0 引言
在復雜多變的市場環境下，如何滿足多品種、小批量和客戶個性化的需求，如何合理配置和有效利用企業關鍵資源，如何通過信息集成來推動生產流程優化，需要企業將經營計劃系統(BPS)、制造執行系統(MES)、過程控制系統(PCS)作為一個整體進行優化運行、優化控制與優化管理。生產調度是現代集成制造系統(CIMS)的一個重要組成部分，連接著管理層和控制層，是生產管理的核心和關鍵技術。
鋁企業的生產過程比較獨特，介于離散型生產和連續型生產之間，各工序問呈現順序加工的關系，且前后工序緊密銜接，不僅存在物流平衡和資源平衡問題，同時存在能力平衡和時間平衡問題．鋁企業的生產調度問題，不能單純照搬離散型制造企業如機械加工的生產管理經驗，也不能簡單套用連續型生產企業如化工企業的生產管理方法，必須分析其生產環境、優化目標和約束條件，探討企業范圍內信息的集成，編制系統、全面、合理地生產調度，實現鋁企業生產流程的整體優化。
1 鋁企業生產調度系統的基本特征
1.1 鋁企業生產流程及其特點
鋁的生產過程主要包括電解、熔煉、鑄造、噴涂以及氧化等工序，介于離散型生產和連續型生產之間，屬混合型生產，電解階段是將氧化鋁等通過電化學反應，生成鋁水和二氧化物。熔煉階段則是將電解過程后的鋁水注入熔爐，根據訂單的屬性添加各種添加劑，從而得到需要的化學成分．熔煉過后，鋁水經過保溫爐除氣后通過一系列轉注工具澆入到一定形狀的鑄模中冷卻，得到一定形狀和尺寸鑄錠．鋁企業的生產流程如圖1所示。
圖1 鋁企業生產工藝流程圖
鋁企業生產物流和生產方式比較獨特，主要表現在：首先，生產階段性顯著．在熔煉階段，主要以化學變化為主，需嚴格控制鋁液的化學成分；在鑄造階段，主要以物理變化為主，需按照客戶訂單要求控制產品的外形尺寸．其次，生產能力體現集中性．一般情況下，整個鋁企業生產能力的瓶頸主要體現在熔煉與鑄造階段的關鍵設備上．第三，生產階段具有連續性．從熔煉到鑄造，整個高耗能階段以一種連續的生產方式進行，各操作之間的緩沖有限，前后工序要求銜接匹配．第四，生產過程屬持續高溫作業，能耗大，加強能源管理有助于降低成本和減少環境污染。
1.2 鋁企業生產調度的復雜性
鋁企業生產調度通過對訂單優化組批和排序來滿足產品成分、鑄造形狀、交貨期、優先權等訂單屬性要求，通過液態鋁水供給、熔煉、鑄造和擠壓之間的平衡實現一體化生產目標，以及通過合理配置關鍵設備和關鍵資源，盡可能減少設備調整準備成本和資源浪費，實現縮短產品生產周期、降低生產成本、準時交貨和提高產品質量等目的．
鋁企業生產調度的基本特征表現為：①干擾多、識別困難．不確定的生產時間、偶發性的設備故障、不合格的鋁水成分等使得生產調度問題成為隨機優化問題；②工序多且相互銜接．電解、熔煉、保溫、澆鑄、擠壓等各個環節在物流及工藝上聯系緊密，前后工序存在銜接匹配問題．③約束多且關系復雜．生產工藝流程、產品交貨期及優先權、設備生產能力、庫存、物流平衡等都是調度中應綜合考慮的約束條件；④優化目標較多．提高設備利用率、降低生產成本、最大化成材率、顧客交貨期承諾等都是生產管理追求的優化目標，且目標之間可能存在沖突；⑨優化準則的復雜性．從問題的優化準則來看，同時有基于代價的優化準則及基于性能的優化準則；⑥求解的困難性．鋁生產過程存在大量離散變量和連續變量，涉及優化目標和約束條件眾多，生產調度問題是混雜系統調度問題，是NP(Non—Polynomial)完全問題，隨著調度問題處理對象的增加，求解時間呈指數性增加．
2 鋁企業生產調度優化目標
(1)提高設備利用率．鋁企業生產設備投資大，能耗高，提高設備利用率是降低生產成本，挖掘企業利潤空間的重要手段．減少設備調整次數及空閑等待時間，消除設備沖突，注重設備保養和管理，減少設備故障是生產調度的重要目的．
(2)最大化成材率．產品質量是否符合客戶訂單要求以及生產過程形成的無委材及幾何廢料重量的多少是影響成材率的兩個因素．企業基于訂單組織生產，由于訂單的屬性不一，體現多品種小批量特點，存在訂單屬性的滿足與實際生產規程的適應問題．通過訂單合理組批和設備指派優化，持續推進全面質量管理，降低無委材和幾何廢料重量以及保證產品質量是最大成材率的主要手段．
(3)減少等待時間．等待時問分為在制品等待時間及設備空閑時間．如鋁水在熔煉爐前的等待時間、鋁液在保溫爐中的等待時間、熔煉爐空閑時間及澆鑄機空閑時間．在制品等待時間造成能源浪費，降低能源利用率；設備空閑時間造成能源浪費，降低設備的有效產能．一般通過生產過程的信息共享及各個工序的協調來實現一體化生產，降低生產過程的各種等待時間．
(4)保證準時交貨．準時交貨是保證顧客滿意度及提高企業競爭力的主要因素．交貨期越短，準時交貨則越難．由此，在已有生產能力基礎上做出準確的訂單承諾，考慮不同產品交貨期下合理的生產安排，在保證產品質量基礎上實現工序能力充分利用是影響準時交貨的重要因素．
此外，生產調度還有諸如加工周期、總完工時間、最大拖期，總誤工數，最小加工成本等優化目標．鋁企業生產調度優化目標是相互關聯的，科學合理的生產調度應基于整體優化目標的實現，而不是簡單片面追求單個目標的優化．
3 鋁企業生產調度約束條件
(1)工藝約束．工藝約束指在生產過程中為保證生產正常進行和產品質量符合客戶要求所應遵循和滿足的生產規程．主要工藝約束條件有：①同一熔煉爐中，若前后兩個爐次成分存在沖突，如后一爐次不允許含有前者的任何合金成分，則需對爐子進行清洗；②為避免化學成分變化或溫度下降造成的鑄件質量下降和能源消耗，鋁水在各個工序之間的等待時間應嚴格控制，盡量實現零等待或等待較短時間；③真空抬包從電解槽內抽出鋁液后，在熔煉爐前的等待時間有限，抬包內的鋁液必須一次傾倒完畢；④熔煉爐連續工作一定時問后，為清除爐內的殘渣，需要對爐子進行清洗．
(2)設備約束．設備約束指在生產過程中為實現設備的合理利用及生產順暢、保證產品質量等目的，設備所應遵循的使用規程．如果設備使用不當，特別是關鍵設備如熔爐和澆鑄機，會影響整個企業的生產成本及生產能力．主要設備約束條件有：①某個具體環節每個訂單只能指派給一個設備，且訂單的總重量小于該設備的生產能力；②生產流程的連續性要求2臺或3臺熔爐為一個澆鑄機提供鋁水，避免澆鑄機因饑餓而等待；③澆鑄機有若干個尺寸不一的鑄模決定著鑄件的外形尺寸、鑄模不經常更換，且僅當整個澆鑄生產過程停止時可更換；④澆鑄機必須能完全消耗熔爐之后的鋁水；⑤由于多臺熔爐在鋁液傾倒操作中使用同一過濾設備，則不能同時對來自多臺熔爐不同成分的鋁液進行加工處理．
(3)訂單屬性約束．訂單屬性約束指客戶訂單對產品屬性，如成分、尺寸、重量和交貨期等方面的要求．主要訂單屬性約束條件有：①交貨期約束．在調度中應努力保證訂單在客戶交貨期內實現準時交貨；②成分約束．成分約束主要體現在產品應滿足訂單對產品合金成分(如硅、鎂、銅等)的要求；③外形尺寸約束，外形尺寸約束表現為在如澆鑄和擠壓等成型環節滿足訂單外形尺寸(寬、厚、直徑或長度等)的要求；④優先權約束．根據不同的產品經濟效益和客戶關系，訂單有不同的優先權，調度時應充分考慮訂單的優先權約束，合理安排優先訂單的生產．
(4)物流平衡約束．物流平衡約束指在整個生產過程需要保證物流高效運作、前后工序協調匹配，實現生產批量在時問和數量上匹配．主要的物流平衡約束有：①熔爐熔煉能力應大于電解車間電解能力，保證從電解車間過來的鋁液無等待或等待時間短；②因鋁液儲存困難，熔煉完后的鋁水必須在規定時間內送到鑄造階段進行澆鑄，同時澆鑄階段必須能完全且及時消耗掉熔煉階段的鋁水；③保證各個階段在制品庫存平衡及最終產品庫存平衡，如在制品和最終產品庫存均不能超過企業庫存能力，按訂單生產時必須考慮已有庫存和訂單的匹配情況等．
4 基于MES系統的鋁企業生產調度優化
4.1 鋁企業MES的功能結構
制造執行系統作為連接ERP、CRM、SCM等企業級業務計劃系統和過程控制系統的橋梁，不僅是工廠內部的管理系統，而且在企業范圍的信息集成中起著承上啟下的重要作用．鋁企業制造執行系統的功能結構如圖2所示，主要包括生產調度、設備管理、質量管理、物料跟蹤、庫存管理等功能模塊，側重解決企業資源計劃與底層生產過程控制信息之間出現的脫節問題，使下層生產過程的實時信息和上層企業資源管理的各類信息融合與貫通，實現鋁企業生產過程的優化控制、優化運行和優化管理的信息集成．在鋁企業的生產過程中，從進廠的原材料到最終成品的形成，經過多段生產、多段運輸、多地存儲，涉及到訂單、工藝、質量、設備和生產等各種信息，以生產計劃與調度為主要內容的協同過程，不僅在鋁企業內部各過程之問的組織，而且在企業與外部系統協調中起到核心作用．
圖2 鋁企業MES體系構成
4.2 基于MES系統的鋁企業生產調度
(1)鋁企業生產調度的建模技術．鋁企業的特點使得其生產調度問題非常復雜，主要的建模方法有：分解模型，將調度問題分解為若干個規模較小的子問題，包括基于時問分解、基于機器(設備)分解、基于工件(訂單)分解；混合整數規劃方法、混合模型、混合整數非線性模型等；基于敏捷性的建模方法；基于模糊理論的建模方法．鋁生產調度用得較多的主要有基于時間分解、混合整數模型等．建模策略主要包含約束處理策略以及目標選擇策略．約束處理方面，包括正確區分軟約束和硬約束，科學評定約束優先權及訂單優先權，準確抽象動態環境下的生產條件，以及對生產實際如加工期交貨期等的模糊處理等．目標選擇方面，力爭調度目標吻合企業MES體系，進而吻合包含MES在內的企業整個生產系統，避免優化目標的簡單化和不全面．對鋁企業而言，優化目標應保證生產的安全、平穩，通過合理安排盡量完成計劃并盡量減少不同生產狀態的切換以生產更多高附加值產品．
(2)鋁企業生產調度問題的求解算法．由于約束條件的繁多和復雜性，調度模型算法應顧全生產約束和求解效率，能理想運用于實際生產，其主要有：啟發式方法，求解時間短，但不易確定近似程度；數學規劃方法，可得到全局最優解及對調度方案進行評價，但求解時間長；遺傳算法，容易解決調度的多目標復雜目標問題，但局部收斂較慢問；模擬退火法，突破局部搜索的限制，收斂快，但參數選擇比較困難；模糊邏輯，適用于知識表達，有較強的邏輯功能，但模糊規則的確定比較困難．已有的鋁企業生產調度模型求解主要采用雙環遺傳算法、啟發式算法、蟻群算法以及啟發式算法和遺傳算法相結合的算法．智能優化算法通過模擬或揭示自然界的某些現象和過程得到發展，以其獨特的優點和集中在解決大規模生產調度領域得到廣泛應用．
(3)鋁生產調度模型的工程應用．由于生產調度的重要性及其復雜性，鋁企業的調度支持系統應結合其自身特點，應突出生產過程中調度功能的作用，調度信息與其它信息的集成及動態環境下的適應性：首先在生產實際的基礎上綜合調度算法的精準性和人工經驗的實用性建立人機交互機制；其次開發能反映多種目標、能靈活處理各種約束、能快速響應動態變化的生產調度算法；最后努力實現調度功能與MES中的其他功能集的融合，融入冶金企業及流程行業的專有關鍵技術，如一體化計劃、全面質量管理技術、動態成本控制技術、設備故障監測與分析等，以解決生產現場各種復雜問題．針對鋁企業生產調度，已有的工程應用主要有：Broner公司的金屬解決方案，SAP公司的金屬解決方案，PSI公司的制造執行解決方案，Honeywell公司的包含生產調度在內的多模塊集成的Busiess，HIS公司的H／SCHED調度系統，國內有冶金自動化研究設計院的Aripps生產計劃和調度系統．
5 結束語
通過對鋁企業生產流程特點的概括，闡述其生產調度的多約束多目標特征，分析鋁生產調度問題的復雜性，同時構建鋁企業制造執行系統的功能框架，探討了鋁企業生產調度的建模策略、求解算法及工程應用，為鋁企業生產調度進一步的理論研究及實際應用提供方法論的指導。
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本文標題：鋁企業生產調度優化MES研究與應用
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