冶金行業復雜生產過程優化調度系統

王 雅 君, 周 茂 軍, 金 海 華, 孫 秋 花

( 大連工業大學 機械工程與自動化學院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

冶金行業的實時優化調度過程強調整體性和實時性,針對復雜的產品生產過程、生產任務及要求,協調各種設備及各車間生產的正常運轉,保證生產過程運行平穩、高效。國外的冶金企業,如美鋼聯所屬的加里廠、日本的新日鐵等,近年來致力于建設集成化的計算機生產管理系統,包括核心模塊即生產調度系統,使生產管理合理化、在線化和集成化,能夠對生產過程中物流、信息流和能源流進行綜合管理[1-6]。國內的寶鋼、武鋼等進行了調度管理方面的研發工作[7-8],如寶信公司為上鋼一廠開發的調度系統,大連理工大學開發的東北特鋼集團生產管理系統等。本文研究的復雜生產過程優化調度系統從企業全局出發,宏觀上利用生產作業計劃對生產過程分析、評價和調控,在保證全局生產平衡、滿足技術經濟指標及客戶訂單要求前提下,對單元及設備進行優化調度,微觀上對產品生產過程監控、調整、執行并實時反饋。

1 冶金行業復雜生產過程調度的核心問題

冶金企業生產調度的核心問題可總結為:

(1)生產調度計劃。合理制定生產過程中各工序的生產進度表,按實際生產計劃展開設計生產計劃,按時間序列細分各個工序,同時配備監視系統,如果生產過程中出現動態擾動情況,如計劃延遲、工序發生異常、合同變更或生產能力變化等,要求系統具有動態調整功能,維護生產作業的順利進行。

(2)批量組合生產計劃。生產計劃的組織階段即按生產工藝路線、技術條件、設備的作業要求,將多品種、小批量合同來組織批量生產。集成化生產管理,能夠依據訂單、產品交貨期、工序約束條件、生產效率、庫存等,作出目標最優的批量組合生產計劃。

2 基于排序理論和規則的優化調度方法

2.1 冶金行業生產過程調度問題描述

對冶金企業生產過程調度問題的描述是建立在Grhama等人提出的三元組α/β/γ描述法之上,具體涵義參見文獻[9]。對冶金行業生產調度問題采用三元組描述法進行詳細分析。

(1)α表示機器數量、類型和環境。機器包括設備、人力、技術和信息等生產當中使用的有限資源,將工作中心資源用一個等效工作中心類集合描述,總生產能力為所有具體工作中心生產能力之和。

(2)β表示任務性質、加工要求和各種約束。生產約束規則主要有:

①產品優先級約束

冶金產品按性質不同分為正常品、新產品和軍工產品,優先安排新產品和軍工產品；優先安排客戶要求交貨期早的產品。綜合考慮各種因素,設置總優先級系數,表示一個生產任務要求優先安排的程度,按系數調度生產任務,構成任務序列。

②生產工作中心使用要求

生產中應區別對待每臺工作中心具有的使用特點,調度人員要重點考慮關鍵工作中心的生產安排,如為避免頻繁更換鋼種冶煉,必須合理安排煉鋼生產的冶煉順序。

③工序連續性要求

工藝路線有連續性要求時,例如從電爐冶煉到鋼水澆鑄,其前后工序必須緊密銜接,不能中斷,采用先進先出(Fisrt In Fisrt Out,FIFO)的調度規則。生產過程優化調度模型根據生產任務所在不同工藝階段的工藝要求,動態選用合適的調度規則。

(3)γ表示生產調度優化目標。冶金行業生產通常把最小加工周期作為優化調度目標。

2.2 問題描述模型建立

2.2.1 分形計劃調度模型

根據冶金產品生產特點,為了提高生產調度效率,采用分形處理調度策略。分形計劃調度法(Fractal Planning Scheduling Method, FPSM)是將每個生產分廠作為一個塊,獨立對其上運行的生產任務進行調度獲得局部最優解,以局部優化代替全局優化；對超出分廠自身設備能力的情況,采用協調調度方法以達到各分廠的綜合平衡和優化,獲得全局最優解。即盡量將發生的意外情況在本分廠內處理,避免不必要的資源浪費。FPSM可以形成一系列調度業務邏輯,通過這些邏輯,組合成一個或多個調度模型,如圖1,根據每個生產任務的特點,調用相應的模型完成調度計算。協調調度是指每個分廠的調度結果只是一個局部最優的調度方案,需要放到整個過程中重新進行評價,才能得到全局最優的調度結果。

圖1 分形計劃調度模型

2.2.2 調度規則的確定

在生產任務執行過程中,可能存在對資源如人員、設備等的競爭。為使占用資源的時間最短,采用基于排序理論和調度規則的方法對生產任務進行調度,根據生產任務和資源使用狀況分析生產過程中關鍵工序以及關鍵工序對應的資源,并依據相應的規則對生產任務進行排序,確定生產任務執行順序及所用的資源。采用的主要調度規則包括:最短加工時間優先(Shortest Processing Time first,SPT),FIFO,最大交貨延期量最小(Early Delivery Date,EDD)和松弛時間最短(MSLACK)等。

2.2.3 目標函數的確定

交貨期對企業生產經營具有非常重要的影響,是客戶要求的集中反映,即使增加成本,也要保證產品按期完成。因此,以產品完成時間為調度目標,最大限度滿足客戶對產品交貨期的要求,實現對客戶需求的快速響應。把提前時間和拖期時間確定為衡量完成時間的指標,把每個生產任務的提前時間或拖期時間作為該任務完成時間差值,比較得出整個任務集合中最大完成時間差值,并使其不超出企業給定的額定值。即目標函數為:

f(p)=max{Δtp1,Δtp2,…,Δtpi,…,Δtpn}<ε

Δtpi=|tepi-tdpi| (i=1,2,…,n)

(1)

式中,ε表示企業給定的額定值；Δtpi表示任務i的完成時間差值；tepi表示任務i的實際完成時間；tdpi表示任務i的預計完成時間。

2.3 基于排序理論和規則的調度算法

前述規則反映了調度準則對交貨期的絕對要求和相對要求,通過這些規則,確定過程實例的優先級,再對其排序,從而實現對過程實例的調度。

在生產任務調度中采用排序方法對任務進行調度,在排序過程中采用相應的調度規則,如采用EDD規則確定起始任務的開始時間,優先安排交貨期較早的任務；采用MSLACK規則對所有過程實例進行協調調度,保證所有過程實例任務能按期完成。

2.3.1 優先按棒材廠排序

設棒材廠的設備編號為k,k+1,…,k+l,k>1 且k+l

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

令i=1,2,…,m；j=k,k+1,…,n,可計算出全部產品在各個設備上的加工開始與完成時間:

(8)

計算拖期:

(9)

搜索最大拖期:

(10)

按照不同的排序方式,如按棒材規格遞增或按對應訂單交貨期遞增排序等,可獲得不同的最大拖期,選擇拖期最小的排列方案。若選擇第一種方案,因為有拖期,為保證按期交貨,所有工序均需提前一個Δt。

2.3.2 按冶煉分廠排序

假定按棒材選取的方案順序為則在初始煉鋼工序,也應盡可能保證該加工次序,同時保證相同成分的鋼放在一起冶煉,需要將產品按照成分和產品標準進行局部范圍的調整排序。

(11)

步驟4計算拖期。由(10)、(11)可得

(12)

計算最大拖期:

(13)

2.4 調度算法處理流程

以調度模型為依據,構建復雜生產過程優化調度算法框架,算法流程如圖2。以棒線材廠軋制安排為核心,進行軋制組批,確保發揮關鍵設備的能力,然后按照反提料方式反向推算煉鋼合爐順序。煉鋼順序是對軋制順序的一種局部調整,體現的是上游分廠按照下游分廠的提料要求組織生產的思想,在加強計劃性的同時考慮車間控制要求。調度系統最終產生粗能力計劃報告和排產時間表,經確認可行后導入生產系統,用來指導生產。

圖2 調度算法流程

3 鋼鐵行業基于排序理論和規則的優化調度系統

3.1 系統集成

在集成化的生產管理系統中,生產過程調度系統不是孤立的,它與其他系統有著數據共享、功能集成,如圖3。通過與其他系統的緊密集成,生產過程調度系統能夠實時收集生產變動數據,掌握生產第一線情況,及時解決生產擾動造成的調度計劃變動問題。

圖3 系統集成關系

Fig.3 Integration relation for optimal scheduling system

3.2 系統主要功能

根據企業實際并結合上述算法,開發冶金行業復雜生產過程優化調度系統,主要功能有:

(1)生產計劃管理。完成生產任務、原料/坯料計劃編制,月計劃、日計劃下達,生產任務變更等。圖4是成材分廠月計劃編制代表性界面,如果能匹配到工藝路線且符合條件,則形成月計劃和成材廠的生產任務,匹配不到工藝路線,則說明是新產品,需添加新的生產工藝路線。

圖4 月計劃編制代表性界面

(2)調度算法的計算機模擬仿真結果。在生產計劃調度中設計了基于甘特圖的可視化仿真工具,一方面它檢驗調度算法的結果,另一方面,采用仿真分析和人工的方式來改進調度算法的結果。圖5是對前述調度算法的計算機模擬仿真結果查詢界面。

圖5 調度算法的計算機模擬仿真結果

4 結 論

根據企業生產實際并結合本文調度算法,研發了冶金行業復雜生產過程優化調度系統,進行計算機模擬仿真,驗證了算法準確性、有效性和實用性,實現企業計劃調度的整體優化,對冶金企業運作管理過程的分析決策具有指導意義。

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