炼钢连铸动态调度子系统及其应用研究

［摘 要］炼钢连铸生产调度是钢铁企业MES的重要组成部分。在生产调度的过程中存在许多突变和不确定性因素，怎样及时有效进行动态调度，是炼钢连铸调度成败的关键，本文提出了人机协调、多种方法组合、四维一体综合集成的动态调度方案，并在开发炼钢连铸调度系统中得到了具体的应用。 0 引言 炼钢连铸是钢铁生产的瓶颈工序，其过程是多阶段、半连续的，其生产调度属于多机并行的 JobShop 问题，也是调度中最难解决的问题之一。另外，炼钢连铸过程要保证铁水和钢水的成分、温度、时间符合后续工序的要求，保证各工序之间的物流平衡，保证设备能力的发挥以及提高作业率等，其调度系统应具有动态性、实时性和在线性。 动态调度一直是学术界、企业界研究的热点问题［1］，钢铁生产的动态调度更有其特殊性和重要意义。所谓动态调度，是指当生产过程参数或调度数据变化时，根据过程的实时状况，重新产生一个调度或对原有调度进行在线局部修改的方法，以使生产约束得到满足，生产代价最小。其定义包含了重调度与在线调整两个方面。对于钢铁生产动态调度，其任务是根据来自设备级的反馈信息和实际的系统状态数据，决定下一步执行哪个操作，它的目标是在整个过程遇到扰动和故障时，根据系统监控到的实时情况修改原定的生产顺序和调度系统的所有资源，使钢铁生产调度系统持续地、优化地运行。 人们为了探求钢铁企业复杂生产环境下的动态调度问题，在理论上关于钢铁生产调度的研究方法包括［2］：(1)基于模型的方法 包括精确模型(如运筹学)，近似模型(如系统仿真)；(2)基于智能的方法 包括基于人工智能的方法(如专家系统)，基于计算智能的方法(如进化汁算算法、模拟进化算法)，基于神经网络的方法，基于Multi-agent的方法；(3)基于人机交互的方法；(4)基于多种方法组合的研究方法包括基于不同类智能方法组合的研究方法，基于模型与智能组合的研究方法，基于人机交互与智能组合的研究方法，基于模型与人机交互组合的研究方法。而实际工程应用远远落后于理论研究，国外已经出现了一些产品化的调度软件［3～4］，而国内炼钢连铸调度还以手工为主，虽然利用了现代优化计算机技术，但还是采用人工编排输入的方式，开始只能编排部分出钢顺计划，其他时间点采取走一步看一步的方法，对出钢顺计划的实时跟踪，动态调整缺乏有效手段。 本文叙述的炼钢连铸动态调度子系统是炼钢连铸调度系统的一部分。炼钢连铸调度系统包括动态编辑器集成平台，静态系统，动态系统，钢包大车计划子系统和系统管理模块等［5］。本文主要叙述动态调度子系统的没计与实现，该子系统在实现上采用了基于人机交互、多种方法组合、四维一体综合集成方案。在人机交互发展的基础上，将数学模型、人工智能与仿真技术相结合，采用基于MES的知识库(包括案例库、规则库)、数据库、模型库和人机交互四维一体综合集成系统思路，开发交互式炼钢连铸动态调度系统，充分发挥人类操作员的经验及判断决策能力，提高求解效率，解决调度中的动态变化和实时监控问题。 1 生产工艺物流及其特点 炼钢连铸的生产工艺比较复杂。以某钢厂炼钢连铸生产过程为例，其精炼环节包括一重精炼、二重精炼、三重精炼以及最多到四重精炼，此外转炉还有脱C钢种和脱P脱C钢种的区分，铸机有连铸和模注的区分。冶炼设备为3台转炉，精炼设备有3台RH、2台CAS、1台KIP与1台LF，连铸机有1CC、2CC、3CC，并有6条模注线，精炼工艺路径共计26条。可以看出，此流程是相当复杂的。 炼钢连铸生产流程特点如下：(1)炼钢连铸生产流程包含着复杂的物理化学过程，具有高温、高压、高速的特点，存在各种突变和不确定性因素，要求对应急处理和例外处理进行动态响应。(2)生产制造决策不仅涉及连续过程变量，而且涉及离散过程变量。(3)物流、能源供应流、信息流十分庞大。调度决策中需要对物料和能量提供最佳控制策略，以提高生产效率、降低生产成本、节省能源。(4)炼钢连铸生产流程生产单元少，但生产单元本身可变因素多。如生产时间不确定性，温度波动，生产设备的状况不同，钢水原料成分、钢种变更，制造流程中各生产单元的输出质量随机改变。 调度的任务是指定生产作业，针对生产过程中的扰动因素和动态事件及时调整作业计划，更新并下发生产指令，确保生产持续、稳定地进行。 2 动态调度子系统 在炼钢连铸生产过程中，作业计划往往会因为突发事件而无法继续执行。为此，系统还必须提供炼钢、精炼、连铸、钢包、天车等设备的运行状况监视功能，以及异常情况下的动态计划调整功能，对物流和设备能力随时进行新的平衡，对各种突发事件做出快速应对，通过前后工序计划不断调整耦合，使计划逐步优化，确保按合同组织生产。图1显示了炼钢调度系统调度策略，从图中可以看到动态调度子系统处于回环反馈的重要位置。 图1 炼钢调度系统调度策略 2.1 炼钢连铸生产中扰动的分类 动态调度要跟踪各个生产状态下的时间、温度、钢种以及铸机的浇铸状况、设备运行状况等各种信息。根据生产过程中所跟踪的信息，系统中的扰动可分为时间类扰动、改钢类扰动、温度类扰动、浇铸异常类扰动、设备故障类扰动及其它扰动。如图2所示。而在每个具体扰动中，都包括具体的扰动情况，如时间类扰动，动态跟踪炼钢流程可得到某个生产状态开始的实际时间，而实际时间和计划时间相比较可得到时间差值，由时间差值的大小产生时间类的不同扰动情况；设备故障类扰动则分为转炉设备故障、精炼炉设备故障和连铸机设备故障等；温度类扰动根据温度差值来识别，根据其差值并结合扰动产生状态环境可以产生多种调整方法。 图2 动态调度系统扰动分类 2.2 系统的技术架构 动态调度系统的扰动多种多样，对不同扰动的处理方法也各不相同，在本子系统中采用了5种：方法进行动态调度。 (1)基于案例推理的专家系统。根据现场调度专家保存的多年经验形成案例库，当现场扰动出现时，动态系统会自动根据扰动的种类、扰动的程度推理出专家以前采取的调整策略或调整方法。 (2)基于人机交互的“调整方法界面”(集成了启发式规则和数学算法)。在进行案例推理后，针对不同类型的扰动，提供了多个人机调整界面，充分发挥了调度人员的决策作用，又降低了其工作强度，同时增强了系统调整的可靠程度。 (3)基于规则的专家系统。在精炼结束后，可能出现由于温度过低，需要增加精炼工位，即OB的情况，这时设备间可能产生冲突，就需要采用专家系统来解消冲突，即采用排静态计划的专家系统思想对所有炉次进行重新调整。 (4)基于人机交互的动态编辑器调整。动态调整是整个智能调度系统的综合功能的体现，调整的好坏不单单由动态子系统来决定，与静态、动态编辑器功能是密不可分的，动态调度体现出系统整体框架的好坏程度。动态编辑器是整个系统的集成平台，利用该平台可以改钢，改向，添加计划；改变设备的处理时间(延长浇铸处理时，会根据拉速模型自动计算出建议拉速)和设备间的传搁时间(两个设备间有最小传搁时间的约束)；进行同类设备间的改变等，使用灵活方便。 (5)重调度。在出现一些情况，如设备冲突较大、部分冲突无法消解时，就需要进行重调度，需要对未生产的炉次计划进行重排，以此来修改计划。 针对不同扰动类的具体调整方式如下。 (1)时间类调整。主要功能是根据实绩数据与计划的偏差来决定计划的动态调整。一级案例推理出的调整策略，包括不改钢不改向顺延(按时间的范围分为自动顺延和人工确定顺延量)、不改钢改向、改钢改向等多种策略。当时间扰动偏差值在一定范围内系统会启用二级案例推理出调整方法，如果时间扰动偏差大于该范围，此时影响比较大，要人工干预，通过人机交互(调整方法界面或动态编辑器)进行调整。 (2)温度类调整。主要功能是根据温度实绩与每个钢种每种状态下目标温度间的差值决定是否进行温度补偿和计划外钢水OB升温处理。当温度低于目标温度时，系统会启动一级案例推理出的调整策略，包括不改钢不改向精炼OB、精炼改向CC不改向OB等多种策略。要增加精炼工位时，采用人机交互调整界面方法，增加精炼工位后可能出现计划在设备上的冲突，此时系统会自动启用基于规则的专家系统消解冲突。有时延长精炼时间即可满足要求，此时采用动态编辑器进行调整。 (3)浇铸异常类调整。当铸机CC出现异常后，系统会启动一级案例推理出的调整策略，包括连铸拉速调整、返送去另外的连铸机浇铸或模注、返送并OB升温、轻装入、重装入、回炉等。根据推理出的调整策略，通过调整方法界面进行连铸拉速调整、返送并OB升温等调整，通过动态编辑器进行返送去另外的连铸机浇铸或模注调整。 (4)改钢类调整。利用动态编辑器进行改钢。 (5)没备变更类调整。静态设备变更，可以利用动态编辑器进行设备更改，调整准出钢顺计划；动态设备变更，利用数据库的触发器，通过反馈的生产实时数据，自动改写出钢顺计划中的设备信息。 (6)重调度功能。由于其他计划物流异常而导致某一铸机上未生产炉次计划发生设备冲突严重的情况，通过重调度可以实现对指定铸机未生产炉次计划重新编制准出钢顺计划的功能。 3 仿真实例 在1CC上编排4个炉次计划(见图3，数据来源于实际生产中部分炉次制造命令)。 静态系统可以灵活地设置每一铸机的开浇时间，增减计划。炉次计划最多精炼可达4重，连铸生产必须保持连续性。仿真实例模拟了温度扰动(计划73)、时间扰动(计划74)情况，实际扰动有多种情况，限于篇幅这里不做一一举例。 动态调度子系统可进行时间调整、温度调整(见图3)、CC异常调整