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0  前言

    現代化鋼鐵企業的發展趨勢是設備的大型化，生產過程的連續化、高速化和自動化。面對當前市場需求的多品種、小批量、高質量和面向用戶，鋼鐵企業面臨日益嚴峻的考驗。為了節能降耗，從20世紀80年代起，國外大型鋼鐵企業就致力于開發煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產。在煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產中，優化調度起著重要的作用。目前，針對鋼鐵生產各個工序的優化調度等方面的文獻比較多，但是關于煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產計劃和生產調度文獻還比較少。文獻[1、2]以鋼鐵企業生產為背景綜述了鋼鐵生產工序管理和生產計劃方法及發展趨勢，文獻[1]指出了生產計劃是MES的核心功能，戰略管理一體化、多工序一體化和生產計劃綜合集成方法是今后發展的主要趨勢。文獻[3]針對撫鋼的實際情況研究了一體化生產管理的問題，著重研究了連鑄和連軋之間協調生產計劃的問題，但并沒有從整個一體化生產的角度進行研究。文獻[4]基于一體化管理思想在已編制的煉鋼-連鑄生產調度模型及軋制批量計劃的基礎上,建立了煉鋼-連鑄-熱軋一體化生產調度模型，研究了各工序生產計劃的排序問題，但沒有考慮一體化的整體協調生產的問題。

    本文針對鋼鐵企業的生產調度管理，在已有對各工序生產計劃編制問題研究的基礎上，深入研究了煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產計劃的編制問題，建立了一個一體化生產計劃編制的模型體系。將一體化生產計劃的編制問題分層、分塊處理，每一模塊都采用生產計劃優化模型來編制局部的生產計劃，一體化生產計劃的編制通過各功能模塊整體協作來完成，很好地解決了一體化生產計劃編制中的復雜問題。

1  問題描述

    煉鋼、連鑄、熱軋作為鋼鐵生產流程的三大關鍵工序，它們之間不僅存在物流和資源平衡問題，還存在時間平衡問題。對于一體化生產調度問題，需要從輸入的用戶合同開始，形成滿足用戶要求和各工序工藝約束的生產批量計劃來組織生產。煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產工藝流程如圖1所示。對于一體化生產計劃問題，需要根據用戶合同的要求，考慮各工序的工藝約束編制出煉鋼－連鑄的爐次計劃、澆次計劃、熱軋的軋制計劃和板坯庫的優化管理計劃。

圖1 煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產工藝流程示意圖

    文獻[5]對煉鋼、連鑄和熱軋三個階段的生產約束進行了系統的分析,指出了問題的特征。各個工序的生產工藝約束如下。

    對于煉鋼工序的爐次計劃,組成同一爐次的合同必須滿足以下條件: （1）鋼級(STEEL GRADE)相同；（2）板坯寬度相同；（3）軋制寬度≤板坯寬度≤軋制寬度+100 mm；（4）厚度相同；（5）交貨期接近；（6）95%爐容量≤板坯總重量≤100%爐容量。

    對于連鑄生產中的澆次計劃，組成同一澆次的爐次之間必須滿足如下條件: （1）鋼級的要求,不同爐次之間的鋼級差異在一定范圍內；（2）爐次之間的板坯厚度一致；③板坯的寬度變化次數不允許超過一定數量；（4）如果不同寬度的爐次組成同一澆次,一般是按寬度非增順序排列,而且變化不能太大；（5）澆次中的爐次數受中間包壽命大小的影響；（6）爐次之間交貨期應接近。

    對于熱軋生產線，由于考慮到軋輥的磨損，通常一個完整的軋制計劃的軋件寬度具有“烏龜殼”結構，也叫“雙梯形”結構，其中正梯形部分是燙輥材部分，數量相對較少，反梯形是主體材部分，是軋輥的主要生產階段，大量的軋制任務主要在此階段完成。

    對于燙輥材，一般有以下約束：（1）燙輥材的長度有一定限制；（2）燙輥材的寬度漸增變化，變化范圍有限制；（3）開始軋制時的板卷硬度不能太大；（4）硬度變化幅度要小；（5）厚度變化幅度要小，最好是非減方向變化。
對于主體材，一般有以下約束：（1）主體材長度有一定限制；（2）主體材寬度非減方向變化，跳躍幅度要小，跳躍差一般不大于25 cm；(3)寬度反跳時，跳躍差一般不大于15 cm；(4)相同寬度板坯連續軋制不能超過一定長度；(5)寬度、厚度、硬度不允許同時跳躍；(6)厚度變化要平穩，不能反復跳躍，最好是非減方向變化；(7)硬度變化要平穩，漸近遞增或漸近遞減均可，只是不能反復跳躍；(8)當寬度、硬度、厚度三者發生沖突時，優先級為硬度-厚度-寬度。

    煉鋼、連鑄和熱軋各個工序的工藝約束都不同，而一體化生產要求盡量采用熱裝方式軋制，也就是板坯熱送熱裝和保持在高溫狀態下進行工序間的銜接，這就需要合理安排各個工序的生產計劃，盡力提高熱裝比。同時，為了保證生產線的生產效率和充分發揮生產設備的能力，需要優化板坯庫的管理來協調連鑄和熱軋之間生產能力的不匹配問題。

2  模型體系結構

2.1  體系的建立
    為了節能降耗，解決一體化生產中三大工序的能力不匹配和工藝約束矛盾問題，編制出優化的一體化生產計劃，提高熱裝比和保證生產設備能力的充分發揮，本文采用分層、分塊的處理方式，將一體化生產計劃編制的復雜優化問題分解為5個局部優化問題，建立了如圖2所示的一體化生產計劃模型體系。當前大部分鋼鐵企業都在按月生產，在接收到用戶的訂貨合同后，都要進行質量設計和工藝設計，將用戶合同歸并或拆分為生產合同，生產計劃制定的初始數據就是生產合同，煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產計劃系統根據初始生產合同數據最終生成優化的爐次作業計劃、澆次作業計劃、軋制作業計劃和為保證熱軋生產的板坯入庫、出庫計劃。本文將一體化生產計劃模型體系分為合同計劃、煉鋼計劃、連鑄計劃、熱軋計劃和板坯庫計劃5個子系統部分，其中每個部分又包含有多個優化模型來共同完成生產計劃的編制，各部分的功能描述如下所述。

圖2 煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產計劃模型體系

圖3煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產計劃模型體系信息傳遞示意圖

    煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產計劃模型體系內部的信息傳遞主要依靠各個生產計劃的數據信息，其內部信息交互方式如下：整個模型體系的初始數據是煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產的生產合同數據和各工序的計劃編制規程、約束等相關信息，首先由合同計劃子系統接收初始數據。合同計劃子系統主要就是將月生產合同數據進行處理，編制出相應的煉鋼日計劃、連鑄日計劃和熱軋日計劃，其中需要考慮各工序之間產能上和生產順序上的約束，目的是為了一體化生產的連續性和盡可能高的熱送熱裝率。同時，為了保證一體化生產的高效直接軋制，模型體系要進行一次循環，就是合同計劃子系統編制完煉鋼日計劃、連鑄日計劃、熱軋日計劃后，煉鋼子系統、連鑄子系統和熱軋子系統相應的編制出爐次計劃、澆次計劃和軋制計劃，并反饋到合同計劃子系統。合同計劃子系統根據日計劃的反饋結果對編制好的煉鋼日計劃、連鑄日計劃、熱軋日計劃進行修正，重新編制各工序的日計劃，作為最終執行的煉鋼日計劃、連鑄日計劃、熱軋日計劃。

    在合同計劃子系統下發送煉鋼日計劃、連鑄日計劃、熱軋日計劃后，首先由熱軋子系統開始編制生產計劃。熱軋子系統根據熱軋日計劃編制出相應的軋制計劃序列，然后向煉鋼子系統、連鑄子系統和板坯庫優化子系統傳遞。然后連鑄子系統根據連鑄日計劃，并考慮軋制計劃序列的板坯順序，編制出連鑄的澆次計劃，同時傳向煉鋼子系統。煉鋼子系統在接收到澆次計劃后，根據煉鋼日計劃，考慮澆次計劃的澆鑄約束，編制出相應的爐次計劃。這樣，與日計劃相對應的爐次計劃、澆次計劃、軋制計劃就編制完成了，但是連鑄與熱軋之間的銜接需要板坯庫優化子系統來協調。在連鑄熱軋的生產調度中，板坯庫優化子系統接收到連鑄子系統根據澆次計劃編制的連鑄出坯時刻表和熱軋子系統根據軋制計劃編制的板坯需求時刻表后，對連鑄生產的板坯進行分類處理，對于能夠熱裝生產的板坯直接送入熱軋生產線，不能熱裝生產的板坯相應的編制板坯入庫計劃，存放入合適的庫位和垛位。同時，板坯庫優化子系統根據熱軋的板坯需求計劃的時刻表來供應板坯，其中可以熱裝的板坯可以由連鑄坯直接供應，不能熱裝的板坯需要由板坯庫中的板坯來供應，這就需要板坯庫優化子系統制定相應的出庫計劃來選擇合適的板坯。

    這樣，煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產計劃模型體系就完成一次一體化生產計劃的編制，形成最終日生產的爐次計劃、澆次計劃、軋制計劃和板坯庫的入庫計劃、出庫計劃，相應的合同計劃子系統編制不同日期的日計劃，模型體系就可以編制不同日期的一體化日生產計劃。

3  一體化生產計劃編制流程

    煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產計劃的編制是一個復雜的優化問題，本文模型體系一體化生產計劃的編制流程如下。

    （1）合同計劃子系統接收月生產合同信息，利用準時制生產計劃優化模型初步確定各生產合同的投產日期。
    （2）利用旬計劃優化模型和半旬計劃優化模型將月生產合同計劃分解到旬計劃，然后再將旬計劃分解到半旬計劃。
    （3）根據半旬生產計劃，綜合考慮煉鋼、連鑄和熱軋的生產線的產能等情況，利用生產日計劃優化模型制定出超出各工序生產能力一定范圍的煉鋼生產日計劃、連鑄生產日計劃和熱軋生產日計劃。
    （4）熱軋計劃子系統根據熱軋生產日計劃，結合機組的實際產能等信息，由板坯日計劃模型編制出熱軋的板坯日計劃，然后由板坯日計劃利用軋制計劃優化模型編制出軋制計劃。
    （5）將軋制計劃向煉鋼計劃子系統和連鑄計劃子系統反饋，同時熱軋計劃子系統根據軋制計劃及時刻表編制出裝爐計劃和針對板坯庫的板坯需求計劃。
    （6）連鑄計劃子系統根據連鑄生產日計劃，綜合考慮軋制計劃和連鑄機組的信息，由連鑄日計劃優化模型確定連鑄日計劃，并利用澆次計劃優化模型編制出澆次計劃。
    （7）煉鋼計劃子系統根據煉鋼生產日計劃和熱軋生產軋制計劃，考慮煉鋼連鑄生產實際情況由煉鋼日計劃優化模型確定最終的煉鋼日計劃，然后利用爐次優化模型編制出爐次計劃。
    （8）板坯庫優化子系統根據澆次計劃編制結果對連鑄出坯進行數據處理，結合裝爐計劃和板坯需求計劃信息對板坯進行分類處理，符合熱裝需要的編入熱裝計劃，需要入庫的板坯利用板坯入庫計劃模型編制出板坯入庫計劃。
    （9）板坯庫優化子系統根據板坯需求計劃，考慮板坯庫存情況，編制出板坯出庫計劃以滿足熱軋生產需求。
    （10）將爐次計劃、澆次計劃和軋制計劃編制結果反饋合同計劃部分，綜合平衡之后確定新的生產日計劃，重復(3)~(9)確定最終的爐次作業計劃、澆次作業計劃和軋制作業計劃。同時，將一體化生產計劃結果向合同計劃部分反饋，滿足生產日計劃滾動的數據需求。

5  結論

    本文針對煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產，在以往各工序生產計劃問題研究的基礎上提出一種煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產計劃模型體系，在這種模型體系下多個局部優化系統多個模型協同運作，解決了一體化生產計劃編制的整體優化問題。2004年10月經過實際生產計劃系統軟件的開發和應用表明這種一體化生產計劃模型體系切實可行，可大大提高一體化生產調度的自動化水平和板坯的熱裝比，節省生產調度的人力資源。

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