鋼板冷軋MES機(jī)組作業(yè)計(jì)劃過程中的任務(wù)分配法

基于鞍鋼新軋集團(tuán)股份有限公司冷軋薄板廠MES工程的實(shí)際情況，介紹了機(jī)組排產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃過程中的任務(wù)分配方法。該方法以機(jī)組與生產(chǎn)任務(wù)的最佳匹配、機(jī)組的負(fù)荷平衡為性能指標(biāo)，采用了實(shí)時最小負(fù)荷分配規(guī)則，科學(xué)地解決了冷軋生產(chǎn)線CIMS環(huán)境下機(jī)組排產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃的在線生成問題，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線上的生產(chǎn)路徑優(yōu)化控制，從而提高了生產(chǎn)質(zhì)量和設(shè)備利用率。

鞍鋼新軋鋼鐵股份有限公司冷軋薄板廠MES工程實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)經(jīng)營活動集成化管理，為企業(yè)提供了先進(jìn)的管理手段，改善了企業(yè)生產(chǎn)管理模式，實(shí)現(xiàn)了從合同管理、主生產(chǎn)計(jì)劃、要料計(jì)劃、各車間機(jī)組排產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃、生產(chǎn)物料單卷跟蹤、異常處理、生產(chǎn)調(diào)度、在產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量跟蹤分析、原料庫存管理、在制品管理、成品管理到交貨全過程的具有優(yōu)化生產(chǎn)控制功能的閉環(huán)生產(chǎn)管理。實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)系統(tǒng)與設(shè)備、備件、軋輥管理系統(tǒng)的集成，促進(jìn)了老企業(yè)向現(xiàn)代企業(yè)的轉(zhuǎn)變。該軟件現(xiàn)已成為該公司冷軋薄板廠生產(chǎn)運(yùn)行不可缺少的組成部分。
    對冷軋廠這樣大型復(fù)雜的企業(yè)， 為開發(fā)出有效、實(shí)用的覆蓋全廠所有生產(chǎn)活動、全面實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)管理的軟件，本文著重介紹機(jī)組排產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃生成過程中的關(guān)鍵技術(shù)之一的生產(chǎn)任務(wù)分配方法。
    所謂生產(chǎn)任務(wù)分配，是對各生產(chǎn)車間（工序）的生產(chǎn)任務(wù)具體指定一個生產(chǎn)機(jī)組進(jìn)行生產(chǎn)。關(guān)于生產(chǎn)任務(wù)分配方法特別是離散制造系統(tǒng)的生產(chǎn)路徑規(guī)劃方法已有很多的研究結(jié)果，但本文的特點(diǎn)不是側(cè)重于理論方法研究，而是側(cè)重于易于實(shí)現(xiàn)、有效的實(shí)用方法。這一特點(diǎn)是軟件所必須的，因?yàn)樗仨毷强删幊痰暮陀?jì)算速度能夠滿足實(shí)際要求。
    機(jī)組生產(chǎn)任務(wù)分配是機(jī)組排產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃過程中的重要內(nèi)容，一個好的生產(chǎn)任務(wù)分配方法，可使得軟件程序易于實(shí)現(xiàn)，并且生產(chǎn)任務(wù)分配合理，符合實(shí)際生產(chǎn)情況，可最大限度地達(dá)到機(jī)組和生產(chǎn)任務(wù)的最佳匹配，使得機(jī)組負(fù)荷平衡，提高產(chǎn)品質(zhì)量和成品率、提高生產(chǎn)設(shè)備利用率，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。反之，如果任務(wù)分配方法不得當(dāng)，即使軟件程序能夠?qū)崿F(xiàn)，也無法達(dá)到用戶滿意。

2 冷軋薄板廠實(shí)際生產(chǎn)線生產(chǎn)流程簡介

    冷軋生產(chǎn)線各車間機(jī)組排產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃是基于實(shí)際生產(chǎn)過程的，其實(shí)際生產(chǎn)流程如圖1所示。

圖1 冷軋生產(chǎn)線實(shí)際生產(chǎn)流程

圖1所描述的生產(chǎn)流程只對90%左右的產(chǎn)品是正確的，1%左右的產(chǎn)品并不完全遵循該生產(chǎn)流程，主要特征是具有逆向流程和跳躍流程，比如二次軋制、二次退火、酸洗后直接剪切及一些異常情況處理等等。    

從該生產(chǎn)流程可以看出，冷軋生產(chǎn)是帶有有限中間庫的半連續(xù)性的流程式生產(chǎn)，總體可看成是一個串行生產(chǎn)線，但與串行生產(chǎn)線不同的是各車間（工序）有多臺相同或不同型號的并行生產(chǎn)設(shè)備，本文把這個生產(chǎn)線稱為冷軋生產(chǎn)線，其特點(diǎn)如下：    

①多級串行；

②多機(jī)并行；

③部分產(chǎn)品具有逆向流程和跳躍流程特征；

④多品種規(guī)格同時處于生產(chǎn)線中；

⑤生產(chǎn)約束多（工作輥、支撐輥、生產(chǎn)工藝規(guī)則等等）；

⑥產(chǎn)品生產(chǎn)路徑復(fù)雜。    

上述特點(diǎn)決定了冷軋生產(chǎn)線既有串行生產(chǎn)線的均衡生產(chǎn)問題，也有離散生產(chǎn)的排產(chǎn)與調(diào)度問題。因此使得冷軋生產(chǎn)線均衡生產(chǎn)的機(jī)組排產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃是非常重要的。

3 機(jī)組排產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃過程中的生產(chǎn)任務(wù)分配方法

    1）特定機(jī)組生產(chǎn)鋼卷分配方法

    在冷軋生產(chǎn)過程中，部分產(chǎn)品（10%左右）質(zhì)量要求高，有些工序需特定的機(jī)組生產(chǎn)。為了解決該問題，本文采用引入‘工藝碼’來處理。
    所謂工藝碼是用來描述產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程的，如上節(jié)所述，冷軋廠有10%左右的產(chǎn)品不完全遵循標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)流程，為了軟件程序開發(fā)，需設(shè)計(jì)引用工藝碼，以規(guī)范生產(chǎn)流程過程，解決軟件程序的控制流程關(guān)系。

    對每一個生產(chǎn)鋼卷，依用戶合同要求都將生成一個工藝碼，其形式為：

    x0z1r0p0j0b0

    其中，英文字母代表生產(chǎn)工序（x為酸洗；z為軋鋼；r為熱處理；p為平整；j為剪切；b為包裝），英文字母后的數(shù)字則代表生產(chǎn)機(jī)組（0為未指定特定機(jī)組；1為指定1機(jī)組；2為指定2機(jī)組；…；n為指定n機(jī)組）。顯然英文字母和數(shù)字的任意可重復(fù)組合，可描述所有產(chǎn)品生產(chǎn)流程過程和指定生產(chǎn)機(jī)組。
    在機(jī)組任務(wù)分配時，首先查看工藝碼，當(dāng)該工序的數(shù)字不為0時，則按其數(shù)字分配給相應(yīng)的生產(chǎn)機(jī)組。

    2）非特定無質(zhì)量差別機(jī)組生產(chǎn)鋼卷分配方法

    所謂非特定機(jī)組生產(chǎn)是指在工藝碼中沒有指定特定的生產(chǎn)機(jī)組，即工藝碼中該工序后的數(shù)字為0，所謂無質(zhì)量差別是指對該生產(chǎn)鋼卷生產(chǎn)加工的機(jī)組其質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)都是相同的。這樣的生產(chǎn)任務(wù)在生產(chǎn)過程的某些車間（工序）可能有多個機(jī)組能夠?qū)ζ溥M(jìn)行生產(chǎn)加工，具體分配給哪個機(jī)組進(jìn)行生產(chǎn)加工，存在優(yōu)化分配問題。為了說明機(jī)組任務(wù)分配方法，定義如下符號。
    針對某一個車間（工序），設(shè)：
    有n個任務(wù)W（I，t）等待生產(chǎn)加工，其中，W為生產(chǎn)鋼卷；I為鋼卷序號（I＝1，2，…，n）；t為鋼卷質(zhì)量。將生產(chǎn)鋼卷按鋼卷質(zhì)量從大到小排列，記為｛W（i，t）｝，W（i，t）表示｛W（i，t）｝中的元素。
    P（j）為機(jī)組生產(chǎn)能力，其中j為機(jī)組號。機(jī)組生產(chǎn)能力表達(dá)機(jī)組單位時間最大生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量，在機(jī)組無故障情況下該量是常量。
    L（i，j）為機(jī)組即時負(fù)荷，其中j為機(jī)組號，i為生產(chǎn)卷號的隊(duì)列序號。機(jī)組即時負(fù)荷表達(dá)當(dāng)時已分配給該機(jī)組并且尚未進(jìn)行生產(chǎn)的生產(chǎn)鋼卷的質(zhì)量合計(jì)。
    M（i，j）為機(jī)組j生產(chǎn)加工生產(chǎn)鋼卷W（i，t）的特征函數(shù)，即：    

     令：F（i，j）＝（L（i，j）＋t×M（i，j））/P（j）   （2）
    式中，j＝1，2，…，J（J為該車間機(jī)組總數(shù)）；i和t為W（i，t）中的i和t。
    令：f＝min｛F（i，1），F(xiàn)（i，2），…，F(xiàn)（i，J）｝   （3）
    如果f＝F（i，j0），則分配W（i，t）到j(luò)0機(jī)組生產(chǎn)加工，i＝1，…， n。

 從特征函數(shù)式（1）和運(yùn)算式（2）可以得出：當(dāng)特征函數(shù)不為1時，任務(wù)W（i，t）不可能分配給機(jī)組j，因?yàn)檫@時F（i，j）的值也為+ ∞，并且由于該道工序工藝碼的數(shù)字為0，所以至少有一臺機(jī)組可以生產(chǎn)加工該生產(chǎn)鋼卷W（i，t ），所以至少存在一個F（i，j）的值不為＋∞。不失一般性設(shè)有J0（J0≤J）個M（i，j）的值為1，即有J0個機(jī)組可以生產(chǎn)加工W（i，t）。所以有J0個F（i，j）的值不為＋∞，該值的實(shí)際意義其實(shí)就是機(jī)組的時間負(fù)荷，由于同一個生產(chǎn)鋼卷的質(zhì)量雖然不變，但在不同機(jī)組生產(chǎn)加工的時間由機(jī)組的生產(chǎn)能力不同而不同，因此無法用質(zhì)量來度量機(jī)組的負(fù)荷，但經(jīng)過式（2）的轉(zhuǎn)換，就可把各機(jī)組的負(fù)荷度量統(tǒng)一到機(jī)組生產(chǎn)加工時間上來，因此所謂機(jī)組負(fù)荷平衡，就是本文的任務(wù)分配方法， 在滿足條件約束下能夠最大限度地使得：F（n，1），F(xiàn)（n，2），…，F(xiàn)（n，J）的值相接近。用數(shù)學(xué)符號表達(dá)就是在滿足條件約束下能夠最大限度地使得下式成立。

    式中，j1≠j2；J＝｛1，2，…，J｝。

    3）非特定有質(zhì)量差別機(jī)組生產(chǎn)鋼卷分配方法所謂有質(zhì)量差別是指在生產(chǎn)過程中某些車間（工序）對該生產(chǎn)鋼卷生產(chǎn)加工的機(jī)組可能有多臺，但其生產(chǎn)質(zhì)量所達(dá)標(biāo)準(zhǔn)不同。這樣的生產(chǎn)任務(wù)在生產(chǎn)分配過程中不能單純地考慮機(jī)組負(fù)荷平衡，也應(yīng)考慮生產(chǎn)質(zhì)量。為了說明機(jī)組任務(wù)分配方法，本文定義如下特征函數(shù)：

    

    對這種情況，首先采用上節(jié)的分配方法，當(dāng)有些機(jī)組負(fù)荷超出計(jì)劃時間段的負(fù)荷時，將調(diào)整負(fù)荷向特征函數(shù)為2的機(jī)組。

4 生產(chǎn)鋼卷分配方法的軟件實(shí)現(xiàn)

    生產(chǎn)鋼卷分配方法的軟件實(shí)現(xiàn)，其特征函數(shù)將由機(jī)組生產(chǎn)鋼卷最佳匹配表給出。下面的一段程序?yàn)槔滠垙SCIMS 工程中實(shí)用的機(jī)組排產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃過程中的機(jī)組任務(wù)分配子程序，開發(fā)工具為Developer2000。數(shù)據(jù)表名及其字段名和變量名不做詳解。

    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
    FEMotorH 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 結(jié) 語

    本文通過鞍鋼新軋鋼鐵集團(tuán)股份有限公司冷軋薄板廠MES 工程的實(shí)例，介紹了機(jī)組排產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃過程中機(jī)組任務(wù)分配方法，綜合所有車間（或工序），實(shí)際是一種實(shí)時路徑規(guī)劃方法。該軟件已在現(xiàn)場運(yùn)行半年多時間，結(jié)果表明，軟件運(yùn)行穩(wěn)定，取得了良好的管理效應(yīng)和生產(chǎn)效益，得到了用戶的肯定和好評。

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