鋼管企業(yè)生產(chǎn)計劃中管體長度優(yōu)化計算模型與應(yīng)用初探

李玉柱

鋼管企業(yè)生產(chǎn)計劃中管體長度優(yōu)化計算模型與應(yīng)用初探

李玉柱

文章以天津鋼管制造股份有限公司產(chǎn)銷一體化系統(tǒng)的實施過程為背景，結(jié)合企業(yè)特點，對鋼管公司生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)排程進(jìn)行論述，并以此為基礎(chǔ)，闡述了生產(chǎn)計劃中軋管管體長度優(yōu)化計算模型與應(yīng)用，通過總結(jié)，為同行業(yè)提供了一些參考。

生產(chǎn)計劃 生產(chǎn)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(yè)正從過去以生產(chǎn)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(zhuǎn)變。從市場角度看，由于充分考慮了客戶的個性化需求，實現(xiàn)了按訂單組織生產(chǎn)，從而提升了客戶的滿意度，將爭取到最廣泛的細(xì)分市場。從生產(chǎn)角度來看，小批量生產(chǎn)難以釋放出企業(yè)的最大產(chǎn)能，企業(yè)內(nèi)部將因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、頻繁更換工具而增加生產(chǎn)成本。所以，如何在產(chǎn)能和銷售訂單之間達(dá)到平衡，既能實現(xiàn)產(chǎn)能相對最大，又能很好地滿足客戶的個性化需求，從而穩(wěn)固市場，這是目前鋼管企業(yè)擺脫困境、實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級所面臨的一個關(guān)鍵問題。

通過企業(yè)實踐，解決上述問題的有效手段是：建立整體產(chǎn)銷一體化系統(tǒng)，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(guī)范和產(chǎn)品規(guī)范支撐下的產(chǎn)品質(zhì)量設(shè)計和生產(chǎn)計劃模型，實現(xiàn)由產(chǎn)銷一體化系統(tǒng)，來進(jìn)行生產(chǎn)計劃的制定和排程，最終實現(xiàn)企業(yè)效益最大化。對于鋼管企業(yè)來說，生產(chǎn)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(shù)、目標(biāo)長度、坯子斷面、坯子的單倍長度、需坯支數(shù)、需坯噸數(shù)、成品計劃支、成品計劃噸等。

本文結(jié)合鋼管公司特點，對產(chǎn)銷一體化系統(tǒng)的生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)排程模塊進(jìn)行論述，并闡述了軋管管體長度優(yōu)化計算模型，提高了成材率。

2.生產(chǎn)計劃

鋼管企業(yè)的生產(chǎn)計劃管理，應(yīng)綜合生產(chǎn)和銷售兩方面的業(yè)務(wù)，以企業(yè)整體利益優(yōu)先作為制定計劃的原則，根據(jù)產(chǎn)線產(chǎn)能約束條件、市場需求情況、客戶訂單要求、產(chǎn)銷歷史數(shù)據(jù)等，利用有效的材料計算模型進(jìn)行制定。通過對訂單各加工工序占用能力的計算，進(jìn)行工序能力平衡，從而制定可同時滿足訂單交貨期、工序設(shè)備狀況、工序加工標(biāo)準(zhǔn)、物流平衡等條件的生產(chǎn)計劃。

2.1 產(chǎn)能控制下的銷售訂單提報

根據(jù)各產(chǎn)線、機組的設(shè)備情況和生產(chǎn)的約束條件分配生產(chǎn)能力，以當(dāng)月為N，對N+2個月內(nèi)的銷售訂單進(jìn)行中短期計劃，在完成產(chǎn)能井設(shè)置、產(chǎn)能設(shè)定的基礎(chǔ)上，在技術(shù)評審確認(rèn)銷售訂單時，按照投井原則自動投入產(chǎn)能井。已經(jīng)投入產(chǎn)能井的銷售訂單，經(jīng)過商務(wù)評審生效后，由銷售部門進(jìn)行生產(chǎn)提報。

2.2 銷售訂單接收并建立生產(chǎn)訂單

經(jīng)銷售部門提報的銷售訂單，在產(chǎn)品和冶金規(guī)范支撐下的質(zhì)量、生產(chǎn)、材料設(shè)計之后，形成生產(chǎn)訂單。生產(chǎn)訂單代表了產(chǎn)品生產(chǎn)要求，不僅有具體的數(shù)量、質(zhì)量、規(guī)格和交期要求，還有制程、生產(chǎn)工藝、投入物料、產(chǎn)出物料以及排產(chǎn)月份等信息，是各工序產(chǎn)線生產(chǎn)的基本依據(jù)。

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

2.3 生產(chǎn)訂單下發(fā)生成工序訂單

對小批量的生產(chǎn)訂單，要按一定的歸并原則，歸并成大的軋制批，組織軋管產(chǎn)線生產(chǎn)，達(dá)到提高產(chǎn)量、減少余材、方便管理的目的。下發(fā)工序訂單時，系統(tǒng)會自動合并生產(chǎn)訂單，原則是要考慮品種組合：質(zhì)量組合、尺寸組合、生產(chǎn)順序，兼顧生產(chǎn)限制條件、交貨期和質(zhì)量要求等。綜合各方面的因素，按產(chǎn)出物料碼、工序判定標(biāo)準(zhǔn)、長度等屬性進(jìn)行生產(chǎn)訂單合并。

訂單合并雖然只考慮了3個屬性，但鋼管生產(chǎn)的工序訂單和相關(guān)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(qū)分的字段項，例如不同的孔型規(guī)格會造成同一產(chǎn)線在相同時間內(nèi)產(chǎn)能的差異，不同的退火溫度需要在不同的生產(chǎn)批次來生產(chǎn)，這些也是不同的計劃項。通常鋼管企業(yè)所定義的計劃項大約在100—300個之間，設(shè)定計劃項要掌握平衡，太粗會影響計劃的準(zhǔn)確度，反之則會因項目太復(fù)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(guī)格、扣型、標(biāo)準(zhǔn)、訂貨長度上限、訂貨長度下限等為主的產(chǎn)品說明；以孔型、芯棒直徑、監(jiān)制要求、工藝狀態(tài)、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(biāo)長度、分切、切頭尾長度、機組、產(chǎn)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(shù)量說明，共約120項。生產(chǎn)訂單下發(fā)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(fā)的條件。

工序訂單下發(fā)前先要進(jìn)行利庫，將無合同庫存與欠料訂單進(jìn)行比對分配，依據(jù)物料碼相同、尺寸要求符合的原則進(jìn)行自動分配結(jié)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(chǎn)管理部門的專職人員對工序訂單中的一級工藝統(tǒng)一進(jìn)行確認(rèn)，主要包括軋制組、熱處理組和加工組，同時還需要確認(rèn)可選鋼種的范圍、煉鋼標(biāo)準(zhǔn)、軋管標(biāo)準(zhǔn)、坯料來源、坯分類等，各二級生產(chǎn)廠不能對這些項進(jìn)行更改。在工序訂單排程中，二級工藝由各廠的計劃人員進(jìn)行確認(rèn)，主要內(nèi)容包括軋制長度、鑄坯定尺等內(nèi)容。所以，工序訂單排程主要有兩個任務(wù)：一個是投入材料的計算，另一個是訂單生產(chǎn)時間的排序。

銷售訂單經(jīng)質(zhì)量設(shè)計后，可獲得該訂單的制程和需要經(jīng)過的工序以及在各段工序的生產(chǎn)質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)和制造標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過質(zhì)量設(shè)計的訂單匯總后進(jìn)行材料設(shè)計，在工序訂單排程中要進(jìn)行投入材料的計算。

要依據(jù)投入物料碼和產(chǎn)線、機組小時能力等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計算出工序訂單的生產(chǎn)時間，按隊列給出近期工序訂單的開始和結(jié)束的生產(chǎn)時間，以此進(jìn)行工序訂單的排序。當(dāng)產(chǎn)線調(diào)整或產(chǎn)線內(nèi)軋制的孔型和所需鑄坯的斷面調(diào)整時，投料長度和生產(chǎn)時間都要重新計算。

3.管體長度優(yōu)化計算

在工序訂單排程中，各生產(chǎn)廠計劃人員需要對系統(tǒng)根據(jù)制程和成品的訂貨長度計算出的軋制長度、分切數(shù)、目標(biāo)長度進(jìn)行確認(rèn)，從而推算出管坯單倍長度、坯料支數(shù)，坯料噸數(shù)、成品計劃支數(shù)、成品計劃噸數(shù)等。經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化的軋管管體生產(chǎn)長度是最大程度發(fā)揮生產(chǎn)設(shè)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(shè)備和工藝條件在很多環(huán)節(jié)都有限定，系統(tǒng)將根據(jù)銷售成品定貨長度和該工序訂單選擇的機組產(chǎn)線，計算出一個最優(yōu)的生產(chǎn)軋制長度和管體目標(biāo)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(jié)合公差標(biāo)準(zhǔn)，計算軋管控制壁厚）

X1：燒損系數(shù)

Dp：管坯斷面,mm

3.2 管體目標(biāo)長度計算

（1）管體長度計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括生產(chǎn)訂單的制程所對應(yīng)機組產(chǎn)線的環(huán)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(chǎn)線物料碼對應(yīng)的切頭尾長度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（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(huán)形爐工序點允許的管坯最大長度，應(yīng)用公式(3.1)、(3.2)計算出連軋后管體長度Lg，并與該產(chǎn)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(shù)Nfq 及目標(biāo)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(zhuǎn)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(dāng)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(jīng)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(dāng)Z＞=1 Nfq =X+1； LC= Lg

當(dāng)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(biāo)長度,m

Nfq ：分切數(shù)

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(biāo)長度再計算分切數(shù)，其中目標(biāo)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(yīng)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(chǎn)出來的管子的目標(biāo)長度等于軋制長度減切頭尾長度再除以分切數(shù)，確保目標(biāo)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(biāo)長度加上接箍測量J值，所以在目標(biāo)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(jù)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(chǎn)線環(huán)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(shù)和支數(shù)

依據(jù)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(jù)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(shù)，再乘以分切數(shù)最終獲得成品計劃支數(shù)。

4.應(yīng)用效果及結(jié)論

該管體長度優(yōu)化計算模型的應(yīng)用在產(chǎn)銷一體化系統(tǒng)中，實現(xiàn)了銷售訂單到生產(chǎn)訂單再到工序訂單的自動轉(zhuǎn)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(shù)、成品噸數(shù)和支數(shù)以及所需坯料的長度、倍尺、支、噸等。計劃人員從原先的重復(fù)計算為主，逐步向?qū)徍舜_認(rèn)的職能進(jìn)行轉(zhuǎn)變。切頭尾等生產(chǎn)數(shù)據(jù)是從歷年的實際生產(chǎn)計劃中積累而來，通過加權(quán)平均等算法，獲取近期用量最大的值做為本月的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因而具有較高的準(zhǔn)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(chǎn)線的聯(lián)動排產(chǎn)優(yōu)化計算模型，將3個煉鋼產(chǎn)線、5個軋管產(chǎn)線和20多個熱處理及管加工產(chǎn)線全部納入系統(tǒng)管理，自動處理多種可能性并選出最優(yōu)排產(chǎn)。整個過程充分考慮了成本、成材率、產(chǎn)品質(zhì)量、交貨期等各個方面因素，實現(xiàn)了軋制長度的優(yōu)化，提高了成材率。通過優(yōu)化煉鋼單倍坯長，減少煉鋼的單爐多分切，提高了生產(chǎn)效率。

科學(xué)合理的生產(chǎn)計劃是企業(yè)有序、規(guī)范、高效生產(chǎn)的根本保證，精細(xì)協(xié)同編制從煉鋼到軋管到熱處理再到管加工的生產(chǎn)排程聯(lián)動，建立跨上下游工序和本工序跨產(chǎn)線的聯(lián)動排程，讓上下游的工序都能掌握與其相關(guān)的爐批作業(yè)計劃和執(zhí)行情況，創(chuàng)造準(zhǔn)時制生產(chǎn)環(huán)境，提供較精確的交期承諾。

（作者單位：天津鋼管集團(tuán)股份有限公司制造部）