鋼管企業生產計劃中管體長度優化計算模型與應用初探

李玉柱

鋼管企業生產計劃中管體長度優化計算模型與應用初探

李玉柱

文章以天津鋼管制造股份有限公司產銷一體化系統的實施過程為背景，結合企業特點，對鋼管公司生產計劃、生產排程進行論述，并以此為基礎，闡述了生產計劃中軋管管體長度優化計算模型與應用，通過總結，為同行業提供了一些參考。

生產計劃 生產排程 管體長度計算

1.引言

隨著鋼管市場供需狀況的不斷變化，鋼管制造企業正從過去以生產為中心的大批量制造模式，向以客戶為中心的多品種、小批量制造模式轉變。從市場角度看，由于充分考慮了客戶的個性化需求，實現了按訂單組織生產，從而提升了客戶的滿意度，將爭取到最廣泛的細分市場。從生產角度來看，小批量生產難以釋放出企業的最大產能，企業內部將因產品結構復雜、頻繁更換工具而增加生產成本。所以，如何在產能和銷售訂單之間達到平衡，既能實現產能相對最大，又能很好地滿足客戶的個性化需求，從而穩固市場，這是目前鋼管企業擺脫困境、實現轉型升級所面臨的一個關鍵問題。

通過企業實踐，解決上述問題的有效手段是：建立整體產銷一體化系統，改變過去依靠人工計劃和資源平衡的做法，通過建立在冶金規范和產品規范支撐下的產品質量設計和生產計劃模型，實現由產銷一體化系統，來進行生產計劃的制定和排程，最終實現企業效益最大化。對于鋼管企業來說，生產計劃排程中的一個重點和難點問題是材料的計算，需要按照計算模型計算出軋制長度、分切數、目標長度、坯子斷面、坯子的單倍長度、需坯支數、需坯噸數、成品計劃支、成品計劃噸等。

本文結合鋼管公司特點，對產銷一體化系統的生產計劃、生產排程模塊進行論述，并闡述了軋管管體長度優化計算模型，提高了成材率。

2.生產計劃

鋼管企業的生產計劃管理，應綜合生產和銷售兩方面的業務，以企業整體利益優先作為制定計劃的原則，根據產線產能約束條件、市場需求情況、客戶訂單要求、產銷歷史數據等，利用有效的材料計算模型進行制定。通過對訂單各加工工序占用能力的計算，進行工序能力平衡，從而制定可同時滿足訂單交貨期、工序設備狀況、工序加工標準、物流平衡等條件的生產計劃。

2.1 產能控制下的銷售訂單提報

根據各產線、機組的設備情況和生產的約束條件分配生產能力，以當月為N，對N+2個月內的銷售訂單進行中短期計劃，在完成產能井設置、產能設定的基礎上，在技術評審確認銷售訂單時，按照投井原則自動投入產能井。已經投入產能井的銷售訂單，經過商務評審生效后，由銷售部門進行生產提報。

2.2 銷售訂單接收并建立生產訂單

經銷售部門提報的銷售訂單，在產品和冶金規范支撐下的質量、生產、材料設計之后，形成生產訂單。生產訂單代表了產品生產要求，不僅有具體的數量、質量、規格和交期要求，還有制程、生產工藝、投入物料、產出物料以及排產月份等信息，是各工序產線生產的基本依據。

針對石油套管的特性，在銷售訂單接收并建立生產訂單的同時，要生成接箍生產所用備料管需求的內部生產訂單，用于安排接箍用料的生產計劃。備料管需求的內部生產訂單和銷售訂單轉化的生產訂單，都要統一管理。

2.3 生產訂單下發生成工序訂單

對小批量的生產訂單，要按一定的歸并原則，歸并成大的軋制批，組織軋管產線生產，達到提高產量、減少余材、方便管理的目的。下發工序訂單時，系統會自動合并生產訂單，原則是要考慮品種組合：質量組合、尺寸組合、生產順序，兼顧生產限制條件、交貨期和質量要求等。綜合各方面的因素，按產出物料碼、工序判定標準、長度等屬性進行生產訂單合并。

訂單合并雖然只考慮了3個屬性，但鋼管生產的工序訂單和相關計劃項則有上百項。計劃項是指“足以引起計劃差異”的條件下，所要區分的字段項，例如不同的孔型規格會造成同一產線在相同時間內產能的差異，不同的退火溫度需要在不同的生產批次來生產，這些也是不同的計劃項。通常鋼管企業所定義的計劃項大約在100—300個之間，設定計劃項要掌握平衡，太粗會影響計劃的準確度，反之則會因項目太復雜而影響計劃的效率。以鋼管公司為例，計劃項主要包括四大類：以品種、鋼級、規格、扣型、標準、訂貨長度上限、訂貨長度下限等為主的產品說明；以孔型、芯棒直徑、監制要求、工藝狀態、公差、控制外徑、控制壁厚等為主的工藝要求說明；以軋制長度、目標長度、分切、切頭尾長度、機組、產線、管坯鋼種、管坯斷面、管坯倍尺等為主的投料說明；以成品計劃支、成品計劃噸等為主的制造數量說明，共約120項。生產訂單下發生成工序訂單的過程也就是逐步確定這120項計劃項的過程。計劃項確定之后，工序訂單才具備下發的條件。

工序訂單下發前先要進行利庫，將無合同庫存與欠料訂單進行比對分配，依據物料碼相同、尺寸要求符合的原則進行自動分配結合，并計算出各工序訂單原料的凈需求。

2.4 工序訂單排程

天津鋼管實行一級計劃管理，由生產管理部門的專職人員對工序訂單中的一級工藝統一進行確認，主要包括軋制組、熱處理組和加工組，同時還需要確認可選鋼種的范圍、煉鋼標準、軋管標準、坯料來源、坯分類等，各二級生產廠不能對這些項進行更改。在工序訂單排程中，二級工藝由各廠的計劃人員進行確認，主要內容包括軋制長度、鑄坯定尺等內容。所以，工序訂單排程主要有兩個任務：一個是投入材料的計算，另一個是訂單生產時間的排序。

銷售訂單經質量設計后，可獲得該訂單的制程和需要經過的工序以及在各段工序的生產質量檢驗標準和制造標準，經過質量設計的訂單匯總后進行材料設計，在工序訂單排程中要進行投入材料的計算。

要依據投入物料碼和產線、機組小時能力等基礎數據計算出工序訂單的生產時間，按隊列給出近期工序訂單的開始和結束的生產時間，以此進行工序訂單的排序。當產線調整或產線內軋制的孔型和所需鑄坯的斷面調整時，投料長度和生產時間都要重新計算。

3.管體長度優化計算

在工序訂單排程中，各生產廠計劃人員需要對系統根據制程和成品的訂貨長度計算出的軋制長度、分切數、目標長度進行確認，從而推算出管坯單倍長度、坯料支數，坯料噸數、成品計劃支數、成品計劃噸數等。經過系統優化的軋管管體生產長度是最大程度發揮生產設備能力、提高成材率的有利保證。例如，客戶訂單要求管子長度為10m-12.5m之間，而設備和工藝條件在很多環節都有限定，系統將根據銷售成品定貨長度和該工序訂單選擇的機組產線，計算出一個最優的生產軋制長度和管體目標長度。

3.1 管體長度計算公式

連軋后管體長度的計算公式：

Lg = Gp x Lp ×（1-X1）/(0.02466 × (Dg-S) × S) (1)

Gp= 7.8×3.1415926/4 × (Dp × D p）/ 1000 (2)

式中：

Lg ：連軋后管子長度,m

Lp ：鑄坯單倍尺長度,m

Gp ：鑄坯單米重,kg/m

Dg ：管子外徑,mm

S ：管子控制壁厚,mm（合同壁厚，結合公差標準，計算軋管控制壁厚）

X1：燒損系數

Dp：管坯斷面,mm

3.2 管體目標長度計算

（1）管體長度計算的基礎數據

基礎數據包括生產訂單的制程所對應機組產線的環形爐工序點允許的管坯最大長度、管坯最小長度、連軋后冷床工序點允許的最大管體長度、燒損率以及產線物料碼對應的切頭尾長度等基礎數據。

（2）連軋后管體長度Lg的計算

用工序訂單制程中的軋管機組環形爐工序點允許的管坯最大長度，應用公式(3.1)、(3.2)計算出連軋后管體長度Lg，并與該產線的連軋后工序允許的管體最大長度比較，取最小值作為連軋后管體長度Lg。

（3）計算軋制長度LC、分切數Nfq 及目標長度Lm

在計算軋制長度之前，首先要把銷售訂單的成品長度下限和上限轉化為工序訂單的軋管單支管長度下限Ldmin和長度上限Ldmax。對于熱軋成品管訂單，則軋管單支管長度下限和上限一般情況下分別等于銷售訂單的成品長度下限和上限，但當成品長度上限要求小于等于7米時，則軋管單支管長度上限等于成品長度上限乘以2再加上0.01米，軋管單支管長度下限等于成品長度下限乘以2再加上0.01米。對于管加工成品管，需要加接箍、有扣型要求的訂單，軋管單支管長度下限和上限要在成品長度要求下考慮接箍等因素按照一定原則給出，尤其對于需要經過鐓粗工序的工序訂單要考慮軋管長度加長。

有了工序訂單的軋管單支管長度下限Ldmin和長度上限Ldmax，使用如下公式計算：

X = INT(（Lg -Lt）/ Ldmax)

Y = INT(（Lg -Lt/ Ldmin)

Z = Y-X

當Z＞=1 Nfq =X+1； LC= Lg

當Z＜1 Nfq =X； LC=X* Ldmax

Lm = （ LC - Lt）/ Nfq

式中：

Lg ：連軋后管子長度,m

Lt ：切頭尾長度合計,m

Ldmax：軋管單支管子長度上限,m

Ldmin：軋管單支管子長度下限,m

LC ：軋制長度,m

Lm ：管體目標長度,m

Nfq ：分切數

對于單倍尺長度有要求的銷售訂單，要先計算出軋制長度和目標長度再計算分切數，其中目標長度是訂貨長度或者是訂貨長度減去一個或多個單倍尺的長度，且取值要大于等于訂貨長度下限。

Nw = INT (Ldmax / Lddbc) - INT (Ldmin / Lddbc)

LC 1 = INT（（Lg - Lt）/ Ldmax ) x Ldmax

LC 2 = INT（（Lg- Lt）/（ Ldmax - Lddbc ) ) ×（ Ldmax - Lddbc )

LCNw = INT（（Lg- Lt）/（ Ldmax -（Nw -1）× Lddbc ) ) ×（Nw -1）× Lddbc

LC = MAX(LC1 、LC 2.。。。。。LCNw)

Lm = Ldmax -（Nw -i）× Lddbc（對應最長的LC （Nw -i））

Nfq = （ LC - Lt）/ Lm

式中：

Lddbc ：銷售訂單要求的使用單倍尺長度,m

實際生產出來的管子的目標長度等于軋制長度減切頭尾長度再除以分切數，確保目標長度介于銷售訂單成品長度的最大值和最小值之間，并使軋制長度盡可能長，提高成材率。對于有接箍的石油套管來說，由于成品管的最后長度是目標長度加上接箍測量J值，所以在目標長度的計算過程中要考慮接箍測量J值。

（4）計算管坯單倍長度Lp

依據第三步計算出的軋制長度LC作為管體長度，使用公式(1)、(2)推算管坯單倍長度Lp，并效驗該值在該產線環形爐允許的管坯最大長度和最小長度之間。

（5）推算成品計劃噸數和支數

依據第三步計算出的軋制長度LC，減去切頭尾長度將得到一支倍尺管的長度。用該長度值乘以管子的單米重量，推算出一支倍尺管的理論重量，再依據銷售訂單的訂貨量和投料原則即可算出成品計劃重量。用計劃重量除以一支倍尺管的理論重量推算出計劃倍尺管支數，再乘以分切數最終獲得成品計劃支數。

4.應用效果及結論

該管體長度優化計算模型的應用在產銷一體化系統中，實現了銷售訂單到生產訂單再到工序訂單的自動轉化，并在工序訂單排程中，按照計劃模型自動計算軋制長度、分切數、成品噸數和支數以及所需坯料的長度、倍尺、支、噸等。計劃人員從原先的重復計算為主，逐步向審核確認的職能進行轉變。切頭尾等生產數據是從歷年的實際生產計劃中積累而來，通過加權平均等算法，獲取近期用量最大的值做為本月的基礎數據，因而具有較高的準確性。

目前，天津鋼管制造有限公司建立了從煉鋼、連鑄、鍛造、軋管、鐓拔擴、熱處理、管加工、接箍前后共8個大工序，每個大工序多條產線的聯動排產優化計算模型，將3個煉鋼產線、5個軋管產線和20多個熱處理及管加工產線全部納入系統管理，自動處理多種可能性并選出最優排產。整個過程充分考慮了成本、成材率、產品質量、交貨期等各個方面因素，實現了軋制長度的優化，提高了成材率。通過優化煉鋼單倍坯長，減少煉鋼的單爐多分切，提高了生產效率。

科學合理的生產計劃是企業有序、規范、高效生產的根本保證，精細協同編制從煉鋼到軋管到熱處理再到管加工的生產排程聯動，建立跨上下游工序和本工序跨產線的聯動排程，讓上下游的工序都能掌握與其相關的爐批作業計劃和執行情況，創造準時制生產環境，提供較精確的交期承諾。

（作者單位：天津鋼管集團股份有限公司制造部）