1 引言
煉鋼-連鑄是鋼鐵生產的關鍵環節，決定了產品的種類與質量，同時煉鋼．連鑄生產是一個典型的多段生產、多段運輸的離散和連續相混雜的大型高溫生產過程，其生產流程具有多元性、多層次、多尺度，以及開放性、非線性、遠離平衡、動態有序性等復雜系統的特性，生產組織和運行難度較大。
本文以煉鋼．連鑄生產運行為研究對象，開發煉鋼一連鑄生產計劃調度輔助系統。該系統通過與現有制造執行系統(MEs)的數據接口，可以接收來自企業資源規劃(ERP)的生產批量計劃，收集實時生產狀態和生產計劃執行信息；建立調度觸發機制，包括：基于生產狀況的自動觸發機制以及人機交互的人工觸發機制；以智能優化算法以及相關擾動的調度規則進行重計劃，制定生產調度方案，設計基于生產物流和工位的調度方案的多種不同可視化表達方式；可以將調度方案反饋至現有信息系統，以供調度人員參考。通過在鋼廠的在線測試，將運行結果與現有人工調度方案進行對比，檢驗了系統的可行性和有效性。
2 煉鋼-連鑄計劃調度及其現狀
煉鋼-連鑄生產調度是指在煉鋼．連鑄生產作業計劃基礎上，盡可能滿足鋼廠當前生產條件下，通過下達生產指令，安排各爐次在各工序上的加工設備、加工時間和加工順序，以獲得生產作業計劃的總流程時間或生產成本最優化。在實際生產過程中，煉鋼．連鑄生產調度需滿足連澆生產約束，生產資源約束，品種質量約束以及不同生產節奏約束等限制，屬于混合流程車間有限等待時間調度問題。鋼鐵企業信息系統可分為4層，包括：L1基礎自動化級；L2過程控制級(Process Control System，PCS)；L3制造執行系統(MEs)；L4公司管理級(ERP)。其中MEs系統在鋼廠制造過程中處于關鍵地位，并具有一定的生產計劃與調度功能，但對于生產中頻繁出現的擾動，處理能力有限。
國外已開發多款針對鋼鐵生產計劃調度的商業軟件，并在鋼鐵企業成功應用。如visual 8公司開發的V8 steel，可進行1～12周連鑄熱軋鋼鐵生產計劃與調度；AIS公司開發的steel Planner生產調度軟件包，可為生產調度提供輔助決策；Broner公司開發的PPS可對煉鋼連鑄熱軋過程制定3級生產作業計劃和調度方案。國外商業化軟件，普遍采用與企業ERP或MES集成的方式建立體系結構，使生產管理合理化、在線化、集成化，使得系統的物質流和信息流盡可能保持同步，前后工序緊密銜接，利于實現生產運行的整體，將局部工序的優化轉變為整體工藝的最優化，提高設備的生產效率。但由于我國大多數鋼廠的生產流程隨著鋼廠改建和擴建而不斷改變，生產流程和約束條件更為復雜，企業的自動化水平和管理水平尚未達到國外的水平，難以通過引進方式而加以有效應用并發揮作用。國內近年也開發了一些有針對性的鋼鐵生產計劃調度系統，如寶鋼的煉鋼生產調度模擬系統，以及軌梁廠生產物流仿真系統一-等，可根據具體企業的不同的生產條件進行情況、生產計劃和調度方案的策略制定。這些是不同的生產調度方案。國內應用系統在方法層面有一定的特點，但專用系統的普適性欠佳距商業化應用還存在一定的差距距離。因此，面向國內典型鋼鐵企業MES系統，開發具有生產計劃調度信息集成和主要生產擾動識別和處理功能，能進行重計劃和重調度的煉鋼一連鑄生產計劃調度系統，具有重要意義。
3 煉鋼-連鑄生產計劃調度系統
鋼廠信息系統主要為PCS(L2)和MES(L3)，通過MEs接受來自公司ERP(L4)的管理和生產指令。鋼廠MES系統是整個生產運行信息系統的核心，能夠接收ERP系統下達的生產批量計劃，并接受來自過程信息系統PCS生產過程實時生產信息。計劃調度人員通過L3下達生產作業計劃，并對執行信息進行跟蹤，遇到問題，需及時進行調整，以保證生產計劃下達到產品生產的兌現。
煉鋼-連鑄生產計劃調度系統體系結構如圖1所示。
該系統通過數據接口與鋼廠MES系統實現數據通信，借助數據交換，發揮其輔助煉鋼．連鑄計劃調度的功能。系統建有SQL server關系數據庫，關系數據庫包括外部數據庫表和內部數據庫視圖，外部數據庫表用于存儲從MES系統直接接收的數據，內部數據庫視圖用于存儲計劃調度系統運行過程和結果數據，相關的重計劃調度數據可返回MES系統，用于輔助生產計劃調度。數據庫具有對把計劃調度相關信息進行匯總和分類的功能，而且系統通過數據庫中生產實績信息動態數據表的變化情況，可以進行生產實績信息中的生產計劃調度擾動信息進行的自動分類識別；以數據接口接收對生產實績判斷的生產擾動自動識別，或者以操作人員人工輸入人為擾動，生產實績信息跟蹤過程的擾動信息自動識別與人為設置的擾動的方式均可，作為計劃調度系統的觸發控制來啟動系統的重計劃和重調度功能；系統還建有包括遺傳算法、蟻群算法，以及時間并行順推算法等智能算法庫，用于制定滿足生產約束的優化的生產調度方案；在生產作業計劃實施過程中，當系統根據生產擾動情況，實時啟動重計劃或重調度功能時，既可根據需要以制定滿足設備沖突約束的重計劃，進行生產調度，確定當前未完成作業的生產爐次的工序工位選擇以及在工位上的作業時間，也可進行重調度的策略仿真。系統計劃調度方案的可視化表達既有以生產計劃中的物流為標志的調度方案列表表達方式，也有以物流計劃實施工位為標志的Gantt圖表達方式，為現場計劃調度人員提供直觀的顯示界面。
圖1 煉鋼-連鑄生產計劃調度系統體系結構圖
4 系統實現主要技術
4.1 煉鋼-連鑄生產調度方法
煉鋼-連鑄生產對鋼水時間節奏的控制和溫度要求較高，但生產中存在的諸多不可避免的不確定擾動因素將影響生產作業計劃(初始調度方案)的執行，必須在滿足生產基本約束的前提下進行調整，生成一個新的可行調度方案，指導和維持生產的連續性。因此，煉鋼-連鑄生產調度系統開發技術的關鍵是在生產執行過程中，根據相關的擾動觸發條件，在考慮ERP生產批量計劃的執行情況與現場實時生產條件下，通過智能優化算法，對未完成的生產批量計劃，制定調度方案，以保證生產的順利運行。煉鋼．連鑄生產調度流程如圖2所示。
圖2 煉鋼-連鑄生產調度流程圖
由圖1系統觸發機制可知，煉鋼-連鑄生產調度啟動包括兩種機制：通過數據接口自動獲得生產實時擾動，以及操作人員確定的人工擾動。系統通過不停掃描SOL數據庫的擾動信息，確認擾動發生并分類后，啟用實時調度機制：采用智能優化算法根據現有條件自動編制調度方案，或是通過人工操作直接調整調度方案；在自動編制調度方案時，對于不同的擾動事件采用不同的策略，再確定該擾動事件對煉鋼一連鑄流程的網絡模型(由工位、運輸線和生產物流組成)的影響，調用開發并集成在系統中的智能優化算法，制定調度方案。自動編制調度方案和人工調整的調度方案均可以列表或Gantt圖形式顯示。根據實時調度信息對擾動事件進行分類，確定生產擾動與人工擾動，確定與擾動相適應的調度原則；依據資源狀況及生產約束，調用智能優化算法重新制定新的調度方案。生產擾動以及人工擾動分為任務擾動、設備擾動、生產工藝擾動和時間擾動等，如表1所示。
表1 擾動分類及其影響
當生產過程出現擾動，生產作業計劃不能完成，需要進行重計劃時，其方法如圖3所示。
圖3 生產重計劃制定方法
通過SQL數據庫接收MES的生產實績，將需要執行重計劃的生產批量計劃分為正在作業計劃和未作業計劃，對正在作業的計劃應優先安排，確定其調度方案，然后再對未作業計劃進行作業計劃重排。對正在作業計劃，利用時間并行順推算法進行擾動情況下的作業任務繼續執行調度方案的調整，確定該生產爐次從當前工位至鑄機澆鑄的工序工位配置和時間分配；對未作業爐次計劃則采用基于遺傳算法的混合智能優化算法進行重調度，在滿足鑄機連續澆鑄和設備保障能力前提下，確定其調度方案。煉鋼．連鑄生產計劃調度系統的主要工作流程為：
步驟1啟動系統，連接L3數據庫，讀入生產實績信息，設定數據庫掃描間隔時間，轉入步驟2。
步驟2根據生產計劃調度方法，確定初始生產計劃調度方案，并在終端顯示，轉入步驟3。
步驟3掃描數據庫擾動信息，若捕捉到擾動發生或有人為施加的擾動，轉入步驟4，啟動重計劃與重調度；否則，轉入步驟5。
步驟4對擾動進行分類，確定當前擾動類別，根據生產計劃調度流程確定擾動情況下的生產計劃調度方案，轉入步驟5。
步驟5等待下一掃描時刻，轉入步驟3。
4.2 數據接口與數據庫設計
數據接口是計劃調度系統應用的關鍵，通過數據接口實現與鋼廠信息系統MES的數據交換。由于MES系統與Pcs和ERP信息系統相連，在企業信息系統向MEs的Oracle數據庫相關數據表中寫入生產信息時，利用socket協議將相關的數據包發送到系統所在工作站，再利用ODBc技術根據數據包信息標志將數據寫入對應的SQL server數據表中。建立的關系數據庫以接收生產批量計劃以及生產過程中與計劃調度相關的生產實績數據，同時存儲計劃調度系統運行的數據，以及生產計劃調度方案相應的數據。由于MES系統與PCS和ERP信息系統相連，內部數據庫表設計了sQL觸發器，對外圍數據庫表進行基本處理后存儲計劃調度計算直接所需的數據。主要的關系數據庫中的外圍數據表，如表2所示。
表2 外部數據表名
內部數據庫視圖基本數據來源于表2中基本外部數據表，其基本關系如表3所示。
表3 內部數據視圖名
5 在線測試
以visual studio 2005為系統開發平臺，以visual c++開發相關的智能算法庫，通過socket和oDBc開發與L3系統的數據接口，并利用SQL server 2005建立系統的關系數據庫，以Visual c#開發相關的用戶交互界面。系統的生產調度主界面如圖4所示。針對某鋼廠的生產條件，設計在線測試項目包括鑄機斷澆和設備檢修狀態下不同的調度方案與現有人工調度的對比，現場測試數據如表4所示，測試結果如表5。
表4 在線測試
表5 系統調度與人工調度方案對比
由表5可知，煉鋼．連鑄生產調度系統能夠制定包括煉鋼-連鑄的生產調度方案，該方案能夠滿足鑄機連續澆鑄以及在各工序上基本工藝作業時間的條件；同時在生產發生擾動的同時，能夠自動進行重計劃，制定生產調度方案。該方案與現有人工調度方案相比，物流運行時間有所降低，設備利用率更加均勻。
6 結論
開發了一套針對煉鋼-連鑄生產流程的生產計劃調度系統。該系統通過與MEs系統的數據接口，能夠接收ERP的生產批量計劃以及現場的生產實績信息，具有實時擾動識別和分類功能，可以制定滿足煉鋼．連鑄基本約束條件的重計劃和重調度方案，可輔助進行實時調度。通過在鋼廠的在線測試運行表明了系統的有效性，同時與人工調度相比具有一定的優越性，能夠提供一種輔助生產調度的手段。
進一步的開發工作，將以煉鋼．連鑄為對象的計劃調度拓展至整個鋼廠的所有工序環節，將鐵水預處理也包括在內，并實現與鋼廠MEs系統有機集成，以提高鋼廠生產計劃與調度的自動化水平。
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