钢管企业生产计划中管体长度优化计算模型与应用初探

李玉柱

钢管企业生产计划中管体长度优化计算模型与应用初探

李玉柱

文章以天津钢管制造股份有限公司产销一体化系统的实施过程为背景，结合企业特点，对钢管公司生产计划、生产排程进行论述，并以此为基础，阐述了生产计划中轧管管体长度优化计算模型与应用，通过总结，为同行业提供了一些参考。

生产计划 生产排程 管体长度计算

1.引言

随着钢管市场供需状况的不断变化，钢管制造企业正从过去以生产为中心的大批量制造模式，向以客户为中心的多品种、小批量制造模式转变。从市场角度看，由于充分考虑了客户的个性化需求，实现了按订单组织生产，从而提升了客户的满意度，将争取到最广泛的细分市场。从生产角度来看，小批量生产难以释放出企业的最大产能，企业内部将因产品结构复杂、频繁更换工具而增加生产成本。所以，如何在产能和销售订单之间达到平衡，既能实现产能相对最大，又能很好地满足客户的个性化需求，从而稳固市场，这是目前钢管企业摆脱困境、实现转型升级所面临的一个关键问题。

通过企业实践，解决上述问题的有效手段是：建立整体产销一体化系统，改变过去依靠人工计划和资源平衡的做法，通过建立在冶金规范和产品规范支撑下的产品质量设计和生产计划模型，实现由产销一体化系统，来进行生产计划的制定和排程，最终实现企业效益最大化。对于钢管企业来说，生产计划排程中的一个重点和难点问题是材料的计算，需要按照计算模型计算出轧制长度、分切数、目标长度、坯子断面、坯子的单倍长度、需坯支数、需坯吨数、成品计划支、成品计划吨等。

本文结合钢管公司特点，对产销一体化系统的生产计划、生产排程模块进行论述，并阐述了轧管管体长度优化计算模型，提高了成材率。

2.生产计划

钢管企业的生产计划管理，应综合生产和销售两方面的业务，以企业整体利益优先作为制定计划的原则，根据产线产能约束条件、市场需求情况、客户订单要求、产销历史数据等，利用有效的材料计算模型进行制定。通过对订单各加工工序占用能力的计算，进行工序能力平衡，从而制定可同时满足订单交货期、工序设备状况、工序加工标准、物流平衡等条件的生产计划。

2.1 产能控制下的销售订单提报

根据各产线、机组的设备情况和生产的约束条件分配生产能力，以当月为N，对N+2个月内的销售订单进行中短期计划，在完成产能井设置、产能设定的基础上，在技术评审确认销售订单时，按照投井原则自动投入产能井。已经投入产能井的销售订单，经过商务评审生效后，由销售部门进行生产提报。

2.2 销售订单接收并建立生产订单

经销售部门提报的销售订单，在产品和冶金规范支撑下的质量、生产、材料设计之后，形成生产订单。生产订单代表了产品生产要求，不仅有具体的数量、质量、规格和交期要求，还有制程、生产工艺、投入物料、产出物料以及排产月份等信息，是各工序产线生产的基本依据。

针对石油套管的特性，在销售订单接收并建立生产订单的同时，要生成接箍生产所用备料管需求的内部生产订单，用于安排接箍用料的生产计划。备料管需求的内部生产订单和销售订单转化的生产订单，都要统一管理。

2.3 生产订单下发生成工序订单

对小批量的生产订单，要按一定的归并原则，归并成大的轧制批，组织轧管产线生产，达到提高产量、减少余材、方便管理的目的。下发工序订单时，系统会自动合并生产订单，原则是要考虑品种组合：质量组合、尺寸组合、生产顺序，兼顾生产限制条件、交货期和质量要求等。综合各方面的因素，按产出物料码、工序判定标准、长度等属性进行生产订单合并。

订单合并虽然只考虑了3个属性，但钢管生产的工序订单和相关计划项则有上百项。计划项是指“足以引起计划差异”的条件下，所要区分的字段项，例如不同的孔型规格会造成同一产线在相同时间内产能的差异，不同的退火温度需要在不同的生产批次来生产，这些也是不同的计划项。通常钢管企业所定义的计划项大约在100—300个之间，设定计划项要掌握平衡，太粗会影响计划的准确度，反之则会因项目太复杂而影响计划的效率。以钢管公司为例，计划项主要包括四大类：以品种、钢级、规格、扣型、标准、订货长度上限、订货长度下限等为主的产品说明；以孔型、芯棒直径、监制要求、工艺状态、公差、控制外径、控制壁厚等为主的工艺要求说明；以轧制长度、目标长度、分切、切头尾长度、机组、产线、管坯钢种、管坯断面、管坯倍尺等为主的投料说明；以成品计划支、成品计划吨等为主的制造数量说明，共约120项。生产订单下发生成工序订单的过程也就是逐步确定这120项计划项的过程。计划项确定之后，工序订单才具备下发的条件。

工序订单下发前先要进行利库，将无合同库存与欠料订单进行比对分配，依据物料码相同、尺寸要求符合的原则进行自动分配结合，并计算出各工序订单原料的净需求。

2.4 工序订单排程

天津钢管实行一级计划管理，由生产管理部门的专职人员对工序订单中的一级工艺统一进行确认，主要包括轧制组、热处理组和加工组，同时还需要确认可选钢种的范围、炼钢标准、轧管标准、坯料来源、坯分类等，各二级生产厂不能对这些项进行更改。在工序订单排程中，二级工艺由各厂的计划人员进行确认，主要内容包括轧制长度、铸坯定尺等内容。所以，工序订单排程主要有两个任务：一个是投入材料的计算，另一个是订单生产时间的排序。

销售订单经质量设计后，可获得该订单的制程和需要经过的工序以及在各段工序的生产质量检验标准和制造标准，经过质量设计的订单汇总后进行材料设计，在工序订单排程中要进行投入材料的计算。

要依据投入物料码和产线、机组小时能力等基础数据计算出工序订单的生产时间，按队列给出近期工序订单的开始和结束的生产时间，以此进行工序订单的排序。当产线调整或产线内轧制的孔型和所需铸坯的断面调整时，投料长度和生产时间都要重新计算。

3.管体长度优化计算

在工序订单排程中，各生产厂计划人员需要对系统根据制程和成品的订货长度计算出的轧制长度、分切数、目标长度进行确认，从而推算出管坯单倍长度、坯料支数，坯料吨数、成品计划支数、成品计划吨数等。经过系统优化的轧管管体生产长度是最大程度发挥生产设备能力、提高成材率的有利保证。例如，客户订单要求管子长度为10m-12.5m之间，而设备和工艺条件在很多环节都有限定，系统将根据销售成品定货长度和该工序订单选择的机组产线，计算出一个最优的生产轧制长度和管体目标长度。

3.1 管体长度计算公式

连轧后管体长度的计算公式：

Lg = Gp x Lp ×（1-X1）/(0.02466 × (Dg-S) × S) (1)

Gp= 7.8×3.1415926/4 × (Dp × D p）/ 1000 (2)

式中：

Lg ：连轧后管子长度,m

Lp ：铸坯单倍尺长度,m

Gp ：铸坯单米重,kg/m

Dg ：管子外径,mm

S ：管子控制壁厚,mm（合同壁厚，结合公差标准，计算轧管控制壁厚）

X1：烧损系数

Dp：管坯断面,mm

3.2 管体目标长度计算

（1）管体长度计算的基础数据

基础数据包括生产订单的制程所对应机组产线的环形炉工序点允许的管坯最大长度、管坯最小长度、连轧后冷床工序点允许的最大管体长度、烧损率以及产线物料码对应的切头尾长度等基础数据。

（2）连轧后管体长度Lg的计算

用工序订单制程中的轧管机组环形炉工序点允许的管坯最大长度，应用公式(3.1)、(3.2)计算出连轧后管体长度Lg，并与该产线的连轧后工序允许的管体最大长度比较，取最小值作为连轧后管体长度Lg。

（3）计算轧制长度LC、分切数Nfq 及目标长度Lm

在计算轧制长度之前，首先要把销售订单的成品长度下限和上限转化为工序订单的轧管单支管长度下限Ldmin和长度上限Ldmax。对于热轧成品管订单，则轧管单支管长度下限和上限一般情况下分别等于销售订单的成品长度下限和上限，但当成品长度上限要求小于等于7米时，则轧管单支管长度上限等于成品长度上限乘以2再加上0.01米，轧管单支管长度下限等于成品长度下限乘以2再加上0.01米。对于管加工成品管，需要加接箍、有扣型要求的订单，轧管单支管长度下限和上限要在成品长度要求下考虑接箍等因素按照一定原则给出，尤其对于需要经过镦粗工序的工序订单要考虑轧管长度加长。

有了工序订单的轧管单支管长度下限Ldmin和长度上限Ldmax，使用如下公式计算：

X = INT(（Lg -Lt）/ Ldmax)

Y = INT(（Lg -Lt/ Ldmin)

Z = Y-X

当Z＞=1 Nfq =X+1； LC= Lg

当Z＜1 Nfq =X； LC=X* Ldmax

Lm = （ LC - Lt）/ Nfq

式中：

Lg ：连轧后管子长度,m

Lt ：切头尾长度合计,m

Ldmax：轧管单支管子长度上限,m

Ldmin：轧管单支管子长度下限,m

LC ：轧制长度,m

Lm ：管体目标长度,m

Nfq ：分切数

对于单倍尺长度有要求的销售订单，要先计算出轧制长度和目标长度再计算分切数，其中目标长度是订货长度或者是订货长度减去一个或多个单倍尺的长度，且取值要大于等于订货长度下限。

Nw = INT (Ldmax / Lddbc) - INT (Ldmin / Lddbc)

LC 1 = INT（（Lg - Lt）/ Ldmax ) x Ldmax

LC 2 = INT（（Lg- Lt）/（ Ldmax - Lddbc ) ) ×（ Ldmax - Lddbc )

LCNw = INT（（Lg- Lt）/（ Ldmax -（Nw -1）× Lddbc ) ) ×（Nw -1）× Lddbc

LC = MAX(LC1 、LC 2.。。。。。LCNw)

Lm = Ldmax -（Nw -i）× Lddbc（对应最长的LC （Nw -i））

Nfq = （ LC - Lt）/ Lm

式中：

Lddbc ：销售订单要求的使用单倍尺长度,m

实际生产出来的管子的目标长度等于轧制长度减切头尾长度再除以分切数，确保目标长度介于销售订单成品长度的最大值和最小值之间，并使轧制长度尽可能长，提高成材率。对于有接箍的石油套管来说，由于成品管的最后长度是目标长度加上接箍测量J值，所以在目标长度的计算过程中要考虑接箍测量J值。

（4）计算管坯单倍长度Lp

依据第三步计算出的轧制长度LC作为管体长度，使用公式(1)、(2)推算管坯单倍长度Lp，并效验该值在该产线环形炉允许的管坯最大长度和最小长度之间。

（5）推算成品计划吨数和支数

依据第三步计算出的轧制长度LC，减去切头尾长度将得到一支倍尺管的长度。用该长度值乘以管子的单米重量，推算出一支倍尺管的理论重量，再依据销售订单的订货量和投料原则即可算出成品计划重量。用计划重量除以一支倍尺管的理论重量推算出计划倍尺管支数，再乘以分切数最终获得成品计划支数。

4.应用效果及结论

该管体长度优化计算模型的应用在产销一体化系统中，实现了销售订单到生产订单再到工序订单的自动转化，并在工序订单排程中，按照计划模型自动计算轧制长度、分切数、成品吨数和支数以及所需坯料的长度、倍尺、支、吨等。计划人员从原先的重复计算为主，逐步向审核确认的职能进行转变。切头尾等生产数据是从历年的实际生产计划中积累而来，通过加权平均等算法，获取近期用量最大的值做为本月的基础数据，因而具有较高的准确性。

目前，天津钢管制造有限公司建立了从炼钢、连铸、锻造、轧管、镦拔扩、热处理、管加工、接箍前后共8个大工序，每个大工序多条产线的联动排产优化计算模型，将3个炼钢产线、5个轧管产线和20多个热处理及管加工产线全部纳入系统管理，自动处理多种可能性并选出最优排产。整个过程充分考虑了成本、成材率、产品质量、交货期等各个方面因素，实现了轧制长度的优化，提高了成材率。通过优化炼钢单倍坯长，减少炼钢的单炉多分切，提高了生产效率。

科学合理的生产计划是企业有序、规范、高效生产的根本保证，精细协同编制从炼钢到轧管到热处理再到管加工的生产排程联动，建立跨上下游工序和本工序跨产线的联动排程，让上下游的工序都能掌握与其相关的炉批作业计划和执行情况，创造准时制生产环境，提供较精确的交期承诺。

（作者单位：天津钢管集团股份有限公司制造部）