0 引言

    在復(fù)雜多變的市場(chǎng)環(huán)境下，如何滿足多品種、小批量和客戶個(gè)性化的需求，如何合理配置和有效利用企業(yè)關(guān)鍵資源，如何通過信息集成來推動(dòng)生產(chǎn)流程優(yōu)化，需要企業(yè)將經(jīng)營(yíng)計(jì)劃系統(tǒng)(BPS)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、過程控制系統(tǒng)(PCS)作為一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行、優(yōu)化控制與優(yōu)化管理。生產(chǎn)調(diào)度是現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)(CIMS)的一個(gè)重要組成部分，連接著管理層和控制層，是生產(chǎn)管理的核心和關(guān)鍵技術(shù)。

    鋁企業(yè)的生產(chǎn)過程比較獨(dú)特，介于離散型生產(chǎn)和連續(xù)型生產(chǎn)之間，各工序問呈現(xiàn)順序加工的關(guān)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(shí)存在能力平衡和時(shí)間平衡問題．鋁企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度問題，不能單純照搬離散型制造企業(yè)如機(jī)械加工的生產(chǎn)管理經(jīng)驗(yàn)，也不能簡(jiǎn)單套用連續(xù)型生產(chǎn)企業(yè)如化工企業(yè)的生產(chǎn)管理方法，必須分析其生產(chǎn)環(huán)境、優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，探討企業(yè)范圍內(nèi)信息的集成，編制系統(tǒng)、全面、合理地生產(chǎn)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)鋁企業(yè)生產(chǎn)流程的整體優(yōu)化。

1 鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的基本特征

    1.1 鋁企業(yè)生產(chǎn)流程及其特點(diǎn)

    鋁的生產(chǎn)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(chǎn)和連續(xù)型生產(chǎn)之間，屬混合型生產(chǎn)，電解階段是將氧化鋁等通過電化學(xué)反應(yīng)，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(jù)訂單的屬性添加各種添加劑，從而得到需要的化學(xué)成分．熔煉過后，鋁水經(jīng)過保溫爐除氣后通過一系列轉(zhuǎn)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(yè)的生產(chǎn)流程如圖1所示。

圖1 鋁企業(yè)生產(chǎn)工藝流程圖

    鋁企業(yè)生產(chǎn)物流和生產(chǎn)方式比較獨(dú)特，主要表現(xiàn)在：首先，生產(chǎn)階段性顯著．在熔煉階段，主要以化學(xué)變化為主，需嚴(yán)格控制鋁液的化學(xué)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(chǎn)品的外形尺寸．其次，生產(chǎn)能力體現(xiàn)集中性．一般情況下，整個(gè)鋁企業(yè)生產(chǎn)能力的瓶頸主要體現(xiàn)在熔煉與鑄造階段的關(guān)鍵設(shè)備上．第三，生產(chǎn)階段具有連續(xù)性．從熔煉到鑄造，整個(gè)高耗能階段以一種連續(xù)的生產(chǎn)方式進(jìn)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(chǎn)過程屬持續(xù)高溫作業(yè)，能耗大，加強(qiáng)能源管理有助于降低成本和減少環(huán)境污染。

    1.2 鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度的復(fù)雜性

    鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度通過對(duì)訂單優(yōu)化組批和排序來滿足產(chǎn)品成分、鑄造形狀、交貨期、優(yōu)先權(quán)等訂單屬性要求，通過液態(tài)鋁水供給、熔煉、鑄造和擠壓之間的平衡實(shí)現(xiàn)一體化生產(chǎn)目標(biāo)，以及通過合理配置關(guān)鍵設(shè)備和關(guān)鍵資源，盡可能減少設(shè)備調(diào)整準(zhǔn)備成本和資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本、準(zhǔn)時(shí)交貨和提高產(chǎn)品質(zhì)量等目的．

    鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度的基本特征表現(xiàn)為：①干擾多、識(shí)別困難．不確定的生產(chǎn)時(shí)間、偶發(fā)性的設(shè)備故障、不合格的鋁水成分等使得生產(chǎn)調(diào)度問題成為隨機(jī)優(yōu)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(gè)環(huán)節(jié)在物流及工藝上聯(lián)系緊密，前后工序存在銜接匹配問題．③約束多且關(guān)系復(fù)雜．生產(chǎn)工藝流程、產(chǎn)品交貨期及優(yōu)先權(quán)、設(shè)備生產(chǎn)能力、庫(kù)存、物流平衡等都是調(diào)度中應(yīng)綜合考慮的約束條件；④優(yōu)化目標(biāo)較多．提高設(shè)備利用率、降低生產(chǎn)成本、最大化成材率、顧客交貨期承諾等都是生產(chǎn)管理追求的優(yōu)化目標(biāo)，且目標(biāo)之間可能存在沖突；⑨優(yōu)化準(zhǔn)則的復(fù)雜性．從問題的優(yōu)化準(zhǔn)則來看，同時(shí)有基于代價(jià)的優(yōu)化準(zhǔn)則及基于性能的優(yōu)化準(zhǔn)則；⑥求解的困難性．鋁生產(chǎn)過程存在大量離散變量和連續(xù)變量，涉及優(yōu)化目標(biāo)和約束條件眾多，生產(chǎn)調(diào)度問題是混雜系統(tǒng)調(diào)度問題，是NP(Non—Polynomial)完全問題，隨著調(diào)度問題處理對(duì)象的增加，求解時(shí)間呈指數(shù)性增加．

2 鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化目標(biāo)

    (1)提高設(shè)備利用率．鋁企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備投資大，能耗高，提高設(shè)備利用率是降低生產(chǎn)成本，挖掘企業(yè)利潤(rùn)空間的重要手段．減少設(shè)備調(diào)整次數(shù)及空閑等待時(shí)間，消除設(shè)備沖突，注重設(shè)備保養(yǎng)和管理，減少設(shè)備故障是生產(chǎn)調(diào)度的重要目的．

    (2)最大化成材率．產(chǎn)品質(zhì)量是否符合客戶訂單要求以及生產(chǎn)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(gè)因素．企業(yè)基于訂單組織生產(chǎn)，由于訂單的屬性不一，體現(xiàn)多品種小批量特點(diǎn)，存在訂單屬性的滿足與實(shí)際生產(chǎn)規(guī)程的適應(yīng)問題．通過訂單合理組批和設(shè)備指派優(yōu)化，持續(xù)推進(jìn)全面質(zhì)量管理，降低無委材和幾何廢料重量以及保證產(chǎn)品質(zhì)量是最大成材率的主要手段．

    (3)減少等待時(shí)間．等待時(shí)問分為在制品等待時(shí)間及設(shè)備空閑時(shí)間．如鋁水在熔煉爐前的等待時(shí)間、鋁液在保溫爐中的等待時(shí)間、熔煉爐空閑時(shí)間及澆鑄機(jī)空閑時(shí)間．在制品等待時(shí)間造成能源浪費(fèi)，降低能源利用率；設(shè)備空閑時(shí)間造成能源浪費(fèi)，降低設(shè)備的有效產(chǎn)能．一般通過生產(chǎn)過程的信息共享及各個(gè)工序的協(xié)調(diào)來實(shí)現(xiàn)一體化生產(chǎn)，降低生產(chǎn)過程的各種等待時(shí)間．

    (4)保證準(zhǔn)時(shí)交貨．準(zhǔn)時(shí)交貨是保證顧客滿意度及提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的主要因素．交貨期越短，準(zhǔn)時(shí)交貨則越難．由此，在已有生產(chǎn)能力基礎(chǔ)上做出準(zhǔn)確的訂單承諾，考慮不同產(chǎn)品交貨期下合理的生產(chǎn)安排，在保證產(chǎn)品質(zhì)量基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)工序能力充分利用是影響準(zhǔn)時(shí)交貨的重要因素．

    此外，生產(chǎn)調(diào)度還有諸如加工周期、總完工時(shí)間、最大拖期，總誤工數(shù)，最小加工成本等優(yōu)化目標(biāo)．鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化目標(biāo)是相互關(guān)聯(lián)的，科學(xué)合理的生產(chǎn)調(diào)度應(yīng)基于整體優(yōu)化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，而不是簡(jiǎn)單片面追求單個(gè)目標(biāo)的優(yōu)化．

3 鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度約束條件

    (1)工藝約束．工藝約束指在生產(chǎn)過程中為保證生產(chǎn)正常進(jìn)行和產(chǎn)品質(zhì)量符合客戶要求所應(yīng)遵循和滿足的生產(chǎn)規(guī)程．主要工藝約束條件有：①同一熔煉爐中，若前后兩個(gè)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(duì)爐子進(jìn)行清洗；②為避免化學(xué)成分變化或溫度下降造成的鑄件質(zhì)量下降和能源消耗，鋁水在各個(gè)工序之間的等待時(shí)間應(yīng)嚴(yán)格控制，盡量實(shí)現(xiàn)零等待或等待較短時(shí)間；③真空抬包從電解槽內(nèi)抽出鋁液后，在熔煉爐前的等待時(shí)間有限，抬包內(nèi)的鋁液必須一次傾倒完畢；④熔煉爐連續(xù)工作一定時(shí)問后，為清除爐內(nèi)的殘?jiān)�，需要�?duì)爐子進(jìn)行清洗．

    (2)設(shè)備約束．設(shè)備約束指在生產(chǎn)過程中為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的合理利用及生產(chǎn)順暢、保證產(chǎn)品質(zhì)量等目的，設(shè)備所應(yīng)遵循的使用規(guī)程．如果設(shè)備使用不當(dāng)，特別是關(guān)鍵設(shè)備如熔爐和澆鑄機(jī)，會(huì)影響整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)成本及生產(chǎn)能力．主要設(shè)備約束條件有：①某個(gè)具體環(huán)節(jié)每個(gè)訂單只能指派給一個(gè)設(shè)備，且訂單的總重量小于該設(shè)備的生產(chǎn)能力；②生產(chǎn)流程的連續(xù)性要求2臺(tái)或3臺(tái)熔爐為一個(gè)澆鑄機(jī)提供鋁水，避免澆鑄機(jī)因饑餓而等待；③澆鑄機(jī)有若干個(gè)尺寸不一的鑄模決定著鑄件的外形尺寸、鑄模不經(jīng)常更換，且僅當(dāng)整個(gè)澆鑄生產(chǎn)過程停止時(shí)可更換；④澆鑄機(jī)必須能完全消耗熔爐之后的鋁水；⑤由于多臺(tái)熔爐在鋁液傾倒操作中使用同一過濾設(shè)備，則不能同時(shí)對(duì)來自多臺(tái)熔爐不同成分的鋁液進(jìn)行加工處理．

    (3)訂單屬性約束．訂單屬性約束指客戶訂單對(duì)產(chǎn)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(diào)度中應(yīng)努力保證訂單在客戶交貨期內(nèi)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)交貨；②成分約束．成分約束主要體現(xiàn)在產(chǎn)品應(yīng)滿足訂單對(duì)產(chǎn)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(xiàn)為在如澆鑄和擠壓等成型環(huán)節(jié)滿足訂單外形尺寸(寬、厚、直徑或長(zhǎng)度等)的要求；④優(yōu)先權(quán)約束．根據(jù)不同的產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益和客戶關(guān)系，訂單有不同的優(yōu)先權(quán)，調(diào)度時(shí)應(yīng)充分考慮訂單的優(yōu)先權(quán)約束，合理安排優(yōu)先訂單的生產(chǎn)．

    (4)物流平衡約束．物流平衡約束指在整個(gè)生產(chǎn)過程需要保證物流高效運(yùn)作、前后工序協(xié)調(diào)匹配，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)批量在時(shí)問和數(shù)量上匹配．主要的物流平衡約束有：①熔爐熔煉能力應(yīng)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(shí)間短；②因鋁液儲(chǔ)存困難，熔煉完后的鋁水必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)送到鑄造階段進(jìn)行澆鑄，同時(shí)澆鑄階段必須能完全且及時(shí)消耗掉熔煉階段的鋁水；③保證各個(gè)階段在制品庫(kù)存平衡及最終產(chǎn)品庫(kù)存平衡，如在制品和最終產(chǎn)品庫(kù)存均不能超過企業(yè)庫(kù)存能力，按訂單生產(chǎn)時(shí)必須考慮已有庫(kù)存和訂單的匹配情況等．

4 基于MES系統(tǒng)的鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化

    4.1 鋁企業(yè)MES的功能結(jié)構(gòu)

    制造執(zhí)行系統(tǒng)作為連接ERP、CRM、SCM等企業(yè)級(jí)業(yè)務(wù)計(jì)劃系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)的橋梁，不僅是工廠內(nèi)部的管理系統(tǒng)，而且在企業(yè)范圍的信息集成中起著承上啟下的重要作用．鋁企業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括生產(chǎn)調(diào)度、設(shè)備管理、質(zhì)量管理、物料跟蹤、庫(kù)存管理等功能模塊，側(cè)重解決企業(yè)資源計(jì)劃與底層生產(chǎn)過程控制信息之間出現(xiàn)的脫節(jié)問題，使下層生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)信息和上層企業(yè)資源管理的各類信息融合與貫通，實(shí)現(xiàn)鋁企業(yè)生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制、優(yōu)化運(yùn)行和優(yōu)化管理的信息集成．在鋁企業(yè)的生產(chǎn)過程中，從進(jìn)廠的原材料到最終成品的形成，經(jīng)過多段生產(chǎn)、多段運(yùn)輸、多地存儲(chǔ)，涉及到訂單、工藝、質(zhì)量、設(shè)備和生產(chǎn)等各種信息，以生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度為主要內(nèi)容的協(xié)同過程，不僅在鋁企業(yè)內(nèi)部各過程之問的組織，而且在企業(yè)與外部系統(tǒng)協(xié)調(diào)中起到核心作用．

圖2 鋁企業(yè)MES體系構(gòu)成

    4.2 基于MES系統(tǒng)的鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度

    (1)鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度的建模技術(shù)．鋁企業(yè)的特點(diǎn)使得其生產(chǎn)調(diào)度問題非常復(fù)雜，主要的建模方法有：分解模型，將調(diào)度問題分解為若干個(gè)規(guī)模較小的子問題，包括基于時(shí)問分解、基于機(jī)器(設(shè)備)分解、基于工件(訂單)分解；混合整數(shù)規(guī)劃方法、混合模型、混合整數(shù)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(chǎn)調(diào)度用得較多的主要有基于時(shí)間分解、混合整數(shù)模型等．建模策略主要包含約束處理策略以及目標(biāo)選擇策略．約束處理方面，包括正確區(qū)分軟約束和硬約束，科學(xué)評(píng)定約束優(yōu)先權(quán)及訂單優(yōu)先權(quán)，準(zhǔn)確抽象動(dòng)態(tài)環(huán)境下的生產(chǎn)條件，以及對(duì)生產(chǎn)實(shí)際如加工期交貨期等的模糊處理等．目標(biāo)選擇方面，力爭(zhēng)調(diào)度目標(biāo)吻合企業(yè)MES體系，進(jìn)而吻合包含MES在內(nèi)的企業(yè)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)，避免優(yōu)化目標(biāo)的簡(jiǎn)單化和不全面．對(duì)鋁企業(yè)而言，優(yōu)化目標(biāo)應(yīng)保證生產(chǎn)的安全、平穩(wěn)，通過合理安排盡量完成計(jì)劃并盡量減少不同生產(chǎn)狀態(tài)的切換以生產(chǎn)更多高附加值產(chǎn)品．

    (2)鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度問題的求解算法．由于約束條件的繁多和復(fù)雜性，調(diào)度模型算法應(yīng)顧全生產(chǎn)約束和求解效率，能理想運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)，其主要有：?jiǎn)�發(fā)式方法，求解時(shí)間短，但不易確定近似程度；數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，可得到全局最優(yōu)解及對(duì)調(diào)度方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，但求解時(shí)間長(zhǎng)；遺傳算法，容易解決調(diào)度的多目標(biāo)復(fù)雜目標(biāo)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(shù)選擇比較困難；模糊邏輯，適用于知識(shí)表達(dá)，有較強(qiáng)的邏輯功能，但模糊規(guī)則的確定比較困難．已有的鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度模型求解主要采用雙環(huán)遺傳算法、啟發(fā)式算法、蟻群算法以及啟發(fā)式算法和遺傳算法相結(jié)合的算法．智能優(yōu)化算法通過模擬或揭示自然界的某些現(xiàn)象和過程得到發(fā)展，以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和集中在解決大規(guī)模生產(chǎn)調(diào)度領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用．

    (3)鋁生產(chǎn)調(diào)度模型的工程應(yīng)用．由于生產(chǎn)調(diào)度的重要性及其復(fù)雜性，鋁企業(yè)的調(diào)度支持系統(tǒng)應(yīng)結(jié)合其自身特點(diǎn)，應(yīng)突出生產(chǎn)過程中調(diào)度功能的作用，調(diào)度信息與其它信息的集成及動(dòng)態(tài)環(huán)境下的適應(yīng)性：首先在生產(chǎn)實(shí)際的基礎(chǔ)上綜合調(diào)度算法的精準(zhǔn)性和人工經(jīng)驗(yàn)的實(shí)用性建立人機(jī)交互機(jī)制；其次開發(fā)能反映多種目標(biāo)、能靈活處理各種約束、能快速響應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的生產(chǎn)調(diào)度算法；最后努力實(shí)現(xiàn)調(diào)度功能與MES中的其他功能集的融合，融入冶金企業(yè)及流程行業(yè)的專有關(guān)鍵技術(shù)，如一體化計(jì)劃、全面質(zhì)量管理技術(shù)、動(dòng)態(tài)成本控制技術(shù)、設(shè)備故障監(jiān)測(cè)與分析等，以解決生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各種復(fù)雜問題．針對(duì)鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度，已有的工程應(yīng)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(zhí)行解決方案，Honeywell公司的包含生產(chǎn)調(diào)度在內(nèi)的多模塊集成的Busiess，HIS公司的H／SCHED調(diào)度系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)有冶金自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院的Aripps生產(chǎn)計(jì)劃和調(diào)度系統(tǒng)．

5 結(jié)束語

    通過對(duì)鋁企業(yè)生產(chǎn)流程特點(diǎn)的概括，闡述其生產(chǎn)調(diào)度的多約束多目標(biāo)特征，分析鋁生產(chǎn)調(diào)度問題的復(fù)雜性，同時(shí)構(gòu)建鋁企業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)的功能框架，探討了鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度的建模策略、求解算法及工程應(yīng)用，為鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度進(jìn)一步的理論研究及實(shí)際應(yīng)用提供方法論的指導(dǎo)。

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本文標(biāo)題：鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化MES研究與應(yīng)用

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