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0  前言

    現(xiàn)代化鋼鐵企業(yè)的發(fā)展趨勢是設備的大型化，生產(chǎn)過程的連續(xù)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(zhì)量和面向用戶，鋼鐵企業(yè)面臨日益嚴峻的考驗。為了節(jié)能降耗，從20世紀80年代起，國外大型鋼鐵企業(yè)就致力于開發(fā)煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產(chǎn)。在煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產(chǎn)中，優(yōu)化調(diào)度起著重要的作用。目前，針對鋼鐵生產(chǎn)各個工序的優(yōu)化調(diào)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(chǎn)計劃和生產(chǎn)調(diào)度文獻還比較少。文獻[1、2]以鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)為背景綜述了鋼鐵生產(chǎn)工序管理和生產(chǎn)計劃方法及發(fā)展趨勢，文獻[1]指出了生產(chǎn)計劃是MES的核心功能，戰(zhàn)略管理一體化、多工序一體化和生產(chǎn)計劃綜合集成方法是今后發(fā)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(chǎn)管理的問題，著重研究了連鑄和連軋之間協(xié)調(diào)生產(chǎn)計劃的問題，但并沒有從整個一體化生產(chǎn)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(chǎn)調(diào)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(chǎn)調(diào)度模型，研究了各工序生產(chǎn)計劃的排序問題，但沒有考慮一體化的整體協(xié)調(diào)生產(chǎn)的問題。

    本文針對鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度管理，在已有對各工序生產(chǎn)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(chǎn)計劃的編制問題，建立了一個一體化生產(chǎn)計劃編制的模型體系。將一體化生產(chǎn)計劃的編制問題分層、分塊處理，每一模塊都采用生產(chǎn)計劃優(yōu)化模型來編制局部的生產(chǎn)計劃，一體化生產(chǎn)計劃的編制通過各功能模塊整體協(xié)作來完成，很好地解決了一體化生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)調(diào)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(chǎn)批量計劃來組織生產(chǎn)。煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。對于一體化生產(chǎn)計劃問題，需要根據(jù)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(yōu)化管理計劃。

圖1 煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產(chǎn)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(chǎn)約束進行了系統(tǒng)的分析,指出了問題的特征。各個工序的生產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)；（2）爐次之間的板坯厚度一致；③板坯的寬度變化次數(shù)不允許超過一定數(shù)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(shù)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(chǎn)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(shù)量相對較少，反梯形是主體材部分，是軋輥的主要生產(chǎn)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(xù)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(wěn)，不能反復跳躍，最好是非減方向變化；(7)硬度變化要平穩(wěn)，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(fā)生沖突時，優(yōu)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(chǎn)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(tài)下進行工序間的銜接，這就需要合理安排各個工序的生產(chǎn)計劃，盡力提高熱裝比。同時，為了保證生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率和充分發(fā)揮生產(chǎn)設備的能力，需要優(yōu)化板坯庫的管理來協(xié)調(diào)連鑄和熱軋之間生產(chǎn)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(jié)能降耗，解決一體化生產(chǎn)中三大工序的能力不匹配和工藝約束矛盾問題，編制出優(yōu)化的一體化生產(chǎn)計劃，提高熱裝比和保證生產(chǎn)設備能力的充分發(fā)揮，本文采用分層、分塊的處理方式，將一體化生產(chǎn)計劃編制的復雜優(yōu)化問題分解為5個局部優(yōu)化問題，建立了如圖2所示的一體化生產(chǎn)計劃模型體系。當前大部分鋼鐵企業(yè)都在按月生產(chǎn)，在接收到用戶的訂貨合同后，都要進行質(zhì)量設計和工藝設計，將用戶合同歸并或拆分為生產(chǎn)合同，生產(chǎn)計劃制定的初始數(shù)據(jù)就是生產(chǎn)合同，煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產(chǎn)計劃系統(tǒng)根據(jù)初始生產(chǎn)合同數(shù)據(jù)最終生成優(yōu)化的爐次作業(yè)計劃、澆次作業(yè)計劃、軋制作業(yè)計劃和為保證熱軋生產(chǎn)的板坯入庫、出庫計劃。本文將一體化生產(chǎn)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(tǒng)部分，其中每個部分又包含有多個優(yōu)化模型來共同完成生產(chǎn)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(chǎn)計劃模型體系

圖3煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產(chǎn)計劃模型體系信息傳遞示意圖

    煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產(chǎn)計劃模型體系內(nèi)部的信息傳遞主要依靠各個生產(chǎn)計劃的數(shù)據(jù)信息，其內(nèi)部信息交互方式如下：整個模型體系的初始數(shù)據(jù)是煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產(chǎn)的生產(chǎn)合同數(shù)據(jù)和各工序的計劃編制規(guī)程、約束等相關信息，首先由合同計劃子系統(tǒng)接收初始數(shù)據(jù)。合同計劃子系統(tǒng)主要就是將月生產(chǎn)合同數(shù)據(jù)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(chǎn)能上和生產(chǎn)順序上的約束，目的是為了一體化生產(chǎn)的連續(xù)性和盡可能高的熱送熱裝率。同時，為了保證一體化生產(chǎn)的高效直接軋制，模型體系要進行一次循環(huán)，就是合同計劃子系統(tǒng)編制完煉鋼日計劃、連鑄日計劃、熱軋日計劃后，煉鋼子系統(tǒng)、連鑄子系統(tǒng)和熱軋子系統(tǒng)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(tǒng)。合同計劃子系統(tǒng)根據(jù)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(zhí)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(tǒng)下發(fā)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(tǒng)開始編制生產(chǎn)計劃。熱軋子系統(tǒng)根據(jù)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(tǒng)、連鑄子系統(tǒng)和板坯庫優(yōu)化子系統(tǒng)傳遞。然后連鑄子系統(tǒng)根據(jù)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(tǒng)。煉鋼子系統(tǒng)在接收到澆次計劃后，根據(jù)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(yōu)化子系統(tǒng)來協(xié)調(diào)。在連鑄熱軋的生產(chǎn)調(diào)度中，板坯庫優(yōu)化子系統(tǒng)接收到連鑄子系統(tǒng)根據(jù)澆次計劃編制的連鑄出坯時刻表和熱軋子系統(tǒng)根據(jù)軋制計劃編制的板坯需求時刻表后，對連鑄生產(chǎn)的板坯進行分類處理，對于能夠熱裝生產(chǎn)的板坯直接送入熱軋生產(chǎn)線，不能熱裝生產(chǎn)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(yōu)化子系統(tǒng)根據(jù)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(yōu)化子系統(tǒng)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(chǎn)計劃模型體系就完成一次一體化生產(chǎn)計劃的編制，形成最終日生產(chǎn)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(tǒng)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(chǎn)計劃。

3  一體化生產(chǎn)計劃編制流程

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

    （1）合同計劃子系統(tǒng)接收月生產(chǎn)合同信息，利用準時制生產(chǎn)計劃優(yōu)化模型初步確定各生產(chǎn)合同的投產(chǎn)日期。
    （2）利用旬計劃優(yōu)化模型和半旬計劃優(yōu)化模型將月生產(chǎn)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(jù)半旬生產(chǎn)計劃，綜合考慮煉鋼、連鑄和熱軋的生產(chǎn)線的產(chǎn)能等情況，利用生產(chǎn)日計劃優(yōu)化模型制定出超出各工序生產(chǎn)能力一定范圍的煉鋼生產(chǎn)日計劃、連鑄生產(chǎn)日計劃和熱軋生產(chǎn)日計劃。
    （4）熱軋計劃子系統(tǒng)根據(jù)熱軋生產(chǎn)日計劃，結合機組的實際產(chǎn)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(yōu)化模型編制出軋制計劃。
    （5）將軋制計劃向煉鋼計劃子系統(tǒng)和連鑄計劃子系統(tǒng)反饋，同時熱軋計劃子系統(tǒng)根據(jù)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(tǒng)根據(jù)連鑄生產(chǎn)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(yōu)化模型確定連鑄日計劃，并利用澆次計劃優(yōu)化模型編制出澆次計劃。
    （7）煉鋼計劃子系統(tǒng)根據(jù)煉鋼生產(chǎn)日計劃和熱軋生產(chǎn)軋制計劃，考慮煉鋼連鑄生產(chǎn)實際情況由煉鋼日計劃優(yōu)化模型確定最終的煉鋼日計劃，然后利用爐次優(yōu)化模型編制出爐次計劃。
    （8）板坯庫優(yōu)化子系統(tǒng)根據(jù)澆次計劃編制結果對連鑄出坯進行數(shù)據(jù)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(yōu)化子系統(tǒng)根據(jù)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(chǎn)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(chǎn)日計劃，重復(3)~(9)確定最終的爐次作業(yè)計劃、澆次作業(yè)計劃和軋制作業(yè)計劃。同時，將一體化生產(chǎn)計劃結果向合同計劃部分反饋，滿足生產(chǎn)日計劃滾動的數(shù)據(jù)需求。

5  結論

    本文針對煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產(chǎn)，在以往各工序生產(chǎn)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(chǎn)計劃模型體系，在這種模型體系下多個局部優(yōu)化系統(tǒng)多個模型協(xié)同運作，解決了一體化生產(chǎn)計劃編制的整體優(yōu)化問題。2004年10月經(jīng)過實際生產(chǎn)計劃系統(tǒng)軟件的開發(fā)和應用表明這種一體化生產(chǎn)計劃模型體系切實可行，可大大提高一體化生產(chǎn)調(diào)度的自動化水平和板坯的熱裝比，節(jié)省生產(chǎn)調(diào)度的人力資源。

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