Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Технологическая координация в системе управления дискретно непрерывными производственными системами 15
1.1. Общие сведения об оперативном планировании и управлении производством 15
1.1.1. Оперативное планирование и управление как основа координации технологических звеньев производства 15
1.1.2. Традиционные формы представления оперативных производственных планов 20
1.2. Особенности оперативного управления и технологической координации сложноструктурированных дискретно-непрерывных производственных систем 22
1.3. Анализ существующих методов составления производственных расписаний
1.3.2. Составление расписаний с использованием методов искусственного интеллекта 29
1.3.3. Составление расписания с использованием гибридных математических моделей на основе классических моделей и методов искусственного интеллекта 33
Глава 2. Модели и технологии технологической координации в системе управления дискретно-непрерывным производством 36
2.1. Декомпозиция задач технологической координации сложноструктурированного дискретно-непрерывного производства 36
2.1.1. Моделирование производства 37
2.1.2. Составление и оптимизация производственного расписания 40
2.1.3. Проверка возможности реализации расписания в условиях реального производства и его корректировка в режиме диспетчирования 51
2.1.4. Проектирование продукционной базы правил переходов в сети 57
2.2. Мультиагентные технологии в управлении сложными организационно техническими системами 59
2.2.1. Обоснование возможности применения мультиагентных технологий для технологической координации в системе управления 59
2.2.2. Классификация агентов в зависимости от характера решаемых задач
2.3. Принципы координации группового поведения агентов 68
2.4. Структура MAC сложноструктурированной непрерывно-дискретной производственной системы 72
2.4.1. Обобщенная модель структуры МАС ТК в системе управления 72
Рассмотрим концепцию распределенной мультиагентной системы применительно к проектированию системы оперативного управления и диспетчирования производства 72
2.4.2. Реализация системы поддержки принятия решений ТК на платформе МАТ 74
2.4.3. Требования и принципы координации агентов МАС ТК 76
2.5. Выводы по главе 77
Глава 3. Моделирование агентов МАС ТК в системе управления дискретно-непрерывным производством с учетом решаемых ими функциональных задач
3.1. Общие определения искусственных иммунных систем и принципов клональной селекции 79
3.2. Алгоритм клональной селекции как основа релизации агента-оптимизатора 82
3.3. Задачи и структура агента-реализатора 87
3.4. Задании структура агента-исполнителя 91
3.5. Выводы по главе 92
Глава 4. Апробация предложенной модели MAC ТК и ОУ в условиях ЭСГТЦ ОАО«ОЭМК» 93
4.1. Особенности технологической координации производственного оборудования ЭСГТЦ ОАО «ОЭМК» 93
4.1.1. Технология сталеплавильного производства ОАО «ОЭМК» 93
4.1.2. Технологическое оборудование и маршруты выплавки стали ЭСПЦ 98
4.1.3. Сменно-суточное задание как основа построения контактного графика ЭСПЦ 100
4.2. Проектирование МАС ТК в системе управления ЭСПЦ ОАО «ОЭМК» 102
4.2.1. Организация работы агентов-исполнителей МАС ТК в системе управления ЭСПЦ как партнерской агентной системы 102
4.2.2. Алгоритм диспетчирования разливочных кранов ЭСПЦ как транспортного звена координации технологического оборудования в MAC 118
4.2.3. Реализация алгоритма работы агента-оптимизатора MAC ТК и ОУ 126 ЭСПЦ 126
4.2.4. Реализация алгоритма работы агента-реализатора MAC ТК и ОУ ЭСПЦ
4.3. Агент-супервизор как интеллектуальный советчик и канал связи МАС ТК и ОУ с внешней средой 141
4.4. Координация работы технологических звеньев сталеплавильного производства как экономическая мера 143
4.5. Выводы по главе 149
Заключение 150
Список используемой литературы:
- Особенности оперативного управления и технологической координации сложноструктурированных дискретно-непрерывных производственных систем
- Проверка возможности реализации расписания в условиях реального производства и его корректировка в режиме диспетчирования
- Алгоритм клональной селекции как основа релизации агента-оптимизатора
- Алгоритм диспетчирования разливочных кранов ЭСПЦ как транспортного звена координации технологического оборудования в MAC
Введение к работе
Актуальность темы
Эффективность промышленных предприятий в современных условиях во-многом определяется выбранной стратегией планирования в системе управления на всех его уровнях: от отдельного технологического процесса или агрегата до предприятия в целом.
Основной целью оперативного планирования в системе управления производством является составление согласованных планов производства цехов предприятия и обеспечение их выполнения.
Инструментом согласования работы отдельных элементов управляемой системы с целью реализации текущих производственных графиков является технологическая координация, заключающаяся в согласовании (синхронизации) работы технологического оборудования и транспорта, движения материальных потоков, взаимодействия производственного персонала цеха при отклонении фактического хода производства от запланированного. Технологическая координация осуществляется на относительно коротких интервалах работы производства, обычно кратных сменно-суточному интервалу.
Задача технологической координации в системе управления существенно усложняется для многономенклатурных производств, характеризующихся многообразием оборудования, многовариантностью и параллельным выполнением технологических маршрутов, и, как следствие, сложными перекрестными материально-транспортными связями.
Задачу технологической координации усложняет совмещение в рамках одного производства непрерывных и дискретных технологических процессов.
Примерами таких производств являются металлургическое, пищевое, фармакологическое, химическое производства, а также сетевые производственные системы.
Задача составления производственных планов на уровне сменно-суточного планирования относится к классу задач теории расписаний. С точки зрения теории сложности задача оперативно-календарного планирования сложноструктурированного многономенклатурного производства на цеховом уровне является NP-трудной, требующей для своего решения разработки специальных алгоритмов, учитывающих специфику предметной области. Анализ ряда работ отечественных и зарубежных ученых показал недостаточную эффективность использования комбинаторных и эвристических методов в реальных производственных ситуациях, когда требуется принятие управленческих решений в темпе производства.
В этой связи актуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью дальнейшего совершенствования моделей и алгоритмов технологической координации в системе управления сложноструктурированными дискретно-непрерывными производствами с учетом возможности корректировки производственных планов в режиме диспетчеризации.
Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления «Разработка систем поддержки принятия решений в организационных и управленческих системах» СТИ НИТУ«МИСиС».
Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка средств интеллектуализации процессов принятия решений по технологической координации в системе управления сложноструктурированными дискретно-
непрерывными производственными системами на основе мультиагентных технологий. Достижение цели работы потребовало решения следующих задач:
-
С позиций системной методологии осуществить анализ существующих подходов к технологической координации в системе управления сложноструктурированными дискретно-непрерывными производствами и выявление их недостатков.
-
Разработать модели и алгоритмы технологической координации в системе управления на основе мультиагентных технологий.
-
Сформировать функциональные модели агентов мультиагентной системы поддержки принятия решений по технологической координации в системе управления с учетом решаемых на их основе задач, разработать новые подходы координации и механизм взаимодействия агентов.
-
Разработать программное обеспечение, реализующее предложенные модели и алгоритмы решения задач технологической координации в системе управления сложноструктурированными производствами.
Объект исследования. Сложноструктурированные дискретно-непрерывные производственные системы.
Предмет исследования. Процессы принятия решений по технологической координации в системе управления производственными звеньями сложноструктурированных дискретно-непрерывных производств в режиме диспетчирования.
Методы исследования. Проведенные исследования базируются на реализации методов теории систем и системного анализа, теории расписаний, имитационного моделирования, методов комбинаторной и эвристической оптимизации, методов и алгоритмов искусственного интеллекта, теории сетей Петри.
Соответствие диссертации паспорту специальности.
П.2. Формализация и постановка задач системного анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации.
П.9. Разработка проблемно-ориентированных систем управления, принятия решений и оптимизации технических, экономических, биологических, медицинских и социальных объектов;
П. 10. Методы и алгоритмы интеллектуальной поддержки при принятии управленческих решений в технических, экономических, биологических, медицинских и социальных системах.
Научная новизна. В работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
-
Предложена концептуальная структура системы поддержки принятия решений по формированию оптимального производственного графика и ее информационно-функциональная модель, отличающаяся использованием мультиагентных технологий.
-
Предложены модели и алгоритмы работы агентов мультиагентной системы технологической координации в системе управления с учетом функциональной декомпозиции общей задачи, а также механизм взаимодействия, отличающийся сочетанием возможности автономного функционирования агентов и централизацией координации их действий.
-
Разработаны модели и алгоритмы решения комплекса функциональных задач технологической координации в системе управления, отличающихся синергичностью взаимодействия в процессе формирования оптимального производственного расписания.
-
Разработан алгоритм решения NP-cложной задачи построения и оптимизации
производственного расписания, отличающийся использованием математического аппарата иммунных сетей, позволяющего выполнять построение и корректировку плана в режиме диспетчирования производства.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
1. Результаты исследования позволяют реализовать интеллектуальные средства поддержки принятия решений по технологической координации в системе управления сложноструктурированными производствами, обеспечивающие выполнение производственной программы за счет построения производственного графика в режиме диспетчирования.
2. Работа проводилась в рамках госбюджетных НИР «Разработка методов повышения эффективности управления горно-металлургическими производствами на основе искусственного интеллекта» (регистрационный номер 01200503314) и «Разработка теоретических основ энерго-ресурсосбережения и экологической безопасности металлургических процессов» (регистрационный номер 01201053113), хоздоговорной НИР №1257/08 «Разработка интеллектуальной системы ситуационного управления производственным процессом электросталеплавильного цеха ОАО «Оскольский электрометаллургический комбинат».
Реализация и внедрение результатов работы
Разработанное программное обеспечение процессов координации используется оперативно-диспетчерским персоналом электросталеплавильного цеха ОАО «Оскольский электрометаллургический комбинат» при оперативном планировании и корректировке сменно-суточных производственных программ.
Предложенная методология построения систем поддержки принятия решений включена в преподаваемые в учебном процессе Старооскольского технологического института (филиала) Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «НИТУ «МИСиС» курсы специальных дисциплин «Системы искусственного интеллекта», «Моделирование в организационных системах», «Интеллектуальные информационные системы».
Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: международных конференциях «Современные сложные системы управления» (Старый Оскол, 2012), «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2010); Всероссийских конференциях и школах-семинарах молодых ученых «Управление большими системами» (Липецк, 2012; Магнитогорск, 2011; Пермь, 2010; Ижевск, 2009); региональных конференциях «Образование, наука, производство и управление» (Старый Оскол, 2009, 2010, 2011); III научно-технической конференции ОАО «ОЭМК» (Старый Оскол, 2010), а также на научных семинарах кафедры «Автоматизированных и информационных систем управления» СТИ НИТУ МИСИС (Старый Оскол, 2009-2012).
Публикации. По результатам исследования опубликовано 19 научных работ, в том числе 5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат следующие научные результаты: предложена структура мультиагентной системы [1,2,7,8,14] и ролевые функции агентов разных уровней [6,7,9,16]; разработана модель агента-оптимизатора и ее реализация на основе алгоритма клональной селекции [3]; разработана модель сети Петри как основа функциониро-
вания агента-реализатора [4,5,17,18,19]; разработаны модели отдельных звеньев сталеплавильного производства и их согласования как основа нижнего уровня мультиагент-ной системы поддержки принятия решений по технологической координации в системе управления [10, 11,12,13,15].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 127 наименований, 1 приложения. Основная часть работы изложена на 162 страницах, содержит 42 рисунка, 4 таблицы.
Особенности оперативного управления и технологической координации сложноструктурированных дискретно-непрерывных производственных систем
Эффективность промышленных предприятий в современных условиях во-многом определяется выбранной стратегией планирования и управления на всех его уровнях: от отдельного технологического процесса или агрегата до предприятия в целом.
Под оперативным управлением производством (ОУП) понимают совокупность работ и действий по разработке модели протекания процесса во времени, наблюдению за его ходом в реальном масштабе времени, принятию и осуществлению решений по предупреждению возможных отклонений и корректировке эталона поведения системы на основе данных обратной связи и внешней информации, обеспечивающих бесперебойный ход производства. Его задача — обеспечить поддержание показателей и параметров функционирования предприятия по выпуску продукции в заданных планом пределах, т.е. поддержание системы в динамическом равновесии с помощью средств текущего (оперативного) воздействия на входы и выходы отдельных его подразделений в реальном времени. Однако поддержание этого равновесия может быть достигнуто лишь при обеспечении тесной взаимосвязи всех подсистем, начиная от маркетинга и технической подготовки производства и заканчивая отгрузкой готовой продукции, каждая из которых может служить источником возмущения. Для выявления и предупреждения отклонений подсистема оперативного управления должна располагать сведениями о степени и сроках выполнения функций всеми подразделениями предприятия. Это неизбежно требует интеграции всех внутренних потоков информации с системой ОУП [67]. Процесс оперативного управления слагается из ряда взаимосвязанных этапов. Первый этап - установление плановых заданий. Разработка графиков производства, выработка заданий по агрегатам основывается на информации о заказах. Это определяет связь оперативного планирования с планами поставки и снабжения им потребителей.
На этом этапе оперативного управления (ОУ) решаются следующие задачи: распределение производственной программы по месяцам; установление месячных планов-графиков производства основных производственных агрегатов по выпуску продукции; установление потребностей в обслуживании для выполнения разработанных графиков. К этому этапу может быть отнесена и разработка графиков производства конкретных видов продукции для определенных потребителей на более короткие промежутки времени (декаду, неделю, сутки). Составление таких графиков возможно лишь на основе учета и анализа производства.
Планирование является вторым (центральным) звеном управления, той ступенью, на которой предопределяется работа цеха и агрегатов на предстоящий период, осуществляется взаимная увязка и устанавливается конкретная загрузка производственных участков. Разработка календарных графиков производства на декаду, неделю, сутки, являющаяся основной функцией оперативного планирования, в полной мере опирается на оперативный учет выполнения производственных заданий за предыдущий плановый период и анализ происшедших сдвигов в объемах фактически произведенной продукции, его сортаменте, качественных характеристиках.
Исходной информацией для планирования производства служит план поставок, представляющий собой совокупность всех заказов на продукцию предприятия в целом и каждого конечного оборудования цехов. Каждый заказ содержит определенные группы параметров: данные о потребителе (наименование, адрес, способ и направление доставки грузов); характеристики, определяющие качество и объем поставки (вид продукции, специальные требования к качеству или упаковке, количество заказываемой продукции на определенный период).
Основой оперативного планирования любого подразделения предприятия является согласованный в пространстве и во времени цикл изготовления единицы продукции или ее части. Составленную в табличной или графической форме модель принято называть планом-графиком [65].
Составить план-график — значит заранее разработать модель функционирования предприятия, цеха, участка, рабочего места во времени, предусматривающую выполнение в данный момент именно той работы (и в том объеме), которая необходима для организации бесперебойного хода совокупного производственного процесса предприятия, обеспечивающего выпуск конкретной продукции в заранее обусловленный срок [70].
План-график работы предприятия и любого его подразделения, разработанный на основе научно обоснованных временных параметров, обладает системными свойствами, которые проявляются прежде всего в том, что, предписывая движение реальных, вещественных предметов во времени, он устанавливает строгую взаимосвязь, взаимодействие и целенаправленность работы всех подразделений предприятия, подчиненной единой цели — изготовить продукт к определенному моменту. Всякое отступление от предписаний этого графика на любом участке, рабочем месте приведет к срыву сроков изготовления изделия или дополнительной затрате ресурсов [69].
Нарушение временных связей всегда удлиняет время производства, а это, в свою очередь, приводит к увеличению объема потребляемых ресурсов, что снижает уровень производительности и к удорожанию продукции.
План-график должен предусматривать: равномерный выпуск продукции; равномерную загрузку оборудования и рабочих; движение материалов, заготовок, деталей и узлов в соответствии с принятыми нормативами, а также наличие резервов мощностей и производственных ресурсов, необходимых для ликвидации отклонений от нормального хода производства [70].
Третыш этапом ОУ является оперативный учет производства, который обеспечивает учет фактического выполнения календарных графиков производства по объему и ассортименту продукции; учет выполнения каждого заказа на основных стадиях производственного цикла; учет времени работы агрегатов [25].
Завершающей стадией ОУ является оперативное регулирование производства, которое состоит в непрерывном наблюдении за ходом производственного процесса — оперативном учете и контроле, корректировке и поддержании его параметров. Эту стадию принято называть диспетчированием. На стадии диспетчирования осуществляется окончательное уточнение задания на самые короткие промежутки времени (смену, час) с учетом спроса и сложившейся производственной ситуации, намечаются пути достижения поставленных задач и организуется их выполнение путем бесперебойной подачи заготовок, деталей, инструмента, ограничения переналадок и перестроек рабочих мест, поддержания установленного ритма, контроля за сроком запуска предметов труда в обработку [71].
Проверка возможности реализации расписания в условиях реального производства и его корректировка в режиме диспетчирования
Для определения степени раскоординации производства необходимо производить оперативное сравнение фактического выполнения всех работ производственного расписания с планом. Поскольку для групп родственных номенклатурных позиций имеются плановые нормы с указанием времени начала и окончания основных периодов производства, то по ходу процесса можно сравнивать эти моменты времени (план с фактом). Появляющееся рассогласование анализируется.
Текущую раскоординацию производства целесообразно оценивать либо по рассогласованию фактического и планового производственного расписания в характерных точках операций, лимитирующих технологический процесс, либо в конце технологической операции или периода.
Если в рамках одного производства параллельно реализуется несколько техпроцессов, то многомерность и многосвязность технологических схем, многовариативность реализации техпроцессов, значительно влияют на его функционирование.
Имитация может строиться на различных математических принципах: алгоритмические модели, теория конечных автоматов, сетевые модели и т.п. Из сравнительного анализа методов моделирования дискретно-непрерывных производств целесообразно использовать математический аппарат теории сетей Петри.
Наиболее универсальным средством представления динамических систем любой сложности являются сети Петри [36], так как они позволяют представлять цикличные, параллельные и ветвящиеся процессы. Различные модификации сетей Петри позволяют вводить такие характеристики динамических процессов, как временная и пространственная упорядоченность, иерархичность. Немаловажное преимущество математического аппарата сетей Петри, выступающего в роли формальной основы для синтеза модели дискретной производственной системы, заключающейся в возможности ее применения и для предварительно планирования, и для группового текущего управления оборудованием.
Сеть Петри представляет собой двудольный ориентированный граф, в котором присутствуют два типа вершин - позициям соответствуют вершины, характеризующие состояния в которых система, описываемая сетью, может находиться в определенный момент времени, а переходам - вершины, характеризующие условия перехода системы из одного состояния в другое.
Как и в системах массового обслуживания, в сетях Петри вводятся объекты двух типов: динамические, которые изображаются метками (маркерами) внутри позиций, и статические, которым соответствуют вершины сети Петри. Распределение маркеров по позициям называют маркировкой. Маркеры могут перемещаться в сети. Каждое изменение маркировки называют событием, причем каждое событие связано с определенным переходом. Считается, что события происходят мгновенно и разновременно при выполнении некоторых условий.
Каждому условию в сети Петри соответствует определенная позиция. Совершению события соответствует срабатывание (возбуждение или запуск) перехода, при котором маркеры из входных позиций этого перехода перемещаются в выходные позиции. Последовательность событий образует моделируемый процесс.
Если задержки являются случайными величинами, то сеть называют стохастической. В стохастических сетях возможно введение вероятностей срабатывания возбужденных переходов. Если задержки определяются как функции некоторых аргументов, которыми могут быть количество маркеров в каких-либо позициях, состояния некоторых переходов и т.п., то сеть называют функционал ьной.
Во многих задачах динамические объекты могут быть нескольких типов, и для каждого типа нужно вводить свои алгоритмы поведения в сети. В этом случае каждый маркер должен иметь хотя бы один параметр, обозначающий тип маркера. Такой параметр обычно называют цветом; цвет можно использовать как аргумент в функциональных сетях. Сеть Петри при этом называют цветной [9].
В работе предлагается алгоритм проверки производственного расписания на основе вложенных сетей Петри. Вложенность сети определяется описанием каждой позиции в сети на основе агрегата Бусленко, которые объединённы в группы и имеют соответствующее входное и выходное условие работы (переход), что представлено на сети множеством стрелок.
Поведение вложенной сети Петри включает четыре типа шагов. Рассмотрим их применительно к дискретно-непрерывному производству.
Шаг переноса - это срабатывание перехода системной сети в соответствии с обычными правилами для сетей Петри высокого уровня, при этом элементные сети рассматриваются как позиции, не имеющие собственной структуры. Шаг переноса может переместить, породить или убрать объекты, но не может изменить их внутреннее состояние. В нашем случае данное обозначение будет означать полный проход технологического маршрута от начального технологического агрегата до конечного.
Элементно-автономный шаг меняет только внутреннее состояние (маркировку) элементной сети, не меняя ее местонахождения в системной сети. Этот шаг выполняется также в соответствии с обычными правилами срабатывания перехода для сети Петри. Таким образом будем обозначать переход от любого агрегата-источника к любому агрегату-приемнику соответствующего технологического маршрута.
Шаг горизонтальной синхронизации есть одновременное срабатывание двух переходов в двух элементных сетях, находящихся в одной позиции системной сети. При этом переходы, которые должны срабатывать синхронно, помечаются взаимно дополнительными метками из некоторого специального множества меток для горизонтальной синхронизации. Этот ряд обозначений касается перестановок, возникающих при необходимости обработки требования по производству продукции на одном и том же агрегате на разных технологических маршрутах в заданный интервал времени At.
Шаг вертикальной синхронизации используется для синхронизации перехода в системной сети с некоторыми переходами элементных сетей. Переходы, которые должны срабатывать синхронно, помечаются метками из некоторого специального множества меток для вертикальной синхронизации. Задействованными при срабатывании перехода в системной сети называются элементные сети, перемещаемые из предусловий перехода в результате этого срабатывания. Вертикальная синхронизация означает одновременное срабатывание перехода системной сети и переходов (помеченных дополнительной меткой) в задействованных в этом срабатывании элементных сетях [9, 36]. Введем последовательно-параллельную совокупность взаимодействующих заданий (требований) по производству определенных заказов на оборудовании цеха
Алгоритм клональной селекции как основа релизации агента-оптимизатора
ОАО «Оскольский электрометаллургический комбинат» (ОЭМК) является первым и пока единственным в России предприятием, на котором в промышленном масштабе внедрены технологические принципы бездоменной металлургии. Именно новая технология, в основе которой лежат процесс прямого восстановления железа «MTDREX» и электродуговая плавка, позволила крупнейшему в Европе производственному комплексу данного типа выйти на совершенно новый уровень качества металла, почти освобожденного от вредных примесей и остаточных элементов.
В настоящее время освоено производство около 2000 марок качественных углеродистых и легированных сталей. Поставляемые по национальным и международным стандартам, а также по индивидуальным спецификациям клиентов, эти стали соответствуют всем требованиям конечных потребителей (перекат, производство бесшовных труб, ковка, холодная обработка, механообработка) в различных отраслях промышленности.
Выплавка производится одношлаковым процессом с использованием в шихте от 60 до 100 % металлизованных окатышей. Технология производства стали основана на внепечном рафинировании и легировании металла на установках продувки металла аргоном, вакуумирования, агрегатах комплексной обработки стали. Разливку жидкой стали осуществляют на машинах непрерывного литья заготовок. Полученную непрерывнолитую заготовку (НЛЗ) передают в сортопрокатный цех № 1 и в сортопрокатный цех № 2 для прокатки или отгрузки внешним потребителям.
В ЭСПЦ осуществляется выплавка различных марок электростали на шихте из скрапа и МОК (металлизованные окатыши) с применением добавок и легирующих. Жидкую сталь разливают на МНЛЗ цеха в заготовки. После охлаждения и, если необходимо, зачистки, заготовки подают в сортопрокатный цех, где они подвергаются дальнейшей обработке. Годовая производительность цеха в составе 4-х дуговых сталеплавильных печей (ДСП) составляет около 2111351т годных заготовок.
При производстве непрерывнолитой заготовки (НЛЗ) в условиях ЭСПЦ ОАО «ОЭМК» существуют следующие схемы (производственные маршруты) внепечной обработки стали:
1. После выпуска из ДСП плавка продувается на установке продувки аргоном, доводится до нормы по температуре и химическому составу и передается на разливку (МНЛЗ). 2. После выпуска из ДСП плавка продувается на установке продувки аргоном, после чего плавка передается на АКОС. На АКОС производится нагрев металла, наводится шлак, плавка доводится до нормы по химсоставу и температуре и передается на МНЛЗ.
3. Из ДСП плавка передается на агрегаты комплексной обработки стали (АКОС). По данной схеме обрабатывается металл с повышенными требованиями по содержанию водорода. Начало обработки плавок такое же, как по схеме 2. После нагрева, наведения шлака и доводки плавка с АКОС передается на УЦВС и после вакуумирования передается на МНЛЗ.
4. После" выпуска плавки из ДСП производится продувка аргоном на УЦВС, замеряется температура, отбирается проба металла. После получения химанализа пробы металла плавка вакуумируется, после чего передается на АКОС. Здесь плавка окончательно доводится до нормы по химанализу и температуре и передается на МНЛЗ.
Перестановка сталь-ковша с одного агрегата на другой осуществляется посредством четырех разливочных кранов №8, 9, 22, 23, которые работают в распределительном пролете ЭСПЦ на одном подкрановом пути. Краны могут находиться в шести исходных позициях (рис. 1). Позиции №1, №2, №3, №4, №5, №6 определяют положение крана напротив соответственно ДСП№1, ДСП№2, ДСП№3, ДСП№4, АКОС№1, АКОС№№2.
К числу особенностей, присущих производственному процессу цеха в целом как объекту управления, относятся: непрерывно-дискретный характер производственных процессов, усложняемый наличием потоков горячего металла; массовый характер разливки стали и вовлечение в производственный процесс одновременно большого количества сырья (лом, железорудные окатыши, электроэнергия); сравнительно широкая номенклатура марок выплавляемой стали, участие в производственном процессе разнородных материалов, расходуемых в различных количествах; многообразие используемых агрегатов, машин и устройств (печи, установки продувки аргоном, вакууматоры, установки комплексной обработки стали, машины непрерывного литья, энергетическое и транспортное оборудование); сложность оборудования и технологических процессов, сложная система связей с цехом металлизации и сортопрокатными цехами.
Сложность связей между производственными компонентами ЭСПЦ диктует необходимость создания системы технологической координации оборудования цеха. Технологическая координация имеет целью комплексную организацию эксплуатации различных видов оборудования с их оптимальной загрузкой, организацию работ по согласованию включения в производственный цикл последующих технологических установок и комплексное обеспечение технологических процессов транспортным оборудованием.
Для реализации задачи оперативного управления ЭСПЦ фирмой ATS была разработана и запущена в опытную эксплуатацию система оперативного планирования и управления производством, состоящая из двух подсистем: SteelPlanner и AlphaPlanner.
В данной системе решаются следующие задачи: оперативное планирование - расчет производственных заданий; оптимизация производственных процессов путем повышения коэффициента загрузки технологического оборудования; снижения объема незавершенного производства; баланса производственных мощностей; оперативное управление производством с целью выполнения производственной программы за счет полной прозрачности производства, сквозного слежения за выполнением позиций сбытовых заказов.
SteelPlanner представляет подсистему оперативного планирования, слежения и редактирования оперативных данных связана с системой SAP R/3 и цеховыми АСУП.
Исходной информацией для её работы является портфель заказов, нормативно-справочная информация (из общекомбинатовской технологической НСИ) и технологические маршруты производства. Портфель заказов формируется в рамках корпоративной информационной системы SAP R/3 и определяет требуемое количество продукции заданного сортамента в соответствии с поступившими на предприятие заказами. Технология производства представлена в виде технологических карт, за ведение которых отвечает персонал Технологического Управления.
Взаимодействуя с системами АСУП цехов, подсистема SteelPlanner осуществляет сквозное слежение за производством. Данные слежения используются системой для корректировки оперативных планов с учетом фактических данных производства.
В подсистеме осуществляется объемное (на месяц), среднесрочное (на неделю) и оперативное планирование (на сутки). При составлении долгосрочного календарного плана применяется грубая оценка производительности агрегатов. При оперативном планировании детализируется объемный план по времени и заданиям для агрегатов.
Алгоритм диспетчирования разливочных кранов ЭСПЦ как транспортного звена координации технологического оборудования в MAC
Каждому заказу на металлопродукцию 3{М,т, ТР) определенной марки М, объема (массы в тоннах) m и типоразмера ТР соответствует его стоимость L=F(3), а также штрафные санкции S=F//(3) при его невыполнении или ненадлежащем исполнении. В КГ конкретному заказу соответствует определенный технологический маршрут ТМ{T0J,T02,..T0N} С указанием времени начала tH и окончания t0 выполнения каждой технологической операции ТО {tH,t0}.
Время выполнения двух одинаковых заказов может отличаться, что обусловлено различным фактическим состоянием оборудования, производства, энергоснабжения и др. Затраты производства на выполнение двух одинаковых заказов также могут отличаться, что обусловлено динамикой эксплуатационных затрат, стоимостью исходных компонентов производства, меняющимися социально-экономическими условиями.
Стоимость заказа включает в себя компенсацию всех затрат производства на выполнение данного заказа и получение заданной прибыли.
Планируемый и фактически выполненный заказы могут ввиду раскоординации производства отличаться последовательностью прохождения по агрегатам при выполнении ТМ, временем обработки на отдельных ТО, маркой и массой заказа. Затраты на управление (координацию) пропорциональны суммарным отклонениям фактического КГ от директивного ССЗ, другими словами, наиболее эффективно такое управление, при котором директивное ССЗ выполнено с наименьшими отклонениями.
Применение таких положений для определения количественной меры раскоординации (несогласованности работы) структурных подразделений при выполнении ССЗ позволяет рассчитать экономическую меру суточных заданий цеху и каждому технологическому участку (руб); суммарные потери каждого технологического участка при выполнении планируемого набора ТМ, приводящие к нарушениям КГ и внесенные по вине этого технологического участка в согласованную работу цеха. Этот показатель включает: 1.) потери от нарушения технологии по измененным (незаказным) маркам стали: А,=1Л(С -СА) с4-11) где / - номер заказа в ССЗ, т1 - объем (масса в т.) заказа; С„ себестоимость запланированной марки; Сф - себестоимость фактической марки; 2.) потери от уменьшения объема заказа: Цп = Цс{тп-тф) (4.12) где тп - плановый объём выпуска марки стали; тф - фактический объем заказа; С, - себестоимость марки стали; 142 3.) потери, обусловленные дополнительными операциями, по всему оборудованию цеха: Аэои Хс,-2 лт; Т.С-1,г,- гл (4.13) где Рр и Рь - показатели производительностиу-го технологического агрегата и 1-го крана при выполнении /-го заказа; AT и ATh - потери времени от дополнительных транспортно технологических операций для /-го заказа; - по технологическому оборудованию: ,=7 -7 , (4.14) где Тфакт - фактическое время работы у-го технологического агрегата при выполнении /-го заказа с учетом дополнительной операции, Ттан - плановое время работыу-го технологического агрегата при выполнении /-го заказа. - по транспортным средствам: Ыи=Т -Т (4.15) где Т,акт - фактическое время работы /-го крана при выполнении /-го заказа с учетом дополнительной операции, Ттан - плановое время работы /-го крана при выполнении /-го заказа. 4.) потери, обусловленные запаздыванием по всем агрегатам цеха с учетом их производительности, характеризуются долей невыполненных заказов из ССЗ, что обуславливает затраты в объеме: 4=ZQ-2 „-AT;, (4.16) где AT - потери времени каждого технологического участка по вине смежных технологических участков (запаздывание): AT j, = (н фаКт — l„ maHji , (4. 1 /) 143 где - tH факт фактическое время начала работы 7-го технологического агрегата при выполнении /-го заказа, tH тан - плановое время начала работыу-го агрегата по данному заказу в соответствии с КГ. 5.) штрафы S=F/(3) обусловлены: нарушением технологии производства в соответствии с (4.11), в этом случае заказчик может отказаться от покупки произведенной стали, т.к. она не соответствует качеству, оговоренному договором, что ведет к повторному выполнению данного заказа или полной его отмене, поиску покупателя на незаказную сталь; изменением объёма производственного заказа в соответствии с (4.12), в этом случае заказ может не быть выполнен вовремя, заказчик же в договоре оговаривает цену каждого дня просроченного заказа.
Таким образом, можно определить координацию как экономическую меру согласованной работы при выполнении технологическими участками КГ, сумму общих потерь при выполнении всех заказов на суточном интервале для всех технологических участков и кранов с учетом штрафов: =4+ +4,+А/+5 (4.18) Комплексный критерий оперативно-диспетчерского управления на интервале суток (смены): Q = F{KT0 - КГП) - min(L) , (4.19) где— КГП {КП1,КП2, ...КПР} планируемый контактный график на сутки; КГф{КП1,КП2, ...КПР} - фактическая реализация директивного графика за сутки; {КП1,КП2, ...КПР} — набор контролируемых КГ показателей.
Смысл (4.19) можно определить как выполнение заданных КГ параметров с минимальными отклонениями по координирующим показателям в интервале за смену, что и объясняет цель оперативного планирования и управления сталеплавильным цехом.
Параметры критерия (4.18) имеют разные информационные запаздывания, что предъявляет особые требования к сбору и обработке экономической и организационно-технологической информации. Показатели раскоординации рассчитываются в темпе хода производства по результатам выполнения каждого заказа. Показатели себестоимости определяются по результатам лабораторных исследований качества продукции и характеризуются значительными и различными для каждого из контролируемых параметров заказов информационными запаздываниями, обусловленными спецификой их расчета и определения, требованиями к достоверности, возможностью корректировки.
Алгоритм расчета раскоординации и потерь производства при выполнении КГ включает следующие операции: на этапе оперативного планирования (составления КГ на следующие сутки) совместно с параметрами заказа в производственный отдел передаются стоимостные параметры заказа для сталеплавильного цеха; после составления графика производства для сталеплавильного цеха рассчитывается планируемая производительность; полученный график доводится до каждого технологического участка цеха и является директивным документом; системой оперативного слежения (АСУ «Слежение за ходом технологического процесса в ЭСПЦ») в автоматизированном или ручном варианте проводится регистрация фактических значений контролируемых графиком параметров хода производства; по окончании суток (или смены) выполняется расчет отклонений контролируемых параметров (№ заказа; № плавки; марки стали, фактически выплавленной и планируемой; времени начала и окончания технологической операции и их сравнения с плановыми показателями; массы металла планируемой и фактической), расчет на их основе фактически достигнутых производительностей (т/ч и руб/ч), отдельно по каждому заказу и по всем заказам в заданном временном интервале; полученные суммарные значения потерь (в руб.) являются показателями координации как экономической меры работы цеха на заданном интервале;
Первичная организационно-технологическая информация, на основе которой производится расчет экономических показателей и координации, формируется в автоматизированном режиме в АРМ диспетчера комбината из сведений, регистрируемых в "Сменно-суточном рапорте". Для проверки экономической эффективности разработанных алгоритмов планирования и диспетчирования ЭСПЦ ОАО ОЭМК выполнялись расчеты потерь производительности от раскоординации производства по сталеплавильным линиям горячего транзита металла для ситуации, когда в процессе выполнения КГ (рис. 4.25) произошла вышел из строя разливочный кран №23.
