钢轧一体化生产计划的体系结构

张文学 王 晶

[摘 要] 制造执行系统是钢铁企业信息化的核心,钢轧一体化生产计划系统则是钢铁企业制造执行系统的关键功能之一,能实现订单、工艺、质量、设备和生产等各种信息的高度集成和处理。本文分析了钢轧一体化生产计划问题的特点,提出了钢轧一体化生产计划的体系结构模型,并分别从层次的观点、过程的观点、功能的观点和集成的观点深入地探讨了钢轧一体化生产计划体系结构模型的核心内容。其中,层次观点对定位和界定钢轧一体化生产计划起着重要的作用;功能结构观点为构筑基于组件技术的钢轧一体化生产计划系统提供了功能结构和技术框架;过程观点明确了钢轧一体化生产计划内部过程的循环结构,体现出钢轧一体化生产计划是联系各个外部系统的主线;集成观点强调协调炉次批量计划、浇次批量计划和轧制批量计划在钢轧一体化生产计划编制中的作用。本文有利于拓展钢轧一体化生产计划问题的建模思路和求解方法,对钢轧一体化管理系统的开发具有一定的指导意义。

[关键词] 一体化生产计划;体系结构;炼钢-连铸-热轧;制造执行系统

doi : 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2009 . 21 . 010

[中图分类号]TP27 [文献标识码]A[文章编号]1673 - 0194(2009)21 - 0036- 04

1 引 言

随着生产方式的演变和信息技术的进步,制造执行系统(Manufacturing Execution System, MES)作为集成ERP、CRM、SCM等企业级业务计划系统和过程控制系统的一条有效的途径,正在受到越来越广泛的关注[1][2]。对钢铁企业而言,钢轧一体化生产计划是钢铁企业MES的关键功能之一,起着将订单、工艺、质量、设备和生产等各种信息紧密连接在一起的核心作用[3][4]。但是,由于各钢铁企业的生产组织方式互不相同,尤其以钢轧一体化生产方式(包括板坯装炉温度700℃～1000℃的热装工艺和板坯装炉温度1150℃～1200℃的直轧工艺)为主组织生产的企业很少,因而迄今没有完整的钢轧一体化生产计划的理论和方法体系[5][6]。本文将以层次的观点、集成的观点、功能的观点和过程的观点深入研究钢轧一体化生产计划的体系结构。

2 钢轧一体化生产计划的特点

钢轧一体化生产计划是将钢铁企业炼钢、连铸和热轧三大关键工序有机集成实现整体优化的多工序多约束组合优化问题,其目标是在特定的资源下,使生产过程中各工序之间保持物流平衡和时间平衡;最小化操作成本,最大化直送率、准时交货率和设备利用率。钢轧一体化生产计划的主要特点如下:

(1) 强调全局最优化

在钢轧一体化生产方式下,炼钢阶段、连铸阶段和热轧阶段的生产计划不能独立制订,必须将三大工序作为一个有机的整体,综合考虑前后工序的生产连续性和生产节奏的匹配,通过对整个生产过程的物流和信息流的同步管理,实现炉次计划、浇次计划和轧制计划的协调一致,达到整个生产过程的全局优化。

(2) 浇次计划和轧制计划之间协调困难

浇次计划要求板坯钢种相同、宽度相同和厚度相同的约束可能会导致制订轧制计划时板坯的选择范围受限制;而轧制计划要求板坯宽度由窄到宽然后又由宽到窄的过渡约束以及同宽度板坯连续轧制长度受限的约束,可能导致能够装入同一炉次生产的板坯数量不足,不能形成浇次计划。这种各阶段工艺约束相互制约的情况导致浇次计划和轧制计划之间很难协调。

(3) 浇次计划和轧制计划存在多对多关系

连铸机中间包能力与热轧机轧辊能力不平衡,和连铸机的模变限制与轧机的同宽轧制长度限制必然导致浇次计划和轧制计划之间存在多对多的关系。

3钢轧一体化生产计划的体系结构

3.1 钢铁企业MES功能模型

随着生产方式和信息技术的发展所带来的制造环境的变化,MES的层次模型、集成模型、功能模型和过程模型 (REPAC模型)等被相继提出,它们从不同的角度揭示了MES的内涵[1]。上述MES模型和文献[1]给出的钢铁企业MES功能结构(如图1所示)对建立钢轧一体化生产计划体系结构具有重要参考作用。图1中作业计划和生产调度功能在层次结构中承上启下,连接业务计划系统和过程控制系统,进行内部各功能之间的信息集成。

3.2 钢轧一体化生产计划的体系结构模型

基于上述分析,本文提出钢轧一体化生产计划的体系结构模型如图2所示,它针对钢轧一体化生产计划的特点,明确了其在信息化体系中的位置,并突出了其核心作用。模型的详细分析见3.3节。

3.3 钢轧一体化生产计划的体系结构分析

(1) 层次的观点

从全局看,钢铁企业生产计划与调度一般分为5层,从上到下依次为总体计划层、主生产计划层、批量生产计划层、作业生产调度层和实时生产调度层。钢轧一体化生产计划属于批量生产计划层,其输入是由客户订单经库存匹配和能力匹配后形成的工序订单,输出是被下发到作业生产调度层的钢轧一体化生产计划。

从局部看,包含钢轧一体化批量计划编制和钢轧一体化生产计划编制两层:钢轧一体化批量计划编制的结果是钢轧一体化批量计划,但每个钢轧一体化批量计划之间没有先后生产顺序,且不包括烫辊材部分。钢轧一体化生产计划编制的作用是按照订单的交货期约束、库存约束和其他工艺约束等合理地优化钢轧一体化批量计划之间的先后生产顺序,以提高准时交货率和降低库存水平,并编制相应的烫辊材计划。

(2) 功能的观点

从全局看,钢轧一体化生产计划与订单计划、生产调度、物料跟踪、设备管理、质量管理、工艺管理、库存管理和数据管理等8种系统关联。这表明钢轧一体化生产计划不但应该保持内部的完整性和一致性,还要与外部环境中的相关系统取得统一。

从局部看,钢轧一体化生产计划的作用是综合考虑产品的交货期、工艺约束条件以及设备的可用性,平衡能力和物流,优化生产顺序和时间顺序,协调从订单投入到产品完成的整个生产过程。

(3) 过程的观点

从全局看,REPAC模型与钢铁生产业务过程的对应关系为:准备过程对应于工艺管理系统;执行过程对应于物料跟踪、设备管理以及质量管理功能;处理过程对应于过程控制系统;分析过程对应于数据分析功能;协调过程对应于生产计划和生产调度功能[2]。

从局部看,REPAC模型与钢轧一体化生产计划过程的对应关系表现在以下两个方面。

首先,就钢轧一体化批量计划编制模块而言:①准备过程是根据炼钢、连铸和热轧等工艺约束和订单对产品规格与质量的要求对工序订单进行板坯设计,形成待生产的虚拟板坯。并根据连铸工序能力和热轧工序能力的匹配情况,确定单个钢轧一体化批量计划中包含的浇次计划数和轧制单元数。②执行过程对应于编制炉次批量计划、浇次批量计划和轧制批量计划,但编制每种批量计划时都兼顾其他批量计划对应的工艺限制。③处理过程对应于评价功能,通过各种指标,如订单完成率、产能发挥率、无委材率和前后工序板坯次序匹配率等评价钢轧一体化批量计划的优劣,决定是接受还是放弃该计划。④分析过程对应于跟踪功能,记录哪些板坯因何种原因未被编入批量计划和跟踪从下层反馈回来的信息。⑤协调过程对应于调整功能,根据已经编制的情况和跟踪功能提供的信息合理地安排每种钢种的浇次大小和具体属于哪些浇次,并在同一个钢轧一体化批量计划内调整板坯的浇铸次序和轧制次序,实现钢轧一体化批量计划的优化。

其次,对钢轧一体化生产计划编制模块而言:①准备过程是获取钢轧一体化批量计划、烫辊材板坯和相关的基础数据。②执行过程对应于合理地安排各个钢轧一体化批量计划之间的先后生产顺序,以及为其作出烫辊材部分的计划。③处理过程对应于评价功能,通过计算整体的订单完成率、产能发挥率、无委材率和库存水平等决定是否放弃一些劣质的钢轧一体化批量计划。④分析过程对应于跟踪功能,一方面记录和统计当前的钢轧一体化批量计划,另一方面记录从作业生产调度层反馈回来的信息。⑤协调过程对应于调整功能,根据同钢种连浇优化的要求和跟踪功能提供的信息动态地优化各个钢轧一体化批量计划之间的先后生产顺序;甚至将相关信息反馈到钢轧一体化批量计划编制模块或主生产计划层。

(4) 集成的观点

从全局看,模型通过与上下层之间的接口可以避免信息孤岛的形成,从而获得钢铁企业MES系统的整体效果。

从局部看,钢轧一体化批量计划编制模块和钢轧一体化生产计划编制模块都突出体现了集成的思想。前者将炼钢、连铸和热轧三大工序看成一个有机的整体,通过各个计划之间的信息传递和共享,综合考虑组炉约束、连铸约束和轧制约束,并利用编制策略、优化模型和优化算法等编制协调一致的炉次批量计划、浇次批量计划和轧制批量计划。

后者不仅综合考虑交货期约束、库存约束、烫辊材约束和同钢种连浇优化要求等,静态地优化各个钢轧一体化批量计划之间的先后生产顺序和制订相应的烫辊材计划;而且必须动态地处理各种实时的作业生产调度层反馈信息,即根据编制策略、优化模型和优化算法等,动态地优化各个钢轧一体化批量计划之间的先后生产顺序和制订相应的烫辊材计划等。

总之,层次观点对定位和界定钢轧一体化生产计划起着重要的作用;功能结构观点为构筑基于组件技术的钢轧一体化生产计划系统提供了功能结构和技术框架;过程观点明确了钢轧一体化生产计划内部过程的循环结构,体现出钢轧一体化生产计划是联系各个外部系统的主线;集成观点强调协调三大批量计划在钢轧一体化生产计划编制中的作用。

4结 论

钢轧一体化生产计划不仅是钢铁企业内部的管理系统,而且在企业范围的信息集成中起着承上启下的重要作用。本文简要介绍了MES的各种模型和钢轧一体化生产方式;分析了钢轧一体化生产计划的特点,在此基础上提出了钢轧一体化生产计划的体系结构模型;着重以层次的观点、集成的观点、功能的观点和过程的观点等深入地分析了钢轧一体化生产计划体系结构模型的核心内容。本文为钢轧一体化生产计划数学模型的建立以及设计求解算法提供了基础,对钢轧一体化管理系统的开发具有一定的指导意义。

主要参考文献

[1]李铁克.制造执行系统模型综述与分析[J].冶金自动化, 2003 (4):13-17.

[2]李铁克,张文新,崔建双.钢铁企业制造执行系统的体系结构[J].冶金自动化, 2003(4):18-21.

[3]X H Xu, X Chen, L Z Guo, J D Tan, Integrated Management of Steelmaking, Casting and Hot Rolling [J].Automation Metallurgical Industry, 1997(3):1- 4.

[4]郑秉霖,胡琨元,常春光. 一体化钢铁生产计划系统的研究现状与展望[J]. 控制工程, 2003(1):6-10.

[5]许剑,吕志民,徐金梧,等.DHCR和DR一体化计划调度的体系结构研究及应用[J].钢铁, 2005, 40(12):55-58.

[6]L X Tang, J Y Liu. A Review of Planning and Scheduling Systems and Methods for Integrated Steel Production [J]. European Journal of Operational Research, 2001(1):1-20.

The Architecture of Integrated Production Plan for Steelmaking Continuous-casting Hot-rolling

ZHANG Wen-xue, WANG Jing

(School of Economics and Management, University of Science and Technology Beijing, Beijing100083, China)

Abstract: Manufacturing execution system (MES) is the core of iron and steel enterprises informationization, while the integrated production plan for steelmaking continuous-casting hot-rolling (IBP-SCH) is the key functions of MES for iron and steel enterprises. In this paper, the characteristics of IBP-SCH were analyzed, and the models of manufacturing execution system were introduced. Basis on this, the architecture of IBP-SCH was proposed. And the architecture is discussed from the viewpoint of hierarchy, function, process and integration. The hierarchy view played an important role in defining IBP-SCH; the functional view provided the functional structure and technical framework to build an information system of IBP-SCH; the process view verified the internal iterative structure of IBP-SCH, integrating various external information systems; integration view emphasized that the coordination of furnace batch planning, casting batch planning and rolling batch planning is significant in IBP-SCH information system. The architecture of IBP-SCH is beneficial to build the mathematical model and design solving algorithm. It provides a basis for the integrated management of steelmaking continuous-casting hot-rolling.

Key words: Integrated Production Plan; Architecture; Steelmaking Continuous-casting Hot-rolling; Manufacturing Execution System