一種冷軋罩式退火爐機組優化組爐方法及系統的製作方法

2023-11-10 19:56:12

專利名稱：一種冷軋罩式退火爐機組優化組爐方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於鋼鐵材料加工信息技術領域，涉及到自動化技術，特別涉及到一種罩式退火爐機組優化組爐方法。

背景技術：
冷軋產品是一種高附加值產品，對提高企業的經濟效益起著關鍵作用，也是鋼鐵企業一個重要的生產環節。如何利用現有資源節能降耗、降低生產成本從而提高經濟效益，已經成為許多企業所面臨的問題。退火是生產冷軋產品的一道工藝，它是多數冶金企業生產高質量冷軋產品的一道必經工序，根據材料和工件尺寸的不同採用不同的保溫時間，然後進行緩慢冷卻，目的是使金屬內部組織達到或接近平衡狀態，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進一步淬火作組織準備。在鋼鐵企業冷軋生產的退火工序中，主要採用爐群(罩式爐)為退火方式，它的主要工藝是將性能相似的3～4卷板卷裝到同一爐臺上，經加熱、保溫、冷卻後出爐，整個退火過程大約要經歷2-3天的時間，罩式爐一旦點火不可以終止，直至板卷退火完成所有退火操作。退火工序周期長、能量消耗大、資源約束多，排產複雜，其裝爐量的多少及裝爐質量的高低對於挖掘機組產能、節能降耗、加快生產節奏以及縮短交貨期起著至關重要的作用。
目前罩式爐的組爐計劃全部由人工依照個人經驗進行編制，雖然計劃人員已經在組爐計劃編制方面積累了相當多的經驗，也取得了很大的成效，但由於罩式爐退火的生產方式具有周期長和能耗大，以及操作步驟複雜、約束條件多、隨機性高等特點，使得編排計劃是一項非常繁瑣且技術性要求較高的工作，人工編制計劃時無法同時兼顧產能、退火質量、物流平衡及客戶滿意度等多方面的要求，因此單靠人工方法很難對批量板卷的退火生產做出良好、合理的安排。所以鋼卷的罩式爐退火是冷軋單元生產的「瓶頸」。


發明內容
針對現有鋼鐵企業罩式退火爐機組存在機組產能低、罩式爐利用率低、退火板卷質量不高及能源浪費等問題，本發明提供了一種罩式退火爐機組待退火板卷優化組爐方法，並建立了一種罩式退爐機組待退火板卷優化組爐模型。
組爐的主要任務是在N個等待退火的板卷中，依據它們之間物理性質的差別以及它們和罩式退火爐之間的匹配關係選擇n(n≤N)個板卷組成m個裝爐單元進行生產，以達到提高裝爐量、提高裝爐質量、降低能源損耗等目的。該方法依據實際問題所建立了優化組爐模型，考慮了實際生產過程中的複雜工藝約束，目標是追求保證罩式爐退火質量的前提下使得罩式爐機組產能最大化，能源消耗最小化，同時保證罩式爐退火機組與前後工序之間的物流平衡。
假設有P個空閒的罩式退火爐，N個等待退火的板卷，現依據它們之間物理性質的差別以及它們和罩式退火爐之間的匹配關係選擇n(n≤N)個板卷組成P個爐次進行生產。罩式退火爐優化組爐問題可以描述為 約束條件 i＝1，…，N(2) j＝1，…，P(3) j＝1，…，P(4) Zj≥0，j＝1，…，P(5) xij∈{0，1}，i＝1，…，N；j＝1，…，P(6) 目標函數(1)中的

表示板卷與罩式爐的匹配費用，用來保證板卷與罩式爐的匹配質量；

表示罩式爐剩餘容量總和的懲罰費用，用來保證罩式爐的利用率；

表示對未被選中板卷的懲罰費用，用來保證總的裝爐量能夠達到最大水平；

表示的是板卷之間的匹配費用，用來保證被放在同一爐內的板卷匹配的質量。
模型的約束條件 約束(2)表示一個板卷最多只能安排在一個爐子內；約束(3)表示以第j個垛的板卷總重量不能超過爐子的最大承載重量；約束(4)表示第j個垛的板卷的總高度不能超過爐子的最大高度；約束(5)表示爐次的剩餘容量不能為負。約束(6)表示決策變量的取值範圍。
決策變量
模型參數 1)Zj-第j個爐次的剩餘容量； 2)N-編爐次的板卷數； 3)P-爐次數，P＝NNHB+NNHS+NHHB+NHHS； 4)Tj-第j個爐次的爐容量； 5)pj-第j個爐次剩餘容量的附加費用係數； 6)gi-第i個板卷的重量； 7)hi-第i個板卷的高度； 8)fi-第i個板卷的未被選中所引起的附加費用係數； 9)Hj-第j個爐子的最大承載高度； 10)C1ij-板卷i與罩式爐j的匹配費用，它主要涉及到板卷的重要性(即板卷的優先級懲罰)及板卷與罩式爐的退火曲線匹配度和規格匹配度； 11)C2ik-被放在同一爐內的板卷i與k的匹配費用，是對同一爐子中的板卷相似性測量，主要涉及以下幾個方面 (1)板卷之間的退火曲線懲罰費用係數，退火曲線是實際生產中罩式爐的控制溫度(實測溫度)與時間的函數，正是退火過程的量的體現，是板卷退火加熱過程的依據。將退火曲線相近的板卷放在同一爐內進行加工可以更好的保證罩式爐板卷的退火質量及降低能源損耗。
(2)板卷的厚度之間的厚度懲罰費用係數，由於薄的板卷需要悶爐，而厚的板卷不需要，因此在裝爐時儘量將薄板卷及厚板卷分開裝爐，這樣可以保證板卷的退火質量有效防止過燒及欠燒的情況。
(3)板卷的光潔度差異懲罰費用係數，在進行退火生產時，經脫脂的板卷表面光滑，而未脫脂的板卷表面有雜質，在同一爐內加熱時雜質有可能會附著到乾淨的板卷上，這樣會導致板卷出現碳化邊的情況。此參數就是儘量保證將以脫脂及未脫脂的板卷分開，減少碳化邊情況的發生，減少損耗。
該優化組爐方法主要包括以下步驟 第一步根據實際工藝運行參數，對等待退火的板卷進行優先級設置 實際工藝運行參數指的是在板卷優先級設置時，各個優先項所對應懲罰值的確定條件。設為板卷i優先級懲罰，設Pi板卷i優先級懲罰，主要考慮以下5個優先項因素 (1)交貨期優先級懲罰Pij1交貨期指的是板卷所在的生產合同所確定的最後的發貨時間。交貨期關係到企業的誠信，因此應儘量保證板卷的按期交貨。
(2)集批生產優先級懲罰Pij2有集批代碼的板卷需要集批加工，也就是說需要儘量放在一起進行退火。
(3)特殊性優先級懲罰Pij3因為規格、材料性質特殊的板卷在生產上有一定的局限性，所以為了防止出現大量特殊板卷積壓在庫中的情況，應該優先考慮特殊板卷儘量優先使其排進計劃。
(4)合同完整性優先級Pij4集配周期指的是同一合同內的板卷，從第一個板卷完成全部工序等待發貨的時間起，到最後一個板卷完成所有工序等待發貨的時間結束，這段時間稱為集配周期。同一合同內的不同板卷往往在某一時刻不在同一工序上，這就導致有些板卷先完成所有工序在庫等待其他板卷完成所有工序後一起交貨，因此應儘量縮小集配周期，保證合同完整性。
(5)板卷的在庫時間優先級懲罰Pij5在庫時間指的是板卷到達罩式爐前庫的時間與當前編排計劃時間的時間間隔，應儘量縮小這個時間間隔，防止板卷在罩式爐前庫堆積，給其帶來壓力。
將板卷的各個優先項所對應的懲罰值按照由小到大的順序排列並組成優先項序列，用Pi(t)表示第i個板卷的優先項序列中第t個優先項的懲罰值，t小於等於總的優先項的個數。如果簡單的把各個優先級項的值加起來，優先級懲罰值將變得很大，而且當優先級項越多時，本應該優先的板卷反而變得不優先了，因此為了避免這種情況並反映實際組爐時板卷的重要性，本發明中引入了一個打折係數β及調整因子α，此時 Pi＝f(5)；f(t)＝f(t-1)β+αPi(t)；f(1)＝Pi(1)。
第二步預組爐，根據板卷優先級，板卷間的匹配判據以及板卷與爐子匹配判據，生成罩式退火爐初始可行組爐計劃 首先任選一空閒爐子，根據板卷與罩式爐匹配判據選擇所有可以裝入該爐的板卷，並將它們按照優先級懲罰值Pi升序排列，相同優先級的板卷按照重量的降序排列，組成備選板卷序列，由於優先級懲罰值越小，則板卷就越優先，這樣能保證每一爐開始時，總是能使當前備選板卷序列中優先級最高(優先級懲罰值最小)且重量最大的板卷首先裝進爐中。然後根據板卷間匹配判據依次從備選板卷序列中選取能夠與爐中已有板卷組成一爐的板卷，則將其放入爐中，當高度達到罩式爐的最大高度時，自動形成一個組爐方案，然後反覆此步驟，會自然形成P個組爐方案。
優先級法指的是對每個板卷的管理屬性進行評價，然後按照評價值的升序將未排板卷進行排序，並以此排序為基礎，生成組爐方案。
在生成初始可行組爐方案時，提出下列匹配判據判斷板卷與板卷及板卷與爐子之間是否匹配 板卷間匹配判據如果兩個板卷i和k的退火曲線相同或形狀相似，兩個板卷厚度均屬於同一類型(薄料或厚料)，且板卷的表面光潔度相同，也判定兩個板卷可以放在同一爐子中。
板卷與爐子匹配判據如果爐子j可以加工板卷i的退火曲線，且板卷i的外徑小於爐子j的外徑，則判定板卷i與爐子j相匹配。
算法步驟 設S表示備選板卷集合，SS表示已選板卷集合，SR表示剩餘板卷集合。
Step 1選取一個空閒爐子，根據爐子與板卷匹配判據，選出可以與該爐子匹配的板卷，並將板卷按照優先級懲罰升序排列，優先級相同的按照重量降序排列； Step 2選定板卷序列中第一個未標記的板卷放在爐中； Step 3選定S中下一個未被標記的板卷，應用板卷間匹配判據判斷，如果能與已選板卷組成一垛，則組垛，標記該板卷；若不能組成一垛，選擇下一個未標記板卷判斷。當前計劃板卷數等於4時，重複Step 3；否則，轉到Step 4； Step 4判斷是否還有空閒爐子，若有則轉到Step 2，否則轉到Step 5； Step 5將標記的板卷放入SS，將未被標記的板卷放入SR，算法結束。該方法的流程圖如圖3所示。
第三步根據優化組爐模型中的目標函數，應用改進策略對初始可行組爐方案進行調整形成罩式爐初始組爐方案後，計劃結果仍有一定的改進空間，採用目前國內外較為流行的禁忌搜索算法作為框架，根據罩式爐機組實際生產的特點構造改進鄰域，配合變鄰域、變深度等搜索策略對初始可行組爐方案進行改進。
(1)鄰域結構 根據問題的特點，提出了四種搜索鄰域分別為已排板卷兩兩交換鄰域，即將分配給不同爐子的兩個板卷進行交換，該鄰域搜索方法流程圖如圖4所示；未排已排板卷二換一鄰域，即將一個已排板卷從所屬爐子中移出，並將兩個未排板卷放入，該鄰域搜索方法流程圖如圖5所示；未排已排板卷一對一交換鄰域，即將一個已排板卷從所屬爐子中移出，並放入一個未排板卷，該鄰域搜索方法流程圖如圖6所示；變深度混合交換鏈鄰域，該鄰域通過引入虛擬板卷及虛擬爐子的概念，將問題轉化為集劃分問題，即將所有未排板卷按照裝爐規則裝入虛擬爐子中，並向每個實際爐子中添加一個虛擬板卷，這樣便將所有板卷均裝入爐子中，再此基礎上進行交換操作，即將屬於不同爐子的兩個板卷進行交換，經過若干次交換後，便形成了一個混合交換鏈，當交換次數不確定時，此鄰域稱為變深度混合交換鏈鄰域，如圖7所示，該鄰域搜索方法流程圖如圖8所示。
(2)搜索策略 在對初始可行組爐方案進行調整時，根據三種鄰域的不同功能，搜索過程被分為三個階段，具體來說由於「未排已排二換一」鄰域對裝爐量的改進效果最大，因此首先採用該鄰域搜索，採用所有鄰域移動中目標函數改進最大的解作為當前解，接下來採用「已排未排一對一交換」鄰域繼續向裝爐量增加的方向搜索，同樣採用目標函數改進最大的解作為當前解，如果這兩種鄰域均無法改進目標，那麼採用「已排板卷一對一交換」鄰域，移動的方向是在不違反約束的前提下使已排板卷儘可能集中，為下一次未排板卷的插入創造更大的機率。重複以上搜索步驟，當連續搜索多次後結果仍沒有改進，則搜索變深度混合交換鏈鄰域。
(3)基於上面的鄰域及搜索策略，本發明所提出的對初始可行組爐方案調整方法具體步驟如下(流程圖見圖9) 步驟1選取一個空閒爐子，根據爐子與板卷匹配判據，選出可以與該爐子匹配的板卷，並將板卷按照優先級懲罰升序排列，優先級相同的按照重量降序排列。
步驟2選定板卷序列中第一個未標記的板卷放在爐中。
步驟3選定S中下一個未被標記的板卷，應用板卷間匹配判據判斷，如果能與已選板卷組成一爐，則將其放入爐中，標記該板卷；若不能組成一爐，選擇下一個未標記板卷判斷。當前計劃板卷數等於4時，重複Step 3；否則，轉到Step 4； 步驟4判斷是否還有空閒爐子，若有則轉到Step 2，否則轉到Step 5； 步驟5設F＝{F1，…，FP}為得到的P個裝爐組合，S＝{所有未排板卷}，根據F和S計算當前目標函數值Z。設當前最好解為FBest，對應的目標函數值為ZBest，另FBest＝F、ZBest＝Z，轉到步驟6。
步驟6對F及S搜索已排未排板卷兩兩交換鄰域，記錄鄰域不在禁忌表中的最好解F』，更新當前組爐結果集合F、剩餘板卷集合S及禁忌表。如果F』＜FBest，則另FBest＝F』。
步驟7若最好解FBest被更新，則重複步驟6，否則，對集合F及S搜索未排板卷已排板卷二換一鄰域，在鄰域中選取不在禁忌表中的最好解F』，更新當前組爐結果集合F、未排板卷集合S及禁忌表。如果F』＜FBest，則另FBest＝F』。
步驟8如果連續若干代最好解沒有被更新，則對F及S進行變深度混合交換鏈鄰域搜索。記錄搜索到的鄰域最好解F』，更新當前組爐結果集合F及未排板卷結合S，如果F』＜FBest，則另FBest＝F』。
步驟9判斷是滿足終止條件，如果滿足，則終止程序輸出結果FBest，否則，轉到步驟6，直至滿足終止條件。
第四步應用本發明所開發的罩式退火爐機組優化組爐系統將按照上述步驟所得到的優化組爐方案上傳至企業製造執行系統，並由罩式爐機組的生產自動控制系統執行最後所得到的優化組爐方案。
一種冷軋罩式退火爐機組優化組爐方法採用的系統，該系統包括以下功能模塊授權用戶登錄模塊、原始數據下載模塊、原始數據管理模塊、組爐信息錄入模塊、靜態參數維護模塊、組爐方案自動生成模塊、組爐方案顯示模塊、組爐方案修改模塊、組爐方案評價模塊、組爐方案違規檢查模塊、組爐方案結果上傳模塊、系統配置模塊，各模塊功能如下 1、授權用戶登錄模塊 只對經過授權的計劃員開放，輸入用戶名和密碼，並被驗證正確後才可進入系統； 2、原始數據下載模塊 將所下載的數據導入資料庫內，數據項主要包括狀態，板卷號，厚度，寬度，重量，出鋼記號，牌號，材料組別，補充號，外徑，退火曲線，交貨期，合同號，分選度； 3、原始數據管理模塊 對原始數據進行管理增加、刪除、修改或者按照板卷的某項屬性對板卷進行排序，但是對普通用戶不開放增加、刪除和修改權限； 4、組爐信息錄入模塊 用戶可以在此模塊中輸入包括組爐規模、預留板卷信息及板卷混搭信息在內的組爐方案編制參數，罩式爐組爐方案種類分為四種氮氫大爐組爐方案、氮氫小爐組爐方案、全氫大爐組爐方案及全氫小爐組爐方案，組爐規模即為所需編排每種組爐方案的數量，分別表示為NNHB、NNHS、NHHB及NHHS，預留板卷就是指在編排計劃的時候，某些板卷不參與當前的組爐方案的編制； 5、靜態參數維護模塊 此模塊包括費用懲罰表及數據篩選條件配置兩個部分，其中費用懲罰表包括對目標函數各項的權重、板卷各項優先級懲罰以及板卷間搭配懲罰，其中數據篩選條件配置包括脫脂條件、交貨期選項及優先級選項三個部分； 6、組爐方案自動生成模塊 該模塊主要包括兩個子模塊組爐過程描述子模塊及優化組爐子模塊，優化組爐模型及罩式爐優化組爐方法分別被嵌入到組爐過程描述子模塊和優化組爐子模塊中，在生成組爐計劃時，系統首先將原始數據下載模塊中下載的實時生產數據信息傳遞到組爐過程描述子模塊中，並應用優化組爐子模塊進行求解； 7、組爐方案顯示模塊 對於生成的組爐方案，界面上半部分為二維圖形形式顯示的結果畫面，界面下半部分是其對應數據的表格，用戶可以在四種組爐方案和未排板卷模式間切換，獲得組爐方案中的板卷和未排進組爐方案的板卷信息； 8、組爐方案修改模塊 該模塊可以在顯示模塊的圖形結果中進行編輯，移動板卷或者將板卷在已排板卷模式和未排板卷模式間移動； 9、組爐方案評價模塊 當組爐方案生成後，該模塊可以給出算法自動編排的組爐結果和手工編排的組爐結果在給定目標函數下的對比值及各項目標函數值； 10、組爐方案違規檢查模塊 對於每一個結果，系統會自動根據組爐計劃規程對其進行違規檢查，如果出現違規則會顯示出違規信息； 11、組爐方案上傳模塊 當用戶對組爐方案滿意時，可以將結果上傳至企業ERP系統； 12、系統配置模塊 用戶可以對系統進行配置計算參數、伺服器，計算參數包括目標函數權重和懲罰值；伺服器配置主要是伺服器的地址、埠、用戶名和密碼。
本發明的優點和技術進步是明顯的 (1)本發明不僅適用於鋼鐵企業罩式爐退火機組的生產，還可以廣泛適用於其他行業具有相同性質的批處理工序。本發明從罩式爐的實際生產工藝出發，將罩式爐實際組爐過程完整的描述成一類帶有工藝約束的批處理機調度問題，並根據問題的特點提出了一套高效、可行的優化組爐方法。
(2)本發明對實際罩式爐機組生產指標進行了量化，在對模型參數的結構進行分析的前提下，給出了具體參數的設置方案及計算方法，使得模型參數及目標函數能夠反映實際的組爐狀況。在禁忌搜索算法中融入了變深度及變鄰域搜索策略，且根據罩式爐組爐特點引入了有效的搜索鄰域。試驗結果表明，本發明所提出的罩式爐組爐過程描述方法符合實際生產情況，且組爐優化方法所得出的最好解滿足實際生產約束，優於人工排產結果。
(3)通過實際6組數據人工組爐結果與本發明優化結果的詳細比較，可以得出，在裝爐量提高5.77％的前提下(裝爐量結果比較見圖10)，由本發明優化得到的組爐方案與人工排產的組爐方案相比能夠顯著將目標函數降低10.79％。有效地提高了罩式爐機組的產能，提高了板卷的退火質量，進而降低了氫氣、氮氣、水、煤、電等能源的損耗。(目標函數結果比較見圖11) (2)本發明所開發的罩式退火爐優化組爐軟體系統，使組爐方案編排的精度可以從人工組爐時的「日」精確到「小時」，能夠滿足更加精確的生產作業要求，提高罩式退火爐機組的整體作業效率。



圖1為本發明所提出的罩式退火爐組爐方法流程圖， 圖2為本發明所開發的罩式退火爐優化排產系統操作流程圖， 圖3為本發明所提出的罩式退火爐組爐初始可行計劃產生方法流程圖， 圖4為本發明所提出的已排板卷兩兩交換鄰域搜索方法流程圖， 圖5為本發明所提出的未排已排板卷二換一交換鄰域搜索方法流程圖， 圖6為本發明所提出的未排已排板卷一對一交換鄰域搜索方法流程圖， 圖7為本發明所提出的變深度混合交換鏈鄰域示意圖， 圖8為本發明所提出的變深度混合交換鏈鄰域搜索方法過程圖， 圖9為本發明所提出的對初始可行計劃調整方案流程圖， 圖10為使用本發明所提出的優化組爐方法與人工方法裝爐量結果比較示意圖， 圖11為使用本發明所提出的優化組爐方法與人工方法目標函數結果比較示意圖， 圖12為本發明所開發的優化組爐系統數據下載界面， 圖13為本發明所開發的優化組爐系統初始信息輸入界面， 圖14為本發明所開發的優化組爐系統結果數據界面， 圖15為本發明所開發的優化組爐系統人工調整界面， 圖16為本發明所開發的優化組爐系統評價界面。

具體實施例方式 本發明系統的實施需要如下裝置至少一臺PC機；至少一個電纜接口或光纜接口或電話專線接口；至少一臺路由器。這些設備放在編制熱軋計劃的物流室或計劃室。由這些設備組成一個小型區域網後連接到企業ERP系統中。在PC機中安裝本發明的系統，並通過網絡、路由器連接到罩式機組的生產自動控制系統的前端。該軟體以Windows作業系統為支撐平臺，首先安裝Microsoft SQL Server 2000資料庫系統，然後安裝本發明系統，設置初始化信息配置埠，安裝結束。
本發明系統按以下步驟操作 (1)用戶啟動罩式爐優化組爐系統後，首先輸入用戶名和密碼，若用戶為非法用戶則不能進入優化組爐系統；若用戶為合法的用戶，則可以順利進入優化組爐系統。
(2)用戶利用自己的工號和密碼進入企業ERP系統中的數據觸發畫面，執行罩式爐待排板卷信息生成的功能模塊。此時企業ERP系統會在指定IP位址的FTP伺服器中的指定目錄下生成該數據文件(以文本文件的形式存儲)。
(3)用戶在優化組爐系統中進入數據下載界面，執行罩式爐機組前庫板卷信息的下載。下載的板卷信息欄位包括狀態，板卷號，厚度，寬度，重量，出鋼記號，牌號，材料組別，補充號，外徑，退火曲線，交貨期，合同號，分選度。板卷信息的下載是利用FTP命令從指定的FTP伺服器中下載以文本文件的形式存儲的數據文件到本機中，然後利用SQL語句把文本文件中的板坯信息讀入到SQL Server 2000資料庫的數據表中。下載成功後的板卷信息將顯示在系統的下載界面中(圖12)。
(4)數據下載完成後，用戶需要輸入每類罩式爐計劃的容量、混搭設置及預留板卷等信息(圖13)。輸入計劃信息後，執行組爐方案的自動生成功能(基於本發明所提出的罩式爐優化組爐模型及罩式爐優化組爐方法)。
(5)對於系統自動生成的組爐結果(即算法得到的組爐方案)，用戶可以通過評價功能與人工組爐結果進行對比並查看目標函數的各項懲罰值，如果對結果不滿意，則用戶可以在圖形編輯器中對結果進行修改(包括板卷的刪除、添加、替換等)，直到滿意為止；在用戶每次修改的過程中系統都會對當前的結果進行違規檢查。如果對結果滿意，則執行組爐方案的上傳，將其上傳到企業ERP系統中。上傳到企業ERP系統的組爐結果(以爐號順序排列，每個爐號包括其中的板卷號)同樣是先以文本文件形式存儲在本機的指定目錄上，然後通過FTP命令將其以指定的文件名上傳到企業ERP系統指定的FTP伺服器的指定目錄中，然後再由此FTP伺服器將結果上傳到企業的ERP系統(圖14-26)。
(6)企業ERP系統根據得到的組爐方案(以爐號順序排列，每個爐號包括其中的板卷號)從相關的數據表中取出對應的數據形成企業ERP系統的標準組爐計劃，最後下發到生產自動執行系統中執行最後的組爐方案。
實施例 例一該實施例針對20個板卷及3臺罩式退火爐進行裝爐組合，其中板卷號是唯一標識板卷索引項，根據工藝要求進行裝爐組合，每爐最多裝4個板卷。
具體操作步驟如下 第一步用戶啟動罩式爐優化組爐系統後，首先輸入用戶名和密碼，若用戶為非法用戶則不能進入優化組爐系統；若用戶為合法的用戶，則可以順利進入優化組爐系統。
第二步用戶利用自己的工號和密碼進入企業ERP系統中的數據觸發畫面，執行罩式爐待排板卷信息生成的功能模塊。此時企業ERP系統會在指定IP位址的FTP伺服器中的指定目錄下生成該數據文件(以文本文件的形式存儲)。
第三步用戶在優化組爐系統中進入數據下載界面，執行罩式爐機組前庫板卷信息的下載。下載的板卷信息欄位包括狀態，板卷號，厚度，寬度，重量，出鋼記號，牌號，材料組別，補充號，外徑，退火曲線，交貨期，合同號，分選度。板卷信息的下載是利用FTP命令從指定的FTP伺服器中下載以文本文件的形式存儲的數據文件到本機中，然後利用SQL語句把文本文件中的板卷信息讀入到SQL Server 2000資料庫的數據表中。下載成功後的板卷信息將顯示在系統的下載界面中。
第四步對罩式爐組爐模型進行如下參數設置 1.板卷i的優先級懲罰費用Pi Pi為板卷優先級懲罰，主要考慮以下5個優先項因素 (1)P1i1表示交貨期優先級懲罰交貨期指的是該板卷的生產合同確定的最後的發貨時間，任何產品都是以銷售為目的，是否能夠按期交貨關係到廠家的誠信，這個指標自然就是最重要的。
其中，A表示編制計劃時的當前日期與交貨期的時間間隔，A的三個取值區間為交貨期優先項的實際運行工藝參數。
(2)P1i2表示材料組別/分選度優先級懲罰。材料組別指的是材料的加工路徑，材料組別為「25」、「2C」的板卷有集批代碼需要集批加工，屬於第二優先級；分選度指的是材料表面的處理程度，分選度為「4」的板卷為O5板需要集批加工，所以同樣屬於第二優先級。
其中，SF表示需要進行集批加工的板卷集合，Normal為普通板卷。
(3)P1i3表示板卷的特殊性優先級懲罰。因為厚度小於0.65mm的薄料在生產上有一定的局限性，所以為了防止出現大量薄料積壓在庫中的情況，應該優先考慮薄料儘量使得薄料排進計劃。同理，一些擁有特殊出鋼記號和特殊退火曲線的板卷，由於量比較少，很難找到與之搭配的板卷，所以一旦發現這類板卷能夠排進計劃，就要優先考慮。
其中，Curvi表示第i個板卷的退火曲線，Spec_C＝{11，12，13，34，35，36，66，67，68}表示特殊退火曲線的集合，Marki表示第i個板卷的出鋼記號，Spec_M＝{″DQ0240D1″，″IP1240D1″，″DU3340D1″，″DT3141D1″，″DT3480D1″，″DU3541D1″}表示特殊出鋼記號的集合，Thicki表示第i個板卷的厚度，當板卷厚度小於等於Low_Th時，板卷為薄料，Normal為普通板卷。
(4)P1i4表示合同完整性優先級。集配周期指的是同一合同內的板卷，從第一個板卷完成全部工序等待發貨的時間起，到最後一個板卷完成所有工序等待發貨的時間結束，這段時間稱為集配周期。同一合同內的不同板卷往往在某一時刻不在同一工序上，這就導致有些板卷先完成所有工序在庫等待其他板卷完成所有工序後一起交貨，這樣會給庫存帶來壓力，因此我們考慮合同的完整性和工序欠量，把它作為第四優先級。
其中，Peri表示板卷i的準發通過量，Up_Per表示合同準發通過量的上限，Wi表示板卷i的重量，Lossi表示板卷i的工序欠量，Normal表示普通板卷。
(5)P1ij5表示板卷的在庫時間優先級懲罰。在庫時間指的是板卷到達罩式爐前庫的時間與當前編排計劃時間的時間間隔，應儘量縮小這個時間間隔，防止板卷在罩式爐前庫堆積，給其帶來壓力，所以把材料在庫時間作為第五優先級。
其中，di表示第i個板卷的在庫時間，D表示板卷在庫時間容忍上限。
將板卷的各個優先項所對應的懲罰值按照由小到大的順序排列並組成優先項序列，用Pi(t)表示第i個板卷的優先項序列中第t個優先項的懲罰值，t小於等於總的優先項的個數。如果簡單的把各個優先級項的值加起來，優先級懲罰值將變得很大，而且當優先級項越多時，本應該優先的板卷反而變得不優先了，因此為了避免這種情況並反映實際組爐時板卷的重要性，本發明中引入了一個打折係數β及調整因子α，此時 Pi＝f(5)；f(t)＝f(t-1)β+αPi(t)；f(1)＝Pi(1)。
通過上述設置得到板卷優先級懲罰費用如下 2.板卷i與罩式爐j之間的匹配度懲罰 設C1ij為板卷i與罩式爐j之間的匹配度懲罰，它主要涉及到板卷的重要性(即板卷的優先級懲罰)及板卷與罩式爐的退火曲線匹配度和規格匹配度； C1ij＝Pi+P2ij P2ij為罩式爐與板卷之間的匹配度懲罰，考慮因素主要包括板卷與罩式爐的退火曲線匹配度及規格匹配度。
f(coili，j)表示應用板卷與爐子匹配判據判斷，板卷i與爐子j是否匹配，若匹配返回值為1，否則為0. 3.同一爐內的板卷i與k的匹配費用C2ik，主要包括一下三個因素 (1)C2ik1-板卷i和k之間的退火曲線懲罰費用係數，退火曲線是實際生產中罩式爐的控制溫度(實測溫度)與時間的函數，正是退火過程的量的體現，是板卷退火加熱過程的依據。將退火曲線相近的板卷放在同一爐內進行加工可以更好的保證罩式爐板卷的退火質量及降低能源損耗，退火曲線懲罰費用係數定義如下 其中，Curvi、Curvk分別表示第i個板卷和第k個板卷的退火曲線，f(Curvi)和f(Curvk)分別表示第i個板卷及第k個板卷退火曲線的所屬類型。
(2)C2ik2-板卷i和k的厚度之間的厚度懲罰費用係數，由於薄的板卷需要悶爐，而厚的板卷不需要，因此在裝爐時儘量將薄板卷及厚板卷分開裝爐，這樣可以保證板卷的退火質量有效防止過燒及欠燒的情況。厚度懲罰費用係數定義如下 其中，Ti及Tk分別表示板卷i及板卷k的厚度，f(Ti)及f(Tk)分別表示板卷i及板卷k的厚度類型。
(3)C2ik3-板卷i和板卷k的前工序差異懲罰費用係數，在進行退火生產時，經脫脂的板卷表面光滑，而未脫脂的板卷表面有雜質，在同一爐內加熱時雜質有可能會附著到乾淨的板卷上，這樣會導致板卷出現碳化邊的情況。此參數就是儘量保證將以脫脂及未脫脂的板卷分開，減少碳化邊情況的發生，減少損耗。前工序差異懲罰費用係數定義如下 其中，pi和pk分別表示板卷i和板卷k的前道工序序號。
第五步根據上述設置的參數及罩式爐組爐模型，應用罩式爐優化組爐方法進行求解 Step1另集合S＝{所有未排板卷}，並另k＝0，j＝0。任選一爐子HH大爐，根據板卷與罩式爐匹配判據，選出可以與該爐子匹配的板卷，並將板卷按照優先級懲罰升序排列，優先級相同的按照重量降序排列，得如下數據 Step2選定板卷序列中第一個未標記的板卷放在爐中即8號板卷； Step3選定S中下一個未被標記的板卷，應用板卷間匹配判據判斷，如果能與已選板卷組成一爐，則將該板卷裝入爐中，標記該板卷；若不能組成一爐，選擇下一個未標記板卷判斷。當前計劃板卷數等於4時，重複Step 3；否則，轉到Step 4；通過此步驟得到放在HH大爐中的初始組爐方案為如下 Step 4判斷是否還有空閒爐子，若有則轉到Step 2，否則轉到Step 5；通過以上步驟得初始可行組爐計劃圖下 Step5設F＝{F1，F2，F3}為得到的3個裝爐組合，S＝{所有未排板卷}，將F、S及所設置的參數輸入到罩式爐組羅過程描述模型中計算當前目標函數值Z＝936.749。設當前最好解為FBest，對應的目標函數值為ZBest，另FBest＝F、ZBest＝Z，轉到Step6。
Step6對F及S搜索已排未排板卷兩兩交換鄰域(即已排板卷與未排板卷一對一交換)，記錄鄰域不在禁忌表中的最好解F』，更新當前組爐結果集合F、剩餘板卷集合S及禁忌表。如果Z』＜ZBest，則另FBest＝F』。經搜索得板卷號為4的板卷與板卷號為7的板卷交換後能夠獲得不在禁忌表中的最好解，當前組爐目標函數Z』＝917.721。
Step7若最好解FBest被更新或未被更新迭代次數小於設定值，則重複Step6，否則，對集合F及S搜索未排板卷已排板卷二換一鄰域(即一個已排板卷與兩個未排板卷交換，目的是顯著提高裝爐量)，在鄰域中選取不在禁忌表中的最好解F』，更新當前組爐結果集合F、未排板卷集合S及禁忌表。如果Z』＜ZBest，則另FBest＝F』。此處，連續5代未被更新，則搜索未排板卷已排板卷二換以鄰域，已排板卷板卷3與兩個未排板卷11及16交換後能夠得到不在禁忌表中的最好解，當前組爐目標函數Z』＝897.802。
Step8如果連續若干代最好解沒有被更新，則對F及S進行變深度交換鏈鄰域搜索，記錄搜索到的鄰域最好解F』，更新當前組爐結果集合F及未排板卷結合S，如果F』＜FBest，則另FBest＝F』。此處連續5代沒有被更新，則搜索變深度交換鏈鄰域，板卷12與板卷7交換能夠得到改進解，當前組爐目標函數Z』＝861.914。
Step9判斷是滿足終止條件，如果滿足，則終止程序輸出結果FBest，否則，轉到Step6，直至滿足終止條件。
最後得到最終裝爐組合方案為 第六步對於系統自動生成的組爐結果(即算法得到的結果)，用戶可以通過評價功能與人工組爐進行對比並查看目標函數的各項懲罰值，如果對結果不滿意，則用戶可以在圖形編輯器中對結果進行修改(包括板卷的刪除、添加、替換等)，直到滿意為止；在用戶每次修改的過程中系統都會對當前的結果進行違規檢查。如果對結果滿意，則執行組爐方案的上傳，將其上傳到企業ERP系統中。上傳到企業ERP系統的組爐結果(以爐號順序排列，每個爐號包括其中的板卷號)同樣是先以文本文件形式存儲在本機的指定目錄上，然後通過FTP命令將其以指定的文件名上傳到企業ERP系統指定的FTP伺服器的指定目錄中，然後再由此FTP伺服器將結果上傳到企業的ERP系統。
第七步企業ERP系統根據得到的組爐方案(以爐號順序排列，每個爐號包括其中的板卷號)從相關的數據表中取出對應的數據形成企業ERP系統的標準組爐計劃，最後下發到生產自動執行系統中執行最後的組爐方案。
結果評價數據 例二採用鋼廠罩式爐機組實際編排數據作為具體實施對象，本實施例中共對139個板卷及26臺罩式爐進行裝爐組合。
操作步驟同實施例一，參數設置見下表 其他參數設置及求解過程同實施例一。得如下結果評價數據
權利要求
1、一種冷軋罩式退火爐機組優化組爐方法，其特徵在於滿足生產約束條件下，建立了優化組爐模型，優化組爐方法包括以下步驟
(1)根據實際工藝運行參數，對等待退火的板卷進行優先級設置；
(2)預組爐，板卷按照優先級懲罰值升序排列，優先級懲罰值相同的板卷按照重量降序排列，根據板卷與爐子匹配判據，將優先級最小的板卷放入爐中，然後根據板卷間匹配判據依次從剩餘板卷中選取能夠與爐中已有板卷組成一爐的板卷，將其放入爐中，當高度達到罩式爐的最大高度時，自動形成一個組爐方案，然後反覆此步驟，形成罩式退火爐初始可行組爐方案；
(3)對初始可行組爐方案進行調整，根據優化組爐模型中的目標函數，應用改進策略對初始可行組爐方案進行調整；
(4)得到優化組爐方案，由罩式爐機組的生產自動控制系統執行最後所得到的優化組爐方案。
2、按照權利要求1所述的一種冷軋罩式退火爐機組優化組爐方法，其特徵在於所述的板卷的優先級，優先項包括板卷的交貨期、板卷的集批生產、板卷的特殊性、板卷的合同完整性及板卷的在庫時間，將優先級量化為優先級懲罰值Pi，優先級越高，則優先級懲罰值Pi越小，分別用Pij1、Pij2、Pij3、Pij4和Pij5表示板卷的各個優先項所對應的懲罰值，並將其按照由小到大的順序排列並組成優先項序列，用P1(t)表示第i個板卷的優先項序列中第t個優先項的懲罰值，t小於等於總的優先項的個數，打折係數β及調整因子α，此時
Pi＝f(5)；
f(t)＝f(t-1)β+αPi(t)；
f(1)＝Pi(1)。
3、按照權利要求1所述的一種冷軋罩式退火爐機組優化組爐方法，其特徵在於步驟(2)中所述的板卷間的匹配判據指如果兩個板卷的退火曲線相同或形狀相似，兩個板卷厚度均屬於同一類型薄料或厚料，且板卷的表面光潔度相同，則兩個板卷可以放在同一爐子中。
4、按照權利要求1所述的一種冷軋罩式退火爐機組優化組爐方法，其特徵在於步驟(2)中所述的板卷與爐子匹配判據指如果爐子可以按照某一板卷的退火曲線進行退火，且該板卷的外徑小於爐子的外徑，則判定該板卷與爐子相匹配。
5、按照權利要求1所述的一種冷軋罩式退火爐機組優化組爐方法，其特徵在於步驟(3)中所述的優化組爐模型，描述為
約束條件
Zj≥0，j＝1，...，P(5)
Xij∈{0，1}，i＝1，...，N；j＝1，...，P(6)
目標函數(1)中的
表示板卷與罩式爐的匹配費用，用來保證板卷與罩式爐的匹配質量；
表示罩式爐剩餘容量總和的懲罰費用，用來保證罩式爐的利用率；
表示對未被選中板卷的懲罰費用，用來保證總的裝爐量能夠達到最大水平；
表示的是板卷之間的匹配費用，用來保證被放在同一爐內的板卷匹配的質量；
模型的約束條件
約束(2)表示一個板卷最多只能安排在一個爐子內；約束(3)表示以第j個垛的板卷總重量不能超過爐子的最大承載重量；約束(4)表示第j個垛的板卷的總高度不能超過爐子的最大高度；約束(5)表示爐次的剩餘容量不能為負，約束(6)表示決策變量的取值範圍；
決策變量
模型參數
1)Zj-第j個爐次的剩餘容量；
2)N-編爐次的板卷數；
3)P-爐次數，P＝NNHB+NNHS+NHHB+NHHS；
4)Tj-第j個爐次的爐容量；
5)pj-第j個爐次剩餘容量的附加費用係數；
6)gi-第i個板卷的重量；
7)hi-第i個板卷的高度；
8)fi-第i個板卷的未被選中所引起的附加費用係數；
9)Hj-第j個爐子的最大承載高度；
10)C1ij-板卷i與罩式爐j的匹配費用；
11)C2ik-被放在同一爐內的板卷i與k的匹配費用。
6、按照權利要求1所述的一種冷軋罩式退火爐機組優化組爐方法，其特徵在於步驟(3)中所述的對初始可行組爐方案進行調整，是構造改進鄰域，配合變鄰域、變深度搜索策略對初始可行組爐方案進行改進，四種搜索鄰域分別為；已排板卷兩兩交換鄰域，即將分配給不同爐子的兩個板卷進行交換；未排已排板卷二換一鄰域，即將一個已排板卷從所屬爐子中移出，並將兩個未排板卷放入；未排已排板卷一對一交換鄰域，即將一個已排板卷從所屬爐子中移出，並放入一個未排板卷；變深度混合交換鏈鄰域，將所有未排板卷按照裝爐規則裝入虛擬爐子中，並向每個實際爐子中添加一個虛擬板卷，這樣便將所有板卷均裝入爐子中，再此基礎上進行交換操作，即將屬於不同爐子的兩個板卷進行一對一交換，經過若干次交換後，便形成了一個混合交換鏈，當交換次數不確定時，此鄰域稱為變深度混合交換鏈鄰域。
7、按照權利要求1所述的一種冷軋罩式退火爐機組優化組爐方法，其特徵在於所述的搜索策略，在對初始可行組爐方案進行調整時，搜索過程被分為三個階段，首先採用該鄰域搜索，採用所有鄰域移動中目標函數改進最大的解作為當前解，接下來採用已排未排一對一交換鄰域繼續向裝爐量增加的方向搜索，同樣採用目標函數改進最大的解作為當前解，如果這兩種鄰域均無法改進目標，那麼採用已排板卷一對一交換鄰域，當前解的選取方式同上，當連續搜索多次後結果仍沒有改進，則搜索變深度混合交換鏈鄰域。
8、一種如權利要求1所述的一種冷軋罩式退火爐機組優化組爐方法採用的系統，其特徵在於該系統包括以下功能模塊授權用戶登錄模塊、原始數據下載模塊、原始數據管理模塊、組爐信息錄入模塊、靜態參數維護模塊、組爐方案自動生成模塊、組爐方案顯示模塊、組爐方案修改模塊、組爐方案評價模塊、組爐方案違規檢查模塊、組爐方案結果上傳模塊、系統配置模塊，各模塊功能如下
1)授權用戶登錄模塊
只對經過授權的計劃員開放，輸入用戶名和密碼，並被驗證正確後才可進入系統；
2)原始數據下載模塊
將所下載的數據導入資料庫內，數據項主要包括狀態，板卷號，厚度，寬度，重量，出鋼記號，牌號，材料組別，補充號，外徑，退火曲線，交貨期，合同號，分選度；
3)原始數據管理模塊
對原始數據進行管理增加、刪除、修改或者按照板卷的某項屬性對板卷進行排序，但是對普通用戶不開放增加、刪除和修改權限；
4)組爐信息錄入模塊
用戶可以在此模塊中輸入包括組爐規模、預留板卷信息及板卷混搭信息在內的組爐方案編制參數，罩式爐組爐方案種類分為四種氮氫大爐組爐方案、氮氫小爐組爐方案、全氫大爐組爐方案及全氫小爐組爐方案，組爐規模即為所需編排每種組爐方案的數量，分別表示為NNHB、NNHS、NHHB及NHHS，預留板卷就是指在編排計劃的時候，某些板卷不參與當前的組爐方案的編制；
5)靜態參數維護模塊
此模塊包括費用懲罰表及數據篩選條件配置兩個部分，其中費用懲罰表包括對目標函數各項的權重、板卷各項優先級懲罰以及板卷間搭配懲罰，其中數據篩選條件配置包括脫脂條件、交貨期選項及優先級選項三個部分；
6)組爐方案自動生成模塊
該模塊主要包括兩個子模塊組爐過程描述子模塊及優化組爐子模塊，優化組爐模型及罩式爐優化組爐方法分別被嵌入到組爐過程描述子模塊和優化組爐子模塊中，在生成組爐計劃時，系統首先將原始數據下載模塊中下載的實時生產數據信息傳遞到組爐過程描述子模塊中，並應用優化組爐子模塊進行求解；
7)組爐方案顯示模塊
對於生成的組爐方案，界面上半部分為二維圖形形式顯示的結果畫面，界面下半部分是其對應數據的表格，用戶可以在四種組爐方案和未排板卷模式間切換，獲得組爐方案中的板卷和未排進組爐方案的板卷信息；
8)組爐方案修改模塊
該模塊可以在顯示模塊的圖形結果中進行編輯，移動板卷或者將板卷在已排板卷模式和未排板卷模式間移動；
9)組爐方案評價模塊
當組爐方案生成後，該模塊可以給出算法自動編排的組爐結果和手工編排的組爐結果在給定目標函數下的對比值及各項目標函數值；
10)組爐方案違規檢查模塊
對於每一個結果，系統會自動根據組爐計劃規程對其進行違規檢查，如果出現違規則會顯示出違規信息；
11)組爐方案上傳模塊
當用戶對組爐方案滿意時，可以將結果上傳至企業ERP系統；
12)系統配置模塊
用戶可以對系統進行配置計算參數、伺服器，計算參數包括目標函數權重和懲罰值；伺服器配置主要是伺服器的地址、埠、用戶名和密碼。
全文摘要
一種冷軋罩式退火爐機組優化組爐方法及系統，屬於鋼鐵材料加工信息技術領域，包括以下步驟(1)根據實際工藝運行參數，對等待退火的板卷進行優先級設置；(2)預組爐，板卷按照優先級懲罰值升序排列，根據板卷與爐子匹配判據，將優先級最小的板卷放入爐中，然後根據板卷間匹配判據依次從剩餘板卷中選取能夠與爐中已有板卷組成一爐的板卷，當高度達到罩式爐的最大高度時，形成一個組爐方案，重複此步驟直至達到需要的組爐規模；(3)對初始可行組爐方案進行調整；(4)應用所開發系統，將得到的優化組爐方案上傳至製造執行系統並執行。本發明提高了罩式爐機組的產能，提高了板卷的退火質量，有效降低了氫氣、氮氣、水、煤、電等能源的損耗。
文檔編號G05B19/418GK101344780SQ200810012088
公開日2009年1月14日 申請日期2008年6月30日 優先權日2008年6月30日
發明者唐立新, 盈 孟, 呂亞娜 申請人:東北大學