鋼軋界面板坯上料模型的研制與應(yīng)用

首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司信息計(jì)量部 劉雪瑩 宋海洋 劉春霆

京唐公司板坯庫(kù)天車(chē)有效利用率低、倒垛量大,板坯庫(kù)的上料效率直接制約著熱軋產(chǎn)能釋放,因此研制了板坯庫(kù)上料優(yōu)化模型。首先,通過(guò)對(duì)板坯庫(kù)上料流程進(jìn)行研究,提出了上料優(yōu)化“替換池”模型,為每個(gè)軋制位置從其“替換池”中選出可替換坯,生成倒垛次數(shù)最小的板坯序列;其次,研發(fā)了板坯庫(kù)上料優(yōu)化系統(tǒng),系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了軋制計(jì)劃與庫(kù)存板坯的自動(dòng)/手動(dòng)互換,自動(dòng)計(jì)算壓垛量;最后,將研制的優(yōu)化系統(tǒng)應(yīng)用于到煉鋼板坯庫(kù),系統(tǒng)相比傳統(tǒng)方法更能減少倒垛次數(shù),并在3分鐘以?xún)?nèi)運(yùn)算出優(yōu)化結(jié)果。

0 引言

板坯庫(kù)進(jìn)出庫(kù)作業(yè)頻繁,且軋制工藝對(duì)板坯的出庫(kù)時(shí)間和上料順序有嚴(yán)格的要求,因此對(duì)上料作業(yè)進(jìn)行全面管理成為板坯庫(kù)物流管理的重點(diǎn)。京唐公司板坯庫(kù)上料能力僅能夠達(dá)到50塊/小時(shí),不能夠達(dá)到1300塊/天的目標(biāo),無(wú)法達(dá)到熱軋產(chǎn)能要求,同時(shí)也造成板坯庫(kù)存持續(xù)升高。如何借鑒常規(guī)倉(cāng)庫(kù)管理模型,引入人工智能的方法解決板坯出入庫(kù)、倒垛和設(shè)備調(diào)度等決策問(wèn)題,提高板坯庫(kù)運(yùn)轉(zhuǎn)效率,成為優(yōu)化生產(chǎn)效率主要問(wèn)題。

目前對(duì)于板坯庫(kù)的優(yōu)化管理,特別是出庫(kù)倒垛問(wèn)題的研究為數(shù)不多。根據(jù)不同軋制位置是否存在重疊[1]分為兩類(lèi),即軋制位置與庫(kù)內(nèi)板坯一對(duì)多和多對(duì)多的對(duì)應(yīng)關(guān)系,建立了軋制位置與板坯一對(duì)多約束關(guān)系模型[2]。在多對(duì)多方面,通過(guò)定義一種替換鄰域結(jié)構(gòu)[3],對(duì)軋制位置在鄰域內(nèi)進(jìn)行搜索匹配最后替換,但該算法沒(méi)有充分利用同規(guī)格板坯連續(xù)堆放時(shí)的垛位優(yōu)勢(shì)。作為結(jié)合實(shí)際背景的組合優(yōu)化問(wèn)題,逆序堆垛啟發(fā)算法、0-1算法[4-5]等過(guò)于理想化,但在實(shí)際應(yīng)用中有局限性,考慮到板坯庫(kù)的生產(chǎn)實(shí)際,本文以多對(duì)多的情況作為研究?jī)?nèi)容,建立了軋制位置與庫(kù)內(nèi)板坯多對(duì)多關(guān)系的上料計(jì)劃優(yōu)化模型。

鑒于此,本文開(kāi)展了板坯庫(kù)上料優(yōu)化模型的研究,首先 通過(guò)對(duì)板坯庫(kù)上料流程進(jìn)行研究,提出了上料優(yōu)化“替換池”模型系統(tǒng),并進(jìn)行了硬件、軟件設(shè)計(jì);其次,研發(fā)了板坯庫(kù)上料優(yōu)化系統(tǒng),系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、手動(dòng)優(yōu)化,自動(dòng)計(jì)算壓垛量等功能,滿(mǎn)足板坯庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)節(jié)奏;最后,將研制的優(yōu)化系統(tǒng)應(yīng)用于到煉鋼板坯庫(kù),系統(tǒng)相比傳統(tǒng)方法更能減少倒垛次數(shù),上料效率提高了6%,說(shuō)明了此模型具有良好的實(shí)用價(jià)值[6]。

1 板坯上料優(yōu)化模型設(shè)計(jì)

軋制計(jì)劃的編制結(jié)合產(chǎn)品訂貨合同信息(規(guī)格、數(shù)量、質(zhì)量及交貨期)、板坯庫(kù)的板坯信息,同時(shí)匯集了各種生產(chǎn)設(shè)備能力和工藝規(guī)程。軋制計(jì)劃排定后,板坯的上料順序隨之確定。

1.1 問(wèn)題描述

雖然計(jì)劃編制時(shí)會(huì)結(jié)合板坯垛位、所在層情況,但計(jì)劃編制時(shí)間比實(shí)際執(zhí)行時(shí)間提前1至2天,而板坯庫(kù)處于流動(dòng)狀態(tài),每時(shí)每刻都發(fā)生著變化,按最初的計(jì)劃進(jìn)行上料,會(huì)產(chǎn)生大量不必要的倒垛,影響天車(chē)上料效率進(jìn)而影響熱軋生產(chǎn)。因此實(shí)際軋制前,必須經(jīng)過(guò)板坯庫(kù)上料計(jì)劃優(yōu)化模型進(jìn)一步處理。

通過(guò)分析得到,軋制計(jì)劃的出庫(kù)順序要求與板坯庫(kù)內(nèi)物理放置順序的不一致,或者要出庫(kù)的板坯上面壓著計(jì)劃外的障礙坯,是造成大量不必要倒垛作業(yè)的原因,因而需要重新確定板坯的軋制序列,即為每個(gè)軋制位置從其可交換板坯組中選出可替換坯,如圖1所示,以構(gòu)成倒垛次數(shù)最小的板坯序列。

圖1 軋制計(jì)劃與庫(kù)內(nèi)板坯“多對(duì)多”關(guān)系Fig.1 “Many-to-Many” relationship between rolling plan and slab in warehouse

上料優(yōu)化模型就是針對(duì)每個(gè)可替換軋制位置,生成符合替換規(guī)則的板坯“替換池”,如表1所示,從中尋找壓垛量最少的替換坯,使得軋制計(jì)劃整體壓垛量最少。模型支持重復(fù)優(yōu)化,也可選擇單塊板坯手動(dòng)優(yōu)化,最終形成倒垛量最少的上料序列。

表1 板坯“替換池”規(guī)則表Tab.1 "Replacement Pool" rules for slab

1.2 上料計(jì)劃優(yōu)化模型建立

為便于描述,定義符號(hào)和變量如下:

i—板坯庫(kù)內(nèi)板坯的編號(hào),將庫(kù)內(nèi)的板坯按照所屬垛位由小及大、層數(shù)由上到下進(jìn)行編號(hào),I為庫(kù)內(nèi)所有板坯的集合,i∈I={l,2,…n)

j—軋制計(jì)劃中的板坯位置編號(hào),J為軋制計(jì)劃所有板坯位置的集合,j∈J={1,2,…,m)

r—軋制計(jì)劃中的軋制規(guī)格組編號(hào),R為組數(shù),r=1,2,…,R,Jr為第r個(gè)規(guī)格組中所有板坯位置的集合

Cij—當(dāng)板坯i匹配位置j進(jìn)行替坯時(shí)產(chǎn)生的凈倒垛次數(shù),它是動(dòng)態(tài)變化的

Xij—Xij=l,如果板坯庫(kù)中第i塊板坯被指派到軋制計(jì)劃中的第j個(gè)位置,否則Xij=0

多對(duì)多板坯倒垛問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型建立如下:

其中,目標(biāo)函數(shù)(1)要求總的倒垛次數(shù)最小;式(2)表示軋制計(jì)劃中的每個(gè)位置必須且只能匹配一塊板坯;式(3)表示庫(kù)中的每塊板坯最多只能匹配給一個(gè)軋制位置;

結(jié)合板坯庫(kù)的生產(chǎn)實(shí)際,本文以多對(duì)多的情況作為研究?jī)?nèi)容,建立了軋制位置與庫(kù)內(nèi)板坯多對(duì)多關(guān)系的最優(yōu)倒垛問(wèn)題的上料優(yōu)化模型,并通過(guò)仿真平臺(tái)對(duì)算法進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 上料模型研發(fā)與應(yīng)用

2.1 上料優(yōu)化流程架構(gòu)

軋制計(jì)劃到上料計(jì)劃的轉(zhuǎn)化涉及煉鋼、熱軋等多個(gè)部門(mén)之間協(xié)作,上料計(jì)劃優(yōu)化流程涉及制造系統(tǒng)、煉鋼L3和熱軋L3,確保計(jì)劃狀態(tài)在多個(gè)系統(tǒng)間保持一致性。

(1)接收計(jì)劃:上料計(jì)劃由制造系統(tǒng)下發(fā)給煉鋼L3系統(tǒng),后轉(zhuǎn)發(fā)給熱軋L3系統(tǒng)。

(2)可備料:在熱軋L3系統(tǒng)中對(duì)即將生產(chǎn)的輥期進(jìn)行可備料操作,形成上料預(yù)計(jì)劃后方可進(jìn)行上料計(jì)劃優(yōu)化。

(3)優(yōu)化開(kāi)始:應(yīng)用上料計(jì)劃優(yōu)化模型,進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化處理、計(jì)算壓垛量,并向計(jì)劃跟蹤模塊發(fā)送優(yōu)化開(kāi)始狀態(tài)。

(4)優(yōu)化結(jié)束:優(yōu)化結(jié)果壓垛量目標(biāo)為0,向計(jì)劃跟蹤模塊發(fā)送優(yōu)化結(jié)束狀態(tài)。若不滿(mǎn)足上料要求,可重復(fù)優(yōu)化。

(5)優(yōu)化完成:不再優(yōu)化的計(jì)劃進(jìn)行完成操作,該計(jì)劃下所有垛位進(jìn)行封鎖。

2.2 系統(tǒng)功能研發(fā)

上料計(jì)劃優(yōu)化系統(tǒng)主界面,選擇一條軋制計(jì)劃后,點(diǎn)擊“開(kāi)始優(yōu)化”系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用自動(dòng)優(yōu)化模型,在當(dāng)前計(jì)劃同垛位、同鋼種、同規(guī)格中選擇可替換板坯,如未達(dá)到預(yù)期可多次優(yōu)化。點(diǎn)擊“結(jié)束優(yōu)化”系統(tǒng)向上層制造系統(tǒng)發(fā)送計(jì)劃替換申請(qǐng),并返回校驗(yàn)結(jié)果,若“通過(guò)”則形成上料計(jì)劃,否則退回優(yōu)化前計(jì)劃狀態(tài)。

壓垛量計(jì)算界面,系統(tǒng)可自動(dòng)根據(jù)板坯位置、所在層數(shù)、上料順序,計(jì)算出每塊板坯的壓垛量。同時(shí)為方便操作,可自動(dòng)匯總生成當(dāng)前計(jì)劃所有分布垛位的壓垛量,以及計(jì)劃整體壓垛量。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為了驗(yàn)證本文所研制的模型可行性與準(zhǔn)確性,2019年5月上料優(yōu)化模型系統(tǒng)在京唐公司煉鋼板坯庫(kù)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證,崗位在上料前按照板坯實(shí)績(jī)碼放順序進(jìn)行優(yōu)化,大幅減少了倒垛量,每日上料量由1215塊/天提高到1297塊/天,應(yīng)用前后上料效率提高了6%,論證了所研制出的上料優(yōu)化模型具有重要的價(jià)值意義。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)板坯庫(kù)上料流程的研究,研發(fā)了上料計(jì)劃優(yōu)化模型系統(tǒng),結(jié)論總結(jié)如下:

(1)通過(guò)對(duì)板坯庫(kù)上料流程進(jìn)行研究,提出了上料優(yōu)化“替換池”模型,為每個(gè)軋制位置從其“替換池”中選出可替換坯,生成倒垛次數(shù)最小的板坯序列。

(2)通過(guò)軟、硬件研究和開(kāi)發(fā),成功研制出了板坯庫(kù)上料優(yōu)化系統(tǒng),系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)軋制計(jì)劃與庫(kù)存板坯在規(guī)則內(nèi)互換?？勺詣?dòng)根據(jù)板坯位置、所在層數(shù)、上料順序,計(jì)算出每塊板坯的壓垛量,輔助現(xiàn)場(chǎng)庫(kù)工優(yōu)化操作。

(3)將研制的優(yōu)化系統(tǒng)應(yīng)用于到煉鋼板坯庫(kù),系統(tǒng)相比傳統(tǒng)方法更能減少倒垛次數(shù),并在3分鐘以?xún)?nèi)運(yùn)算出優(yōu)化結(jié)果。說(shuō)明了此模型具有良好的實(shí)用價(jià)值。經(jīng)過(guò)京唐公司板坯庫(kù)運(yùn)行一年,上料效率提高了6%,且隨著軋制規(guī)模的增大,優(yōu)勢(shì)更為顯著。

綜上所述,本文成功研制出了上料計(jì)劃優(yōu)化模型系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了軋制計(jì)劃與庫(kù)存板坯的自動(dòng)/手動(dòng)互換,壓垛量自動(dòng)計(jì)算,優(yōu)化板坯在倉(cāng)庫(kù)中的高速、有序運(yùn)轉(zhuǎn),使得操作資源使用量最小,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證了模型的實(shí)用性,填了國(guó)內(nèi)板坯庫(kù)倉(cāng)儲(chǔ)智能模型研究領(lǐng)域的空白。

引用

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