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钢板冷轧MES机组作业计划过程中的任务分配法

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钢板冷轧MES机组作业计划过程中的任务分配法

基于鞍钢新轧集团股份有限公司冷轧薄板厂MES工程的实际情况,介绍了机组排产作业计划过程中的任务分配方法。该方法以机组与生产任务的最佳匹配、机组的负荷平衡为性能指标,采用了实时最小负荷分配规则,科学地解决了冷轧生产线CIMS环境下机组排产作业计划的在线生成问题,实现了生产线上的生产路径优化控制,从而提高了生产质量和设备利用率。

鞍钢新轧钢铁股份有限公司冷轧薄板厂MES工程实现了生产经营活动集成化管理,为企业提供了先进的管理手段,改善了企业生产管理模式,实现了从合同管理、主生产计划、要料计划、各车间机组排产作业计划、生产物料单卷跟踪、异常处理、生产调度、在产品生产质量跟踪分析、原料库存管理、在制品管理、成品管理到交货全过程的具有优化生产控制功能的闭环生产管理。实现了生产系统与设备、备件、轧辊管理系统的集成,促进了老企业向现代企业的转变。该软件现已成为该公司冷轧薄板厂生产运行不可缺少的组成部分。
    对冷轧厂这样大型复杂的企业, 为开发出有效、实用的覆盖全厂所有生产活动、全面实现计算机管理的软件,本文着重介绍机组排产作业计划生成过程中的关键技术之一的生产任务分配方法。
    所谓生产任务分配,是对各生产车间(工序)的生产任务具体指定一个生产机组进行生产。关于生产任务分配方法特别是离散制造系统的生产路径规划方法已有很多的研究结果,但本文的特点不是侧重于理论方法研究,而是侧重于易于实现、有效的实用方法。这一特点是软件所必须的,因为它必须是可编程的和计算速度能够满足实际要求。
    机组生产任务分配是机组排产作业计划过程中的重要内容,一个好的生产任务分配方法,可使得软件程序易于实现,并且生产任务分配合理,符合实际生产情况,可最大限度地达到机组和生产任务的最佳匹配,使得机组负荷平衡,提高产品质量和成品率、提高生产设备利用率,提高生产效率,降低生产成本。反之,如果任务分配方法不得当,即使软件程序能够实现,也无法达到用户满意。


2 冷轧薄板厂实际生产线生产流程简介


    冷轧生产线各车间机组排产作业计划是基于实际生产过程的,其实际生产流程如图1所示。

图1 冷轧生产线实际生产流程

图1 冷轧生产线实际生产流程

图1所描述的生产流程只对90%左右的产品是正确的,1%左右的产品并不完全遵循该生产流程,主要特征是具有逆向流程和跳跃流程,比如二次轧制、二次退火、酸洗后直接剪切及一些异常情况处理等等。    

从该生产流程可以看出,冷轧生产是带有有限中间库的半连续性的流程式生产,总体可看成是一个串行生产线,但与串行生产线不同的是各车间(工序)有多台相同或不同型号的并行生产设备,本文把这个生产线称为冷轧生产线,其特点如下:    

①多级串行;

②多机并行;

③部分产品具有逆向流程和跳跃流程特征;

④多品种规格同时处于生产线中;

⑤生产约束多(工作辊、支撑辊、生产工艺规则等等);

⑥产品生产路径复杂。    

上述特点决定了冷轧生产线既有串行生产线的均衡生产问题,也有离散生产的排产与调度问题。因此使得冷轧生产线均衡生产的机组排产作业计划是非常重要的。


3 机组排产作业计划过程中的生产任务分配方法

    1)特定机组生产钢卷分配方法

    在冷轧生产过程中,部分产品(10%左右)质量要求高,有些工序需特定的机组生产。为了解决该问题,本文采用引入‘工艺码’来处理。
    所谓工艺码是用来描述产品的生产工艺流程的,如上节所述,冷轧厂有10%左右的产品不完全遵循标准的生产流程,为了软件程序开发,需设计引用工艺码,以规范生产流程过程,解决软件程序的控制流程关系。

    对每一个生产钢卷,依用户合同要求都将生成一个工艺码,其形式为:

    x0z1r0p0j0b0

    其中,英文字母代表生产工序(x为酸洗;z为轧钢;r为热处理;p为平整;j为剪切;b为包装),英文字母后的数字则代表生产机组(0为未指定特定机组;1为指定1机组;2为指定2机组;…;n为指定n机组)。显然英文字母和数字的任意可重复组合,可描述所有产品生产流程过程和指定生产机组。
    在机组任务分配时,首先查看工艺码,当该工序的数字不为0时,则按其数字分配给相应的生产机组。


    2)非特定无质量差别机组生产钢卷分配方法

    所谓非特定机组生产是指在工艺码中没有指定特定的生产机组,即工艺码中该工序后的数字为0,所谓无质量差别是指对该生产钢卷生产加工的机组其质量标准都是相同的。这样的生产任务在生产过程的某些车间(工序)可能有多个机组能够对其进行生产加工,具体分配给哪个机组进行生产加工,存在优化分配问题。为了说明机组任务分配方法,定义如下符号。
    针对某一个车间(工序),设:
    有n个任务W(I,t)等待生产加工,其中,W为生产钢卷;I为钢卷序号(I=1,2,…,n);t为钢卷质量。将生产钢卷按钢卷质量从大到小排列,记为{W(i,t)},W(i,t)表示{W(i,t)}中的元素。
    P(j)为机组生产能力,其中j为机组号。机组生产能力表达机组单位时间最大生产产品质量,在机组无故障情况下该量是常量。
    L(i,j)为机组即时负荷,其中j为机组号,i为生产卷号的队列序号。机组即时负荷表达当时已分配给该机组并且尚未进行生产的生产钢卷的质量合计。
    M(i,j)为机组j生产加工生产钢卷W(i,t)的特征函数,即:    

     令:F(i,j)=(L(i,j)+t×M(i,j))/P(j)   (2)
    式中,j=1,2,…,J(J为该车间机组总数);i和t为W(i,t)中的i和t。
    令:f=min{F(i,1),F(i,2),…,F(i,J)}   (3)
    如果f=F(i,j0),则分配W(i,t)到j0机组生产加工,i=1,…, n。

 从特征函数式(1)和运算式2)可以得出:当特征函数不为1时,任务W(i,t)不可能分配给机组j,因为这时F(i,j)的值也为+ ∞,并且由于该道工序工艺码的数字为0,所以至少有一台机组可以生产加工该生产钢卷W(i,t ),所以至少存在一个F(i,j)的值不为+∞。不失一般性设有J0(J0≤J)个M(i,j)的值为1,即有J0个机组可以生产加工W(i,t)。所以有J0个F(i,j)的值不为+∞,该值的实际意义其实就是机组的时间负荷,由于同一个生产钢卷的质量虽然不变,但在不同机组生产加工的时间由机组的生产能力不同而不同,因此无法用质量来度量机组的负荷,但经过式(2)的转换,就可把各机组的负荷度量统一到机组生产加工时间上来,因此所谓机组负荷平衡,就是本文的任务分配方法, 在满足条件约束下能够最大限度地使得:F(n,1),F(n,2),…,F(n,J)的值相接近。用数学符号表达就是在满足条件约束下能够最大限度地使得下式成立。

    

    式中,j1≠j2;J={1,2,…,J}。

    3)非特定有质量差别机组生产钢卷分配方法所谓有质量差别是指在生产过程中某些车间(工序)对该生产钢卷生产加工的机组可能有多台,但其生产质量所达标准不同。这样的生产任务在生产分配过程中不能单纯地考虑机组负荷平衡,也应考虑生产质量。为了说明机组任务分配方法,本文定义如下特征函数:

    

    对这种情况,首先采用上节的分配方法,当有些机组负荷超出计划时间段的负荷时,将调整负荷向特征函数为2的机组。


4 生产钢卷分配方法的软件实现

    生产钢卷分配方法的软件实现,其特征函数将由机组生产钢卷最佳匹配表给出。下面的一段程序为冷轧厂CIMS 工程中实用的机组排产作业计划过程中的机组任务分配子程序,开发工具为Developer2000。数据表名及其字段名和变量名不做详解。

    DECLARE
    CURSOR fzcmx cursor IS
    select distinct schth,ylbh from pp fzcmx where substr(zt,1,1)=‘5’and dclbz=‘0’
    group by schth,ylbh;
    BEGIN
    OPEN fzcmx_cursor;
    loop
    FETCH fzcmx cursor INTO v schth,v_ylbh;
    EXIT WHEN fzcmx_cursor % NOTFOUND;
    select gz,cphd,cpkd,cpcd zl into v_gzbm,v_cphd,v_cpkd,v_cpcd,p
    from pp_fzcmx
    where ylbh=v ylbh;
    select subst(r zt,4)into v bc from pp fzcmx where ylbh=v ylbh;
    v_b:=to_numbe(r v bc)+1;
    select subst(r gym,v_b,1)into v_c from pp_fzcmx where ylbh=v_ylbh;
    if v_c>‘ ’then
    if v_c=‘1’then
    INSERT INTO pp_jq1rjh( schth,ylbh,gzbm,cphd,cpkd,cpcd,sl,rq,ztm)
    SELECT schth,ylbh,gzbm,cphd,cpkd,cpcd,sl,sysdate,
    FROM pp_jqrjh1
    WHERE lh=v_lh and ph=v_ph1;
    elsif v_c=‘2’then
    INSERT INTO pp_jq2rjh(schth,ylbh,gzbm,cphd,cpkd,cpcd,sl,rq,ztm)
    SELECT schth,ylbh,gzbm,cphd,cpkd,cpcd,sl,sysdate,0
    FROM pp_jqrjh1
    WHERE lh=v_lh and ph=v_ph1;
    elsif v_c=‘3’then
    INSERT INTO pp jq3rjh( schth,ylbh,gzbm,cphd,cpkd,cpcd,sl,rq,ztm)
    SELECT schth,ylbh,gzbm,cphd,cpkd,cpcd,sl,sysdate,0
    FROM pp_jqrjh1
    WHERE lh=v_lh and ph=v_ph1;
    Else v_next:=1;
    end if;
    else message(‘****’);
    end if;
    END loop;
    CLOSE fzcmx_cursor;

5 结 语

    本文通过鞍钢新轧钢铁集团股份有限公司冷轧薄板厂MES 工程的实例,介绍了机组排产作业计划过程中机组任务分配方法,综合所有车间(或工序),实际是一种实时路径规划方法。该软件已在现场运行半年多时间,结果表明,软件运行稳定,取得了良好的管理效应和生产效益,得到了用户的肯定和好评。

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