基于APS的钢铁企业生产计划系统设计及实现 - 文章

基于APS的钢铁企业生产计划系统设计及实现

作者：施灿涛李铁克王昌保

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1 引言

炼钢-连铸-热轧生产过程是现代钢铁生产的核心工序，其生产计划与调度问题是钢铁企业生产管理的核心与难点。在中国钢铁行业已经普及基础信息化的今天，日益激烈的竞争直接催生了高级计划排程系统（Advanced Planning and Scheduling，ASP），钢铁企业迫切需要利用ASP来帮助解决日益困扰他们的生产计划相关问题。ASP将钢铁生产的计划体系分为订单计划系统、生产计划系统和生产调度系统3个主要部分。生产计划系统位于整个系统的中间层，是钢铁生产的关键环节，上接订单计划，下发批量计划给生产调度，生产计划编排的优劣直接影响到生产调度能否合理编排，在钢铁生产管理中的地位至关重要。

多年来，针对钢铁企业生产计划与调度理论与方法的研究一直备受关注。以钢铁企业生产为背景，叙述了一体化管理在企业管理中的地位，进而综述了钢铁生产工序管理和生产计划理论方法发展趋势。基于MRPⅡ与JIT相结合的特钢行业生产管理模式，采用多层递阶计划和动态实时调度策略，构建面向企业上层管理企业资源规划（Eenterprise Resource Planning，ERP）系统和下层执行制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）的集成化解决方案，建立了适合特钢企业经营管理与生产制造一体化的信息系统。宝钢四层架构的计算机系统生产计划与调度管理功能，分析了钢铁企业MES中常见的两种计划管理模式及其特点。面向制造执行系统的生产计划管理系统集成解决方案，研究了生产计划管理系统和其他子系统的集成关系，开发了基于浏览器/服务器（Browser/Server，B/S）模式的企业生产计划管理系统。基于ASP思想，提出了面向订单的钢铁企业一体化计划与调度系统的体系结构模型。在综合考虑生产计划的复杂性、工艺及成本管理与计划管理的协同性等要素的基础上，建立了纵横向交叉的集成化生产计划管理模型。以某钢铁联合企业为背景，探讨了钢铁企业生产计划与调度系统。

本文对基于ASP的钢铁企业生产计划系统进行研究，从系统设计与开发实现的角度提出更具一般性的系统分析设计与开发实现方案：首先对钢铁企业生产计划的基本问题进行归纳，进而从功能需求和业务流程两个方面对系统需求进行分析，在此基础上，提出了系统设计方案，最后采用.NET三层客户端/服务器(Client Server，C/S)模式完成系统的开发实现。

2 钢铁企业生产计划的基本问题

钢铁生产过程是以铁矿石或者废钢为原料，先冶炼成高温铁水，然后由转炉冶炼成高温液态钢水，钢水由转炉出来进入精炼以保证钢水的化学成分和温度，经过精炼后的钢水注入中间包，由连铸机拉出高温固态钢坯，再由轧机轧制成满足合同要求的产品，以供应市场或下游工序。此过程中的生产计划核心问题可以归结为两大类：批量组合问题和批量调度问题。

(1)批量组合问题。即如何把待生产的多品种、小批量合同按照生产的工艺路线、技术条件、设备的作业要求组织成批量生产计划。炼钢、连铸、热轧每个阶段分别有自己的加工单位和工艺约束。炼钢阶段的加工单位是炉次，连铸阶段的加工单位是浇次，热轧阶段的加工单位是轧次。钢铁生产计划系统首先要解决的问题是按照每个阶段的工艺约束和优化目标制订炼钢批量计划、连铸批量计划和热轧批量计划。炼钢、连铸、热轧生产阶段批量计划主要包括两部分：炼钢-连铸批量计划和热轧批量计划。

(2)批量调度问题。即根据作业计划实绩和批量组合计划编排情况合理安排各个批量计划的下发时刻，把编排的批量组合计划按执行计划时间展开，并对下发序列进行可行性评价，以保证作业调度顺利进行。

3 系统结构与功能

3.1 总体结构

生产计划的目的是为编排一段时期内（如一周）的调度任务，从而解决小批量订单与作业调度的协调问题。生产计划系统分为4个主要的功能模块：生产工单接收模块、热轧计划排程模块、炼钢-连铸计划排程模块、批量计划管理模块。系统总体结构如图1所示。

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图1 系统总体结构

生产订单来自于订单计划系统，是订单计划系统将销售订单按订单项拆分成对应于最终产品的生产订单后，再进一步按照产品要求的工艺路线，将生产订单分解到各工序上，形成针对各工序的生产需求，也称为工序生产订单。为避免混淆，本文统称为生产工单。订单计划系统下发的生产工单通过生产工单的接收与处理模块分解为独立的炼钢-连铸生产工单、独立的热轧生产工单和炼钢-连铸-热轧一体化生产工单。三部分生产工单通过热轧计划排程模块和炼钢-连铸计划排程模块的处理，生成热轧单元计划和炉次、浇次计划。各单元计划通过生产计划管理模块处理，生成最终的批量计划，即独立的炼钢-连铸批量计划，炼钢-连铸-热轧一体化批量计划和独立的热轧批量计划。

3.2 系统功能

生产计划模块的总体功能包括：生产工单的接收与管理，生产批量计划的编制和批量计划管理。依据生产计划模块的总体功能需求，可将生产计划模块分为4个主要的功能模块：生产工单接收模块，热轧计划排程模块，炼钢-连铸计划排程模块，批量计划管理模块。

(1)生产工单接收模块。主要功能是接收生产工单，并将生产工单分为独立的炼钢-连铸生产工单，独立的热轧生产工单和炼钢-连铸-热轧一体化生产工单，实现与订单计划系统的接口。

(2)热轧计划排程模块。热轧计划排程模块将输入的炼钢-连铸-热轧一体化生产工单和独立的热轧生产工单依据产能及排程约束与生产实绩处理得到轧制单元计划，编制过程中实现与炼钢-连铸模块的交互。热轧计划排程模块可分为3个处理过程，即编制轧制单元、轧制序列管理、轧制计划释放。

(3)炼钢-连铸计划排程模块。炼钢-连铸计划排程模块将输入的单元计划和独立的炼钢-连铸生产工单依据产能及排程约束与生产实绩处理得到炉次、浇次计划，编制过程中实现与热轧计划排程模块的交互。炼钢-连铸计划排程模块可分为3个处理过程，即组炉/组浇，炉次/浇次管理，炉次/浇次计划释放。

(4)批量计划管理模块。批量计划管理模块将热轧计划排程模块编制的轧制单元计划与炼钢-连铸计划排程模块编制的炉次/浇次计划排列成初步的生产计划，对初步的生产计划进行测试，符合要求的生产计划，以天为单位，形成生产批量计划，逐天下发，并对下发的生产批量计划进行跟踪管理。

4 系统实现

4.1 系统体系结构

系统采用三层C/S模式，即把应用系统分成表示层、功能层和数据层三部分。对这三层进行明确分割，并在逻辑上使其独立。数据层即数据库管理系统（Database Management System，DMBS），作为单独的应用系统，已经独立出来，所以关键是要将表示层和功能层分离成各自独立的程序，并且还要使这两层间的接口简洁明了。

表示层是系统与用户的接口部分，它担负着用户与系统间的对话功能。它用于检查用户从键盘等输入的数据，显示应用输出的数据。在变更用户接口时，只需改写显示控制和数据检查程序，而不影响其他两层。检查的内容也只限于数据的形式和值的范围，不包括有关业务本身的处理逻辑。功能层相当于应用的本体，它是将具体的业务处理逻辑编入程序中。数据层就是DMBS，负责管理对数据库数据的读写，必须能迅速执行大量数据的更新和检索。

4.2 基于.NET Remoting的数据通信机制

首先，生产计划系统需要大量的人机交互界面，.NET框架下的开发工具Visual Studio 2005具有强大的界面开发处理能力可用来开发界面；其次，由于生产计划处理过程的复杂性，需要完善的面向对象程序开发语言，.NET下的C#也正满足了这个需求；最后，系统的三层C/S体系结构及大量的处理信息，对客户端与服务器之间的通信效率提出了挑战，.NET框架下的Remoting技术很好地满足了这个需求。

传统的客户端与服务器端之间的通信采用基于消息的远程调用机制，.NET框架下的Remoting技术扩展了这种机制，将可远程处理的对象与特定客户端或服务器应用程序域以及特定的通信机制隔离开来，具有灵活性和可自定义性，因此，系统采用.NET Remoting技术完成通信程序开发。首先是服务器端，服务器端通过注册信道建立与客户端的连接。注册信道代码如下：

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客户端建立服务管理类（Svr Model Manager），服务管理类注册本地方法与服务器端方法的连接，实现客户端对服务器端方法的请求调用。

4.3 数据存取机制

数据存取包括数据存储和数据检索。数据存储是服务器端程序设计的一部分，服务器端涉及的数据存储主要是批量计划编排后对数据库中相应表单的数据插入及更新和批量调度调整对相应表的数据修改更新。数据检索通过客户端发送检索条件，服务器端接收检索条件并与数据库建立连接，检索相关数据并将结果返回客户端，客户端依据需求对数据进行相关处理。

数据存取的关键是建立与数据库的连接，建立连接所需要的系统开销很大，本系统封装了数据库连接类和方法，建立连接池以优化系统存取性能。

4.4 优化计算引擎

系统中的热轧计划排程模块和炼钢-连铸计划排程模块涉及不同的优化问题，问题均具有较高的复杂性，同时对计算的灵活性和适应性也有较高要求，因此系统采用分层思想构建了基于数学优化和智能计算的优化计算引擎。

优化计算引擎包含接口层、模型层、算法层和求解层4个层次。接口层负责读取各种输入数据和算法参数，并输出优化计算结果。模型层中对不同优化问题进行定义，建立优化问题的计算机描述模型。算法层中定义了一些基本的优化算法，如粒子群优化算法、遗传算法等。求解层建立起模型层和算法层的连接，针对特定的优化问题，调用不同的求解算法进行优化计算，最后通过接口层输出计算结果。

5 结束语

本文以ASP理论为基础对钢铁企业生产计划的基本问题进行了探讨，在此基础上对系统结构和系统功能进行了分析，以模块化设计思想为基础对各功能模块进行了详细设计，在Visual Studio 2005环境下，使用C#.NET程序设计语言实现了三层C/S模式的钢铁企业生产计划系统。系统以承钢1780热轧卷板生产线为背景进行仿真验证，显示出良好的效果，能够满足生产实际需要。

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2/17/2012)


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