煉鋼廠計算機輔助生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

1、2003 年鋼鐵研究學(xué)報第15卷Vol. 15, No.5Oct. 2003鋼鐵研究學(xué)報JOURNAL OF IRON AND STEEL RESEAR CH2003 年鋼鐵研究學(xué)報第15卷2003 年鋼鐵研究學(xué)報第15卷測試與控制2003 年鋼鐵研究學(xué)報第15卷2003 年鋼鐵研究學(xué)報第15卷煉鋼廠計算機輔助生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀周永良，劉瀏，何平，劉錕,賀慶(鋼鐵研究總院冶金工藝 研究所，北京100081)摘 要：介紹了煉鋼生產(chǎn)計算機輔助調(diào)度系統(tǒng)的地位和作用，概要說明了幾種用于調(diào)度系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的思路和求解方法，并結(jié)合生產(chǎn)實際對這些調(diào)度系統(tǒng)的特點、應(yīng)用現(xiàn)狀和前景作了分析。 關(guān)鍵詞：煉鋼;調(diào)

2、度系統(tǒng)；數(shù)學(xué)模型中圖分類號：TF701. 3文獻標識碼：B 文章編號：1001 0963(2003) 05 0051 05Computer Aided Scheduling System of Steelmaking PlantZHOU Yong liang, LIU Liu, HE Pi ng,LIU Kun, HE Qing(Central I ron and Steel ResearchI nstitute, Beijing 100081, China)Abstract: The statusand purposeof the computer aided scheduling syst

3、em used for steelmaking plant as well as mathematical modelsand calculation methods were introduced. The features, application condi tions and prospect of scheduling system were depicted.Key words: steelmaking;scheduling system;mathematical model2003 年鋼鐵研究學(xué)報第15卷2003 年鋼鐵研究學(xué)報第15卷近年來不斷發(fā)展的IT技術(shù)為鋼鐵行業(yè)提高勞 動

4、生產(chǎn)率、降低成本、實現(xiàn)利潤最大化提供了新的機 遇。實現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度的計算機化已成為許多鋼鐵企業(yè) 考慮的核心問題之一。相對于化學(xué)工業(yè)和機械制造工業(yè)而言，鋼鐵工業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度計算機化是比較落后的，發(fā)表的成果也不多。這與鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的生產(chǎn)特點是分不開 的1:生產(chǎn)過程是多段帶有間歇性的！準連續(xù)？過程,各個工序可能是剛性銜接的，也可能是柔性銜接 的;#前后工 序的物流 要協(xié)調(diào)一致,時間要緊 密銜 接;? 一般需要高溫連續(xù)作業(yè)，對等待時間有苛刻要 求,等待時間長意味著能量流失。正是這些特點造 成鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)完全意義上的計算機自動調(diào)度有難 度。對此，國內(nèi)外的科技工作者作了很多研究，指出常規(guī)算法通常無法完善地解決這

5、類問題，因而調(diào)度工作的完全自動化是不可能的1。也就是說，目前條件下實現(xiàn)煉鋼生產(chǎn)計算機自動化調(diào)度、完全脫離人工干預(yù)還不現(xiàn)實，計算機系統(tǒng)只能作為輔助手段。 本文涉及的是計算機輔助生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)(CAPSS)。作者簡介：周永良(1976 ),男，碩士生； 收稿日期：2002 05 21;1生產(chǎn)調(diào)度的基本原則和CAPSS的邏輯結(jié)構(gòu)11生產(chǎn)調(diào)度的基本原則CAPSS的主要任務(wù)是：進行生產(chǎn)調(diào)度，以便在 設(shè)備使用狀態(tài)最佳化的條件下，盡量縮短整個工廠各臺設(shè)備的運行時間，即用最短的生產(chǎn)時間取得最 佳的生產(chǎn)效果。煉鋼廠生產(chǎn)調(diào)度計劃的編制原則是：結(jié)合生產(chǎn)部門下達的計劃和現(xiàn)場設(shè)備的運行情況，考慮鐵水處理與運輸、轉(zhuǎn)爐煉鋼、

6、精煉、鋼包周轉(zhuǎn)和天車運行 各環(huán)節(jié)的銜接和匹配問題 ，在充分發(fā)揮連鑄機生產(chǎn) 能力的前提下，安排各個生產(chǎn)工序運轉(zhuǎn)。具體運作 情況是：以連鑄機生產(chǎn)為中心，在確定鑄機開澆時刻 序列后，前推轉(zhuǎn)爐出鋼時間序列和可澆注鋼種以及 對應(yīng)鋼種的精煉工藝路線。1 2 CAPSS的邏輯結(jié)構(gòu)煉鋼連鑄調(diào)度計劃的任務(wù)是：以爐次為最小計修訂日期：2002 09 04劃單位,在追求某一評價函數(shù)（如最小等待時間、 最 低生產(chǎn)成本）最佳化的前提下對多工件、多工序、多機進行特殊job shop排序,即確定以何種順序、在何 時、用何種設(shè)備安排鋼水從轉(zhuǎn)爐到連鑄機的各個工 序。生成一個調(diào)度方案大致要經(jīng)歷如下步驟：首先排出連鑄機澆注的次序，

7、再生成子調(diào)度和粗調(diào)度方 案,最后形成煉鋼 連鑄計劃方案，流程見圖1。Fig 1 Schedulemode f low chart of steelmaking CC production2生產(chǎn)調(diào)度方法用計算機代替人來編制調(diào)度計劃需要借助某些 算法。常用的調(diào)度方法有：制造資源計劃法（MR Pll , Material Resource Planning ）、準時 制 生產(chǎn)法 （JIT, Just in Time）、運籌學(xué)（數(shù)學(xué)規(guī)劃）法、隨機優(yōu) 化法、離散事件仿真法、人工智能法和虛擬現(xiàn)實 法2。一般來說，確定的數(shù)學(xué)模型是簡單實用的。但實際生產(chǎn)過程存在各種各樣的影響因素，尤其在原料短缺（如鐵水不足）

8、、關(guān)鍵設(shè)備發(fā)生故障和人為干 擾因素較多的情況下，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，所以有必要建立基于人工智能的知識模型。在傳統(tǒng)生 產(chǎn)調(diào)度工作中（特別是異常情況下）,人們往往憑經(jīng) 驗進行調(diào)度，而這些經(jīng)驗就有可能是有用的、甚至是 非常有效的知識。因此，可把這些經(jīng)驗存入知識庫， 建立用于生產(chǎn)調(diào)度的專家系統(tǒng)，以確保在生產(chǎn)優(yōu)化 的基礎(chǔ)上實現(xiàn)合理的調(diào)度決策。下面介紹其中最基 礎(chǔ)、最簡單的方法：線性規(guī)劃法、排隊論和產(chǎn)生式系 統(tǒng)。21線性規(guī)劃法對于圖1中由子調(diào)度簡單疊加而成的粗調(diào)度，發(fā)生設(shè)備沖突一般不可避免。這就要求能借助計算 機的計算能力來緩合設(shè)備沖突，此時可采用線性規(guī) 劃法。當然，線性規(guī)劃法也可以用于將調(diào)度的每個

9、環(huán)節(jié)看成一個有機整體，從整體的角度來生成一個 調(diào)度計劃。煉鋼生產(chǎn)調(diào)度的核心是通過提高連鑄比來降低 成本、擴大經(jīng)濟效益，所以可以用經(jīng)濟效益作為目標 函數(shù)來建立數(shù)學(xué)規(guī)劃。應(yīng)該指出，雖然求解線性規(guī)劃是一件比較簡單的工作，但確定規(guī)劃參數(shù)仍有很 大難度,選擇不當將造成求解出的結(jié)果不準確，甚至出現(xiàn)明顯的錯誤，所以采用線性規(guī)劃法有較大的局 限性。實際生產(chǎn)系統(tǒng)中，經(jīng)濟效益是調(diào)度工作追求的 最主要目標。對于煉鋼廠，經(jīng)濟效益可以表現(xiàn)為：盡 可能的多爐連澆、縮短鋼水的平均等待時間、無回爐鋼水。這就有可能不直接以單一環(huán)節(jié)%成本控制作為目標，而是以一些具體生產(chǎn)要求作為目標，建立一個多目標規(guī)劃。2 2排隊論常用排隊論的方

10、法來仿真離散事件。排隊是指 到服務(wù)機構(gòu)要求服務(wù)的對象排成一個等待隊列，而排隊論是研究各種排隊現(xiàn)象的理論。在排隊論中 ， 將接受服務(wù)的對象稱為顧客，提供服務(wù)的機構(gòu)稱為 服務(wù)臺，服務(wù)時間是指顧客占用服務(wù)臺的時間。服 務(wù)臺按照一定的次序?qū)︻櫩吞峁┓?wù)，稱為服務(wù)規(guī)則。文獻2論述了有關(guān)！排隊論？的基本觀點，并分 析研究了轉(zhuǎn)爐向連鑄機供應(yīng)鋼水的合理時間間隔和 某座轉(zhuǎn)爐向某臺連鑄機供應(yīng)鋼水等具體時間的節(jié)奏 調(diào)控問題。實踐證明，將數(shù)學(xué)知識與連鑄生產(chǎn)的調(diào) 度問題相結(jié)合是有益的、切實可行的嘗試。2 3產(chǎn)生式系統(tǒng)% 52 %Acadvtnie Jcsumal EltctroPtbdl rights產(chǎn)生式系統(tǒng)是專家系

11、統(tǒng)的先驅(qū)，也可以認為是 專家系統(tǒng)的較初級、較簡單的階段。在產(chǎn)生式系統(tǒng) 中,論域的知識分為兩部分：用事實表示靜態(tài)知識 ， 如事物、事件和它們之間的關(guān)系；用產(chǎn)生式規(guī)則表示 推理過程和行為。由于這類系統(tǒng)的知識庫主要采用 存儲規(guī)則，因此又把此類系統(tǒng)稱為基于規(guī)則的系統(tǒng)。第5期周永良等：煉鋼廠計算機輔助生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀10月一個產(chǎn)生式系統(tǒng)由工作存儲器（Working Memory,簡稱 WM ）、產(chǎn)生 式規(guī)則庫（Production Rule Base）和規(guī)則解釋程序3部分組成。規(guī)則解釋程序包括匹配器、沖突集、沖突消解器及解釋器，其基本 結(jié)構(gòu)見圖2。產(chǎn)生式系統(tǒng)是調(diào)度系統(tǒng)常用的一種有效方法，它可以部分

12、模仿人的思維活動，進行推理，以得出所 要的結(jié)論。產(chǎn)生式系統(tǒng)應(yīng)用于調(diào)度實踐 ，需將專業(yè) 知識和操作經(jīng)驗總結(jié)為規(guī)則，供計算機推理時采用。圖2產(chǎn)生式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)Fig 2 Framework of creating system3生產(chǎn)調(diào)度自動化的實現(xiàn)31計算機調(diào)度的核心功能模塊311制定生產(chǎn)計劃以生產(chǎn)合同為前提，以生產(chǎn)能力為依據(jù)，以利潤 最大化為目標，根據(jù)上級領(lǐng) 導(dǎo)的要求 和指示，自動 （也可手工干預(yù)）編制進度計劃。煉鋼生產(chǎn)是一個條 件相對苛刻（高溫液態(tài)金屬，對鋼水成分和溫度均有 嚴格要求）的過程,要求將各 工序（煉鋼、精煉及連 鑄）的操作互相協(xié)調(diào)，有序而及時地推進生產(chǎn)過程，避免工序阻塞或鋼水溫降

13、過大。此外，因鋼鐵企業(yè)的主要設(shè)備比較龐大，投資極高，所以又要避免某些 設(shè)備過分閑置，造成浪費。調(diào)度計劃的生成以自動 編制與操作員人工干預(yù)相結(jié)合的方式進行，這樣既可以充分利用計算機準確高效的優(yōu)勢，同時又借助操作員的長期經(jīng)驗積累。312在線實時調(diào)整調(diào)度計劃實際生產(chǎn)操作時往往會遇到各種意外情況。對 于煉、鑄、軋連續(xù)作業(yè)的現(xiàn)代冶金生產(chǎn)過程來講，更容易出現(xiàn)與調(diào)度計劃不符的情形。一個可用的調(diào)度 系統(tǒng)應(yīng)該能實時修改生產(chǎn)計劃，以備不時之需。在操作人員確定要改變原有的生產(chǎn)計劃后，調(diào)度系統(tǒng)會參考實時數(shù)據(jù)庫的信息，自動進行修改，必 要時也可以手動調(diào)整。經(jīng)過調(diào)整，生產(chǎn)計劃將繼續(xù)推進，生產(chǎn)不至于中斷。隨后，調(diào)度系統(tǒng)會繼

14、續(xù)完成 監(jiān)測、控制的功能。3 2計算機調(diào)度系統(tǒng)的利弊3 2 1編制生產(chǎn)計劃速度快，避免人為的盲印性以前可能需要幾天才能完成的編制生產(chǎn)計劃的 工作,現(xiàn)在幾分鐘之內(nèi)就可完成，這帶來以下幾點好 處：有利于縮減員工，降低人工成本；#可以將原 來的！月？計劃改為！日？計劃，便于微觀控制生產(chǎn)合 同的完成情況、作業(yè)計劃的執(zhí)行情況以及各種資源 （包括設(shè)備）的利用情況；？便于隨時根據(jù)生產(chǎn)中出 現(xiàn)的問題及時調(diào)整已安排好的計劃和任務(wù)，既保證按時交貨，又避免資源浪費。此外,人工編制計劃常常受到個人喜好和當時 的情緒等因素的影響。計算機則完全不同，它會按照應(yīng)有的規(guī)則不折不扣地執(zhí)行。計算機準確高效的 特點是人所無法比擬的

15、，這使得它具有比人工操作 更高的可靠性。同時計算機還可以設(shè)置查錯模塊，用于跟蹤驗證調(diào)度計劃的正確性。3 2 2可與工廠其它部門的計算機系統(tǒng)連網(wǎng)，實現(xiàn)信息共享，協(xié)調(diào)生產(chǎn)過程計算機調(diào)度系統(tǒng)可以保證信息流快速和高可靠 性的傳輸，加快調(diào)度反應(yīng)，提高生產(chǎn)效率。同時，該 系統(tǒng)可以與工廠其它的計算機系統(tǒng)連接，把不同部門有效的數(shù)據(jù)集合成一個邏輯整體，實現(xiàn)生產(chǎn)計劃、 統(tǒng)計、成本管理、設(shè)備管理、大型工具管理一體化。 尤其在連鑄、熱裝熱送時，煉鋼與后續(xù)環(huán)節(jié)的緊密聯(lián) 系、生產(chǎn)工序之間的相互制約以及生產(chǎn)協(xié)同是必須 考慮的核心問題。3 2 3建模困難，很難完全反映實際生產(chǎn)情況，生成的調(diào)度計劃與實際生產(chǎn)無法完全一致現(xiàn)代煉鋼

16、過程的機理十分復(fù)雜，現(xiàn)場的實際生產(chǎn)情況又千差萬別，所以建立一個統(tǒng)一的控制模型 有相當?shù)碾y度。對于 煉鋼這個實 際的生產(chǎn) 過程來 說,涉及的環(huán)節(jié)非常多，所以在建模時要充分考慮其 復(fù)雜性,不要包容過多的功能，而應(yīng)以核心功能為著 眼點。輔助功能最好在后續(xù)開發(fā)中逐步增加，一步一步地實現(xiàn)目標。雖然建立計算機調(diào)度系統(tǒng)時總是期望系統(tǒng)能運 行在最優(yōu)或較優(yōu)狀態(tài)，但實際運行時通常會出現(xiàn)各 種隨機的擾動，使系統(tǒng)的實際狀態(tài)與期望狀態(tài)出現(xiàn) 偏差。造成這種偏差的原因可能有：對未來生產(chǎn)活動的預(yù)測方法不完善，模型本身有缺陷；#在計劃 實施過程中出現(xiàn)了隨機波動 ，如關(guān)鍵加工設(shè)備發(fā)生 延誤；？操作工的人為失誤。由于出現(xiàn)偏差通常是

17、 無法避免的。所以制定調(diào)度計劃時應(yīng)考慮留有適當I 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing Hodml AH rights reserved, htrp: %第5期周永良等：煉鋼廠計算機輔助生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀10月的緩沖時間，以應(yīng)付現(xiàn)場的復(fù)雜情況。此外 ，制定出 的計劃只是作為一種指導(dǎo)性或輔助參考性的計劃，可以根據(jù)實際情況進行修改。4計算機調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用實例計算機調(diào)度系統(tǒng)作為典型CIMS應(yīng)用、ERP系統(tǒng)中相對基礎(chǔ)的子系統(tǒng)，因其實用性和可行性在國 內(nèi)外許多先進的鋼廠都有應(yīng)用。目前還沒有采用這 一系統(tǒng)的企業(yè)中，也有一些正在關(guān)注

18、相關(guān)技術(shù)的進 展。41國外應(yīng)用情況國外的計算機應(yīng)用水平通常要高于國內(nèi)，尤其是在德國、日本、韓國，人工智能原理和運籌學(xué)知識 得到了有效應(yīng)用。國外某些鋼廠已運行了包括煉鋼 調(diào)度系統(tǒng)在內(nèi)的全廠綜合生產(chǎn)計算機管理系統(tǒng)，例如：日本NKK京濱鋼鐵廠的 Scheplan系統(tǒng)、韓國光 陽鋼鐵廠的H IPASS系統(tǒng)和奧地 利Linz鋼鐵廠的 VAI Schedex系統(tǒng)。國外許多鋼鐵公司都有很強的 研發(fā)能力，上述這些實用系統(tǒng)多為鋼鐵公司的自動 化控制部門與專業(yè)的IT公司合作開發(fā)的。這樣開 發(fā)的系統(tǒng)針對性更強，更能適應(yīng)現(xiàn)場的條件，可認為 是相對專用的系統(tǒng)。還有一少部分系統(tǒng)是由專業(yè)的 信息系統(tǒng)公司單獨開發(fā)的。這些系統(tǒng)

19、并非針對某個 鋼廠的實際情況，它解決的是共性的問題，面向的是 更加廣泛的用戶，可視為相對通用的系統(tǒng)。據(jù)文獻3報道:Alstom Power Con version 公 司 與PSI BT AG公司合作，為德國Eko Stahl公司位 于Eisenhuttenstardt的鋼鐵廠開發(fā)了先進的PPS系統(tǒng)（Production Planning and Scheduling System）。該 系統(tǒng)對現(xiàn)有生產(chǎn)布局作了分析，深入研究了該廠物 流、能量流和信息流的運動及其相互影響，提出了先進的系統(tǒng)設(shè)計思想。利用該系統(tǒng)可以生成、監(jiān)控和更新調(diào)度計劃，使生產(chǎn)布局更加合理、經(jīng)濟、有序。 該系統(tǒng)的邏輯框架及其與其

20、它自動化系統(tǒng)的聯(lián)系見 圖3。4 2國內(nèi)應(yīng)用情況位于高雄的中華鋼鐵公司（CSC）是臺灣地區(qū)唯一的大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)。該公司利用臺灣較高的信 息技術(shù)水平和人才優(yōu)勢，基于ERP的思想，結(jié)合鋼 鐵工業(yè)的特點，開發(fā)建立了中鋼資訊作業(yè)管理系 統(tǒng)4,該系統(tǒng)包括一個動態(tài)排程（即調(diào)度）生產(chǎn)系統(tǒng)（簡稱DPSS）。目前，中鋼第一煉鋼廠和第二煉鋼廠 都裝備了 DPSS。DPSS用計算機輔助值班主管來管丁血化訂単社舞-Y客戶訂單二1主產(chǎn)計劃與訓(xùn)度葢斷 卩用肯鎖） 凰最計劃寶生產(chǎn)計劃煉鋼.熱軋詳堀計劃 掙軋詳細計劃味鋼熱軋詳細計劃冷軋詳細訃劃 般指導(dǎo)盍見1 1生產(chǎn)劃 陶料療戟管理：卄鋼電 熱軋昔卷備工位加工計劃: 煉鋼.連

21、棒事務(wù)報告技術(shù)乞訂單處坦 半產(chǎn)H恥士艇和時間譏劃.杳驗顧材堤需求 訂単姐蹤 加丄丄娣集生立廿程監(jiān)遂： 協(xié)逗工位叵加遁度空時條止調(diào)匡計創(chuàng)i過程盍武巴渥廠，韋間的過翟汁算機圖3 Eko Stahl的PPS系統(tǒng)的邏輯框架Fig 3 Logical framework of Eko Stah&s PPS system理廠內(nèi)的煉鋼調(diào)度作業(yè)：各工位的信息在網(wǎng)絡(luò)上的 計算機之間傳遞，再由該系統(tǒng)取得足夠的生產(chǎn)數(shù)據(jù) ， 經(jīng)由實績監(jiān)視功能告知值班主管，使其確切掌握各 工位的狀況及生產(chǎn)實績；值班主管可根據(jù)主電腦提 供的訂單和周生產(chǎn)計劃，用動態(tài)生產(chǎn)排程電腦系統(tǒng) 的推理機作出的調(diào)度最適規(guī)劃來統(tǒng)籌安排各設(shè)備的 生

22、產(chǎn)排程及產(chǎn)量，以減少設(shè)備的閑置時間，達到最高 生產(chǎn)效率；動態(tài)生產(chǎn)排程電腦系統(tǒng)將煉鋼吹煉計劃 分別傳送給氧氣廠（以便調(diào)整氧氣的產(chǎn)出量）和能源 調(diào)度中心（以便估計轉(zhuǎn)爐爐氣的產(chǎn)出量，配合能源調(diào) 度,控制能源消耗量）。受自動化水平、員工素質(zhì)等方面的限制，國內(nèi)鋼 廠的信息化水平比較落后，大多未建立大型整合管 理系統(tǒng)。寶山鋼鐵公司對臺灣中鋼公司的整合管理 系統(tǒng)比較認同，委托中鋼公司為其開發(fā)了自己的信 息管理系統(tǒng)。武漢鋼鐵公司目前也正在與中鋼公司 合作,為其開發(fā)類似的管理系統(tǒng)。但是 ，對于大多數(shù) 鋼廠來說，建立大型整合管理系統(tǒng)為時尚早。由于 計算機調(diào)度系統(tǒng)簡單實用、投資少、見效快、易于掌 握,現(xiàn)階段首 先采用這樣的 系統(tǒng)是現(xiàn) 實可行的，首 鋼、八鋼、重鋼等都已成功地應(yīng)用。這些系統(tǒng)普遍采 用物流管制、專家系統(tǒng)、排隊論反推等方法來生成生 產(chǎn)調(diào)度中的日作業(yè)計劃或班作業(yè)計劃，可保證連澆爐數(shù)增加，生產(chǎn)物流順暢，節(jié)能降耗，作業(yè)效率提高。 人機交互畫面的引入使系統(tǒng)的實用性和靈活性增 強。應(yīng)該說這些系統(tǒng)的應(yīng)用取得了明顯的效果。5展望% 54%T鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)流