張文學 王 晶

[摘 要] 制造執(zhí)行系統是鋼鐵企業(yè)信息化的核心,鋼軋一體化生產計劃系統則是鋼鐵企業(yè)制造執(zhí)行系統的關鍵功能之一,能實現訂單、工藝、質量、設備和生產等各種信息的高度集成和處理。本文分析了鋼軋一體化生產計劃問題的特點,提出了鋼軋一體化生產計劃的體系結構模型,并分別從層次的觀點、過程的觀點、功能的觀點和集成的觀點深入地探討了鋼軋一體化生產計劃體系結構模型的核心內容。其中,層次觀點對定位和界定鋼軋一體化生產計劃起著重要的作用;功能結構觀點為構筑基于組件技術的鋼軋一體化生產計劃系統提供了功能結構和技術框架;過程觀點明確了鋼軋一體化生產計劃內部過程的循環(huán)結構,體現出鋼軋一體化生產計劃是聯系各個外部系統的主線;集成觀點強調協調爐次批量計劃、澆次批量計劃和軋制批量計劃在鋼軋一體化生產計劃編制中的作用。本文有利于拓展鋼軋一體化生產計劃問題的建模思路和求解方法,對鋼軋一體化管理系統的開發(fā)具有一定的指導意義。

[關鍵詞] 一體化生產計劃;體系結構;煉鋼-連鑄-熱軋;制造執(zhí)行系統

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

[中圖分類號]TP27 [文獻標識碼]A[文章編號]1673 - 0194(2009)21 - 0036- 04

1 引 言

隨著生產方式的演變和信息技術的進步,制造執(zhí)行系統(Manufacturing Execution System, MES)作為集成ERP、CRM、SCM等企業(yè)級業(yè)務計劃系統和過程控制系統的一條有效的途徑,正在受到越來越廣泛的關注[1][2]。對鋼鐵企業(yè)而言,鋼軋一體化生產計劃是鋼鐵企業(yè)MES的關鍵功能之一,起著將訂單、工藝、質量、設備和生產等各種信息緊密連接在一起的核心作用[3][4]。但是,由于各鋼鐵企業(yè)的生產組織方式互不相同,尤其以鋼軋一體化生產方式(包括板坯裝爐溫度700℃～1000℃的熱裝工藝和板坯裝爐溫度1150℃～1200℃的直軋工藝)為主組織生產的企業(yè)很少,因而迄今沒有完整的鋼軋一體化生產計劃的理論和方法體系[5][6]。本文將以層次的觀點、集成的觀點、功能的觀點和過程的觀點深入研究鋼軋一體化生產計劃的體系結構。

2 鋼軋一體化生產計劃的特點

鋼軋一體化生產計劃是將鋼鐵企業(yè)煉鋼、連鑄和熱軋三大關鍵工序有機集成實現整體優(yōu)化的多工序多約束組合優(yōu)化問題,其目標是在特定的資源下,使生產過程中各工序之間保持物流平衡和時間平衡;最小化操作成本,最大化直送率、準時交貨率和設備利用率。鋼軋一體化生產計劃的主要特點如下:

(1) 強調全局最優(yōu)化

在鋼軋一體化生產方式下,煉鋼階段、連鑄階段和熱軋階段的生產計劃不能獨立制訂,必須將三大工序作為一個有機的整體,綜合考慮前后工序的生產連續(xù)性和生產節(jié)奏的匹配,通過對整個生產過程的物流和信息流的同步管理,實現爐次計劃、澆次計劃和軋制計劃的協調一致,達到整個生產過程的全局優(yōu)化。

(2) 澆次計劃和軋制計劃之間協調困難

澆次計劃要求板坯鋼種相同、寬度相同和厚度相同的約束可能會導致制訂軋制計劃時板坯的選擇范圍受限制;而軋制計劃要求板坯寬度由窄到寬然后又由寬到窄的過渡約束以及同寬度板坯連續(xù)軋制長度受限的約束,可能導致能夠裝入同一爐次生產的板坯數量不足,不能形成澆次計劃。這種各階段工藝約束相互制約的情況導致澆次計劃和軋制計劃之間很難協調。

(3) 澆次計劃和軋制計劃存在多對多關系

連鑄機中間包能力與熱軋機軋輥能力不平衡,和連鑄機的模變限制與軋機的同寬軋制長度限制必然導致澆次計劃和軋制計劃之間存在多對多的關系。

3鋼軋一體化生產計劃的體系結構

3.1 鋼鐵企業(yè)MES功能模型

隨著生產方式和信息技術的發(fā)展所帶來的制造環(huán)境的變化,MES的層次模型、集成模型、功能模型和過程模型 (REPAC模型)等被相繼提出,它們從不同的角度揭示了MES的內涵[1]。上述MES模型和文獻[1]給出的鋼鐵企業(yè)MES功能結構(如圖1所示)對建立鋼軋一體化生產計劃體系結構具有重要參考作用。圖1中作業(yè)計劃和生產調度功能在層次結構中承上啟下,連接業(yè)務計劃系統和過程控制系統,進行內部各功能之間的信息集成。

3.2 鋼軋一體化生產計劃的體系結構模型

基于上述分析,本文提出鋼軋一體化生產計劃的體系結構模型如圖2所示,它針對鋼軋一體化生產計劃的特點,明確了其在信息化體系中的位置,并突出了其核心作用。模型的詳細分析見3.3節(jié)。

3.3 鋼軋一體化生產計劃的體系結構分析

(1) 層次的觀點

從全局看,鋼鐵企業(yè)生產計劃與調度一般分為5層,從上到下依次為總體計劃層、主生產計劃層、批量生產計劃層、作業(yè)生產調度層和實時生產調度層。鋼軋一體化生產計劃屬于批量生產計劃層,其輸入是由客戶訂單經庫存匹配和能力匹配后形成的工序訂單,輸出是被下發(fā)到作業(yè)生產調度層的鋼軋一體化生產計劃。

從局部看,包含鋼軋一體化批量計劃編制和鋼軋一體化生產計劃編制兩層:鋼軋一體化批量計劃編制的結果是鋼軋一體化批量計劃,但每個鋼軋一體化批量計劃之間沒有先后生產順序,且不包括燙輥材部分。鋼軋一體化生產計劃編制的作用是按照訂單的交貨期約束、庫存約束和其他工藝約束等合理地優(yōu)化鋼軋一體化批量計劃之間的先后生產順序,以提高準時交貨率和降低庫存水平,并編制相應的燙輥材計劃。

(2) 功能的觀點

從全局看,鋼軋一體化生產計劃與訂單計劃、生產調度、物料跟蹤、設備管理、質量管理、工藝管理、庫存管理和數據管理等8種系統關聯。這表明鋼軋一體化生產計劃不但應該保持內部的完整性和一致性,還要與外部環(huán)境中的相關系統取得統一。

從局部看,鋼軋一體化生產計劃的作用是綜合考慮產品的交貨期、工藝約束條件以及設備的可用性,平衡能力和物流,優(yōu)化生產順序和時間順序,協調從訂單投入到產品完成的整個生產過程。

(3) 過程的觀點

從全局看,REPAC模型與鋼鐵生產業(yè)務過程的對應關系為:準備過程對應于工藝管理系統;執(zhí)行過程對應于物料跟蹤、設備管理以及質量管理功能;處理過程對應于過程控制系統;分析過程對應于數據分析功能;協調過程對應于生產計劃和生產調度功能[2]。

從局部看,REPAC模型與鋼軋一體化生產計劃過程的對應關系表現在以下兩個方面。

首先,就鋼軋一體化批量計劃編制模塊而言:①準備過程是根據煉鋼、連鑄和熱軋等工藝約束和訂單對產品規(guī)格與質量的要求對工序訂單進行板坯設計,形成待生產的虛擬板坯。并根據連鑄工序能力和熱軋工序能力的匹配情況,確定單個鋼軋一體化批量計劃中包含的澆次計劃數和軋制單元數。②執(zhí)行過程對應于編制爐次批量計劃、澆次批量計劃和軋制批量計劃,但編制每種批量計劃時都兼顧其他批量計劃對應的工藝限制。③處理過程對應于評價功能,通過各種指標,如訂單完成率、產能發(fā)揮率、無委材率和前后工序板坯次序匹配率等評價鋼軋一體化批量計劃的優(yōu)劣,決定是接受還是放棄該計劃。④分析過程對應于跟蹤功能,記錄哪些板坯因何種原因未被編入批量計劃和跟蹤從下層反饋回來的信息。⑤協調過程對應于調整功能,根據已經編制的情況和跟蹤功能提供的信息合理地安排每種鋼種的澆次大小和具體屬于哪些澆次,并在同一個鋼軋一體化批量計劃內調整板坯的澆鑄次序和軋制次序,實現鋼軋一體化批量計劃的優(yōu)化。

其次,對鋼軋一體化生產計劃編制模塊而言:①準備過程是獲取鋼軋一體化批量計劃、燙輥材板坯和相關的基礎數據。②執(zhí)行過程對應于合理地安排各個鋼軋一體化批量計劃之間的先后生產順序,以及為其作出燙輥材部分的計劃。③處理過程對應于評價功能,通過計算整體的訂單完成率、產能發(fā)揮率、無委材率和庫存水平等決定是否放棄一些劣質的鋼軋一體化批量計劃。④分析過程對應于跟蹤功能,一方面記錄和統計當前的鋼軋一體化批量計劃,另一方面記錄從作業(yè)生產調度層反饋回來的信息。⑤協調過程對應于調整功能,根據同鋼種連澆優(yōu)化的要求和跟蹤功能提供的信息動態(tài)地優(yōu)化各個鋼軋一體化批量計劃之間的先后生產順序;甚至將相關信息反饋到鋼軋一體化批量計劃編制模塊或主生產計劃層。

(4) 集成的觀點

從全局看,模型通過與上下層之間的接口可以避免信息孤島的形成,從而獲得鋼鐵企業(yè)MES系統的整體效果。

從局部看,鋼軋一體化批量計劃編制模塊和鋼軋一體化生產計劃編制模塊都突出體現了集成的思想。前者將煉鋼、連鑄和熱軋三大工序看成一個有機的整體,通過各個計劃之間的信息傳遞和共享,綜合考慮組爐約束、連鑄約束和軋制約束,并利用編制策略、優(yōu)化模型和優(yōu)化算法等編制協調一致的爐次批量計劃、澆次批量計劃和軋制批量計劃。

后者不僅綜合考慮交貨期約束、庫存約束、燙輥材約束和同鋼種連澆優(yōu)化要求等,靜態(tài)地優(yōu)化各個鋼軋一體化批量計劃之間的先后生產順序和制訂相應的燙輥材計劃;而且必須動態(tài)地處理各種實時的作業(yè)生產調度層反饋信息,即根據編制策略、優(yōu)化模型和優(yōu)化算法等,動態(tài)地優(yōu)化各個鋼軋一體化批量計劃之間的先后生產順序和制訂相應的燙輥材計劃等。

總之,層次觀點對定位和界定鋼軋一體化生產計劃起著重要的作用;功能結構觀點為構筑基于組件技術的鋼軋一體化生產計劃系統提供了功能結構和技術框架;過程觀點明確了鋼軋一體化生產計劃內部過程的循環(huán)結構,體現出鋼軋一體化生產計劃是聯系各個外部系統的主線;集成觀點強調協調三大批量計劃在鋼軋一體化生產計劃編制中的作用。

4結 論

鋼軋一體化生產計劃不僅是鋼鐵企業(yè)內部的管理系統,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。本文簡要介紹了MES的各種模型和鋼軋一體化生產方式;分析了鋼軋一體化生產計劃的特點,在此基礎上提出了鋼軋一體化生產計劃的體系結構模型;著重以層次的觀點、集成的觀點、功能的觀點和過程的觀點等深入地分析了鋼軋一體化生產計劃體系結構模型的核心內容。本文為鋼軋一體化生產計劃數學模型的建立以及設計求解算法提供了基礎,對鋼軋一體化管理系統的開發(fā)具有一定的指導意義。

主要參考文獻

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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