分解為獨(dú)立的煉鋼-連鑄生產(chǎn)工單、獨(dú)立的熱軋生產(chǎn)工單和煉鋼-連鑄-熱軋一體化生產(chǎn)工單。三部分生產(chǎn)工單通過熱軋計(jì)劃排程模塊和煉鋼-連鑄計(jì)劃排程模塊的處理,生成熱軋單元計(jì)劃和爐次、澆次計(jì)劃。各單元計(jì)劃通過生產(chǎn)計(jì)劃管理模塊處理,生成最終的批量計(jì)劃,即獨(dú)立的煉鋼-連鑄批量計(jì)劃,煉鋼-連鑄-熱軋一體化批量計(jì)劃和獨(dú)立的熱軋批量計(jì)劃。
3.2系統(tǒng)功能
生產(chǎn)計(jì)劃模塊的總體功能包括:生產(chǎn)工單的接收與管理,生產(chǎn)批量計(jì)劃的編制和批量計(jì)劃管理。依據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃模塊的總體功能需求,可將生產(chǎn)計(jì)劃模塊分為4個(gè)主要的功能模塊:生產(chǎn)工單接收模塊,熱軋計(jì)劃排程模塊,煉鋼-連鑄計(jì)劃排程模塊,批量計(jì)劃管理模塊。
(1) 生產(chǎn)工單接收模塊。主要功能是接收生產(chǎn)工單,并將生產(chǎn)工單分為獨(dú)立的煉鋼-連鑄生產(chǎn)工單,獨(dú)立的熱軋生產(chǎn)工單和煉鋼-連鑄-熱軋一體化生產(chǎn)工單,實(shí)現(xiàn)與訂單計(jì)劃系統(tǒng)的接口。
(2) 熱軋計(jì)劃排程模塊。熱軋計(jì)劃排程模塊將輸入的煉鋼-連鑄-熱軋一體化生產(chǎn)工單和獨(dú)立的熱軋生產(chǎn)工單依據(jù)產(chǎn)能及排程約束與生產(chǎn)實(shí)績處理得到軋制單元計(jì)劃,編制過程中實(shí)現(xiàn)與煉鋼-連鑄模塊的交互。熱軋計(jì)劃排程模塊可分為3個(gè)處理過程,即編制軋制單元、軋制序列管理、軋制計(jì)劃釋放。
(3) 煉鋼-連鑄計(jì)劃排程模塊。煉鋼-連鑄計(jì)劃排程模塊將輸入的單元計(jì)劃和獨(dú)立的煉鋼-連鑄生產(chǎn)工單依據(jù)產(chǎn)能及排程約束與生產(chǎn)實(shí)績處理得到爐次、澆次計(jì)劃,編制過程中實(shí)現(xiàn)與熱軋計(jì)劃排程模塊的交互。煉鋼-連鑄計(jì)劃排程模塊可分為3個(gè)處理過程,即組爐/組澆,爐次/澆次管理,爐次/澆次計(jì)劃釋放。

(4) 批量計(jì)劃管理模塊。批量計(jì)劃管理模塊將熱軋計(jì)劃排程模塊編制的軋制單元計(jì)劃與煉鋼-連鑄計(jì)劃排程模塊編制的爐次/澆次計(jì)劃排列成初步的生產(chǎn)計(jì)劃,對(duì)初步的生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行測試,符合要求的生產(chǎn)計(jì)劃,以天為單位,形成生產(chǎn)批量計(jì)劃,逐天下發(fā),并對(duì)下發(fā)的生產(chǎn)批量計(jì)劃進(jìn)行跟蹤管理。
4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
4.1系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)采用三層C/S模式,即把應(yīng)用系統(tǒng)分成表示層、功能層和數(shù)據(jù)層三部分。對(duì)這三層進(jìn)行明確分割,并在邏輯上使其獨(dú)立。數(shù)據(jù)層即數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(Database Management System, DBMS),作為單獨(dú)的應(yīng)用系統(tǒng),已經(jīng)獨(dú)立出來,所以關(guān)鍵是要將表示層和功能層分離成各自獨(dú)立的程序,并且還要使這兩層間的接口簡潔明了。
表示層是系統(tǒng)與用戶的接口部分,它擔(dān)負(fù)著用戶與系統(tǒng)間的對(duì)話功能。它用于檢查用戶從鍵盤等輸入的數(shù)據(jù),顯示應(yīng)用輸出的數(shù)據(jù)。在變更用戶接口時(shí),只需改寫顯示控制和數(shù)據(jù)檢查程序,而不影響其他兩層。檢查的內(nèi)容也只限于數(shù)據(jù)的形式和值的范圍,不包括有關(guān)業(yè)務(wù)本身的處理邏輯。功能層相當(dāng)于應(yīng)用的本體,它是將具體的業(yè)務(wù)處理邏輯編入程序中。數(shù)據(jù)層就是DBMS,負(fù)責(zé)管理對(duì)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的讀寫,必須能迅速執(zhí)行大量數(shù)據(jù)的更新和檢索。
4.2基于.NET Remoting的數(shù)據(jù)通信機(jī)制
首先,生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)需要大量的人機(jī)交互界面,.NET框架下的開發(fā)工具Visual Studio 2005具有強(qiáng)大的界面開發(fā)處理能力可用來開發(fā)界面;其次,由于生產(chǎn)計(jì)劃處理過程的復(fù)雜性,需要完善的面向?qū)ο蟪绦蜷_發(fā)語言,.NET下的C#也正滿足了這個(gè)需求;最后,系統(tǒng)的三層C/S體系結(jié)構(gòu)及大量的處理信息,對(duì)客戶端與服務(wù)器之間的通信效率提出了挑戰(zhàn),.NET框架下的Remoting技術(shù)很好地滿足了這個(gè)需求。
傳統(tǒng)的客戶端與服務(wù)器端之間的通信采用基于消息的遠(yuǎn)程調(diào)用機(jī)制,.NET框架下的Remoting技術(shù)擴(kuò)展了這種機(jī)制,將可遠(yuǎn)程處理的對(duì)象與特定客戶端或服務(wù)器應(yīng)用程序域以及特定的通信機(jī)制隔離開來,具有靈活性和可自定義性,因此,系統(tǒng)采用 .NET Remoting技術(shù)完成通信程序開發(fā)。首先是服務(wù)器端,服務(wù)器端通過注冊信道建立與客戶端的連接。注冊信道代碼如下:
private void RegisterChannel()
{
_tcpPort=ConfigurationManager.AppSettings["TcpPort"].ToString();
_tcpChannel = new TcpServerChannel(Convert.ToInt32(_tcpPort));
ChannelServices.RegisterChannel(_tcpChannel,false);
ShowChannelProperties(_tcpChannel);
}
客戶端建立服務(wù)管理類(SvrModelManager),服務(wù)管理類注冊本地方法與服務(wù)器端方法的連接,實(shí)現(xiàn)客戶端對(duì)服務(wù)器端方法的請(qǐng)求調(diào)用。
4.3數(shù)據(jù)存取機(jī)制
數(shù)據(jù)存取包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)檢索。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是服務(wù)器端程序設(shè)計(jì)的一部分,服務(wù)器端涉及的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要是批量計(jì)劃編排后對(duì)數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)表單的數(shù)據(jù)插入及更新和批量調(diào)度調(diào)整對(duì)相應(yīng)表的數(shù)據(jù)修改更新。數(shù)據(jù)檢索通過客戶端發(fā)送檢索條件,服務(wù)器端接收檢索條件并與數(shù)據(jù)庫建立連接,檢索相關(guān)數(shù)據(jù)并將結(jié)果返回客戶端,客戶端依據(jù)需求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理。
數(shù)據(jù)存取的關(guān)鍵是建立與數(shù)據(jù)庫的連接,建立連接所需要的系統(tǒng)開銷很大,本系統(tǒng)封裝了數(shù)據(jù)庫連接類和方法,建立連接池以優(yōu)化系統(tǒng)存取性能。
4.4優(yōu)化計(jì)算引擎
系統(tǒng)中的熱軋計(jì)劃排程模塊和煉鋼-連鑄計(jì)劃排程模塊涉及不同的優(yōu)化問題[8],問題均具有較高的復(fù)雜性,同時(shí)對(duì)計(jì)算的靈活性和適應(yīng)性也有較高要求,因此系統(tǒng)采用分層思想構(gòu)建了基于數(shù)學(xué)優(yōu)化和智能計(jì)算的優(yōu)化計(jì)算引擎[9]。
優(yōu)化計(jì)算引擎包含接口層、模型層、算法層和求解層4個(gè)層次。接口層負(fù)責(zé)讀取各種輸入數(shù)據(jù)和算法參數(shù),并輸出優(yōu)化計(jì)算結(jié)果。模型層中對(duì)不同優(yōu)化問題進(jìn)行定義,建立優(yōu)化問題的計(jì)算機(jī)描述模型。算法層中定義了一些基本的優(yōu)化算法,如粒子群優(yōu)化算法、遺傳算法等。求解層建立起模型層和算法層的連接,針對(duì)特定的優(yōu)化問題,調(diào)用不同的求解算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,最后通過接口層輸出計(jì)算結(jié)果。
5結(jié)束語
本文以APS理論為基礎(chǔ)對(duì)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃的基本問題進(jìn)行了探討,在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能進(jìn)行了分析,以模塊化設(shè)計(jì)思想為基礎(chǔ)對(duì)各功能模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì),在Visual Studio 2005環(huán)境下,使用C#.NET程序設(shè)計(jì)語言實(shí)現(xiàn)了三層C/S模式的鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)。系統(tǒng)以承鋼1780熱軋卷板生產(chǎn)線為背景進(jìn)行仿真驗(yàn)證,顯示出良好的效果,能夠滿足生產(chǎn)實(shí)際需要。
主要參考文獻(xiàn)
[1] 鄭秉霖, 胡琨元, 常春光. 一體化鋼鐵生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 控制工程,2003,10(1):6-10.
[2] 馬躍, 徐然, 劉曉冰. 鋼鐵企業(yè)先進(jìn)生產(chǎn)計(jì)劃和實(shí)時(shí)生產(chǎn)調(diào)度技術(shù)的研究[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化. 2003,25(3):35-39.
[3] 湯洪博. 鋼鐵企業(yè)MES中的生產(chǎn)計(jì)劃管理模式[J]. 控制工程, 2005,12(6):577-582.
[4] 劉曉冰, 張浩, 馬躍,等. 鋼鐵企業(yè)集成生產(chǎn)計(jì)劃管理系統(tǒng)研究[J]. 中國冶金,2005,15(7):45-48.
[5] 蔡洋,李鐵克. 面向訂單的鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)管理一體化系統(tǒng)[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),2008,30(3):302-306.
[6] 劉曉冰,薄宏光,馬躍,等. 鋼鐵集團(tuán)企業(yè)集成化生產(chǎn)計(jì)劃管理模型研究[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng). 2008,14(1):24-32.
[7] 周永良,李鐵克. 鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的計(jì)劃與調(diào)度系統(tǒng)[J]. 中國管理信息化,2009,12(15):23-24.
[8] 張文學(xué),李鐵克. 基于粒子群和約束滿足的鋼軋一體化批量計(jì)劃優(yōu)化[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2010,16(4):840-846.
[9] 施燦濤, 楊國俊, 李鐵克. 鋼鐵企業(yè)APS優(yōu)化引擎的軟件模型研究及應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2011,28(2):606-608.