CN102419581A - 一种基于hrcea的特殊钢厂炼钢-连铸生产调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于混合规则和压缩-扩张算法(hybrid of rules and compression-extensive algorithm，HRCEA)的特殊钢厂炼钢-连铸生产调度方法。该调度方法通过对炼钢-连铸生产流程解析得出模型及算法参数，根据已知的生产浇次计划，采用HRCEA制定出初始生产调度计划；通过建立的调度规则和反馈的实时数据，利用HRCEA对后续各炉次作业计划进行调整，实现动态调度。该方法以合理加快生产节奏、缩短生产过程时间为目标，考虑了钢厂设备状况、生产的钢种及其温度要求，能够快速编制出可执行的生产调度计划，有助于调度人员对调度方案实时调整，优化炼钢-连铸过程的生产调度。

Description

一种基于HRCEA的特殊钢厂炼钢-连铸生产调度方法

技术领域

本发明属于炼钢-连铸生产计划与调度领域，特别涉及一种基于HRCEA的特殊钢厂炼钢-连铸生产调度方法。

背景技术

炼钢-连铸区段在特殊钢生产过程中占有重要地位，铁水经炼钢炉、精炼装置、连铸机，变成钢坯。特殊钢生产流程具有设备多、模式多、路线多、扰动多的特点。炼钢-连铸生产调度是指根据生产计划，确定各个浇次计划在相应连铸机的开浇时刻以及各个炉次计划在相应设备的作业开始及结束时刻，即生产调度计划；同时，执行生产调度计划，并根据实际生产过程中的不确定性因素，对其进行重新编排的过程。制定合理的生产调度方案，能够使各生产炉次在各工序上时间、温度、钢水成分符合要求，生产高效、低耗、连续、稳定运行。目前，在钢厂生产计划调度方面已有多个专利，如“CN101908092A(一种炼铁炼钢连铸一体化调度系统)”采用启发式算法生成铁水预处理-连铸区段静态调度，再应用混合遗传算法实现动态调度，最终实现铁水预处理-连铸区段快速、灵活的在线调度；“CN101520656A(一种炼钢连铸生产在线多模式时间优化调度方法)”充分考虑了工艺约束、设备约束和调度人员各种方式的决策要求，减少了人工调整计划次数，缩短了在线调度时间，减少了钢水冗余等待时间；“CN101339634A(考虑钢水驻留时间期限的炼钢连铸生产调度方法)”采用单亲遗传算法得到了较好的炼钢-连铸生产作业计划；“CN101907884A(炼钢-精炼-连铸生产过程的调度方法)”在给定的计划周期、设备分配、加工顺序的约束条件下，使钢水在各工艺设备上具有一个最佳的到达温度，不仅能够在保证原有调度计划的设备分配和加工顺序不变的情况下满足炼钢-精炼-连铸生产过程工艺要求，还能够有效提高产品质量，降低能源消耗；“CN1556486A(一种一体化的钢铁企业生产过程在线调度系统与方法)”将生产计划自动编制与在线实时调度融为一体，适用于具有混合流程特点的钢铁企业生产过程；“CN1598834A(基于规则的特钢行业生产动态调度方法)”提供一种基于规则的调度方法，可以快速进行排产及重排产；“CN1614618A(一种炼钢连铸生产在线动态调度方法)”可以缩减能源和库存成本，减轻生产组织成员劳动强度，提高计划兑现率；“CN101739006A(基于时间窗的炼钢-精炼-连铸生产过程的调度方法及装置)”形成炼钢-精炼-连铸生产过程的基于时间窗的生产调度计划，生产管理人员不仅能够知道各工序的最早开始时间，同时，也知道在不影响计划目标的前提下各工序的最晚开始时间，从而可以在生产过程中出现意外因素时及时对调度计划进行调整；“CN101770615A(基于混合智能优化算法的炼钢-连铸生产作业计划与实时调度优化方法与系统)”考虑了设备以及炉次之间可能的冲突，提供了生产环境变化条件下的重计划与重调度功能，方便调度人员根据人工经验进行调度方案的调整。

然而，前述专利只是对静态调度、动态调度的方法进行了有益的探讨，并没有将生产模式以及生产过程中的关键因素进行考虑。毫无疑问，综合考虑生产过程中的各种因素，使生产组织顺行，遇到突发事件时能够减少物流滞留时间、降低能源消耗，是生产调度的发展趋势。本发明旨在提供一种将生产过程中尽可能多的因素予以考虑且简单易行的调度方法，以提高调度系统在实际执行过程中的可靠性。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种基于HRCEA的特殊钢厂炼钢-连铸生产调度方法。它可以对特殊钢厂的炼钢-连铸生产过程进行调控，使物流衔接更加紧凑，以达到有效控制生产、应对生产异常的目的。

实现本发明的技术方案如下：

1.炼钢-连铸生产流程解析

通过对炼钢-连铸生产流程进行解析，获取生产调度所需要的基本参数，具体包括如下几个方面：

(1)设备状况统计

对于特殊钢厂，生产不同的钢种需要不同的设备，而每一台设备也有自身的特性，因此，有必要对所研究钢厂的生产设备状况进行统计，进而得出最佳生产组织模式。

(2)设备作业周期统计

由于原材料成分不同，钢种不同，终点成分要求不同，设备配置不同，故不同钢种甚至同一钢种在不同设备上的作业周期会有不同。通过对历史数据进行分析，可以得出各钢种在不同设备上的作业周期，并将其保存至数据库中，以备调用。

(3)设备间距离统计

炼钢厂各个设备之间距离不同，使得作业过程中不同作业路线的运输时间不同。通过测量不同设备间的距离，并记录相应的运输时间，也将对调度安排有重要意义。

(4)生产过程温降速率统计

各工序对不同钢种都有相应的温度要求，通过合理的调度，使钢水到达不同工序时满足温度要求是调度的重点。为此，需要对历史数据进行统计，得出不同工序间的温降速率，然后，再根据调度时间的安排，估算出钢水到达下一工序时的温度。这样就能够使钢水到达各设备时，同时满足对时间和温度的要求。

2.炼钢-连铸生产调度模型的建立

本发明的炼钢-连铸生产调度模型是在生产过程无设备、时间冲突的情况下，以缩短生产过程时间为目标。通过缩短生产等待时间，提高设备利用率，达到最终提高经济效益的目的。为便于叙述，引入下列符号：

m-总浇次数；

n-总炉次数；

L-总设备数；

i-浇次号，i＝1，2，...，m；

n_i-第i浇次所包含的炉次数，满足

j-炉次号，j＝1，2，...，n_i；

k-工序代码，k＝1，2，3(分别对应冶炼、精炼、连铸工序)；

l-设备号，l＝1，2，...，L；

-第i浇次第j炉次在工序k计划作业开始时刻；

-第i浇次第j炉次在工序k实际作业开始时刻；

-第i浇次第j炉次在工序k计划作业结束时刻；

-第i浇次第j炉次在工序k实际作业结束时刻；

-第i浇次第j炉次在工序k计划作业周期；

-第i浇次第j炉次在工序k实际作业周期；

-第i浇次第j炉次在工序k最小作业周期；

-钢包回转台转动时间；

-回转台待浇时间；

-CC1的浇注周期(CC1指1号连铸机)；

-第k-1工序到第k工序间的运输时间(k＝2，3)；

-第i浇次的计划开浇时刻；

t_EA-同一台连铸机生产浇次之间的设备调整时间；

d_k，k+1-工序k与工序k+1之间的距离，m(k＝1，2)；

v_crane-天车移动速度，m/min；

v_k，k+1-工序k与工序k+1之间的温降速率，℃/min(k＝1，2)；

T_k+1，s-钢水到达工序k+1的要求温度，℃(k＝1，2)。

下面为本发明所建立的炼钢-连铸调度模型：

$\min z=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n_i}{\mathrm{\Σ}}}[(t_{i,j,k,\mathrm{re}}^{\mathrm{SE}}-t_{i,j,k,\min }^{\mathrm{SE}})+\underset{k=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}\frac{d_{k,k+1}}{v_{\mathrm{crane}}}]\·e_1\·e_2---\left(1\right)$

s.t.

$t_{i,j,k}^S-t_{i,j,k-1}^E\≥0$ (i＝1，2，...，m；j＝1，2，...，n_i；k＝2，3)                        (2)

$t_{i,j,k}^E=t_{i,j,k}^S+t_{i,j,k}^{\mathrm{SE}}$ (i＝1，2，...，m；j＝2，3，...，n_i；k＝1，2，3)                     (3)

(i＝1，2，...，m；j＝2，3，...，n_i；k＝1，2，3)                                                         (4)

$\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{i,j,k,l}=1$ (i＝1，2，3，...，m；j＝2，3，...，n_i；k＝1，2，3)                  (5)

(i，i′＝1，2，...，m；j＝1，2，...，n_i；j′＝1，2，...，n_i′；k＝1，2，3；j与j′为同一设备生产的两个相邻炉次，j为j′前一炉次)                       (6)

$t_{i,j,3}^E=t_{i,j-\mathrm{1,3}}^S+t_{i,j-\mathrm{1,3}}^{\mathrm{SE}}$ (i＝1，2，...，m；j＝2，3，...，n_i)                                 (7)

$t_{i^{\′},\mathrm{1,3}}^S=t_{i,n_i,3}^E+t_{\mathrm{EA}}$ (i＝1，2，...，m；i′与i为同一台连铸机生产的相邻浇次，且i′位于i后) (8)

(k＝1，2)                                                           (9)

以上各式中，式(1)为基于缩短生产过程时间建立的目标函数，式(2)～(9)为目标函数对应的约束条件。其中，式(2)表示某一炉次在某一工序作业结束时刻早于其在下一工序作业开始时刻；式(3)表示各设备连续生产约束；式(4)、(5)表示一台设备不能同时生产多个炉次；式(6)为设备析取约束系数；式(7)为同一个浇次内不同炉次之间满足连铸机连浇约束；式(8)表示连铸机生产的不同浇次之间有一个设备调整时间；式(9)为各工序温度约束系数。

3.求解算法(HRCEA)设计

(1)生产模式设定

设定炼钢-连铸生产流程的最佳生产模式，以简化生产流程，提高作业效率。

(2)压缩过程

在压缩过程，各工序作业周期取最小值，各工序作业时刻可由连铸工序逆向倒推计算出来：

$t_{i,\mathrm{1,3}}^S=t_i^S---\left(10\right)$

$t_{i,j,k}^S=t_{i,j,k}^E-t_{i,j,k,\min }^{\mathrm{SE}}---\left(11\right)$

$t_{i,j,k-1}^E=t_{i,j,k}^S-t_{i,j,(k,k-1)}^T---\left(12\right)$

式(10)表示每一浇次的第一炉次在连铸工序的开始时刻为该浇次的开浇时刻；式(11)表示某一工序的作业开始时刻可由该工序的作业结束时刻减去最小作业周期倒推得到；式(12)表示前一工序的作业结束时刻可由后一工序的作业开始时刻减去两工序间的运输时间倒推得到。

(3)扩张过程

根据压缩过程计算出的各工序开始作业时刻序列，判断其是否符合每台设备只能同时生产一个炉次的要求。判断方法如下：

For i＝1 to m

For j＝1 to n_i

If $t_{i,j,k}^S-t_{i,j-1,k}^S<t_{i,j,k,\min }$

Then $t_{i,j,k}^S=t_{i,j-1,k}^S+t_{i,j,k,\min }$

通过调整，得到符合实际生产调度方案，并下达到各工位执行。

4.动态调度方法

在炼钢-连铸生产过程中，经常会发生扰动，原定的作业计划可能需要经常调整。动态调整的目标是尽量满足连铸机连浇，利用缓冲设备处理生产过程异常状况，尽量减少对原定计划的修改。针对不同的扰动，可以采取以下规则集进行调整：

规则1：若炼钢炉出钢时刻延迟，延迟时间在精炼工序缓冲范围内，则利用精炼工序进行缓冲，不影响后续炉次作业时间；

规则2：若炼钢炉出钢时刻延迟，延迟时间不在精炼工序缓冲范围内，则利用连铸机进行缓冲，后续炉次在各工序作业时刻相应延迟；

规则3：若炼钢炉出钢延迟时间大于精炼工序和连铸工序缓冲时间之和，则连铸机停浇；

规则4：若某设备出现故障，造成此设备上作业结束时刻延迟，若延迟时间在缓冲时间范围内，则原计划不变，否则，此设备上后续炉次作业时刻相应延迟；

规则5：各浇次开浇第一炉次，根据不同的钢种相应提高出钢温度；

规则6：若某个设备上作业结束时刻提前，在情况允许的范围内，可通过提前下一工位作业时刻，并调整后续炉次作业时间，以增加产量。

实时调整过程中，各设备上的作业时间可由以下公式按冶炼工序→精炼工序→连铸工序正向推出。

$t_{i,j,k,\mathrm{re}}^E=t_{i,j,k,\mathrm{re}}^S+t_{i,j,k,\mathrm{re}}^{\mathrm{SE}}$ (i＝1，2，...，m；j＝1，2，...，n_i；k＝1，2，3)    (13)

$t_{i,j+1,k,\mathrm{re}}^S\&GreaterEqual;t_{i,j,k,\mathrm{re}}^E$ (i＝1，2，...，m；j＝1，2，...，n_i-1；k＝1，2，3)  (14)

$t_{i+\mathrm{1,1},k,\mathrm{re}}^S=t_{i,n_i,k,\mathrm{re}}^E+t_{\mathrm{EA},\mathrm{re}}$ (i＝1，2，...，m-1；k＝1，2，3)                    (15)

$t_{i,j,k+1,\mathrm{re}}^S=t_{i,j,k,\mathrm{re}}^E+\frac{d_{k,k+1}}{v_{\mathrm{crane}}}$ (i＝1，2，...，m；j＝1，2，...，n_i；k＝1，2)       (16)

其中，式(13)表示某工序实际结束时刻可根据该工序实际作业周期进行调整，式(14)、(15)分别表示同一设备同一浇次、相邻浇次的前后炉次之间的作业时刻调整方法，式(16)表示同一炉次不同工序间的作业时刻调整方法。根据调整规则，通过不断修改调度计划，则可达到动态调度的目的。

本发明的主要优点为：

(1)本发明采用HRCEA将调度规则与压缩-扩张算法结合起来，能够对生产过程不必要的等待时间进行压缩，具有计算量小、效率高、实时性好的优点；

(2)本发明能够在浇次计划的基础上，制定出满足连铸机连浇、生产过程无设备和时间冲突、满足各工位温度要求的生产调度计划，可以有效指导生产执行过程；

(3)本发明可以根据生产实时信息的反馈，快速实现动态调度，辅助调度人员决策。

附图说明

图1为调度过程示意图；

图2为HRCEA求解调度方案流程图；

图3为某特钢厂炼钢-连铸调度甘特图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

钢厂炼钢-连铸生产调度是指根据生产计划，确定各个浇次计划在相应连铸机上的开浇时刻以及各个炉次计划在相应设备上作业开始及结束时刻，即生产调度计划；同时，执行生产调度计划，并根据实际生产过程中的不确定性因素，对其进行重新编排的过程。本发明设计的调度实施过程包括解析生产流程、建立调度模型、设计求解算法、实现动态调度，如图1所示。

本发明的核心在于，建立了以缩短生产过程时间为目标的炼钢-连铸生产调度模型，且满足连铸机连浇、无设备冲突、钢水温度符合要求，采用HRCEA对模型进行求解，得出合理的生产调度方案。HRCEA的流程图如图2所示。在对炼钢-连铸生产流程解析的基础上，设计合理的生产模式，并以此模式简化调度过程，通过对生产时间压缩和扩张，消除过程冲突，得到合理的生产调度方案。

下面以某特钢炼钢厂为例，对本发明作进一步详细说明。

该特钢厂有3座转炉、3个氩站、2座LF、3台连铸机，生产多个钢种，主要工艺路线有“BOF→Ar站→CC”和“BOF→LF→CC”两种。采用本发明所述调度方法，按如下步骤进行调度方案设计：

首先，对炼钢-连铸生产流程解析，统计各钢种在各工位的作业周期、各设备生产的钢种、各设备间距离、目前主要作业路线以及各工艺路线的温降速率等信息。

其次，设定合理的生产模式，主要生产模式为“BOF1→LF1→CC1；BOF2→Ar2→CC2；BOF3→LF2→CC3”，辅助生产模式为“BOF1→Ar1→CC2”。其中BOF1(2、3)指1(2、3)号转炉，LF1(2)指1(2)号LF，Ar1(2)指1(2)号Ar站，CC1(2、3)指1(2、3)号连铸机。

最后，采用HRCEA进行求解，得出如图3所示的调度甘特图。

经验证，该调度方案无设备、时间冲突，能够满足各工位温度要求，与实际调度情况相比，3个浇次计划内，生产过程等待总时间由339min降至191min，缩短了43.7％。该方法缩短了生产周期，提高了生产设备的利用率。

Claims (5)

1.一种基于HRCEA的特殊钢厂炼钢-连铸生产调度方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)对炼钢-连铸生产流程进行解析，得到车间设备的布置状况及各设备的生产要求，对历史数据进行统计分析，得到不同设备生产不同钢种时的作业周期范围，以及不同作业路线下的温降速率；

2)在对炼钢-连铸生产流程进行解析的基础上，得到当前车间布置状况的最合理生产组织模式；

3)构建以缩短生产过程时间为目标的炼钢-连铸生产调度模型；

4)在浇次计划的基础上，采用HRCEA对调度模型进行求解，得到初始调度计划；

5)根据实际生产过程中各工位调度子系统的实时反馈，对初始调度计划进行实时修正，达到动态调度的目的。

2.根据权利要求1所述的基于HRCEA的特殊钢厂炼钢-连铸生产调度方法，其特征在于：所述调度方法能适应特殊钢厂炼钢-连铸生产过程，该过程是一个准连续或间歇的复杂的生产过程，对时间、温度、钢水成分都有严格的要求，具有设备多、模式多、路线多、扰动多的特点，致使调度过程制约条件众多。

3.根据权利要求1所述的基于HRCEA的特殊钢厂炼钢-连铸生产调度方法，其特征在于：HRCEA包括调度规则和压缩-扩张算法，通过调度规则确定合理的生产组织模式，通过压缩-扩张算法缩短生产过程时间。

4.根据权利要求1所述的基于HRCEA的特殊钢厂炼钢-连铸生产调度方法，其特征在于：生产过程时间计算采用压缩-扩张算法，其步骤为：

步骤1：压缩过程：

1)由炼钢-连铸生产过程解析得到的各工位作业周期范围，得到不同钢种在各工位作业周期的最小值，在计算各工序作业时刻时，采用最小作业周期进行计算，即将生产作业时间压缩至最短；

2)得到各个炉次在炼钢、精炼、连铸工序的作业开始及结束时刻。

步骤2：扩张过程：

比较由步骤1得到的同一台设备上加工的前后炉次的作业时刻，判断其是否有冲突，若无冲突，则执行该计划；否则，在各工位作业周期范围内，调整有冲突的时间，即增加其作业周期，使计算出的各工位作业时刻无冲突，符合实际要求。

5.根据权利要求1所述的基于HRCEA的特殊钢厂炼钢-连铸生产调度方法，其特征在于动态调度方法：

建立炼钢厂总调度系统，并在各工位建立调度子系统，负责生产调度计划的执行，并将实时数据向总调度系统的反馈。通过对实际生产过程与原定作业计划的实时比较，对原定调度计划进行调整：若有时间冲突，利用精炼工序的缓冲能力对有冲突炉次进行调整，而尽量不改变其他炉次计划；若仍有冲突，则根据实际情况相应调整后续炉次计划，直至消除冲突。

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