CN101908180A - 一种定尺钢板成材率最大化的mes物料形变方法 - Google Patents

Abstract

一种定尺钢板成材率最大化的MES物料形变方法，属于信息技术领域。中厚板产品的板坯选择须满足多品种、小批量、多张成品子板组合在一块板坯上的特点，本方法充分考虑了加热炉、宽展比、压缩比、切损率和烧损率等诸多因素对成材率的综合影响，对订单产品需求均尽可能采用使多张成品钢板组合在一块板坯上的设计思路为基本原则，在考虑不同需求变化情况，从而得到最终板坯尺寸。优点在于，解决如何让用户需求以外的钢板生产数量最小，或者说如果在满足用户需要的情况下让板坯的投料量最小。

Description

一种定尺钢板成材率最大化的MES物料形变方法

技术领域

本发明属于信息技术领域，特别是涉及一种定尺钢板成材率最大化的MES(制造执行系统Manufacturing Execution System，简称MES)物料形变方法，制造执行系统(MES)。

背景技术

成材率的高低直接影响着企业的经济效益，同时也是反映一条生产线操作及综合管理水平的重要指标。成材率是企业管理水平、工艺装备水平、技术操作水平和产品质量的综合体现。提高成材率是钢铁工业节约原料和能源、降低成本、提高经济效益的重要途径。如何提高成材率，提升企业在市场中的竞争力已成为企业面临的难题。为发展我国中厚板生产，提高成材率，行业各部门作了大量的工作：如提高板坯连铸比、改造旧有轧机提高装备水平、开发平面形状控制技术以减少切损、采用负公差轧制等，这些方法都是从硬件设备控制方面提出的解决途径。坯料坯型选择计算是宽厚板生产中的重要环节之一，坯料尺寸设计是否合理，直接影响成材率，坯料设计是影响中板成材率的重要环节之一。本文提出一种定尺板成材率最大化的物料形变方法，选择成材率最大的坯型；实践表明，本方法不但可以减轻库存压力，而且能减少投料数量，有效地提高成材率。

钢板生产企业一般根据用户订单组织生产，对于定尺钢板(厚度、宽度、长度为固定值的钢板)订单都有块数和重量的数值，当前的物料形变规则有二种：

根据产量最大化原则尽可能选用重量最大的板坯组织生产，将生产一部分用户需求以外的钢板。

根据用户订单要求的块数组织生产，按照坯型优先级选择板坯规格；如果无法满足块数要求，也将生产用户需求以外的钢板。

这二种物料形变规则都存在同一个问题：如何让用户需求以外的钢板生产数量最小，或者说如果在满足用户需要的情况下让板坯的投料量最小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种定尺钢板成材率最大化的MES物料形变方法，解决如何让用户需求以外的钢板生产数量最小，或者说如果在满足用户需要的情况下让板坯的投料量最小。

中厚板产品的板坯选择须满足多品种、小批量、多张成品子板组合在一块板坯上的特点，本方法充分考虑了加热炉、宽展比、压缩比、切损率和烧损率等诸多因素对成材率的综合影响，对订单产品需求均尽可能采用使多张成品钢板组合在一块板坯上的设计思路为基本原则，在考虑不同需求变化情况，从而得到最终板坯尺寸。

定尺钢板成材率最大化的MES物料形变方法技术方案见图1，工艺步骤如下：

步骤1：根据订单中产品规格(长宽厚)、重量、块数以及工艺质量要求，考虑到切损、烧损、压缩比、展宽比等约束条件，利用定尺板物料形变算法见图2，预计算出所有可能的坯型。

物料形变步骤：

订单要求的钢板厚度为TO、宽度为WO、长度为LO，块数为PIO，重量为MASSO。产品参数：板坯最小长度DSLBLmin、最大长度DSLBLmax；可轧制钢板的最小长度PLMELmin、最大长度PLMELmax、最小宽度PLMEWmin、最大宽度PLMEWmax、最小厚度PLMETmin、最大厚度PLMETmax；板坯厚度DSLBt、板坯宽度DSLBw可能值、板坯长度的步长值STEP。

1)：计算钢板定尺：PI＝floor(PLMELmax/LO)；

2)：计算钢板的生产长度：L＝LO*PI+切头尾量；

3)：钢板长度约束检查：如果L＞PLMELmax，令PI＝PI-1，返回1；如果直到PI＝1时，仍L＞PLMELmax，无解，系统给出设备长度生产能力无法满足用户要求提示；

4)：检查钢板是否剖分：计算WIDTH_CMB＝ceil(PLMEWmin/WO)，其值为1不需要，大于1需要；

5)：计算钢板的生产宽度：W＝WO*WIDTH_CMB+切边量；

6)：钢板宽度约束检查：如果W＞PLMEWmax，令WIDTH_CMB＝WIDTH_CMB-1，返回5)；如果直到WIDTH_CMB＝1，仍W＞PLMEWmax，无解，系统给出设备宽度生产能力无法满足用户要求提示；

7)：计算将要生产的钢板重量PLMEmass＝T*W*L*7.85/1000000(Kg)；

8)：根据板坯展宽比(W/DSLBw)约束条件找出板坯可能宽度DSLBw，如果没有宽度满足要求，无解，系统给出展宽比无法满足用户要求提示；

9)：针对每一个可能宽度做以下计算：

a)根据板坯压缩比(DSLBt/TO)约束条件，找出可能的板坯厚度DSLBt；如果对所有宽度都没有厚度满足要求，无解，系统给出压缩比无法满足用户要求提示；

b)根据铸机约束，由板坯宽度和每一个可能的板坯厚度，计算出板坯的可能长度DSLBl＝ceil(PLMEmass/(DSLBw*DSLBt*(1-烧损率)*7.8/1000000)/STEP)*STEP；

c)根据加热炉约束条件，如果DSLBl在DSLBLmin～DSLBLmax之间，则记录此时PI及相应板坯尺寸；然后令PI＝PI-1，重复循环步骤2)计算过程，保留DSLBl在DSLBLmin～DSLBLmax之间时的相应PI及板坯尺寸，一直循环计算到PI＝1；如果PI从floor(PLMELmax/LO)到1，没有DSLBl在DSLBLmin～DSLBLmax之间，无解，系统给板坯规格无法满足用户要求提示；

10)：检查是否存在DSLBl在DSLBLmin～DSLBLmax之间，存在则进行下一步处理。

步骤2：从计算出的所有可能的坯型进行预处理，在满足企业设备生产能力约束条件下，筛选出能够使用的坯型，把不符合要求的坯型剔出，保留符合要求的坯型。

步骤3：选坯调整，根据算式筛选出坯型组合；式中，PI表示定尺数，

表示选中的坯型(被选中为1，不被选中0)，X表示所选板坯块数，PIO表示客户订单所定块数。如果计算过程中无解，则令订单的钢板块数加1，重复步骤1计算，直到有解。

步骤4：建立选坯优化模型。

对含有约束的多目标优化问题，将多目标合成单一目标进行优化，根据成材率最大化建立数学模型，目标函数如下：

1)

2)

3)

式中，DSLBw表示板坯宽度，DSLBt表示板坯厚度，DSLBl表示板坯长度，X表示块数，ρ表示密度，MASS订单要求钢板重量。

步骤5：根据上一步构造的数学模型，利用遗传算法进行组坯，根据订单的需求选择出重量最小的板坯组合。

步骤6：确定出每种组坯的成材率，选择出成材率最大的坯型与块数。

本方法可以让用户需求以外的钢板生产数量尽可能到最小，在满足用户需要的情况下让板坯的投料量最小；此方法不但可以减轻库存压力，而且能减少投料数量，有效地提高成材率。本方法经初步测算每年可提高成材率0.2％，减少0.5％的订单要求以外钢板产出。

附图说明

图1成材率最大化物料形变过程图。

图2物料形变算法流程图。

图3遗传算法优化流程图。

具体实施方式

图1～图3为本发明的一种具体实施方式。

以中厚板厂生产数据为例，客户订单要求：钢板厚度为12mm、宽度为3360mm、长度为11600mm，块数为10块，重量为36.72吨。设备能力约束参数(单位mm)：1、加热炉约束：板坯最长度、烧损率；2、轧机约束：可轧制钢板的长度、宽度、厚度3、剪切线约束：剖分机、切边量、切头尾量；4、技术约束：展宽比、压缩比；5、质量约束；6、铸机约束：板坯厚度、宽度、长度，板坯长度的步长值。

步骤1根据订单要求，算法参数设定，将上述参数记录写入初始化模块。

步骤2通过物料形变算法反复循环进行钢板长度约束检查、钢板宽度约束检查，直到选出适合的长度与宽度，计算出母板的重量。

步骤3根据板坯宽展比约束条件找出板坯所有可能宽度。

步骤4根据板坯压缩比约束条件找出板坯所有可能厚度。

步骤5计算选出可能的坯型，下表是算法计算选择出的板坯规格及定尺数。

厚度mm	宽度mm	长度mm	定尺数
				250	2000	2975	3
250	1800	3350	3
				220	1600	2875	2
220	1800	3800	3

步骤6选坯调整，根据约束公式式中，PI表示定尺数，

表示选中的坯型(被选中为1，不被选中0)，X表示所选板坯块数，PIO表示客户订单所定块数10；该方程有3组解，计算结果如下表所示。

步骤7根据成才率最大化原则，建立选坯优化模型。

步骤8根据步骤7构造的数学模型，利用遗传算法进行组坯。

1)算法的初始化模块采用抗体编码方式产生初始种群，初始种群的个体代表一个坯型的成才率，同时对初始种群的各抗体进行可行化处理，并计算其函数适应值，记录最优个体，对抗体记忆库进行更新。

2)修复个体，对不满足约束条件的个体，按照匹配模式进行修复。

3)确定评价函数适应度。

4)采用比例选择算法，确定交叉率为0.9、变异率为0.1。

5)进化收敛判断，收敛性由个体平均适应度变化率Δf_avg＜＝5％来判断，当进化过程达到一定阶段时，考察此阶段中各代的个体平均适应度变化率，若此指标持续地达到或小于许可的精度范围，则认为进化过程相对稳定，基本收敛，否则继续进化。

6)修复最优个体，选择适应度最大的作为最优个体。

步骤9根据订单的需求选择出重量最小的板坯组合。

选择成材率最大的坯型及其块数，最终的解为：

DSLBt1＝250，DSLBw1＝2000，DSLBl1＝2975，X1＝2；

DSLBt2＝220，DSLBw2＝1600，DSLBl2＝2875，X2＝2。

Claims (1)

1.一种定尺钢板成材率最大化的MES物料形变方法，其特征在于工艺步骤为：

步骤1：根据订单中产品规格：长宽厚、重量、块数以及工艺质量要求，考虑到切损、烧损、压缩比、展宽比约束条件，利用定尺板物料形变算法，预计算出所有可能的坯型；

物料形变步骤：

订单要求的钢板厚度为TO、宽度为WO、长度为LO，块数为PIO，重量为MASSO，产品参数：板坯最小长度DSLBLmin、最大长度DSLBLmax；可轧制钢板的最小长度PLMELmin、最大长度PLMELmax、最小宽度PLMEWmin、最大宽度PLMEWmax、最小厚度PLMETmin、最大厚度PLMETmax；板坯厚度DSLBt、板坯宽度DSLBw可能值、板坯长度的步长值STEP；

1)：计算钢板定尺：PI＝floor(PLMELmax/LO)；

2)：计算钢板的生产长度：L＝LO*PI+切头尾量；

3)：钢板长度约束检查：如果L＞PLMELmax，令PI＝PI-1，返回1；如果直到PI＝1时，仍L＞PLMELmax，无解，系统给出设备长度生产能力无法满足用户要求提示；

4)：检查钢板是否剖分：计算WIDTH_CMB＝ceil(PLMEWmin/WO)，其值为1不需要，大于1需要；

5)：计算钢板的生产宽度：W＝WO*WIDTH_CMB+切边量；

6)：钢板宽度约束检查：如果W＞PLMEWmax，令WIDTH_CMB＝WIDTH_CMB-1，返回5)；如果直到WIDTH_CMB＝1，仍W＞PLMEWmax，无解，系统给出设备宽度生产能力无法满足用户要求提示；

7)：计算将要生产的钢板重量PLMEmass＝T*W*L*7.85/1000000(Kg)；

8)：根据板坯展宽比(W/DSLBw)约束条件找出板坯可能宽度DSLBw，如果没有宽度满足要求，无解，系统给出展宽比无法满足用户要求提示；

9)：针对每一个可能宽度做以下计算：

a)根据板坯压缩比(DSLBt/TO)约束条件，找出可能的板坯厚度DSLBt；如果对所有宽度都没有厚度满足要求，无解，系统给出压缩比无法满足用户要求提示；

b)根据铸机约束，由板坯宽度和每一个可能的板坯厚度，计算出板坯的可能长度DSLBl＝ceil(PLMEmass/(DSLBw*DSLBt*(1-烧损率)*7.8/1000000)/STEP)*STEP；

c)根据加热炉约束条件，如果DSLBl在DSLBLmin～DSLBLmax之间，则记录此时PI及相应板坯尺寸；然后令PI＝PI-1，重复循环步骤2)计算过程，保留DSLBl在DSLBLmin～DSLBLmax之间时的相应PI及板坯尺寸，一直循环计算到PI＝1；如果PI从floor(PLMELmax/LO)到1，没有DSLBl在DSLBLmin～DSLBLmax之间，无解，系统给板坯规格无法满足用户要求提示；

10)：检查是否存在DSLBl在DSLBLmin～DSLBLmax之间，存在则进行下一步处理；

步骤2：从计算出的所有可能的坯型进行预处理，在满足企业设备生产能力约束条件下，筛选出能够使用的坯型，把不符合要求的坯型剔出，保留符合要求的坯型；

步骤3：选坯调整，根据算式

筛选出坯型组合；式中，PI表示定尺数，

表示选中的坯型：被选中为1，不被选中0，X表示所选板坯块数，PIO表示客户订单所定块数；如果计算过程中无解，则令订单的钢板块数加1，重复步骤1计算，直到有解。

步骤4：建立选坯优化模型

对含有约束的多目标优化问题，将多目标合成单一目标进行优化，根据成材率最大化建立数学模型，目标函数如下：

1)

2)

3)

式中，DSLBw表示板坯宽度，DSLBt表示板坯厚度，DSLBl表示板坯长度，X表示块数，ρ表示密度，MASS订单要求钢板重量；

步骤5：根据上一步构造的数学模型，利用遗传算法进行组坯，根据订单的需求选择出重量最小的板坯组合；

步骤6：确定出每种组坯的成材率，选择出成材率最大的坯型与块数。

Images