煉鋼－連鑄生產(chǎn)計劃調(diào)度系統(tǒng)（MES/ERP）開發(fā)

1 引言

    煉鋼-連鑄是鋼鐵生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，決定了產(chǎn)品的種類與質(zhì)量，同時煉鋼．連鑄生產(chǎn)是一個典型的多段生產(chǎn)、多段運(yùn)輸?shù)碾x散和連續(xù)相混雜的大型高溫生產(chǎn)過程，其生產(chǎn)流程具有多元性、多層次、多尺度，以及開放性、非線性、遠(yuǎn)離平衡、動態(tài)有序性等復(fù)雜系統(tǒng)的特性，生產(chǎn)組織和運(yùn)行難度較大。

    本文以煉鋼．連鑄生產(chǎn)運(yùn)行為研究對象，開發(fā)煉鋼一連鑄生產(chǎn)計劃調(diào)度輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過與現(xiàn)有制造執(zhí)行系統(tǒng)(MEs)的數(shù)據(jù)接口，可以接收來自企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)的生產(chǎn)批量計劃，收集實(shí)時生產(chǎn)狀態(tài)和生產(chǎn)計劃執(zhí)行信息；建立調(diào)度觸發(fā)機(jī)制，包括：基于生產(chǎn)狀況的自動觸發(fā)機(jī)制以及人機(jī)交互的人工觸發(fā)機(jī)制；以智能優(yōu)化算法以及相關(guān)擾動的調(diào)度規(guī)則進(jìn)行重計劃，制定生產(chǎn)調(diào)度方案，設(shè)計基于生產(chǎn)物流和工位的調(diào)度方案的多種不同可視化表達(dá)方式；可以將調(diào)度方案反饋至現(xiàn)有信息系統(tǒng)，以供調(diào)度人員參考。通過在鋼廠的在線測試，將運(yùn)行結(jié)果與現(xiàn)有人工調(diào)度方案進(jìn)行對比，檢驗了系統(tǒng)的可行性和有效性。

2 煉鋼-連鑄計劃調(diào)度及其現(xiàn)狀

    煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度是指在煉鋼．連鑄生產(chǎn)作業(yè)計劃基礎(chǔ)上，盡可能滿足鋼廠當(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、加工時間和加工順序，以獲得生產(chǎn)作業(yè)計劃的總流程時間或生產(chǎn)成本最優(yōu)化。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，煉鋼．連鑄生產(chǎn)調(diào)度需滿足連澆生產(chǎn)約束，生產(chǎn)資源約束，品種質(zhì)量約束以及不同生產(chǎn)節(jié)奏約束等限制，屬于混合流程車間有限等待時間調(diào)度問題。鋼鐵企業(yè)信息系統(tǒng)可分為4層，包括：L1基礎(chǔ)自動化級；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)在鋼廠制造過程中處于關(guān)鍵地位，并具有一定的生產(chǎn)計劃與調(diào)度功能，但對于生產(chǎn)中頻繁出現(xiàn)的擾動，處理能力有限。

    國外已開發(fā)多款針對鋼鐵生產(chǎn)計劃調(diào)度的商業(yè)軟件，并在鋼鐵企業(yè)成功應(yīng)用。如visual 8公司開發(fā)的V8 steel，可進(jìn)行1～12周連鑄熱軋鋼鐵生產(chǎn)計劃與調(diào)度；AIS公司開發(fā)的steel Planner生產(chǎn)調(diào)度軟件包，可為生產(chǎn)調(diào)度提供輔助決策；Broner公司開發(fā)的PPS可對煉鋼連鑄熱軋過程制定3級生產(chǎn)作業(yè)計劃和調(diào)度方案。國外商業(yè)化軟件，普遍采用與企業(yè)ERP或MES集成的方式建立體系結(jié)構(gòu)，使生產(chǎn)管理合理化、在線化、集成化，使得系統(tǒng)的物質(zhì)流和信息流盡可能保持同步，前后工序緊密銜接，利于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)行的整體，將局部工序的優(yōu)化轉(zhuǎn)變?yōu)檎�體工藝的最優(yōu)化，提高設(shè)備的生產(chǎn)效率。但由于我國大多數(shù)鋼廠的生產(chǎn)流程隨著鋼廠改建和擴(kuò)建而不斷改變，生產(chǎn)流程和約束條件更為復(fù)雜，企業(yè)的自動化水平和管理水平尚未達(dá)到國外的水平，難以通過引進(jìn)方式而加以有效應(yīng)用并發(fā)揮作用。國內(nèi)近年也開發(fā)了一些有針對性的鋼鐵生產(chǎn)計劃調(diào)度系統(tǒng)，如寶鋼的煉鋼生產(chǎn)調(diào)度模擬系統(tǒng)，以及軌梁廠生產(chǎn)物流仿真系統(tǒng)一-等，可根據(jù)具體企業(yè)的不同的生產(chǎn)條件進(jìn)行情況、生產(chǎn)計劃和調(diào)度方案的策略制定。這些是不同的生產(chǎn)調(diào)度方案。國內(nèi)應(yīng)用系統(tǒng)在方法層面有一定的特點(diǎn)，但專用系統(tǒng)的普適性欠佳距商業(yè)化應(yīng)用還存在一定的差距距離。因此，面向國內(nèi)典型鋼鐵企業(yè)MES系統(tǒng)，開發(fā)具有生產(chǎn)計劃調(diào)度信息集成和主要生產(chǎn)擾動識別和處理功能，能進(jìn)行重計劃和重調(diào)度的煉鋼一連鑄生產(chǎn)計劃調(diào)度系統(tǒng)，具有重要意義。

3 煉鋼-連鑄生產(chǎn)計劃調(diào)度系統(tǒng)

    鋼廠信息系統(tǒng)主要為PCS(L2)和MES(L3)，通過MEs接受來自公司ERP(L4)的管理和生產(chǎn)指令。鋼廠MES系統(tǒng)是整個生產(chǎn)運(yùn)行信息系統(tǒng)的核心，能夠接收ERP系統(tǒng)下達(dá)的生產(chǎn)批量計劃，并接受來自過程信息系統(tǒng)PCS生產(chǎn)過程實(shí)時生產(chǎn)信息。計劃調(diào)度人員通過L3下達(dá)生產(chǎn)作業(yè)計劃，并對執(zhí)行信息進(jìn)行跟蹤，遇到問題，需及時進(jìn)行調(diào)整，以保證生產(chǎn)計劃下達(dá)到產(chǎn)品生產(chǎn)的兌現(xiàn)。

    煉鋼-連鑄生產(chǎn)計劃調(diào)度系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    該系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)接口與鋼廠MES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，借助數(shù)據(jù)交換，發(fā)揮其輔助煉鋼．連鑄計劃調(diào)度的功能。系統(tǒng)建有SQL server關(guān)系數(shù)據(jù)庫，關(guān)系數(shù)據(jù)庫包括外部數(shù)據(jù)庫表和內(nèi)部數(shù)據(jù)庫視圖，外部數(shù)據(jù)庫表用于存儲從MES系統(tǒng)直接接收的數(shù)據(jù)，內(nèi)部數(shù)據(jù)庫視圖用于存儲計劃調(diào)度系統(tǒng)運(yùn)行過程和結(jié)果數(shù)據(jù)，相關(guān)的重計劃調(diào)度數(shù)據(jù)可返回MES系統(tǒng)，用于輔助生產(chǎn)計劃調(diào)度。數(shù)據(jù)庫具有對把計劃調(diào)度相關(guān)信息進(jìn)行匯總和分類的功能，而且系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫中生產(chǎn)實(shí)績信息動態(tài)數(shù)據(jù)表的變化情況，可以進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)績信息中的生產(chǎn)計劃調(diào)度擾動信息進(jìn)行的自動分類識別；以數(shù)據(jù)接口接收對生產(chǎn)實(shí)績判斷的生產(chǎn)擾動自動識別，或者以操作人員人工輸入人為擾動，生產(chǎn)實(shí)績信息跟蹤過程的擾動信息自動識別與人為設(shè)置的擾動的方式均可，作為計劃調(diào)度系統(tǒng)的觸發(fā)控制來啟動系統(tǒng)的重計劃和重調(diào)度功能；系統(tǒng)還建有包括遺傳算法、蟻群算法，以及時間并行順推算法等智能算法庫，用于制定滿足生產(chǎn)約束的優(yōu)化的生產(chǎn)調(diào)度方案；在生產(chǎn)作業(yè)計劃實(shí)施過程中，當(dāng)系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)擾動情況，實(shí)時啟動重計劃或重調(diào)度功能時，既可根據(jù)需要以制定滿足設(shè)備沖突約束的重計劃，進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度，確定當(dāng)前未完成作業(yè)的生產(chǎn)爐次的工序工位選擇以及在工位上的作業(yè)時間，也可進(jìn)行重調(diào)度的策略仿真。系統(tǒng)計劃調(diào)度方案的可視化表達(dá)既有以生產(chǎn)計劃中的物流為標(biāo)志的調(diào)度方案列表表達(dá)方式，也有以物流計劃實(shí)施工位為標(biāo)志的Gantt圖表達(dá)方式，為現(xiàn)場計劃調(diào)度人員提供直觀的顯示界面。

圖1 煉鋼-連鑄生產(chǎn)計劃調(diào)度系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主要技術(shù)

4.1 煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度方法

    煉鋼-連鑄生產(chǎn)對鋼水時間節(jié)奏的控制和溫度要求較高，但生產(chǎn)中存在的諸多不可避免的不確定擾動因素將影響生產(chǎn)作業(yè)計劃(初始調(diào)度方案)的執(zhí)行，必須在滿足生產(chǎn)基本約束的前提下進(jìn)行調(diào)整，生成一個新的可行調(diào)度方案，指導(dǎo)和維持生產(chǎn)的連續(xù)性。因此，煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的關(guān)鍵是在生產(chǎn)執(zhí)行過程中，根據(jù)相關(guān)的擾動觸發(fā)條件，在考慮ERP生產(chǎn)批量計劃的執(zhí)行情況與現(xiàn)場實(shí)時生產(chǎn)條件下，通過智能優(yōu)化算法，對未完成的生產(chǎn)批量計劃，制定調(diào)度方案，以保證生產(chǎn)的順利運(yùn)行。煉鋼．連鑄生產(chǎn)調(diào)度流程如圖2所示。

圖2 煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度流程圖

    由圖1系統(tǒng)觸發(fā)機(jī)制可知，煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度啟動包括兩種機(jī)制：通過數(shù)據(jù)接口自動獲得生產(chǎn)實(shí)時擾動，以及操作人員確定的人工擾動。系統(tǒng)通過不停掃描SOL數(shù)據(jù)庫的擾動信息，確認(rèn)擾動發(fā)生并分類后，啟用實(shí)時調(diào)度機(jī)制：采用智能優(yōu)化算法根據(jù)現(xiàn)有條件自動編制調(diào)度方案，或是通過人工操作直接調(diào)整調(diào)度方案；在自動編制調(diào)度方案時，對于不同的擾動事件采用不同的策略，再確定該擾動事件對煉鋼一連鑄流程的網(wǎng)絡(luò)模型(由工位、運(yùn)輸線和生產(chǎn)物流組成)的影響，調(diào)用開發(fā)并集成在系統(tǒng)中的智能優(yōu)化算法，制定調(diào)度方案。自動編制調(diào)度方案和人工調(diào)整的調(diào)度方案均可以列表或Gantt圖形式顯示。根據(jù)實(shí)時調(diào)度信息對擾動事件進(jìn)行分類，確定生產(chǎn)擾動與人工擾動，確定與擾動相適應(yīng)的調(diào)度原則；依據(jù)資源狀況及生產(chǎn)約束，調(diào)用智能優(yōu)化算法重新制定新的調(diào)度方案。生產(chǎn)擾動以及人工擾動分為任務(wù)擾動、設(shè)備擾動、生產(chǎn)工藝擾動和時間擾動等，如表1所示。

表1 擾動分類及其影響

    當(dāng)生產(chǎn)過程出現(xiàn)擾動，生產(chǎn)作業(yè)計劃不能完成，需要進(jìn)行重計劃時，其方法如圖3所示。

圖3 生產(chǎn)重計劃制定方法

    通過SQL數(shù)據(jù)庫接收MES的生產(chǎn)實(shí)績，將需要執(zhí)行重計劃的生產(chǎn)批量計劃分為正在作業(yè)計劃和未作業(yè)計劃，對正在作業(yè)的計劃應(yīng)優(yōu)先安排，確定其調(diào)度方案，然后再對未作業(yè)計劃進(jìn)行作業(yè)計劃重排。對正在作業(yè)計劃，利用時間并行順推算法進(jìn)行擾動情況下的作業(yè)任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行調(diào)度方案的調(diào)整，確定該生產(chǎn)爐次從當(dāng)前工位至鑄機(jī)澆鑄的工序工位配置和時間分配；對未作業(yè)爐次計劃則采用基于遺傳算法的混合智能優(yōu)化算法進(jìn)行重調(diào)度，在滿足鑄機(jī)連續(xù)澆鑄和設(shè)備保障能力前提下，確定其調(diào)度方案。煉鋼．連鑄生產(chǎn)計劃調(diào)度系統(tǒng)的主要工作流程為：

    步驟1啟動系統(tǒng)，連接L3數(shù)據(jù)庫，讀入生產(chǎn)實(shí)績信息，設(shè)定數(shù)據(jù)庫掃描間隔時間，轉(zhuǎn)入步驟2。

    步驟2根據(jù)生產(chǎn)計劃調(diào)度方法，確定初始生產(chǎn)計劃調(diào)度方案，并在終端顯示，轉(zhuǎn)入步驟3。

    步驟3掃描數(shù)據(jù)庫擾動信息，若捕捉到擾動發(fā)生或有人為施加的擾動，轉(zhuǎn)入步驟4，啟動重計劃與重調(diào)度；否則，轉(zhuǎn)入步驟5。

    步驟4對擾動進(jìn)行分類，確定當(dāng)前擾動類別，根據(jù)生產(chǎn)計劃調(diào)度流程確定擾動情況下的生產(chǎn)計劃調(diào)度方案，轉(zhuǎn)入步驟5。

    步驟5等待下一掃描時刻，轉(zhuǎn)入步驟3。

4.2 數(shù)據(jù)接口與數(shù)據(jù)庫設(shè)計

    數(shù)據(jù)接口是計劃調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵，通過數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)與鋼廠信息系統(tǒng)MES的數(shù)據(jù)交換。由于MES系統(tǒng)與Pcs和ERP信息系統(tǒng)相連，在企業(yè)信息系統(tǒng)向MEs的Oracle數(shù)據(jù)庫相關(guān)數(shù)據(jù)表中寫入生產(chǎn)信息時，利用socket協(xié)議將相關(guān)的數(shù)據(jù)包發(fā)送到系統(tǒng)所在工作站，再利用ODBc技術(shù)根據(jù)數(shù)據(jù)包信息標(biāo)志將數(shù)據(jù)寫入對應(yīng)的SQL server數(shù)據(jù)表中。建立的關(guān)系數(shù)據(jù)庫以接收生產(chǎn)批量計劃以及生產(chǎn)過程中與計劃調(diào)度相關(guān)的生產(chǎn)實(shí)績數(shù)據(jù)，同時存儲計劃調(diào)度系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)，以及生產(chǎn)計劃調(diào)度方案相應(yīng)的數(shù)據(jù)。由于MES系統(tǒng)與PCS和ERP信息系統(tǒng)相連，內(nèi)部數(shù)據(jù)庫表設(shè)計了sQL觸發(fā)器，對外圍數(shù)據(jù)庫表進(jìn)行基本處理后存儲計劃調(diào)度計算直接所需的數(shù)據(jù)。主要的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的外圍數(shù)據(jù)表，如表2所示。

表2 外部數(shù)據(jù)表名

    內(nèi)部數(shù)據(jù)庫視圖基本數(shù)據(jù)來源于表2中基本外部數(shù)據(jù)表，其基本關(guān)系如表3所示。

表3 內(nèi)部數(shù)據(jù)視圖名

5 在線測試

    以visual studio 2005為系統(tǒng)開發(fā)平臺，以visual c++開發(fā)相關(guān)的智能算法庫，通過socket和oDBc開發(fā)與L3系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，并利用SQL server 2005建立系統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，以Visual c#開發(fā)相關(guān)的用戶交互界面。系統(tǒng)的生產(chǎn)調(diào)度主界面如圖4所示。針對某鋼廠的生產(chǎn)條件，設(shè)計在線測試項目包括鑄機(jī)斷澆和設(shè)備檢修狀態(tài)下不同的調(diào)度方案與現(xiàn)有人工調(diào)度的對比，現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)如表4所示，測試結(jié)果如表5。

表4 在線測試

表5 系統(tǒng)調(diào)度與人工調(diào)度方案對比

    由表5可知，煉鋼．連鑄生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)能夠制定包括煉鋼-連鑄的生產(chǎn)調(diào)度方案，該方案能夠滿足鑄機(jī)連續(xù)澆鑄以及在各工序上基本工藝作業(yè)時間的條件；同時在生產(chǎn)發(fā)生擾動的同時，能夠自動進(jìn)行重計劃，制定生產(chǎn)調(diào)度方案。該方案與現(xiàn)有人工調(diào)度方案相比，物流運(yùn)行時間有所降低，設(shè)備利用率更加均勻。

6 結(jié)論

    開發(fā)了一套針對煉鋼-連鑄生產(chǎn)流程的生產(chǎn)計劃調(diào)度系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過與MEs系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，能夠接收ERP的生產(chǎn)批量計劃以及現(xiàn)場的生產(chǎn)實(shí)績信息，具有實(shí)時擾動識別和分類功能，可以制定滿足煉鋼．連鑄基本約束條件的重計劃和重調(diào)度方案，可輔助進(jìn)行實(shí)時調(diào)度。通過在鋼廠的在線測試運(yùn)行表明了系統(tǒng)的有效性，同時與人工調(diào)度相比具有一定的優(yōu)越性，能夠提供一種輔助生產(chǎn)調(diào)度的手段。

    進(jìn)一步的開發(fā)工作，將以煉鋼．連鑄為對象的計劃調(diào)度拓展至整個鋼廠的所有工序環(huán)節(jié)，將鐵水預(yù)處理也包括在內(nèi)，并實(shí)現(xiàn)與鋼廠MEs系統(tǒng)有機(jī)集成，以提高鋼廠生產(chǎn)計劃與調(diào)度的自動化水平。

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