定尺钢板成材率最大化物料形变模型研究-tr

479数字化制造技术基金项目：国家自然科学基金资助项目（60873008）；河北省自然科学基金资助项目（F2008000861）。定尺钢板成材率昀大化物料形变模型研究宋诚忠1,2,申利民1,张庆大2,何芳2,郑鹏2(1.燕山大学信息科学与工程学院，河北秦皇岛066004；2.秦皇岛首秦金属材料有限公司信息质量部，河北秦皇岛066326)摘要：为了提高中厚板产品成材率，提出一种定尺钢板成材率昀大化物料形变模型。它由物料形变算法、选坯模型、选坯优化三部分组成，该物料形变模型充分考虑了设备能力、宽展比、压缩比、切损、烧损等诸多因素对成材率的综合影响，首先订单录入后通过物料形变算法得到所有可能的坯型，再根据选坯模型求解出可使用坯型，昀后通过选坯优化昀终选择出成才率昀大坯型。试验证明该模型不但可以减少投料数量，而且能减轻库存压力，有效地提高成材率，显著地提高了企业的经济效益。关键词：制造执行系统；物料形变；定尺钢板；成材率中图分类号：TP311文献标志码：AResearchontheMaterialTransformationsModelforMaximumYieldRateofFixedDimensionsPlateSONGCheng-zhong1,2,SHENLi-min1,ZHANGQing-da2,HEFang2,ZHENGPeng2(1.CollegeofInformationScienceandEngineeringofYanshanUniversity，Qinhuangdao066004,China；2.InformationandqualityDepartmentofQinhuangdaoShouqinMetalMaterialsCo.,Ltd，Qinhuangdao066326,China)Abstract:Toimprovetheyieldrateofwideandheavyplate,itproposesthematerialtransformationmodelformaximumyieldrateoffixeddimensionsplate.ItconsistsofMaterialdeformationsalgorithm,modelofslabselectionandoptimizationofslabselection.Themodelfullyconsideredmanyfactorsimpactingonyieldratio,suchastheequipmentcapacity,spreadrate,compressionrate,burningloss,cuttinglossetc.Firstly,itobtainsallpossibletypesofslabsthroughmaterialdeformationsalgorithmaftertheorderinput.Secondly,itsolvestheapplicabletypesofslabsaccordingtomodelofslabselection.Finally,itchoosesthetypeofslabswhichhasthelargestyieldratethroughoptimizationofslabselection.Theexperimentprovedthatthemodelcannotonlyreduceanumberofmaterials,butalsocanlessenthepressureoftheinventory.Itincreaseseffectivelyplateyieldandsignificantlyimprovestheeconomicefficiencyofenterprise.Keywords:manufacturingexecutionsystem;materialtransformations;fixeddimensionsplate;yieldrate0引言近年来，作为企业信息化建设的重要组成部分，制造执行系统(ManufacturingExecutionSystem,MES)在整个企业信息集成系统中起承上启下的作用，是生产活动与管理活动信息沟通的桥梁。MES能通过信息传递，对从订单下达到产品发货整个的生产过程进行优化管理。当工厂内有实时事件发生时，MES能对此及时做出反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。这种对状态变化的迅速响应使得MES能够减少企业内部没有附加值的活动，有效地指导工厂的生产运作过程，从而使其既能提高工厂及时交货2010全国现代制造集成技术学术会议论文集480能力、改善物料的流通性能，又能提高生产回报率[1-2]。物料形变是MES系统的核心部分之一，在物料形变过程中坯料设计是重要组成部分，设计坯料尺寸时，如果简单地选用一个或几个规格尺寸的板坯去组织生产，会造成大量剩余板(非计划产品)，坯料设计[3-4]是影响中板成材率的重要环节之一，既降低成材率，又给生产带来困难。为了解决中厚板生产所需坯料尺寸设计问题，本文提出了定尺钢板成材率昀大化物料形变模型，在订单下达时通过物料形变算法计算、选坯模型、选坯优化，自动选择成材率昀大化的坯型。实践表明，利用该软件模型计算选出的结果，不但可以减轻库存压力，而且能有效地提高成材率，显著提高企业的经济效益。1存在问题1.1影响成材率因素成材率的高低直接影响着企业的经济效益，同时也是反映一条生产线操作及综合管理水平的重要指标。成材率[5-6]是企业管理水平、工艺装备水平、技术操作水平和产品质量的综合体现，提高成材率是钢铁工业节约原料和能源、降低成本、提高经济效益的重要途径。影响成才率的因素主要有板型控制、宽展比、压缩比、切损量和烧损量等。如何提高成材率，提升企业在市场中的竞争力已成为企业面临的难题。为发展我国中厚板生产，提高成材率，行业各部门作了大量的工作[7-8]，如提高板坯连铸比、改造旧有轧机提高装备水平、开发平面形状控制技术以减少切损、采用负公差轧制等，这些方法都是从硬件设备控制方面提出的解决途径。本文提出的方法是从设计软件模型的方式提高宽厚板生产成才率。本文说的成材率是指满足订单要求的成材率，是订单钢板重量与板坯投料重量的百分比。其计算公式为121100%NiiiiiPLATEtPLATEwPLATElYDSLBtDSLBwDSLBlXρρ=××××=×=××××∑订单钢板重量成材率投料板坯重量。(1)式中:PLATEt表示订单所要求的钢板厚度；PLATEw钢板宽度,PLATEl钢板长度；DSLBt板坯厚度；DSLBl板坯长度；DSLBw板坯宽度；Y钢板块数；X所选择板坯规格块数；1ρ钢板密度；2ρ板坯密度。上式表明，坯料尺寸设计是否合理，直接影响成材率，坯料设计是影响中板成材率的重要环节。1.2问题的提出钢板生产企业一般根据用户订单组织生产，对于定尺钢板（厚度、宽度、长度为固定值的钢板）订单都有块数和重量的数值，当前的物料形变规则有二种：①根据产量昀大化原则尽可能选用重量昀大的板坯组织生产，将生产一部分用户需求以外的钢板。②根据用户订单要求的块数组织生产，按照坯型优先级选择板坯规格；如果无法满足块数要求，也将生产用户需求以外的钢板。这二种物料形变规则都存在同一个问题：如何让用户需求以外的钢板生产数量昀小，或者说如果在满足用户需要的情况下让板坯的投料量昀小。本文提出一种定尺钢板成材率昀大化的MES物料形变方法来解决这一问题。2定尺钢板成材率最大化物料形变模型研究针对上述存在的问题，本文提出一种针对定尺钢板成材率昀大化的物料形变模型。2.1模型框架本模型框架主要由物料形变算法、选坯模型、选坯优化三部分内容组成。定尺钢板成材率昀大化物料形变模型框架图如图1所示。订单录入后通过物料形变算法得到所有可能的坯型，这些坯型通过选坯模型求解出可使用坯型，再通过选坯优化昀终选择出成才率昀大坯型。481数字化制造技术物料形变算法坯型1坯型2坯型3坯型n选坯模型选坯优化可使用坯型1可使用坯型1可使用坯型1可使用坯型1成才率昀大坯型订单输入输出图1成材率昀大化模型框架图2.2物料形变算法本文提出的模型框架第一部分内容是物料形变算法，本算法根据订单要求的钢板规格按照一定物料形变规则进行物料形变，昀终得到板坯坯型。算法充分考虑了铸机、加热炉、轧机、宽展比、压缩比、切损和烧损等诸多约束条件的影响，得到满足设备能力和技术要求的板坯的所有可能尺寸。如果没有满足设备能力和技术要求的板坯的所有可能尺寸，则系统给板坯规格无法满足用户要求提示。假设订单要求的钢板厚度为T0、宽度为W0、长度为L0，块数为PI0，重量为MASS0。产品参数：板坯昀小长度DSLBLmin、昀大长度DSLBLmax；可轧制钢板的昀小长度PLMELmin、昀大长度PLMELmax、昀小宽度PLMEWmin、昀大宽度PLMEWmax、昀小厚度PLMETmin、昀大厚度PLMETmax；板坯厚度DSLBt、板坯宽度DSLBw、板坯长度的步长值STEP。下面介绍物料形变算法描述：步骤1计算钢板定尺PI：PI=floor(PLMELmax/L0)。步骤2计算钢板的生产长度L：L=L0×PI+切头尾量。步骤3钢板长度约束检查：如果LPLMELmax,令PI=PI-1，返回1；如果直到PI=1时，仍LPLMELmax，无解，系统给出设备长度生产能力无法满足用户要求提示。步骤4检查钢板是否剖分：计算WIDTH_CMB=ceil(PLMEWmin/W0),其值为1表示不需要，大于1表示需要。步骤5计算钢板的生产宽度W：W=W0×WIDTH_CMB+切边量。步骤6钢板宽度约束检查：如果WPLMEWmax,令WIDTH_CMB=WIDTH_CMB-1，返回步骤5；如果直到WIDTH_CMB=1，WPLMEWmax仍无解，则系统给出设备宽度生产能力无法满足用户要求提示。步骤7计算将要生产的钢板重量PLMEmass=T×W×L×7.85/1000000(kg)。步骤8根据板坯展宽比(W/DSLBw)约束条件找出板坯可能宽度DSLBw，如果没有宽度满足要求，则无解，系统给出展宽比无法满足用户要求提示。步骤9针对每一个可能宽度做以下计算：（1）根据板坯压缩比(DSLBt/T0)约束条件，找出可能的板坯厚度DSLBt；如果对所有宽度都没有厚度满足要求，则无解，系统给板坯规格无法满足用户要求提示。（2）根据铸机约束，由板坯宽度和每一个可能的板坯厚度，计算出板坯的可能长度DSLBl=ceil(PLMEmass/(DSLBw×DSLBt×(1-烧损率)×7.8/1000000)/STEP)×STEP。（3）根据加热炉约束条件，如果DSLBl在DSLBLmin~DSLBLmax之间，则记录此时PI及相应板坯尺寸，然后令PI=PI-1，重复循环步骤2计算过程，保留DSLBl在DSLBLmin~DSLBLmax之间时的相应PI及板坯尺寸，一直循环计算到PI=1。步骤10检查是否存在DSLBl在DSLBLmin~DSLBLmax之间，存在则进行下一步处理。2.3选坯模型根据上述模型算法构建目标函数，对含有约束的多目标优化问题，本文根据某效用函数将多目标合成单一目标进行优化，根据成材率昀大化建立数学模型，目标函数如下：2010全国现代制造集成技术学术会议论文集4821max(())NtwliiiiiiiiMASSfxDSLBtDSLBwDSLBlXϕϕϕρ==×××××××∑。(2)目标函数的约束条件：（1）钢板定尺集合PI={PIi=floor(PLMELmax/L0),PIi-1=PIi-1,PIi=1|(i=1,…,N)}。（2）钢板长度集合：F(Li)={L0*PIi+切头尾量；i=1,…,N；F(Li)[∈PLMELmin,PLMELmax]}。（3）钢板剖分集合F(WIDTH_CMB)={WIDTH_CMBj=ceil(PLMEWmin/W0),WIDTH_CMBj-1=WIDTH_CMBj