冶金行業(yè)復(fù)雜生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)

王 雅 君, 周 茂 軍, 金 海 華, 孫 秋 花

( 大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

冶金行業(yè)的實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度過(guò)程強(qiáng)調(diào)整體性和實(shí)時(shí)性,針對(duì)復(fù)雜的產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程、生產(chǎn)任務(wù)及要求,協(xié)調(diào)各種設(shè)備及各車間生產(chǎn)的正常運(yùn)轉(zhuǎn),保證生產(chǎn)過(guò)程運(yùn)行平穩(wěn)、高效。國(guó)外的冶金企業(yè),如美鋼聯(lián)所屬的加里廠、日本的新日鐵等,近年來(lái)致力于建設(shè)集成化的計(jì)算機(jī)生產(chǎn)管理系統(tǒng),包括核心模塊即生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng),使生產(chǎn)管理合理化、在線化和集成化,能夠?qū)ιa(chǎn)過(guò)程中物流、信息流和能源流進(jìn)行綜合管理[1-6]。國(guó)內(nèi)的寶鋼、武鋼等進(jìn)行了調(diào)度管理方面的研發(fā)工作[7-8],如寶信公司為上鋼一廠開發(fā)的調(diào)度系統(tǒng),大連理工大學(xué)開發(fā)的東北特鋼集團(tuán)生產(chǎn)管理系統(tǒng)等。本文研究的復(fù)雜生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)從企業(yè)全局出發(fā),宏觀上利用生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃對(duì)生產(chǎn)過(guò)程分析、評(píng)價(jià)和調(diào)控,在保證全局生產(chǎn)平衡、滿足技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及客戶訂單要求前提下,對(duì)單元及設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度,微觀上對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控、調(diào)整、執(zhí)行并實(shí)時(shí)反饋。

1 冶金行業(yè)復(fù)雜生產(chǎn)過(guò)程調(diào)度的核心問題

冶金企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度的核心問題可總結(jié)為:

(1)生產(chǎn)調(diào)度計(jì)劃。合理制定生產(chǎn)過(guò)程中各工序的生產(chǎn)進(jìn)度表,按實(shí)際生產(chǎn)計(jì)劃展開設(shè)計(jì)生產(chǎn)計(jì)劃,按時(shí)間序列細(xì)分各個(gè)工序,同時(shí)配備監(jiān)視系統(tǒng),如果生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)動(dòng)態(tài)擾動(dòng)情況,如計(jì)劃延遲、工序發(fā)生異常、合同變更或生產(chǎn)能力變化等,要求系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)調(diào)整功能,維護(hù)生產(chǎn)作業(yè)的順利進(jìn)行。

(2)批量組合生產(chǎn)計(jì)劃。生產(chǎn)計(jì)劃的組織階段即按生產(chǎn)工藝路線、技術(shù)條件、設(shè)備的作業(yè)要求,將多品種、小批量合同來(lái)組織批量生產(chǎn)。集成化生產(chǎn)管理,能夠依據(jù)訂單、產(chǎn)品交貨期、工序約束條件、生產(chǎn)效率、庫(kù)存等,作出目標(biāo)最優(yōu)的批量組合生產(chǎn)計(jì)劃。

2 基于排序理論和規(guī)則的優(yōu)化調(diào)度方法

2.1 冶金行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程調(diào)度問題描述

對(duì)冶金企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程調(diào)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(xiàn)[9]。對(duì)冶金行業(yè)生產(chǎn)調(diào)度問題采用三元組描述法進(jìn)行詳細(xì)分析。

(1)α表示機(jī)器數(shù)量、類型和環(huán)境。機(jī)器包括設(shè)備、人力、技術(shù)和信息等生產(chǎn)當(dāng)中使用的有限資源,將工作中心資源用一個(gè)等效工作中心類集合描述,總生產(chǎn)能力為所有具體工作中心生產(chǎn)能力之和。

(2)β表示任務(wù)性質(zhì)、加工要求和各種約束。生產(chǎn)約束規(guī)則主要有:

①產(chǎn)品優(yōu)先級(jí)約束

冶金產(chǎn)品按性質(zhì)不同分為正常品、新產(chǎn)品和軍工產(chǎn)品,優(yōu)先安排新產(chǎn)品和軍工產(chǎn)品；優(yōu)先安排客戶要求交貨期早的產(chǎn)品。綜合考慮各種因素,設(shè)置總優(yōu)先級(jí)系數(shù),表示一個(gè)生產(chǎn)任務(wù)要求優(yōu)先安排的程度,按系數(shù)調(diào)度生產(chǎn)任務(wù),構(gòu)成任務(wù)序列。

②生產(chǎn)工作中心使用要求

生產(chǎn)中應(yīng)區(qū)別對(duì)待每臺(tái)工作中心具有的使用特點(diǎn),調(diào)度人員要重點(diǎn)考慮關(guān)鍵工作中心的生產(chǎn)安排,如為避免頻繁更換鋼種冶煉,必須合理安排煉鋼生產(chǎn)的冶煉順序。

③工序連續(xù)性要求

工藝路線有連續(xù)性要求時(shí),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(jìn)先出(Fisrt In Fisrt Out,FIFO)的調(diào)度規(guī)則。生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化調(diào)度模型根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)所在不同工藝階段的工藝要求,動(dòng)態(tài)選用合適的調(diào)度規(guī)則。

(3)γ表示生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化目標(biāo)。冶金行業(yè)生產(chǎn)通常把最小加工周期作為優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)。

2.2 問題描述模型建立

2.2.1 分形計(jì)劃調(diào)度模型

根據(jù)冶金產(chǎn)品生產(chǎn)特點(diǎn),為了提高生產(chǎn)調(diào)度效率,采用分形處理調(diào)度策略。分形計(jì)劃調(diào)度法(Fractal Planning Scheduling Method, FPSM)是將每個(gè)生產(chǎn)分廠作為一個(gè)塊,獨(dú)立對(duì)其上運(yùn)行的生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度獲得局部最優(yōu)解,以局部?jī)?yōu)化代替全局優(yōu)化；對(duì)超出分廠自身設(shè)備能力的情況,采用協(xié)調(diào)調(diào)度方法以達(dá)到各分廠的綜合平衡和優(yōu)化,獲得全局最優(yōu)解。即盡量將發(fā)生的意外情況在本分廠內(nèi)處理,避免不必要的資源浪費(fèi)。FPSM可以形成一系列調(diào)度業(yè)務(wù)邏輯,通過(guò)這些邏輯,組合成一個(gè)或多個(gè)調(diào)度模型,如圖1,根據(jù)每個(gè)生產(chǎn)任務(wù)的特點(diǎn),調(diào)用相應(yīng)的模型完成調(diào)度計(jì)算。協(xié)調(diào)調(diào)度是指每個(gè)分廠的調(diào)度結(jié)果只是一個(gè)局部最優(yōu)的調(diào)度方案,需要放到整個(gè)過(guò)程中重新進(jìn)行評(píng)價(jià),才能得到全局最優(yōu)的調(diào)度結(jié)果。

圖1 分形計(jì)劃調(diào)度模型

2.2.2 調(diào)度規(guī)則的確定

在生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中,可能存在對(duì)資源如人員、設(shè)備等的競(jìng)爭(zhēng)。為使占用資源的時(shí)間最短,采用基于排序理論和調(diào)度規(guī)則的方法對(duì)生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度,根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)和資源使用狀況分析生產(chǎn)過(guò)程中關(guān)鍵工序以及關(guān)鍵工序?qū)?yīng)的資源,并依據(jù)相應(yīng)的規(guī)則對(duì)生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行排序,確定生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行順序及所用的資源。采用的主要調(diào)度規(guī)則包括:最短加工時(shí)間優(yōu)先(Shortest Processing Time first,SPT),FIFO,最大交貨延期量最小(Early Delivery Date,EDD)和松弛時(shí)間最短(MSLACK)等。

2.2.3 目標(biāo)函數(shù)的確定

交貨期對(duì)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)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(chǎn)品按期完成。因此,以產(chǎn)品完成時(shí)間為調(diào)度目標(biāo),最大限度滿足客戶對(duì)產(chǎn)品交貨期的要求,實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶需求的快速響應(yīng)。把提前時(shí)間和拖期時(shí)間確定為衡量完成時(shí)間的指標(biāo),把每個(gè)生產(chǎn)任務(wù)的提前時(shí)間或拖期時(shí)間作為該任務(wù)完成時(shí)間差值,比較得出整個(gè)任務(wù)集合中最大完成時(shí)間差值,并使其不超出企業(yè)給定的額定值。即目標(biāo)函數(shù)為:

f(p)=max{Δtp1,Δtp2,…,Δtpi,…,Δtpn}<ε

Δtpi=|tepi-tdpi| (i=1,2,…,n)

(1)

式中,ε表示企業(yè)給定的額定值；Δtpi表示任務(wù)i的完成時(shí)間差值；tepi表示任務(wù)i的實(shí)際完成時(shí)間；tdpi表示任務(wù)i的預(yù)計(jì)完成時(shí)間。

2.3 基于排序理論和規(guī)則的調(diào)度算法

前述規(guī)則反映了調(diào)度準(zhǔn)則對(duì)交貨期的絕對(duì)要求和相對(duì)要求,通過(guò)這些規(guī)則,確定過(guò)程實(shí)例的優(yōu)先級(jí),再對(duì)其排序,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程實(shí)例的調(diào)度。

在生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度中采用排序方法對(duì)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度,在排序過(guò)程中采用相應(yīng)的調(diào)度規(guī)則,如采用EDD規(guī)則確定起始任務(wù)的開始時(shí)間,優(yōu)先安排交貨期較早的任務(wù)；采用MSLACK規(guī)則對(duì)所有過(guò)程實(shí)例進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度,保證所有過(guò)程實(shí)例任務(wù)能按期完成。

2.3.1 優(yōu)先按棒材廠排序

設(shè)棒材廠的設(shè)備編號(hào)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(jì)算出全部產(chǎn)品在各個(gè)設(shè)備上的加工開始與完成時(shí)間:

(8)

計(jì)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(guī)格遞增或按對(duì)應(yīng)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?yàn)橛型掀?為保證按期交貨,所有工序均需提前一個(gè)Δt。

2.3.2 按冶煉分廠排序

假定按棒材選取的方案順序?yàn)閯t在初始煉鋼工序,也應(yīng)盡可能保證該加工次序,同時(shí)保證相同成分的鋼放在一起冶煉,需要將產(chǎn)品按照成分和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行局部范圍的調(diào)整排序。

(11)

步驟4計(jì)算拖期。由(10)、(11)可得

(12)

計(jì)算最大拖期:

(13)

2.4 調(diào)度算法處理流程

以調(diào)度模型為依據(jù),構(gòu)建復(fù)雜生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化調(diào)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(jìn)行軋制組批,確保發(fā)揮關(guān)鍵設(shè)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(duì)軋制順序的一種局部調(diào)整,體現(xiàn)的是上游分廠按照下游分廠的提料要求組織生產(chǎn)的思想,在加強(qiáng)計(jì)劃性的同時(shí)考慮車間控制要求。調(diào)度系統(tǒng)最終產(chǎn)生粗能力計(jì)劃報(bào)告和排產(chǎn)時(shí)間表,經(jīng)確認(rèn)可行后導(dǎo)入生產(chǎn)系統(tǒng),用來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)。

圖2 調(diào)度算法流程

3 鋼鐵行業(yè)基于排序理論和規(guī)則的優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)集成

在集成化的生產(chǎn)管理系統(tǒng)中,生產(chǎn)過(guò)程調(diào)度系統(tǒng)不是孤立的,它與其他系統(tǒng)有著數(shù)據(jù)共享、功能集成,如圖3。通過(guò)與其他系統(tǒng)的緊密集成,生產(chǎn)過(guò)程調(diào)度系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)收集生產(chǎn)變動(dòng)數(shù)據(jù),掌握生產(chǎn)第一線情況,及時(shí)解決生產(chǎn)擾動(dòng)造成的調(diào)度計(jì)劃變動(dòng)問題。

圖3 系統(tǒng)集成關(guān)系

Fig.3 Integration relation for optimal scheduling system

3.2 系統(tǒng)主要功能

根據(jù)企業(yè)實(shí)際并結(jié)合上述算法,開發(fā)冶金行業(yè)復(fù)雜生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng),主要功能有:

(1)生產(chǎn)計(jì)劃管理。完成生產(chǎn)任務(wù)、原料/坯料計(jì)劃編制,月計(jì)劃、日計(jì)劃下達(dá),生產(chǎn)任務(wù)變更等。圖4是成材分廠月計(jì)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(jì)劃和成材廠的生產(chǎn)任務(wù),匹配不到工藝路線,則說(shuō)明是新產(chǎn)品,需添加新的生產(chǎn)工藝路線。

圖4 月計(jì)劃編制代表性界面

(2)調(diào)度算法的計(jì)算機(jī)模擬仿真結(jié)果。在生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度中設(shè)計(jì)了基于甘特圖的可視化仿真工具,一方面它檢驗(yàn)調(diào)度算法的結(jié)果,另一方面,采用仿真分析和人工的方式來(lái)改進(jìn)調(diào)度算法的結(jié)果。圖5是對(duì)前述調(diào)度算法的計(jì)算機(jī)模擬仿真結(jié)果查詢界面。

圖5 調(diào)度算法的計(jì)算機(jī)模擬仿真結(jié)果

4 結(jié) 論

根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際并結(jié)合本文調(diào)度算法,研發(fā)了冶金行業(yè)復(fù)雜生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng),進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬仿真,驗(yàn)證了算法準(zhǔn)確性、有效性和實(shí)用性,實(shí)現(xiàn)企業(yè)計(jì)劃調(diào)度的整體優(yōu)化,對(duì)冶金企業(yè)運(yùn)作管理過(guò)程的分析決策具有指導(dǎo)意義。

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