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(shí)煉鋼．連鑄生產(chǎn)是一個(gè)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(guò)程，其生產(chǎn)流程具有多元性、多層次、多尺度，以及開(kāi)放性、非線性、遠(yuǎn)離平衡、動(dòng)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(duì)象，開(kāi)發(fā)煉鋼一連鑄生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)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(lái)自企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)的生產(chǎn)批量計(jì)劃，收集實(shí)時(shí)生產(chǎn)狀態(tài)和生產(chǎn)計(jì)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(dòng)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(dòng)的調(diào)度規(guī)則進(jìn)行重計(jì)劃，制定生產(chǎn)調(diào)度方案，設(shè)計(jì)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(guò)在鋼廠的在線測(cè)試，將運(yùn)行結(jié)果與現(xiàn)有人工調(diào)度方案進(jìn)行對(duì)比，檢驗(yàn)了系統(tǒng)的可行性和有效性。

2 煉鋼-連鑄計(jì)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(jì)劃基礎(chǔ)上，盡可能滿足鋼廠當(dāng)前生產(chǎn)條件下，通過(guò)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(shí)間和加工順序，以獲得生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃的總流程時(shí)間或生產(chǎn)成本最優(yōu)化。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)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(chē)間有限等待時(shí)間調(diào)度問(wèn)題。鋼鐵企業(yè)信息系統(tǒng)可分為4層，包括：L1基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)；L2過(guò)程控制級(jí)(Process Control System，PCS)；L3制造執(zhí)行系統(tǒng)(MEs)；L4公司管理級(jí)(ERP)。其中MEs系統(tǒng)在鋼廠制造過(guò)程中處于關(guān)鍵地位，并具有一定的生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度功能，但對(duì)于生產(chǎn)中頻繁出現(xiàn)的擾動(dòng)，處理能力有限。

    國(guó)外已開(kāi)發(fā)多款針對(duì)鋼鐵生產(chǎn)計(jì)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(kāi)發(fā)的V8 steel，可進(jìn)行1～12周連鑄熱軋鋼鐵生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度；AIS公司開(kāi)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(kāi)發(fā)的PPS可對(duì)煉鋼連鑄熱軋過(guò)程制定3級(jí)生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃和調(diào)度方案。國(guó)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(guó)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(dòng)化水平和管理水平尚未達(dá)到國(guó)外的水平，難以通過(guò)引進(jìn)方式而加以有效應(yīng)用并發(fā)揮作用。國(guó)內(nèi)近年也開(kāi)發(fā)了一些有針對(duì)性的鋼鐵生產(chǎn)計(jì)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(jì)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(guó)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(guó)內(nèi)典型鋼鐵企業(yè)MES系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)具有生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度信息集成和主要生產(chǎn)擾動(dòng)識(shí)別和處理功能，能進(jìn)行重計(jì)劃和重調(diào)度的煉鋼一連鑄生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度系統(tǒng)，具有重要意義。

3 煉鋼-連鑄生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度系統(tǒng)

    鋼廠信息系統(tǒng)主要為PCS(L2)和MES(L3)，通過(guò)MEs接受來(lái)自公司ERP(L4)的管理和生產(chǎn)指令。鋼廠MES系統(tǒng)是整個(gè)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(jì)劃，并接受來(lái)自過(guò)程信息系統(tǒng)PCS生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)生產(chǎn)信息。計(jì)劃調(diào)度人員通過(guò)L3下達(dá)生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃，并對(duì)執(zhí)行信息進(jìn)行跟蹤，遇到問(wèn)題，需及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，以保證生產(chǎn)計(jì)劃下達(dá)到產(chǎn)品生產(chǎn)的兌現(xiàn)。

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

    該系統(tǒng)通過(guò)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(jì)劃調(diào)度的功能。系統(tǒng)建有SQL server關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)包括外部數(shù)據(jù)庫(kù)表和內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)視圖，外部數(shù)據(jù)庫(kù)表用于存儲(chǔ)從MES系統(tǒng)直接接收的數(shù)據(jù)，內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)視圖用于存儲(chǔ)計(jì)劃調(diào)度系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程和結(jié)果數(shù)據(jù)，相關(guān)的重計(jì)劃調(diào)度數(shù)據(jù)可返回MES系統(tǒng)，用于輔助生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度。數(shù)據(jù)庫(kù)具有對(duì)把計(jì)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(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)中生產(chǎn)實(shí)績(jī)信息動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)表的變化情況，可以進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)績(jī)信息中的生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度擾動(dòng)信息進(jìn)行的自動(dòng)分類識(shí)別；以數(shù)據(jù)接口接收對(duì)生產(chǎn)實(shí)績(jī)判斷的生產(chǎn)擾動(dòng)自動(dòng)識(shí)別，或者以操作人員人工輸入人為擾動(dòng)，生產(chǎn)實(shí)績(jī)信息跟蹤過(guò)程的擾動(dòng)信息自動(dòng)識(shí)別與人為設(shè)置的擾動(dòng)的方式均可，作為計(jì)劃調(diào)度系統(tǒng)的觸發(fā)控制來(lái)啟動(dòng)系統(tǒng)的重計(jì)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(shí)間并行順推算法等智能算法庫(kù)，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(jì)劃實(shí)施過(guò)程中，當(dāng)系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)擾動(dòng)情況，實(shí)時(shí)啟動(dòng)重計(jì)劃或重調(diào)度功能時(shí)，既可根據(jù)需要以制定滿足設(shè)備沖突約束的重計(jì)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(shí)間，也可進(jìn)行重調(diào)度的策略仿真。系統(tǒng)計(jì)劃調(diào)度方案的可視化表達(dá)既有以生產(chǎn)計(jì)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(jì)劃實(shí)施工位為標(biāo)志的Gantt圖表達(dá)方式，為現(xiàn)場(chǎng)計(jì)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(jì)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(duì)鋼水時(shí)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(dòng)因素將影響生產(chǎn)作業(yè)計(jì)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(gè)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(kāi)發(fā)技術(shù)的關(guān)鍵是在生產(chǎn)執(zhí)行過(guò)程中，根據(jù)相關(guān)的擾動(dòng)觸發(fā)條件，在考慮ERP生產(chǎn)批量計(jì)劃的執(zhí)行情況與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)生產(chǎn)條件下，通過(guò)智能優(yōu)化算法，對(duì)未完成的生產(chǎn)批量計(jì)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(dòng)包括兩種機(jī)制：通過(guò)數(shù)據(jù)接口自動(dòng)獲得生產(chǎn)實(shí)時(shí)擾動(dòng)，以及操作人員確定的人工擾動(dòng)。系統(tǒng)通過(guò)不停掃描SOL數(shù)據(jù)庫(kù)的擾動(dòng)信息，確認(rèn)擾動(dòng)發(fā)生并分類后，啟用實(shí)時(shí)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(dòng)編制調(diào)度方案，或是通過(guò)人工操作直接調(diào)整調(diào)度方案；在自動(dòng)編制調(diào)度方案時(shí)，對(duì)于不同的擾動(dòng)事件采用不同的策略，再確定該擾動(dòng)事件對(duì)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(kāi)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(dòng)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(shí)調(diào)度信息對(duì)擾動(dòng)事件進(jìn)行分類，確定生產(chǎn)擾動(dòng)與人工擾動(dòng)，確定與擾動(dòng)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(dòng)以及人工擾動(dòng)分為任務(wù)擾動(dòng)、設(shè)備擾動(dòng)、生產(chǎn)工藝擾動(dòng)和時(shí)間擾動(dòng)等，如表1所示。

表1 擾動(dòng)分類及其影響

    當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)擾動(dòng)，生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃不能完成，需要進(jìn)行重計(jì)劃時(shí)，其方法如圖3所示。

圖3 生產(chǎn)重計(jì)劃制定方法

    通過(guò)SQL數(shù)據(jù)庫(kù)接收MES的生產(chǎn)實(shí)績(jī)，將需要執(zhí)行重計(jì)劃的生產(chǎn)批量計(jì)劃分為正在作業(yè)計(jì)劃和未作業(yè)計(jì)劃，對(duì)正在作業(yè)的計(jì)劃應(yīng)優(yōu)先安排，確定其調(diào)度方案，然后再對(duì)未作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行作業(yè)計(jì)劃重排。對(duì)正在作業(yè)計(jì)劃，利用時(shí)間并行順推算法進(jìn)行擾動(dòng)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(shí)間分配；對(duì)未作業(yè)爐次計(jì)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(jì)劃調(diào)度系統(tǒng)的主要工作流程為：

    步驟1啟動(dòng)系統(tǒng)，連接L3數(shù)據(jù)庫(kù)，讀入生產(chǎn)實(shí)績(jī)信息，設(shè)定數(shù)據(jù)庫(kù)掃描間隔時(shí)間，轉(zhuǎn)入步驟2。

    步驟2根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度方法，確定初始生產(chǎn)計(jì)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(kù)擾動(dòng)信息，若捕捉到擾動(dòng)發(fā)生或有人為施加的擾動(dòng)，轉(zhuǎn)入步驟4，啟動(dòng)重計(jì)劃與重調(diào)度；否則，轉(zhuǎn)入步驟5。

    步驟4對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行分類，確定當(dāng)前擾動(dòng)類別，根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度流程確定擾動(dòng)情況下的生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度方案，轉(zhuǎn)入步驟5。

    步驟5等待下一掃描時(shí)刻，轉(zhuǎn)入步驟3。

4.2 數(shù)據(jù)接口與數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

    數(shù)據(jù)接口是計(jì)劃調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵，通過(guò)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(kù)相關(guān)數(shù)據(jù)表中寫(xiě)入生產(chǎn)信息時(shí)，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(xiě)入對(duì)應(yīng)的SQL server數(shù)據(jù)表中。建立的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)以接收生產(chǎn)批量計(jì)劃以及生產(chǎn)過(guò)程中與計(jì)劃調(diào)度相關(guān)的生產(chǎn)實(shí)績(jī)數(shù)據(jù)，同時(shí)存儲(chǔ)計(jì)劃調(diào)度系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)，以及生產(chǎn)計(jì)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(kù)表設(shè)計(jì)了sQL觸發(fā)器，對(duì)外圍數(shù)據(jù)庫(kù)表進(jìn)行基本處理后存儲(chǔ)計(jì)劃調(diào)度計(jì)算直接所需的數(shù)據(jù)。主要的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)視圖基本數(shù)據(jù)來(lái)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(cè)試

    以visual studio 2005為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以visual c++開(kāi)發(fā)相關(guān)的智能算法庫(kù)，通過(guò)socket和oDBc開(kāi)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(kù)，以Visual c#開(kāi)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(duì)某鋼廠的生產(chǎn)條件，設(shè)計(jì)在線測(cè)試項(xiàng)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(duì)比，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示，測(cè)試結(jié)果如表5。

表4 在線測(cè)試

表5 系統(tǒng)調(diào)度與人工調(diào)度方案對(duì)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(shí)間的條件；同時(shí)在生產(chǎn)發(fā)生擾動(dòng)的同時(shí)，能夠自動(dòng)進(jìn)行重計(jì)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(shí)間有所降低，設(shè)備利用率更加均勻。

6 結(jié)論

    開(kāi)發(fā)了一套針對(duì)煉鋼-連鑄生產(chǎn)流程的生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)與MEs系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，能夠接收ERP的生產(chǎn)批量計(jì)劃以及現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)實(shí)績(jī)信息，具有實(shí)時(shí)擾動(dòng)識(shí)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(jì)劃和重調(diào)度方案，可輔助進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度。通過(guò)在鋼廠的在線測(cè)試運(yùn)行表明了系統(tǒng)的有效性，同時(shí)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(kāi)發(fā)工作，將以煉鋼．連鑄為對(duì)象的計(jì)劃調(diào)度拓展至整個(gè)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(jì)劃與調(diào)度的自動(dòng)化水平。

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本文標(biāo)題：煉鋼－連鑄生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度系統(tǒng)（MES/ERP）開(kāi)發(fā)

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