1 引言
炼钢-连铸是钢铁生产的关键环节，决定了产品的种类与质量，同时炼钢．连铸生产是一个典型的多段生产、多段运输的离散和连续相混杂的大型高温生产过程，其生产流程具有多元性、多层次、多尺度，以及开放性、非线性、远离平衡、动态有序性等复杂系统的特性，生产组织和运行难度较大。
本文以炼钢．连铸生产运行为研究对象，开发炼钢一连铸生产计划调度辅助系统。该系统通过与现有制造执行系统(MEs)的数据接口，可以接收来自企业资源规划(ERP)的生产批量计划，收集实时生产状态和生产计划执行信息；建立调度触发机制，包括：基于生产状况的自动触发机制以及人机交互的人工触发机制；以智能优化算法以及相关扰动的调度规则进行重计划，制定生产调度方案，设计基于生产物流和工位的调度方案的多种不同可视化表达方式；可以将调度方案反馈至现有信息系统，以供调度人员参考。通过在钢厂的在线测试，将运行结果与现有人工调度方案进行对比，检验了系统的可行性和有效性。
2 炼钢-连铸计划调度及其现状
炼钢-连铸生产调度是指在炼钢．连铸生产作业计划基础上，尽可能满足钢厂当前生产条件下，通过下达生产指令，安排各炉次在各工序上的加工设备、加工时间和加工顺序，以获得生产作业计划的总流程时间或生产成本最优化。在实际生产过程中，炼钢．连铸生产调度需满足连浇生产约束，生产资源约束，品种质量约束以及不同生产节奏约束等限制，属于混合流程车间有限等待时间调度问题。钢铁企业信息系统可分为4层，包括：L1基础自动化级；L2过程控制级(Process Control System，PCS)；L3制造执行系统(MEs)；L4公司管理级(ERP)。其中MEs系统在钢厂制造过程中处于关键地位，并具有一定的生产计划与调度功能，但对于生产中频繁出现的扰动，处理能力有限。
国外已开发多款针对钢铁生产计划调度的商业软件，并在钢铁企业成功应用。如visual 8公司开发的V8 steel，可进行1～12周连铸热轧钢铁生产计划与调度；AIS公司开发的steel Planner生产调度软件包，可为生产调度提供辅助决策；Broner公司开发的PPS可对炼钢连铸热轧过程制定3级生产作业计划和调度方案。国外商业化软件，普遍采用与企业ERP或MES集成的方式建立体系结构，使生产管理合理化、在线化、集成化，使得系统的物质流和信息流尽可能保持同步，前后工序紧密衔接，利于实现生产运行的整体，将局部工序的优化转变为整体工艺的最优化，提高设备的生产效率。但由于我国大多数钢厂的生产流程随着钢厂改建和扩建而不断改变，生产流程和约束条件更为复杂，企业的自动化水平和管理水平尚未达到国外的水平，难以通过引进方式而加以有效应用并发挥作用。国内近年也开发了一些有针对性的钢铁生产计划调度系统，如宝钢的炼钢生产调度模拟系统，以及轨梁厂生产物流仿真系统一-等，可根据具体企业的不同的生产条件进行情况、生产计划和调度方案的策略制定。这些是不同的生产调度方案。国内应用系统在方法层面有一定的特点，但专用系统的普适性欠佳距商业化应用还存在一定的差距距离。因此，面向国内典型钢铁企业MES系统，开发具有生产计划调度信息集成和主要生产扰动识别和处理功能，能进行重计划和重调度的炼钢一连铸生产计划调度系统，具有重要意义。
3 炼钢-连铸生产计划调度系统
钢厂信息系统主要为PCS(L2)和MES(L3)，通过MEs接受来自公司ERP(L4)的管理和生产指令。钢厂MES系统是整个生产运行信息系统的核心，能够接收ERP系统下达的生产批量计划，并接受来自过程信息系统PCS生产过程实时生产信息。计划调度人员通过L3下达生产作业计划，并对执行信息进行跟踪，遇到问题，需及时进行调整，以保证生产计划下达到产品生产的兑现。
炼钢-连铸生产计划调度系统体系结构如图1所示。
该系统通过数据接口与钢厂MES系统实现数据通信，借助数据交换，发挥其辅助炼钢．连铸计划调度的功能。系统建有SQL server关系数据库，关系数据库包括外部数据库表和内部数据库视图，外部数据库表用于存储从MES系统直接接收的数据，内部数据库视图用于存储计划调度系统运行过程和结果数据，相关的重计划调度数据可返回MES系统，用于辅助生产计划调度。数据库具有对把计划调度相关信息进行汇总和分类的功能，而且系统通过数据库中生产实绩信息动态数据表的变化情况，可以进行生产实绩信息中的生产计划调度扰动信息进行的自动分类识别；以数据接口接收对生产实绩判断的生产扰动自动识别，或者以操作人员人工输入人为扰动，生产实绩信息跟踪过程的扰动信息自动识别与人为设置的扰动的方式均可，作为计划调度系统的触发控制来启动系统的重计划和重调度功能；系统还建有包括遗传算法、蚁群算法，以及时间并行顺推算法等智能算法库，用于制定满足生产约束的优化的生产调度方案；在生产作业计划实施过程中，当系统根据生产扰动情况，实时启动重计划或重调度功能时，既可根据需要以制定满足设备冲突约束的重计划，进行生产调度，确定当前未完成作业的生产炉次的工序工位选择以及在工位上的作业时间，也可进行重调度的策略仿真。系统计划调度方案的可视化表达既有以生产计划中的物流为标志的调度方案列表表达方式，也有以物流计划实施工位为标志的Gantt图表达方式，为现场计划调度人员提供直观的显示界面。
图1 炼钢-连铸生产计划调度系统体系结构图
4 系统实现主要技术
4.1 炼钢-连铸生产调度方法
炼钢-连铸生产对钢水时间节奏的控制和温度要求较高，但生产中存在的诸多不可避免的不确定扰动因素将影响生产作业计划(初始调度方案)的执行，必须在满足生产基本约束的前提下进行调整，生成一个新的可行调度方案，指导和维持生产的连续性。因此，炼钢-连铸生产调度系统开发技术的关键是在生产执行过程中，根据相关的扰动触发条件，在考虑ERP生产批量计划的执行情况与现场实时生产条件下，通过智能优化算法，对未完成的生产批量计划，制定调度方案，以保证生产的顺利运行。炼钢．连铸生产调度流程如图2所示。
图2 炼钢-连铸生产调度流程图
由图1系统触发机制可知，炼钢-连铸生产调度启动包括两种机制：通过数据接口自动获得生产实时扰动，以及操作人员确定的人工扰动。系统通过不停扫描SOL数据库的扰动信息，确认扰动发生并分类后，启用实时调度机制：采用智能优化算法根据现有条件自动编制调度方案，或是通过人工操作直接调整调度方案；在自动编制调度方案时，对于不同的扰动事件采用不同的策略，再确定该扰动事件对炼钢一连铸流程的网络模型(由工位、运输线和生产物流组成)的影响，调用开发并集成在系统中的智能优化算法，制定调度方案。自动编制调度方案和人工调整的调度方案均可以列表或Gantt图形式显示。根据实时调度信息对扰动事件进行分类，确定生产扰动与人工扰动，确定与扰动相适应的调度原则；依据资源状况及生产约束，调用智能优化算法重新制定新的调度方案。生产扰动以及人工扰动分为任务扰动、设备扰动、生产工艺扰动和时间扰动等，如表1所示。
表1 扰动分类及其影响
当生产过程出现扰动，生产作业计划不能完成，需要进行重计划时，其方法如图3所示。
图3 生产重计划制定方法
通过SQL数据库接收MES的生产实绩，将需要执行重计划的生产批量计划分为正在作业计划和未作业计划，对正在作业的计划应优先安排，确定其调度方案，然后再对未作业计划进行作业计划重排。对正在作业计划，利用时间并行顺推算法进行扰动情况下的作业任务继续执行调度方案的调整，确定该生产炉次从当前工位至铸机浇铸的工序工位配置和时间分配；对未作业炉次计划则采用基于遗传算法的混合智能优化算法进行重调度，在满足铸机连续浇铸和设备保障能力前提下，确定其调度方案。炼钢．连铸生产计划调度系统的主要工作流程为：
步骤1启动系统，连接L3数据库，读入生产实绩信息，设定数据库扫描间隔时间，转入步骤2。
步骤2根据生产计划调度方法，确定初始生产计划调度方案，并在终端显示，转入步骤3。
步骤3扫描数据库扰动信息，若捕捉到扰动发生或有人为施加的扰动，转入步骤4，启动重计划与重调度；否则，转入步骤5。
步骤4对扰动进行分类，确定当前扰动类别，根据生产计划调度流程确定扰动情况下的生产计划调度方案，转入步骤5。
步骤5等待下一扫描时刻，转入步骤3。
4.2 数据接口与数据库设计
数据接口是计划调度系统应用的关键，通过数据接口实现与钢厂信息系统MES的数据交换。由于MES系统与Pcs和ERP信息系统相连，在企业信息系统向MEs的Oracle数据库相关数据表中写入生产信息时，利用socket协议将相关的数据包发送到系统所在工作站，再利用ODBc技术根据数据包信息标志将数据写入对应的SQL server数据表中。建立的关系数据库以接收生产批量计划以及生产过程中与计划调度相关的生产实绩数据，同时存储计划调度系统运行的数据，以及生产计划调度方案相应的数据。由于MES系统与PCS和ERP信息系统相连，内部数据库表设计了sQL触发器，对外围数据库表进行基本处理后存储计划调度计算直接所需的数据。主要的关系数据库中的外围数据表，如表2所示。
表2 外部数据表名
内部数据库视图基本数据来源于表2中基本外部数据表，其基本关系如表3所示。
表3 内部数据视图名
5 在线测试
以visual studio 2005为系统开发平台，以visual c++开发相关的智能算法库，通过socket和oDBc开发与L3系统的数据接口，并利用SQL server 2005建立系统的关系数据库，以Visual c#开发相关的用户交互界面。系统的生产调度主界面如图4所示。针对某钢厂的生产条件，设计在线测试项目包括铸机断浇和设备检修状态下不同的调度方案与现有人工调度的对比，现场测试数据如表4所示，测试结果如表5。
表4 在线测试
表5 系统调度与人工调度方案对比
由表5可知，炼钢．连铸生产调度系统能够制定包括炼钢-连铸的生产调度方案，该方案能够满足铸机连续浇铸以及在各工序上基本工艺作业时间的条件；同时在生产发生扰动的同时，能够自动进行重计划，制定生产调度方案。该方案与现有人工调度方案相比，物流运行时间有所降低，设备利用率更加均匀。
6 结论
开发了一套针对炼钢-连铸生产流程的生产计划调度系统。该系统通过与MEs系统的数据接口，能够接收ERP的生产批量计划以及现场的生产实绩信息，具有实时扰动识别和分类功能，可以制定满足炼钢．连铸基本约束条件的重计划和重调度方案，可辅助进行实时调度。通过在钢厂的在线测试运行表明了系统的有效性，同时与人工调度相比具有一定的优越性，能够提供一种辅助生产调度的手段。
进一步的开发工作，将以炼钢．连铸为对象的计划调度拓展至整个钢厂的所有工序环节，将铁水预处理也包括在内，并实现与钢厂MEs系统有机集成，以提高钢厂生产计划与调度的自动化水平。
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