工廠級排產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)踐

劉一博

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司， 山西 太原 030003）

生產(chǎn)實(shí)踐·應(yīng)用技術(shù)

工廠級排產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)踐

劉一博

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司， 山西 太原 030003）

太鋼煉鋼廠排產(chǎn)系統(tǒng)以煉鋼廠過程控制二級系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和MES系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對太鋼煉鋼廠生產(chǎn)提供信息化支撐，通過可視化GANTT圖工具展示排產(chǎn)結(jié)果。排產(chǎn)人員可以根據(jù)實(shí)際設(shè)備狀況和原材料準(zhǔn)備情況對計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整，從而提高生產(chǎn)效率。通過排產(chǎn)系統(tǒng)的實(shí)施，提高了太鋼煉鋼廠的信息化水平，降低了煉鋼成本。

排產(chǎn)系統(tǒng) 遞推算法 GANTT圖

山西太鋼不銹鋼股份有限公司（全文簡稱太鋼）煉鋼廠包含多座冶煉工序、精煉工序、多臺(tái)連鑄機(jī)、多部天車，這些工序協(xié)作生產(chǎn)決定成品的鋼種和質(zhì)量，太鋼煉鋼廠排產(chǎn)是一個(gè)典型的多工序生產(chǎn)、多運(yùn)輸平臺(tái)的離散和連續(xù)相結(jié)合的復(fù)雜生產(chǎn)過程，其生產(chǎn)流程具有工序多、人工干擾大、原料不穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)無規(guī)律性等復(fù)雜系統(tǒng)的特性，生產(chǎn)組織和運(yùn)行難度較大。

排產(chǎn)系統(tǒng)是指在煉鋼、精煉和連鑄生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃基礎(chǔ)上，盡可能滿足煉鋼廠當(dāng)前生產(chǎn)條件下，通過下達(dá)生產(chǎn)指令，安排各爐次在各工序上的加工設(shè)備、加工時(shí)間和加工順序，以獲得生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃的總流程時(shí)間或生產(chǎn)成本最優(yōu)化。鋼鐵企業(yè)信息系統(tǒng)可分為4層，包括：L1基礎(chǔ)自動(dòng)化級、L2過程控制級（Process Control System，PCS）、L3制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、L4公司管理級（ERP）。其中MES系統(tǒng)在煉鋼廠制造過程中處于關(guān)鍵地位，排產(chǎn)系統(tǒng)作為MES系統(tǒng)的核心組成部分，對信息化系統(tǒng)的健康穩(wěn)定運(yùn)行起到統(tǒng)領(lǐng)作用，對計(jì)劃、投料、報(bào)工和實(shí)績收集起到串聯(lián)的作用，并且使生產(chǎn)產(chǎn)能最大化和各工序負(fù)載實(shí)現(xiàn)均衡。

1 排產(chǎn)系統(tǒng)的綜述

煉鋼的最基本單位是爐次。一個(gè)爐次是指在同一個(gè)電爐、AOD爐或轉(zhuǎn)爐內(nèi)冶煉的鋼水，從開始冶煉到連鑄或者模鑄為止的整個(gè)過程稱為一個(gè)爐次；澆次是指在同一臺(tái)連鑄機(jī)上同一個(gè)或者多個(gè)中間包使用同樣的結(jié)晶器下連續(xù)澆鑄的爐次的集合。在煉鋼—連鑄生產(chǎn)當(dāng)中，對于連鑄機(jī)來說，每更換一次中間包都需要設(shè)備調(diào)整時(shí)間，以及輔助材料的消耗。排產(chǎn)系統(tǒng)是在連鑄機(jī)連澆的前提下，利用逆推式算法，對加工設(shè)備、加工時(shí)間、調(diào)運(yùn)時(shí)間等排出生產(chǎn)計(jì)劃，得到未來數(shù)小時(shí)內(nèi)最優(yōu)的生產(chǎn)計(jì)劃[1]。

通過實(shí)施排產(chǎn)系統(tǒng)，在煉鋼廠復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境下，充分考慮鋼廠的特殊性，輸出每臺(tái)設(shè)備的詳細(xì)作業(yè)計(jì)劃，并根據(jù)設(shè)備的實(shí)際開始和結(jié)束時(shí)間實(shí)時(shí)調(diào)整作業(yè)計(jì)劃，達(dá)到各生產(chǎn)設(shè)備的飽滿生產(chǎn)，且保證連鑄機(jī)連澆。

2 廠級作業(yè)計(jì)劃的特點(diǎn)

太鋼煉鋼廠是鋼鐵企業(yè)的重要組成部分，承擔(dān)著由鐵水轉(zhuǎn)變?yōu)殇撍纳a(chǎn)任務(wù)，具有產(chǎn)量大、鋼種多、工藝路線復(fù)雜多變的特點(diǎn)。具有碳鋼和不銹鋼兩條生產(chǎn)線，包含中頻爐、轉(zhuǎn)爐、電爐、VOD、AOD、LF、連鑄和模鑄等工序，每個(gè)工序又包含多個(gè)工位；另外還存在運(yùn)輸鋼包的過跨車和吊運(yùn)鋼包的天車等。組織各工序之間的生產(chǎn)是一項(xiàng)復(fù)雜調(diào)度過程，要實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的有效控制，為生產(chǎn)的組織指揮提供輔助支持。進(jìn)行爐次的合理調(diào)度是完成煉鋼任務(wù)的重要保證。排產(chǎn)系統(tǒng)是鋼鐵企業(yè)信息化的重要組成部分，其運(yùn)行質(zhì)量的高低將直接影響整個(gè)煉鋼過程的生產(chǎn)效率[2]。

從太鋼的生產(chǎn)計(jì)劃層次來看，廠級排產(chǎn)系統(tǒng)接受上一級生產(chǎn)計(jì)劃模塊的澆次計(jì)劃，生成廠級的生產(chǎn)計(jì)劃。廠級再生成具體的計(jì)劃發(fā)給各個(gè)二級系統(tǒng)。廠級對整個(gè)生產(chǎn)管理和控制起到承上啟下的作用。

3 排產(chǎn)系統(tǒng)的架構(gòu)

煉鋼生產(chǎn)節(jié)奏緊，異常因素多，不僅要求系統(tǒng)能夠快速排出所有爐次的預(yù)計(jì)生產(chǎn)計(jì)劃表，也要求在生產(chǎn)擾動(dòng)事件發(fā)生時(shí)能在短時(shí)間內(nèi)協(xié)助調(diào)度員修正原來的生產(chǎn)計(jì)劃，恢復(fù)生產(chǎn)的可行性，并使由于擾動(dòng)時(shí)間引起的生產(chǎn)損失達(dá)到最小。

太鋼煉鋼廠選用Broner排產(chǎn)系統(tǒng)，經(jīng)過多年的實(shí)踐和完善，已能夠適用于各種正常和異常情況。不僅要求實(shí)現(xiàn)以總冶煉時(shí)間最短為最優(yōu)目標(biāo)，更要加入產(chǎn)量和成本因素。在市場形勢好時(shí)，以產(chǎn)量為最優(yōu)目標(biāo)，圍繞產(chǎn)量優(yōu)先的工藝路線組織生產(chǎn)；在市場形勢不好時(shí)，以降低生產(chǎn)成本為最優(yōu)目標(biāo)，圍繞成本控制優(yōu)先的工藝路線組織生產(chǎn)。

排產(chǎn)系統(tǒng)主要有兩個(gè)模塊組成，接口模塊和MSCC模塊（熱區(qū)控制中心MeltShopControl Center）。

1）接口模塊起到承上啟下的作用，負(fù)責(zé)接受公司產(chǎn)銷系統(tǒng)下發(fā)的生產(chǎn)計(jì)劃和向過程控制系統(tǒng)傳輸具體的爐次計(jì)劃，分別以XML格式電文和表格式進(jìn)行傳輸。

2）MSCC（Meltshop Control Centre）接收到生產(chǎn)澆次計(jì)劃后，對澆次計(jì)劃進(jìn)行逆推，產(chǎn)生全部煉鋼工序的作業(yè)計(jì)劃,通過實(shí)時(shí)的控制生產(chǎn)節(jié)奏和協(xié)調(diào)物流組織，識(shí)別資源沖突，減少緩沖時(shí)間，提高生產(chǎn)效率（見圖1）。MSCC是一個(gè)交互式的甘特圖平臺(tái)，顯示當(dāng)前排產(chǎn)的澆次信息、爐次信息，以及當(dāng)前的作業(yè)計(jì)劃，并允許以鼠標(biāo)拖動(dòng)爐次的方式修改生產(chǎn)計(jì)劃，并把已排好的生產(chǎn)計(jì)劃以圖的形式下發(fā)給相關(guān)煉鋼工序。

圖1 生產(chǎn)計(jì)劃圖

4 主要系統(tǒng)功能

4.1 參數(shù)管理

生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)是Broner排產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)管理為系統(tǒng)提供設(shè)備類型、數(shù)量、默認(rèn)處理時(shí)間及各個(gè)工位間傳輸時(shí)間、爐次在工序間的等待時(shí)間等靜態(tài)數(shù)據(jù)管理。系統(tǒng)提供錄入這些數(shù)據(jù)的界面。配套還有維護(hù)各個(gè)鋼種的獨(dú)有工藝路線和加工時(shí)間。

4.2 工藝路線管理

太鋼煉鋼廠同時(shí)擁有碳鋼和不銹鋼生產(chǎn)能力，有兩臺(tái)一機(jī)雙流的碳鋼連鑄機(jī)，三臺(tái)一機(jī)一流的不銹鋼連鑄機(jī)，四個(gè)模鑄工位。排產(chǎn)系統(tǒng)根據(jù)人機(jī)互動(dòng)對未來的生產(chǎn)計(jì)劃預(yù)排產(chǎn)，以供調(diào)度參考，提高作業(yè)能力和工作效率。

排產(chǎn)系統(tǒng)在SDB里設(shè)置鑄機(jī)屬性。設(shè)計(jì)BOF爐、AOD爐、中頻爐、LF爐、RH爐、EAF爐等工序的工位名，碳鋼不銹鋼屬性，標(biāo)準(zhǔn)的工藝冶煉時(shí)間。設(shè)計(jì)天車調(diào)運(yùn)時(shí)間。分別設(shè)計(jì)碳鋼和不銹鋼的各種工藝路線包，在工藝路線包里增加工藝路線，工藝路線里包含對應(yīng)的工位和順序。設(shè)計(jì)約束條件，一臺(tái)過跨車對應(yīng)一座轉(zhuǎn)爐，一座大包回轉(zhuǎn)臺(tái)對應(yīng)一臺(tái)連鑄機(jī)等約束規(guī)則。

排產(chǎn)系統(tǒng)在SGD里編輯鋼種，填寫鋼種對應(yīng)的工藝路線包，以及針對鋼種和工藝路線下精煉的冶煉時(shí)間。

排產(chǎn)系統(tǒng)通過工序?qū)傩浴⒓s束條件、鋼種管理等一系列規(guī)則，并逆推式算法結(jié)合計(jì)算出的最優(yōu)生產(chǎn)計(jì)劃。

4.3 接口方式

接口的作用是不同的系統(tǒng)之間交換數(shù)據(jù)，對速度、準(zhǔn)確性、完整性要求十分嚴(yán)格，這三個(gè)要素決定信息系統(tǒng)的實(shí)用性。在排產(chǎn)系統(tǒng)中，原設(shè)計(jì)是各個(gè)系統(tǒng)將實(shí)際數(shù)據(jù)流信息發(fā)送到服務(wù)器上，寫成一個(gè)CSV文檔，對方系統(tǒng)獲取后即清除。這種方式查錯(cuò)困難，異常時(shí)服務(wù)需要重啟。通過分析這種方式存在不足，將接口方式改為報(bào)文，由報(bào)文的形式直接傳送。根據(jù)傳送內(nèi)容的不同，將報(bào)文分為8002、9000、9001和9016等；每條報(bào)文以XML格式保存在CLOB字段中。即使在網(wǎng)絡(luò)信息流量大、負(fù)荷重時(shí)，數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。

4.4 GANTT圖功能

MSCC模塊根據(jù)逆推式算法生成的計(jì)劃是通過GANTT圖進(jìn)行展示的，能夠顯示過去和未來共計(jì)48 h的計(jì)劃。GANTT圖是排產(chǎn)系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，直觀地將計(jì)劃的開始和結(jié)束時(shí)間、鋼種和預(yù)訂爐號(hào)等信息顯示出來。

GANTT圖最主要的是顯示各個(gè)設(shè)備的占用情況和前后設(shè)備的關(guān)聯(lián)情況。顯示轉(zhuǎn)爐、精煉和連鑄等工序各臺(tái)設(shè)備正在生產(chǎn)和計(jì)劃生產(chǎn)的爐次；顯示正在生產(chǎn)的所有鋼種和工藝路線。能夠直觀地看出各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行情況，在下道工序快要出鋼時(shí)，能夠提前對上道工序進(jìn)行預(yù)警；尤其在連鑄工位要確保連澆，出現(xiàn)預(yù)計(jì)斷交時(shí)，能夠及時(shí)對前部工序的生產(chǎn)節(jié)奏進(jìn)行調(diào)整。

GANTT圖接受L2過程控制級各系統(tǒng)發(fā)出的爐次實(shí)際生產(chǎn)開始和結(jié)束信號(hào)，代替預(yù)計(jì)的開始和結(jié)束時(shí)間；既能保證生產(chǎn)完的爐次開始和結(jié)束時(shí)間與實(shí)際相符合，又能對未來的計(jì)劃進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。

GANTT圖允許人為干預(yù)作業(yè)計(jì)劃。在遇到成分不達(dá)標(biāo)或者臨時(shí)的設(shè)備或工藝異常情況時(shí)，會(huì)手動(dòng)更改單爐鋼的鋼種與工藝路線或者交換相鄰兩爐鋼的相關(guān)信息。

4.5 逆推式算法功能

采用逆推式算法排出符合實(shí)際的生產(chǎn)計(jì)劃。此算法屬于啟發(fā)式算法，最低目標(biāo)是保證連鑄機(jī)的澆次內(nèi)連續(xù)生產(chǎn)。每次要至少排出碳鋼和不銹鋼未來8 h的計(jì)劃。首先操作員可以優(yōu)先選擇工藝路線，如果不選擇會(huì)有默認(rèn)的工藝路線，從連鑄機(jī)開始向前推，最后查找轉(zhuǎn)爐，如果此工藝路線上的設(shè)備空閑，則選擇此設(shè)備[3]。

圖2 GANTT圖案例

5 結(jié)語

通過在太鋼煉鋼廠應(yīng)用排產(chǎn)系統(tǒng)，提高調(diào)度員的工作效率。該系統(tǒng)通過MES接口接收產(chǎn)銷下發(fā)的連鑄澆次計(jì)劃，并對澆次計(jì)劃進(jìn)行排產(chǎn)，逆推出爐次計(jì)劃，并把生產(chǎn)計(jì)劃下發(fā)給各工序的L2過程控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取各工序的生產(chǎn)實(shí)績信息，通過系統(tǒng)計(jì)算和人工干預(yù)實(shí)時(shí)對生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整，為調(diào)度員協(xié)調(diào)生產(chǎn)和物流組織提供幫助。通過在太鋼煉鋼廠的長期運(yùn)行表明了該系統(tǒng)的有效性，并在實(shí)踐中不斷改進(jìn)，成為了煉鋼廠信息化系統(tǒng)中不可分割的一部分。

[1] 唐立新，楊自厚，王夢光.煉鋼-連鑄最優(yōu)澆次（CAST）計(jì)劃[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1996，17（5）：2-3.

[2] 孫玲，劉繼超.煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)及應(yīng)用[J].冶金自動(dòng)化，2013（S2）：19-20.

[3] 玉雙明，肖正宇，孫彥廣，等.應(yīng)用逆推算法解決煉鋼連鑄計(jì)劃排產(chǎn)問題[J].冶金自動(dòng)化，2005（增刊）：47.

（編輯：苗運(yùn)平）

Practice of Scheduling System at Factory Level

Liu Yibo
（Shanxi Taigang Stainless Steel Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030003）

The scheduling system of TISCO steel plant is based on the secondary system in steel-making plant process control,data acquisition system and MES system to provide information technology support for production of TISCO steel plant.The visualized GANTT diagram tools show the scheduling results.The production personnel can adjust the plan according to the actual equipment status and raw material preparation so as to improve the production efficiency. Through the implementation of scheduling system,the informatization level of TISCO steel plant is improved and the cost of steelmaking is reduced.

scheduling system,recursive algorithm,GANTT diagram

TP315

A

1672-1152（2017）01-0089-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.01.35

2016-11-25

劉一博（1985—），男，山西省運(yùn)城市人，2008年畢業(yè)于太原科技大學(xué)，學(xué)士學(xué)位，助理工程師，山西太鋼集團(tuán)煉鋼二廠信息化室系統(tǒng)維護(hù)員。