基于flexsim的煉鋼-連鑄仿真模型

基于flexsim的煉鋼-連鑄仿真模型

在鉻連鑄生產(chǎn)計(jì)劃的編制中，可以快速準(zhǔn)確地根據(jù)生產(chǎn)需要計(jì)算工藝過程的開始和結(jié)束時(shí)間，分析機(jī)器的工作狀態(tài)和資源占用，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的瓶頸，并對(duì)生產(chǎn)計(jì)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(jì)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(tái)車將鋼水運(yùn)到吊車跨,由行車將鋼包吊運(yùn)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(jī)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(gè)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(jī)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(tái)、吹氬3臺(tái)、鋼包爐1臺(tái)、真空爐2臺(tái)、鑄機(jī)3臺(tái)。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(jiǎn)化成五種加工路線,如圖2所示。1.2以爐次為生產(chǎn)計(jì)劃單位的企業(yè)設(shè)計(jì)煉鋼-連鑄生產(chǎn)計(jì)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(shí)刻和結(jié)束時(shí)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(jì)劃是在生產(chǎn)計(jì)劃(爐次和澆次計(jì)劃的確定)的基礎(chǔ)上,以爐次為最小生產(chǎn)計(jì)劃單位,在滿足各種工藝約束(如同一澆次在同一連鑄機(jī)上不斷澆以及各爐次在各工作站上的等待時(shí)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(jì)的劃數(shù)學(xué)模型,計(jì)算模型結(jié)果,確定在何時(shí)、在何種設(shè)備上以何種順序安排鋼水從轉(zhuǎn)爐到連鑄機(jī)的生產(chǎn)過程的各個(gè)工序,以保證準(zhǔn)時(shí)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(jì)算和準(zhǔn)備工作計(jì)劃的方法2.1相鄰爐次的確定根據(jù)生產(chǎn)計(jì)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(shí)已定,并且任意時(shí)刻點(diǎn),任何一個(gè)處理機(jī)只能對(duì)一個(gè)任務(wù)加工,選取連鑄斷開損失的懲罰費(fèi)用與爐次等待處理時(shí)間的懲罰費(fèi)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(jī)器上處理的相鄰爐次,要等前一個(gè)爐次處理結(jié)束后,方可執(zhí)行下一個(gè)爐次;(2)同一爐次的相鄰工序,要等前一個(gè)工序處理結(jié)束后,才開始下一個(gè)工序;(3)同一連鑄機(jī)上不同澆次之間需要調(diào)整時(shí)間和時(shí)間間隔;(4)爐次i在機(jī)器上的開始時(shí)刻為非負(fù),簡(jiǎn)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(jī)器j上的開始加工時(shí)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(fèi)用;dij為爐次i在機(jī)器j上等待時(shí)間懲罰費(fèi)用系數(shù);Tij為爐次i在機(jī)器j的處理時(shí)間;tim為機(jī)器i到機(jī)器m的運(yùn)輸時(shí)間;Skj為澆次k在機(jī)器j上調(diào)整時(shí)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(gè)澆次的爐次集合,對(duì)任意j≠k都有Ωj∩Ωk=Φ,且Ω1∩Ω2∩…∩Ωm=Ω;Π為全部連鑄機(jī)的集合;SI(i,j)為機(jī)器j在第i個(gè)爐次完成后將加工的后續(xù)爐次;SP(i,j)為爐次i在機(jī)器j工序完成后的后道工序的機(jī)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(shí)刻特點(diǎn),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(shí)刻。3基于flexsim的服務(wù)計(jì)劃3.1lexsim仿真煉鋼-連鑄的處理對(duì)象是高溫鋼水,在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中調(diào)度不當(dāng),會(huì)出現(xiàn)生產(chǎn)阻塞,機(jī)器也可能出現(xiàn)故障。運(yùn)用Flexsim仿真,可以檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型所求出的煉鋼作業(yè)計(jì)劃,進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)整體性能優(yōu)化,提高生產(chǎn)率;預(yù)測(cè)生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的瓶頸工序,并分析各機(jī)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(shí),及時(shí)調(diào)整物流走向,盡量減少故障設(shè)備對(duì)生產(chǎn)造成的影響。3.2端口連接規(guī)則首先建立實(shí)體模型,通過建模模塊對(duì)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?duì)象模型的圖形化表達(dá),Flexsim中從界面的實(shí)體庫中拖出所需要的實(shí)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(shí)體的端口連接,包含輸出、輸入和中間端口連接。在建立的實(shí)體模型基礎(chǔ)上,根據(jù)簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型計(jì)算出的開澆時(shí)刻表,設(shè)置所需的格式,導(dǎo)入Flexsim中驅(qū)動(dòng)模型,設(shè)置運(yùn)行終止時(shí)間和運(yùn)行速度,編譯并運(yùn)行模型。3.3u2004應(yīng)用狀況分析獲取模型運(yùn)行數(shù)據(jù),包括實(shí)體的空間、加工、忙、阻塞、生產(chǎn)、空、收集臨時(shí)實(shí)體、釋放、等待操作員、等待運(yùn)輸機(jī)、故障、歇班、傳送中空/負(fù)載運(yùn)行、停機(jī)、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(yùn)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(shí)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(gè)澆次,24個(gè)爐次,三個(gè)澆次分別有9、8、7個(gè)爐次,模型基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示,根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃,已知各爐次加工的機(jī)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(xiàng)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(gè)約束條件,其約束條件的系數(shù)為A;(3)計(jì)算約束不等式右邊的常數(shù)項(xiàng)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(jī)器上開始時(shí)刻。其中行數(shù)1~24分別表示爐次號(hào);列數(shù)1~5分別表示加工各爐次相應(yīng)對(duì)應(yīng)機(jī)器LD、AR、RH、LF、CC。4.2模型運(yùn)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(jī)分別各有3臺(tái),RH2臺(tái),LF1臺(tái)。添加連接端口,根據(jù)當(dāng)天生產(chǎn)任務(wù)設(shè)置各實(shí)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(gè)爐次,Arrivaltime設(shè)置為各爐次在倒罐站上的開始處理開始時(shí)間。各實(shí)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(yùn)行。如圖3為模型運(yùn)行到21577.27時(shí)刻的狀態(tài)顯示,圖4為此時(shí)刻連鑄機(jī)2的狀態(tài)統(tǒng)計(jì),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(shí)體參數(shù),調(diào)整各爐次在所加工機(jī)器上開始時(shí)刻,將調(diào)整結(jié)果重新輸入Flexsim中作為仿真參數(shù)運(yùn)行,統(tǒng)計(jì)各個(gè)機(jī)器的顯示,分析模型的運(yùn)行中的瓶頸。通過分析比較各機(jī)器閑置率和利用率,可以看出連鑄機(jī)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(jī)器上開始時(shí)刻,將調(diào)整結(jié)果輸入Flexsim中作為仿真參數(shù)運(yùn)行,分析各機(jī)器執(zhí)行率和閑置率,通過設(shè)置各機(jī)器的權(quán)重向量,計(jì)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