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专题解读

基于APS的钢铁企业生产计划体系研究

  摘要:大规模定制是实现钢铁智能制造的重要组成部分,制定具有柔性的生产计划是钢铁企业实现大规模定制的核心和关键。本文针对钢铁企业生产计划和调度问题,建立了能力计划-订单计划-批量计划-生产调度四级计划体系,并设计了基于智能优化算法的高级计划与排程系统,为企业实现大规模定制提供有效支撑。

  关键字:钢铁企业;生产计划体系;APS;智能优化

  Research on Production Planning System for Iron and Steel Enterprises based on APS

  WU Xiu-ting, LUAN Shao-jun

  (China Metallurgical Industry Planning and Research Institute, Beijing 100711, China)

  Abstract:Mass customization is an important part of steel intelligent manufacturing. Formulating flexible production plan is the core and key of large-scale customization of iron and steel enterprises. To solve the problem of production planning and scheduling of iron and steel enterprises, this paper established a four-level planning model: capability planning-order planning-batch planning-production scheduling and designed an advanced planning and scheduling system based on intelligent optimization algorithm to provide effective support for enterprises to achieve mass customization.

  Key words: Iron and steel enterprises; Production planning system; APS, Intelligent optimization

  一、前言

  大规模定制是实现钢铁智能制造的重要组成部分,制定具有柔性的生产计划是钢铁企业实现大规模定制的核心和关键。大规模定制是指能够以大规模生产的成本实现产品多样化、个性化的定制,这对企业生产计划的编制工作提出了更高的要求。此外,钢铁企业智能制造需要围绕计划、质量、物流、能源、设备和成本六条主线,打造产供销一体化、铁钢轧一体化和管控一体化,实现效益最大化、服务实时化、决策智能化和运营可视化的四大效果。其中,生产计划问题是钢铁企业生产管理的核心与难点。目前,国内大多数钢铁企业已经实施了ERP及MES信息化系统,构建了信息化五级架构体系,但在信息化建设过程中,生产计划和生产调度问题始终没有得到很好地解决。

  APS系统(高级计划与排程,Advanced Planning and Scheduling)着眼于生产计划与调度领域,是以约束理论为基础,以数学规划为问题分析工具,以约束满足技术为求解方法,以常驻内存方式进行运算的一整套人工智能优化方法。APS可有效解决钢铁企业生产运营中的订单计划、生产组批、作业计划、物流计划等关键业务环节的优化计算,是企业提高运营效率、实现资源高效利用的重要手段。

  在我国钢铁工业在铁矿石等原料受制于人、能源环保等环节压力巨大的情况下,只有以较低成本向市场提供有竞争力的产品才是唯一选择。因此,钢铁企业迫切需要利用APS来协调产销矛盾,最大化资源利用率,以提升企业整体利润水平,提高企业核心竞争力。

  二、钢铁企业生产计划问题概述

  钢铁生产是一个多阶段、离散和连续加工方式并存的复杂过程,包含冶炼、精炼、连铸、热轧和冷轧多个生产阶段,每个生产阶段均有自己特有的工艺约束和优化目标。钢铁生产计划是生产管理的核心和关键,生产计划的问题主要集中在订单计划、批量计划和生产调度。

  (一)订单计划问题

  订单计划,即企业对接收到的客户订单进行处理,初步给出交货期承诺,并将客户订单转化为生产订单,为制定详细批量计划做准备。

  订单计划主要包括以下流程:

  (1)库存替代。当销售部门接到订单后,首先要检查自身的现有库存和在途库存数量,与客户订单需求进行库存匹配,判断能否按时、按量实现客户订单交货

  (2)能力匹配。对于不能由成品或半成品来满足的客户订单,需要进行能力匹配,也就是对库存匹配产生的订单缺额数量,在不改变设备已定负荷的前提下,通过计算各关键设备的空闲生产能力后,将关键设备的空闲生产能力与订单缺额数量进行能力需求匹配;

  (3)坯料设计。对满足能力匹配要求、准备安排生产的客户订单进行板坯设计,以便得到相对标准化的生产订单,即针对给定的客户订单,在满足工艺限制的前提下设计出生产成本最低的板坯集合。

  (二)批量计划问题

  在处理好订单计划的基础上,企业需要按照每个阶段的工艺约束和优化目标制定炼钢批量计划、连铸批量计划、热轧批量计划和冷轧批量计划。

  炼钢、连铸、热轧、冷轧生产阶段批量计划主要包括:

  1. 炼钢-连铸生产阶段批量计划

  炼钢-连铸批量计划主要包括炉次计划和浇次计划。

  炉次计划。根据炼钢工艺的要求及构成同一炉次的订单特征要求,需要将订单进行合理的组合,形成不同的炉次计划。炉次是炼钢的最小基本单位,一个炉次是指同时在同一个电弧炉或转炉内冶炼,从开始冶炼到浇注为止的整个过程。在最低冶炼炉容要求下,炉次计划需要保证订单之间的交货期差异、最大的成材率和最低的生产成本及最少的无委材。

  浇次计划是指在同一台连铸机上同一个中间包使用同样的结晶器连续浇注的炉次的集合。在炼钢-连铸生产工艺当中,对于连铸机来说,每开启一次机器需要设备调整来源:mg游戏平台官网 时间和调整费用,为了提高生产率和成材率,需要有更多的炉次在同一连铸机上进行连续浇注,以降低总调整费用。在连铸时,需要将钢种接近、规格相似的炉次组合成浇次计划。

  2. 轧制批量计划

  轧制批量计划是根据轧制规程约束和订单交货期要求,对预选池中订单进行聚类和排序的过程,其中聚类的个数即轧制单元个数,每一类即是轧制单元。

  轧制生产过程环节多,包含多种机组,工艺路线复杂,其特点是:

  上下工序之间必须紧密配合生产;

  生产约束严格且相互之间联系紧密;

  大型联合机组加工工艺、操作规程多样,停机待料或调整费用高;

  各个工序间设有容量有限的中间库,用于存放在制品。

  好的轧制批量计划可以在维持生产稳定、满足客户需求的基础上,减少设备切换来源:mg游戏平台官网 时间,提高设备利用率。

  (三)生产调度问题

  钢铁生产调度问题是一个多阶段、多机器、有多种工艺约束限制的多目标组合优化问题,由于连铸调度和热轧调度有着非常不同的约束条件和优化目标,常将钢铁生产调度问题划分为热轧调度和炼钢-连铸调度两部分。热轧生产调度的任务主要是确定板坯的轧制顺序。在一体化生产方式下,炼钢-连铸生产调度的任务不但要确定炉次在冶炼、精炼和连铸各阶段的加工顺序和开工来源:mg游戏平台官网 时间,而且要确定每个炉次在各阶段使用的加工机器。

  三、钢铁企业生产计划体系构建

  钢铁企业生产计划体系划分为能力与需求、订单计划、批量计划和生产调度四个层次:能力与需求计划是根据公司战略规划、市场需求分析预测和生产能力计划等确定的公司中长期计划;订单计划是对客户订单进行订单评审、质量设计、要料设计和有限能力排产;批量计划是针对冶铸轧等这样的生产工序进行组炉、组浇、组轧,编制炉次作业计划、浇次作业计划和轧次作业计划等批量计划;生产调度是根据现实工况对批量计划进行生产调度并下达执行。

  图 钢铁企业生产计划体系

  以上钢铁企业生产计划体系的四个层次中,从上至下是一个从宏观到微观、上层指导下层、逐步细化精确的计划过程,从下至上是一个从实绩到计划、下层影响上层、使计划更趋合理的回馈过程。

  四、高级计划与排程系统(APS)设计

  (一)系统功能

  钢铁企业高级计划与排程系统重点解决钢铁企业生产管理中的生产计划和生产调度问题,其主要功能包括:工厂模型模块(FM,Factory Model)、能力计划模块(CP,Capacity Plan)、订单计划模块(OP,Order Plan)、批量计划模块(BP,Batch Plan)和实时调度模块(DS,Dynamic Scheduling)。

 

  图 钢铁APS系统功能模型

  工厂模型模块(FM)提供工厂建模功能,针对特定工厂建立相应的产品规范、工艺规范、制造规范以及排程规范等。工厂建模是实施SteelAPS的首要步骤。

  能力计划模块(CP)包括工序能力计划、产品需求计划以及工序配额计划等,能力计划是编制有限能力计划的基础。可通过工厂日历展示生产执行和生产计划状况。

  订单计划模块(OP)接受销售订单,对销售订单执行质量设计、材料设计、工艺设计等,产生相应工序的工序生产订单。对工序生产订单,依据有限能力和库存替代等相应规则,排定其生产期间,最后形成针对各自工序的工序订单计划。

  批量计划模块(BP)对已经排定生产交期的工序生产订单执行组批,针对冶铸轧工序分别是组炉、组浇、组轧等。组合后的批量为相应工序的基本作业单位。对于已经组合好的批量,依据生产能力等相应规则,排定其生产期间,最后形成工序批量生产计划。

  实时调度模块(DS)对已经编制完成的批量生产计划进行作业调度,产生作业调度计划并指导生产执行;对于生产执行过程中的异常扰动,实施动态调度,快速调整当前计划或重新生成新的调度计划并下达执行。

  (二)模型与算法

  1 模型设计

  APS的核心是模型与算法设计,其涉及的模型主要包括库存替代模型、有限能力排程模型、坯料设计模型和订单组批模型。

  (1)库存替代模型提供产成品和半成品的可用量承诺功能,即利用非计划的成品和半成品库存来满足客户订货需求。

  (2)有限能力排程模型用于编制基于有限产能约束的主生产计划(订单计划),确定生产订单的生产交货期,并根据主生产计划提出物料需求计划。

  (3)坯料设计即设计和计算生产所用的坯料,坯料设计存在一个组合优化的问题,需要针对不同产品的特点建立相应的数学优化模型。

  (4)订单组批即根据生产工艺要求合理组织和安排订单的生产批量和生产顺序,从而得到优化的生产作业计划。

  2 算法实现

  大部分钢铁生产计划问题都是NP难问题。对于NP难题,求解所消耗的来源:mg游戏平台官网 时间是随着问题规模增大而呈指数增长的。APS系统针对不同问题,采用了如下的建模求解技术:

  (1)启发式方法

  ? 启发式规则方法

  ? 专家系统方法

  ? 拉格朗日松弛法(LR - Lagrangian Relaxation)

  (2)智能优化算法

  ? 神经网络(Neural Networks,NN)

  ? 模拟退火(Simulated Annealing,SA)

  ? 遗传算法(Genetic Algorithms,GA)

  ? 禁忌搜索(Tabu Search,TS)

  ? 粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)

  (3)约束满足技术

  约束满足技术是一种组合优化问题的建模与求解技术,它能以更加接近于现实世界的方式描述调度问题及其约束,利用变量之间的约束关系从变量的值域中预先或动态地消除非法解、修剪搜索空间、减少组合爆炸、降低计算复杂性,从而减少求解组合优化问题的计算量。

  五、结语

  钢铁企业生产计划体系管理过程涵盖销售、生产、质量、物流等多个方面,是钢铁企业的核心价值增值过程,是钢铁企业优化管理、提升效益的关键环节。钢铁企业亟需借助互联网和大数据来实现企业精细化的管理,推动行业真正实现由计划生产向定制化、个性化生产转变,实现产业结构调整升级。

  高级计划与排程系统(APS)在建立钢铁企业四级生产计划体系的基础上,针对具体问题,构建不同的数学模型,并通过智能算法进行求解,可以有效的解决企业生产计划和生产调度的问题,具有广阔的应用前景。

  参考文献

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