基于flexsim的煉鋼-連鑄仿真模型

在鉻連鑄生產(chǎn)計劃的編制中，可以快速準(zhǔn)確地根據(jù)生產(chǎn)需要計算工藝過程的開始和結(jié)束時間，分析機器的工作狀態(tài)和資源占用，預(yù)測可能出現(xiàn)的瓶頸，并對生產(chǎn)計劃進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化參數(shù)，提高生產(chǎn)線操作性能，提高生產(chǎn)力。1生產(chǎn)計劃和準(zhǔn)備1.1鋼包吊和澆鑄的工藝流程煉鋼生產(chǎn)線中,煉鋼-連鑄區(qū)域接收來自煉鐵工序送來的高溫鐵水,與廢鋼一起進(jìn)入轉(zhuǎn)爐設(shè)備中,經(jīng)過吹煉后轉(zhuǎn)化為鋼水倒入已準(zhǔn)備好的鋼包中,通過臺車將鋼水運到吊車跨,由行車將鋼包吊運到相應(yīng)的精煉設(shè)備上進(jìn)行二次精煉,此過程將普通的鋼水轉(zhuǎn)化為合同要求生產(chǎn)成分的優(yōu)質(zhì)鋼水,處理結(jié)束后,再由指定的行車將鋼水包吊到相應(yīng)的連鑄機上進(jìn)行澆鑄,澆鑄出的鑄坯,經(jīng)過直軋或冷卻成鋼材成品以供銷售。在這個過程中,所涉及的流程工序有脫硫、轉(zhuǎn)爐吹煉、鋼水吹氬、鋼包精煉、真空精煉、澆鑄,每道工序在規(guī)定的機器上加工,如圖1所示。而三煉鋼廠設(shè)備包含由轉(zhuǎn)爐3臺、吹氬3臺、鋼包爐1臺、真空爐2臺、鑄機3臺。不同種成分和鑄面的鑄坯有其不同的工藝流程要求,煉鋼-連鑄生產(chǎn)流程可以簡化成五種加工路線,如圖2所示。1.2以爐次為生產(chǎn)計劃單位的企業(yè)設(shè)計煉鋼-連鑄生產(chǎn)計劃編制目標(biāo)是確定澆次在加工的設(shè)備上的開始加工時刻和結(jié)束時刻,是煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度中的重要部分。煉鋼-連鑄生產(chǎn)作業(yè)計劃是在生產(chǎn)計劃(爐次和澆次計劃的確定)的基礎(chǔ)上,以爐次為最小生產(chǎn)計劃單位,在滿足各種工藝約束(如同一澆次在同一連鑄機上不斷澆以及各爐次在各工作站上的等待時間最小等)、設(shè)備能力約束和物料約束(如鐵水供給量)的前提下,通過建立階段性生產(chǎn)計的劃數(shù)學(xué)模型,計算模型結(jié)果,確定在何時、在何種設(shè)備上以何種順序安排鋼水從轉(zhuǎn)爐到連鑄機的生產(chǎn)過程的各個工序,以保證準(zhǔn)時正確地進(jìn)行生產(chǎn)組織,避免設(shè)備沖突、合理安排設(shè)備的使用,并達(dá)到作業(yè)優(yōu)化、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源等目的。2計算和準(zhǔn)備工作計劃的方法2.1相鄰爐次的確定根據(jù)生產(chǎn)計劃,已知當(dāng)天生產(chǎn)爐次、澆次需求以及設(shè)備約束,假定所有爐次的加工路徑在澆次和爐次確定時已定,并且任意時刻點,任何一個處理機只能對一個任務(wù)加工,選取連鑄斷開損失的懲罰費用與爐次等待處理時間的懲罰費用之和最小為目標(biāo)函數(shù),并基于以下約束條件:(1)同一工序中的同一機器上處理的相鄰爐次,要等前一個爐次處理結(jié)束后,方可執(zhí)行下一個爐次;(2)同一爐次的相鄰工序,要等前一個工序處理結(jié)束后,才開始下一個工序;(3)同一連鑄機上不同澆次之間需要調(diào)整時間和時間間隔;(4)爐次i在機器上的開始時刻為非負(fù),簡化數(shù)學(xué)模型如下:目標(biāo)函數(shù):式中變量為Xij,表示爐次i在機器j上的開始加工時刻。參數(shù)N為生產(chǎn)的爐次總數(shù);M為全部澆次總數(shù);CK為澆次K的連鑄斷開損失懲罰費用;dij為爐次i在機器j上等待時間懲罰費用系數(shù);Tij為爐次i在機器j的處理時間;tim為機器i到機器m的運輸時間;Skj為澆次k在機器j上調(diào)整時間;μ為澆次之間的間隔,Ω為全部爐次集,Ω=邀1,2,…,B妖,Ωk為第k個澆次的爐次集合,對任意j≠k都有Ωj∩Ωk=Φ,且Ω1∩Ω2∩…∩Ωm=Ω;Π為全部連鑄機的集合;SI(i,j)為機器j在第i個爐次完成后將加工的后續(xù)爐次;SP(i,j)為爐次i在機器j工序完成后的后道工序的機器。2.2等式約束的形式通過采用Matlab工具箱中有約束的線性規(guī)劃最小化函數(shù)linprog()求解,先將線性不等式約束的形式,通過兩邊取負(fù),使不等式右邊大于零的約束變?yōu)樾∮诹愕牟坏仁郊s束形式。即將Ci(x)≥a的形式轉(zhuǎn)化為-Ci(x)≤-a,并且避免使用全局變量,并規(guī)定決策變量Xij的取值范圍。根據(jù)生產(chǎn)中開澆時刻特點,設(shè)置變量的最小值為0,最大值一般為一天中開澆最晚出現(xiàn)的時刻。3基于flexsim的服務(wù)計劃3.1lexsim仿真煉鋼-連鑄的處理對象是高溫鋼水,在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中調(diào)度不當(dāng),會出現(xiàn)生產(chǎn)阻塞,機器也可能出現(xiàn)故障。運用Flexsim仿真,可以檢驗數(shù)學(xué)模型所求出的煉鋼作業(yè)計劃,進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù),實現(xiàn)生產(chǎn)整體性能優(yōu)化,提高生產(chǎn)率;預(yù)測生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的瓶頸工序,并分析各機器的工作狀態(tài),包含連續(xù)工作和不連續(xù)工作狀態(tài)的狀況,適當(dāng)安排設(shè)備檢修,當(dāng)出現(xiàn)設(shè)備故障時,及時調(diào)整物流走向,盡量減少故障設(shè)備對生產(chǎn)造成的影響。3.2端口連接規(guī)則首先建立實體模型,通過建模模塊對煉鋼-連鑄生產(chǎn)線及設(shè)備布局進(jìn)行抽象轉(zhuǎn)變?yōu)榉抡鎸ο竽Ｐ偷膱D形化表達(dá),Flexsim中從界面的實體庫中拖出所需要的實體,按照車間布局的比例,放在模型視圖中,根據(jù)生產(chǎn)流程建立端口連接規(guī)則,設(shè)置各實體的端口連接,包含輸出、輸入和中間端口連接。在建立的實體模型基礎(chǔ)上,根據(jù)簡化數(shù)學(xué)模型計算出的開澆時刻表,設(shè)置所需的格式,導(dǎo)入Flexsim中驅(qū)動模型,設(shè)置運行終止時間和運行速度,編譯并運行模型。3.3u2004應(yīng)用狀況分析獲取模型運行數(shù)據(jù),包括實體的空間、加工、忙、阻塞、生產(chǎn)、空、收集臨時實體、釋放、等待操作員、等待運輸機、故障、歇班、傳送中空/負(fù)載運行、停機、預(yù)置和利用率等狀態(tài)信息。分析煉鋼-連鑄生產(chǎn)流程瓶頸———連澆連鑄工藝整體工作性能狀況,通過反復(fù)修改參數(shù),編譯運行模型。比較設(shè)備利用率和負(fù)荷狀況,選取最優(yōu)參數(shù)設(shè)置,用于優(yōu)化煉鋼生產(chǎn)調(diào)度。4模擬示例4.1數(shù)學(xué)模型求解以某煉鋼廠的煉鋼-連鑄一次生產(chǎn)為實例,設(shè)該合同所要求加工鋼種需要的工藝路線共有三種,加工3個澆次,24個爐次,三個澆次分別有9、8、7個爐次,模型基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示,根據(jù)生產(chǎn)計劃,已知各爐次加工的機器,用線性規(guī)劃程序求解數(shù)學(xué)模型。求解步驟:(1)根據(jù)所給參數(shù),將目標(biāo)函數(shù)展開目標(biāo)函數(shù)的系數(shù)提取為f;(2)將約束條件化為具體各項參變量的約束算式,并將其轉(zhuǎn)化為-Ci(x)≤-a的形式。算例中根據(jù)所給生產(chǎn)參數(shù)值,確定為127個約束條件,其約束條件的系數(shù)為A;(3)計算約束不等式右邊的常數(shù)項確定為b;f、A、b如表2所示。(4)確定參數(shù)上限u和下限l;(5)編寫Matlab程序,應(yīng)用Matlab內(nèi)置函linprog求解:[Xol,Fol]=linprog(f,A,b,,,l,u),結(jié)果如表3。仿真結(jié)果表3中為各爐次在相應(yīng)機器上開始時刻。其中行數(shù)1~24分別表示爐次號;列數(shù)1~5分別表示加工各爐次相應(yīng)對應(yīng)機器LD、AR、RH、LF、CC。4.2模型運行過程基于Flexsim建立工藝路線的仿真模型,其中,轉(zhuǎn)爐、精煉爐、連鑄機分別各有3臺,RH2臺,LF1臺。添加連接端口,根據(jù)當(dāng)天生產(chǎn)任務(wù)設(shè)置各實體參數(shù),在發(fā)生器中設(shè)置鐵水的到達(dá)類型為:ArrivalSchedule,設(shè)置NumberofArrivals:24,表示有24個爐次,Arrivaltime設(shè)置為各爐次在倒罐站上的開始處理開始時間。各實體輸出端口設(shè)置通過工具箱中的全局表設(shè)定其輸出規(guī)則,編譯,運行。如圖3為模型運行到21577.27時刻的狀態(tài)顯示,圖4為此時刻連鑄機2的狀態(tài)統(tǒng)計,其idle為92.0%,processing為8.0%,閑置率比較高。適當(dāng)調(diào)整模型中實體參數(shù),調(diào)整各爐次在所加工機器上開始時刻,將調(diào)整結(jié)果重新輸入Flexsim中作為仿真參數(shù)運行,統(tǒng)計各個機器的顯示,分析模型的運行中的瓶頸。通過分析比較各機器閑置率和利用率,可以看出連鑄機閑置率最高,為模型的瓶頸工序。根據(jù)Flexsim仿真結(jié)果,在保證約束的條件下適當(dāng)調(diào)整各爐次在所加工機器上開始時刻,將調(diào)整結(jié)果輸入Flexsim中作為仿真參數(shù)運行,分析各機器執(zhí)行率和閑置率,通過設(shè)置各機器的權(quán)重向量,計算總的設(shè)備利用率。將將較優(yōu)的方案,用于生產(chǎn)中。5建立鑄