0  前言

    现代化钢铁企业的发展趋势是设备的大型化，生产过程的连续化、高速化和自动化。面对当前市场需求的多品种、小批量、高质量和面向用户，钢铁企业面临日益严峻的考验。为了节能降耗，从20世纪80年代起，国外大型钢铁企业就致力于开发炼钢－连铸－热轧一体化生产。在炼钢－连铸－热轧一体化生产中，优化调度起着重要的作用。目前，针对钢铁生产各个工序的优化调度等方面的文献比较多，但是关于炼钢－连铸－热轧一体化生产计划和生产调度文献还比较少。文献[1、2]以钢铁企业生产为背景综述了钢铁生产工序管理和生产计划方法及发展趋势，文献[1]指出了生产计划是MES的核心功能，战略管理一体化、多工序一体化和生产计划综合集成方法是今后发展的主要趋势。文献[3]针对抚钢的实际情况研究了一体化生产管理的问题，着重研究了连铸和连轧之间协调生产计划的问题，但并没有从整个一体化生产的角度进行研究。文献[4]基于一体化管理思想在已编制的炼钢-连铸生产调度模型及轧制批量计划的基础上,建立了炼钢-连铸-热轧一体化生产调度模型，研究了各工序生产计划的排序问题，但没有考虑一体化的整体协调生产的问题。

    本文针对钢铁企业的生产调度管理，在已有对各工序生产计划编制问题研究的基础上，深入研究了炼钢－连铸－热轧一体化生产计划的编制问题，建立了一个一体化生产计划编制的模型体系。将一体化生产计划的编制问题分层、分块处理，每一模块都采用生产计划优化模型来编制局部的生产计划，一体化生产计划的编制通过各功能模块整体协作来完成，很好地解决了一体化生产计划编制中的复杂问题。

1  问题描述

    炼钢、连铸、热轧作为钢铁生产流程的三大关键工序，它们之间不仅存在物流和资源平衡问题，还存在时间平衡问题。对于一体化生产调度问题，需要从输入的用户合同开始，形成满足用户要求和各工序工艺约束的生产批量计划来组织生产。炼钢－连铸－热轧一体化生产工艺流程如图1所示。对于一体化生产计划问题，需要根据用户合同的要求，考虑各工序的工艺约束编制出炼钢－连铸的炉次计划、浇次计划、热轧的轧制计划和板坯库的优化管理计划。

图1 炼钢－连铸－热轧一体化生产工艺流程示意图

    文献[5]对炼钢、连铸和热轧三个阶段的生产约束进行了系统的分析,指出了问题的特征。各个工序的生产工艺约束如下。

    对于炼钢工序的炉次计划,组成同一炉次的合同必须满足以下条件: （1）钢级(STEEL GRADE)相同；（2）板坯宽度相同；（3）轧制宽度≤板坯宽度≤轧制宽度+100 mm；（4）厚度相同；（5）交货期接近；（6）95%炉容量≤板坯总重量≤100%炉容量。

    对于连铸生产中的浇次计划，组成同一浇次的炉次之间必须满足如下条件: （1）钢级的要求,不同炉次之间的钢级差异在一定范围内；（2）炉次之间的板坯厚度一致；③板坯的宽度变化次数不允许超过一定数量；（4）如果不同宽度的炉次组成同一浇次,一般是按宽度非增顺序排列,而且变化不能太大；（5）浇次中的炉次数受中间包寿命大小的影响；（6）炉次之间交货期应接近。

    对于热轧生产线，由于考虑到轧辊的磨损，通常一个完整的轧制计划的轧件宽度具有“乌龟壳”结构，也叫“双梯形”结构，其中正梯形部分是烫辊材部分，数量相对较少，反梯形是主体材部分，是轧辊的主要生产阶段，大量的轧制任务主要在此阶段完成。

    对于烫辊材，一般有以下约束：（1）烫辊材的长度有一定限制；（2）烫辊材的宽度渐增变化，变化范围有限制；（3）开始轧制时的板卷硬度不能太大；（4）硬度变化幅度要小；（5）厚度变化幅度要小，最好是非减方向变化。
对于主体材，一般有以下约束：（1）主体材长度有一定限制；（2）主体材宽度非减方向变化，跳跃幅度要小，跳跃差一般不大于25 cm；(3)宽度反跳时，跳跃差一般不大于15 cm；(4)相同宽度板坯连续轧制不能超过一定长度；(5)宽度、厚度、硬度不允许同时跳跃；(6)厚度变化要平稳，不能反复跳跃，最好是非减方向变化；(7)硬度变化要平稳，渐近递增或渐近递减均可，只是不能反复跳跃；(8)当宽度、硬度、厚度三者发生冲突时，优先级为硬度-厚度-宽度。

    炼钢、连铸和热轧各个工序的工艺约束都不同，而一体化生产要求尽量采用热装方式轧制，也就是板坯热送热装和保持在高温状态下进行工序间的衔接，这就需要合理安排各个工序的生产计划，尽力提高热装比。同时，为了保证生产线的生产效率和充分发挥生产设备的能力，需要优化板坯库的管理来协调连铸和热轧之间生产能力的不匹配问题。

2  模型体系结构

2.1  体系的建立
    为了节能降耗，解决一体化生产中三大工序的能力不匹配和工艺约束矛盾问题，编制出优化的一体化生产计划，提高热装比和保证生产设备能力的充分发挥，本文采用分层、分块的处理方式，将一体化生产计划编制的复杂优化问题分解为5个局部优化问题，建立了如图2所示的一体化生产计划模型体系。当前大部分钢铁企业都在按月生产，在接收到用户的订货合同后，都要进行质量设计和工艺设计，将用户合同归并或拆分为生产合同，生产计划制定的初始数据就是生产合同，炼钢－连铸－热轧一体化生产计划系统根据初始生产合同数据最终生成优化的炉次作业计划、浇次作业计划、轧制作业计划和为保证热轧生产的板坯入库、出库计划。本文将一体化生产计划模型体系分为合同计划、炼钢计划、连铸计划、热轧计划和板坯库计划5个子系统部分，其中每个部分又包含有多个优化模型来共同完成生产计划的编制，各部分的功能描述如下所述。

图2 炼钢－连铸－热轧一体化生产计划模型体系

图3炼钢－连铸－热轧一体化生产计划模型体系信息传递示意图

    炼钢－连铸－热轧一体化生产计划模型体系内部的信息传递主要依靠各个生产计划的数据信息，其内部信息交互方式如下：整个模型体系的初始数据是炼钢－连铸－热轧一体化生产的生产合同数据和各工序的计划编制规程、约束等相关信息，首先由合同计划子系统接收初始数据。合同计划子系统主要就是将月生产合同数据进行处理，编制出相应的炼钢日计划、连铸日计划和热轧日计划，其中需要考虑各工序之间产能上和生产顺序上的约束，目的是为了一体化生产的连续性和尽可能高的热送热装率。同时，为了保证一体化生产的高效直接轧制，模型体系要进行一次循环，就是合同计划子系统编制完炼钢日计划、连铸日计划、热轧日计划后，炼钢子系统、连铸子系统和热轧子系统相应的编制出炉次计划、浇次计划和轧制计划，并反馈到合同计划子系统。合同计划子系统根据日计划的反馈结果对编制好的炼钢日计划、连铸日计划、热轧日计划进行修正，重新编制各工序的日计划，作为最终执行的炼钢日计划、连铸日计划、热轧日计划。

    在合同计划子系统下发送炼钢日计划、连铸日计划、热轧日计划后，首先由热轧子系统开始编制生产计划。热轧子系统根据热轧日计划编制出相应的轧制计划序列，然后向炼钢子系统、连铸子系统和板坯库优化子系统传递。然后连铸子系统根据连铸日计划，并考虑轧制计划序列的板坯顺序，编制出连铸的浇次计划，同时传向炼钢子系统。炼钢子系统在接收到浇次计划后，根据炼钢日计划，考虑浇次计划的浇铸约束，编制出相应的炉次计划。这样，与日计划相对应的炉次计划、浇次计划、轧制计划就编制完成了，但是连铸与热轧之间的衔接需要板坯库优化子系统来协调。在连铸热轧的生产调度中，板坯库优化子系统接收到连铸子系统根据浇次计划编制的连铸出坯时刻表和热轧子系统根据轧制计划编制的板坯需求时刻表后，对连铸生产的板坯进行分类处理，对于能够热装生产的板坯直接送入热轧生产线，不能热装生产的板坯相应的编制板坯入库计划，存放入合适的库位和垛位。同时，板坯库优化子系统根据热轧的板坯需求计划的时刻表来供应板坯，其中可以热装的板坯可以由连铸坯直接供应，不能热装的板坯需要由板坯库中的板坯来供应，这就需要板坯库优化子系统制定相应的出库计划来选择合适的板坯。

    这样，炼钢－连铸－热轧一体化生产计划模型体系就完成一次一体化生产计划的编制，形成最终日生产的炉次计划、浇次计划、轧制计划和板坯库的入库计划、出库计划，相应的合同计划子系统编制不同日期的日计划，模型体系就可以编制不同日期的一体化日生产计划。

3  一体化生产计划编制流程

    炼钢－连铸－热轧一体化生产计划的编制是一个复杂的优化问题，本文模型体系一体化生产计划的编制流程如下。

    （1）合同计划子系统接收月生产合同信息，利用准时制生产计划优化模型初步确定各生产合同的投产日期。
    （2）利用旬计划优化模型和半旬计划优化模型将月生产合同计划分解到旬计划，然后再将旬计划分解到半旬计划。
    （3）根据半旬生产计划，综合考虑炼钢、连铸和热轧的生产线的产能等情况，利用生产日计划优化模型制定出超出各工序生产能力一定范围的炼钢生产日计划、连铸生产日计划和热轧生产日计划。
    （4）热轧计划子系统根据热轧生产日计划，结合机组的实际产能等信息，由板坯日计划模型编制出热轧的板坯日计划，然后由板坯日计划利用轧制计划优化模型编制出轧制计划。
    （5）将轧制计划向炼钢计划子系统和连铸计划子系统反馈，同时热轧计划子系统根据轧制计划及时刻表编制出装炉计划和针对板坯库的板坯需求计划。
    （6）连铸计划子系统根据连铸生产日计划，综合考虑轧制计划和连铸机组的信息，由连铸日计划优化模型确定连铸日计划，并利用浇次计划优化模型编制出浇次计划。
    （7）炼钢计划子系统根据炼钢生产日计划和热轧生产轧制计划，考虑炼钢连铸生产实际情况由炼钢日计划优化模型确定最终的炼钢日计划，然后利用炉次优化模型编制出炉次计划。
    （8）板坯库优化子系统根据浇次计划编制结果对连铸出坯进行数据处理，结合装炉计划和板坯需求计划信息对板坯进行分类处理，符合热装需要的编入热装计划，需要入库的板坯利用板坯入库计划模型编制出板坯入库计划。
    （9）板坯库优化子系统根据板坯需求计划，考虑板坯库存情况，编制出板坯出库计划以满足热轧生产需求。
    （10）将炉次计划、浇次计划和轧制计划编制结果反馈合同计划部分，综合平衡之后确定新的生产日计划，重复(3)~(9)确定最终的炉次作业计划、浇次作业计划和轧制作业计划。同时，将一体化生产计划结果向合同计划部分反馈，满足生产日计划滚动的数据需求。

5  结论

    本文针对炼钢－连铸－热轧一体化生产，在以往各工序生产计划问题研究的基础上提出一种炼钢－连铸－热轧一体化生产计划模型体系，在这种模型体系下多个局部优化系统多个模型协同运作，解决了一体化生产计划编制的整体优化问题。2004年10月经过实际生产计划系统软件的开发和应用表明这种一体化生产计划模型体系切实可行，可大大提高一体化生产调度的自动化水平和板坯的热装比，节省生产调度的人力资源。

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