基于flexsim的炼钢-连铸仿真模型

基于flexsim的炼钢-连铸仿真模型

在铬连铸生产计划的编制中，可以快速准确地根据生产需要计算工艺过程的开始和结束时间，分析机器的工作状态和资源占用，预测可能出现的瓶颈，并对生产计划进行调整，优化参数，提高生产线操作性能，提高生产力。1生产计划和准备1.1钢包吊和浇铸的工艺流程炼钢生产线中,炼钢-连铸区域接收来自炼铁工序送来的高温铁水,与废钢一起进入转炉设备中,经过吹炼后转化为钢水倒入已准备好的钢包中,通过台车将钢水运到吊车跨,由行车将钢包吊运到相应的精炼设备上进行二次精炼,此过程将普通的钢水转化为合同要求生产成分的优质钢水,处理结束后,再由指定的行车将钢水包吊到相应的连铸机上进行浇铸,浇铸出的铸坯,经过直轧或冷却成钢材成品以供销售。在这个过程中,所涉及的流程工序有脱硫、转炉吹炼、钢水吹氩、钢包精炼、真空精炼、浇铸,每道工序在规定的机器上加工,如图1所示。而三炼钢厂设备包含由转炉3台、吹氩3台、钢包炉1台、真空炉2台、铸机3台。不同种成分和铸面的铸坯有其不同的工艺流程要求,炼钢-连铸生产流程可以简化成五种加工路线,如图2所示。1.2以炉次为生产计划单位的企业设计炼钢-连铸生产计划编制目标是确定浇次在加工的设备上的开始加工时刻和结束时刻,是炼钢-连铸生产调度中的重要部分。炼钢-连铸生产作业计划是在生产计划(炉次和浇次计划的确定)的基础上,以炉次为最小生产计划单位,在满足各种工艺约束(如同一浇次在同一连铸机上不断浇以及各炉次在各工作站上的等待时间最小等)、设备能力约束和物料约束(如铁水供给量)的前提下,通过建立阶段性生产计的划数学模型,计算模型结果,确定在何时、在何种设备上以何种顺序安排钢水从转炉到连铸机的生产过程的各个工序,以保证准时正确地进行生产组织,避免设备冲突、合理安排设备的使用,并达到作业优化、提高生产效率、节约能源等目的。2计算和准备工作计划的方法2.1相邻炉次的确定根据生产计划,已知当天生产炉次、浇次需求以及设备约束,假定所有炉次的加工路径在浇次和炉次确定时已定,并且任意时刻点,任何一个处理机只能对一个任务加工,选取连铸断开损失的惩罚费用与炉次等待处理时间的惩罚费用之和最小为目标函数,并基于以下约束条件:(1)同一工序中的同一机器上处理的相邻炉次,要等前一个炉次处理结束后,方可执行下一个炉次;(2)同一炉次的相邻工序,要等前一个工序处理结束后,才开始下一个工序;(3)同一连铸机上不同浇次之间需要调整时间和时间间隔;(4)炉次i在机器上的开始时刻为非负,简化数学模型如下:目标函数:式中变量为Xij,表示炉次i在机器j上的开始加工时刻。参数N为生产的炉次总数;M为全部浇次总数;CK为浇次K的连铸断开损失惩罚费用;dij为炉次i在机器j上等待时间惩罚费用系数;Tij为炉次i在机器j的处理时间;tim为机器i到机器m的运输时间;Skj为浇次k在机器j上调整时间;μ为浇次之间的间隔,Ω为全部炉次集,Ω=邀1,2,…,B妖,Ωk为第k个浇次的炉次集合,对任意j≠k都有Ωj∩Ωk=Φ,且Ω1∩Ω2∩…∩Ωm=Ω;Π为全部连铸机的集合;SI(i,j)为机器j在第i个炉次完成后将加工的后续炉次;SP(i,j)为炉次i在机器j工序完成后的后道工序的机器。2.2等式约束的形式通过采用Matlab工具箱中有约束的线性规划最小化函数linprog()求解,先将线性不等式约束的形式,通过两边取负,使不等式右边大于零的约束变为小于零的不等式约束形式。即将Ci(x)≥a的形式转化为-Ci(x)≤-a,并且避免使用全局变量,并规定决策变量Xij的取值范围。根据生产中开浇时刻特点,设置变量的最小值为0,最大值一般为一天中开浇最晚出现的时刻。3基于flexsim的服务计划3.1lexsim仿真炼钢-连铸的处理对象是高温钢水,在生产环节中调度不当,会出现生产阻塞,机器也可能出现故障。运用Flexsim仿真,可以检验数学模型所求出的炼钢作业计划,进一步优化生产参数,实现生产整体性能优化,提高生产率;预测生产中可能出现的瓶颈工序,并分析各机器的工作状态,包含连续工作和不连续工作状态的状况,适当安排设备检修,当出现设备故障时,及时调整物流走向,尽量减少故障设备对生产造成的影响。3.2端口连接规则首先建立实体模型,通过建模模块对炼钢-连铸生产线及设备布局进行抽象转变为仿真对象模型的图形化表达,Flexsim中从界面的实体库中拖出所需要的实体,按照车间布局的比例,放在模型视图中,根据生产流程建立端口连接规则,设置各实体的端口连接,包含输出、输入和中间端口连接。在建立的实体模型基础上,根据简化数学模型计算出的开浇时刻表,设置所需的格式,导入Flexsim中驱动模型,设置运行终止时间和运行速度,编译并运行模型。3.3u2004应用状况分析获取模型运行数据,包括实体的空间、加工、忙、阻塞、生产、空、收集临时实体、释放、等待操作员、等待运输机、故障、歇班、传送中空/负载运行、停机、预置和利用率等状态信息。分析炼钢-连铸生产流程瓶颈———连浇连铸工艺整体工作性能状况,通过反复修改参数,编译运行模型。比较设备利用率和负荷状况,选取最优参数设置,用于优化炼钢生产调度。4模拟示例4.1数学模型求解以某炼钢厂的炼钢-连铸一次生产为实例,设该合同所要求加工钢种需要的工艺路线共有三种,加工3个浇次,24个炉次,三个浇次分别有9、8、7个炉次,模型基础参数如表1所示,根据生产计划,已知各炉次加工的机器,用线性规划程序求解数学模型。求解步骤:(1)根据所给参数,将目标函数展开目标函数的系数提取为f;(2)将约束条件化为具体各项参变量的约束算式,并将其转化为-Ci(x)≤-a的形式。算例中根据所给生产参数值,确定为127个约束条件,其约束条件的系数为A;(3)计算约束不等式右边的常数项确定为b;f、A、b如表2所示。(4)确定参数上限u和下限l;(5)编写Matlab程序,应用Matlab内置函linprog求解:[Xol,Fol]=linprog(f,A,b,,,l,u),结果如表3。仿真结果表3中为各炉次在相应机器上开始时刻。其中行数1~24分别表示炉次号;列数1~5分别表示加工各炉次相应对应机器LD、AR、RH、LF、CC。4.2模型运行过程基于Flexsim建立工艺路线的仿真模型,其中,转炉、精炼炉、连铸机分别各有3台,RH2台,LF1台。添加连接端口,根据当天生产任务设置各实体参数,在发生器中设置铁水的到达类型为:ArrivalSchedule,设置NumberofArrivals:24,表示有24个炉次,Arrivaltime设置为各炉次在倒罐站上的开始处理开始时间。各实体输出端口设置通过工具箱中的全局表设定其输出规则,编译,运行。如图3为模型运行到21577.27时刻的状态显示,图4为此时刻连铸机2的状态统计,其idle为92.0%,processing为8.0%,闲置率比较高。适当调整模型中实体参数,调整各炉次在所加工机器上开始时刻,将调整结果重新输入Flexsim中作为仿真参数运行,统计各个机器的显示,分析模型的运行中的瓶颈。通过分析比较各机器闲置率和利用率,可以看出连铸机闲置率最高,为模型的瓶颈工序。根据Flexsim仿真结果,在保证约束的条件下适当调整各炉次在所加工机器上开始时刻,将调整结果输入Flexsim中作为仿真参数运行,分析各机器执行率和闲置率,通过设置各机器的权重向量,计算总的设备利用率。将将较优的方案,用于生产中。5建立铸