DE10261124A1 - Planning complex production sequences in commercial operation of, e.g., steel plant employs stepwise process to achieve optimized groupings and product or production sequence - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optimierten Planung komplexer Produktionsabfolgen in grosstechnischen Anlagenbetrieben, insbesondere in der Stahlindustrie und/oder der metallverarbeitenden Industrie unter Anwendung programmtechnisch umgesetzter gemischt-ganzzahliger Optimierungsverfahren.] In der großindustriellen Fertigung sind aufgrund der immensen Menge bzw. Stückzahl herzustellender Produkte sowie der unglaublichen Menge bzw. Masse an Ausgangsmaterialien und Komplexität der Prozessabläufe zur Vermeidung wirtschaftlicher Schäden, beispielsweise durch ungewollte Stillstandszeiten des Anlagenbetriebes, insbesondere aufgrund von Umstellarbeiten und/oder Reinigungsarbeiten bei einem Produktwechsel, besondere planungstechnische Anstrengungen zur Gewährleistung eines reibungslosen und unterbrechungsfreien Herstellungsprozesses bzw. Anlagenbetriebes erforderlich.The invention relates to a method for optimized planning of complex production sequences in large-scale Plant operations, especially in the steel industry and / or the metal processing industry using program technology implemented mixed-integer optimization process.] In the large industrial Manufacturing is due to the immense quantity or number of pieces to be manufactured Products and the incredible amount or mass of raw materials and complexity of process flows to avoid economic damage, for example due to unwanted Plant downtimes, particularly due to Changeover and / or cleaning work when changing products, special planning efforts to guarantee a smooth and uninterrupted manufacturing process or plant operation required.
Vorgenanntes gilt insbesondere in der Stahlindustrie, wo durch geeignete Selektion der Abfolge der einzelnen Brammen bzw. Stahlrohlinge, die im wesentlichen hinsichtlich ihrer geometrischen Abmessungen und Stahlqualität differieren, ein möglichst kontinuierlicher Gießprozess der weiterzuverarbeitenden Stahl- und/oder Eisenrohlinge zu gewährleisten ist. Entsprechendes findet auch bei der Weiterverarbeitung der erzeugten Rohlinge mittels Walzstraßen aber auch in der chemisch/pharmazeutischen Industrie und/oder der Zellstoff- bzw. Papierindustrie Anwendung. Auch hier ist zur Wahrung eines möglichst effizienten Produktionsprozesses eine anfragen- bzw. spezifikationsabhängig optimierte Produktabfolge bzw. Produktionsabfolge, der beispielsweise Bleche, einzuhalten. Die Spezifikationsdaten können hierbei Angaben physikalische, chemische und/oder geometrische Eigenschaften, wie beispielsweise Dicke, Länge, Breite, Dichte, Struktur, Elastizität, Härte, chemische Zusammensetzung, betreffend umfassen.The above applies in particular in the steel industry, where through appropriate selection of the sequence of each Slabs or steel blanks, which are essentially in terms of their Geometric dimensions and steel quality differ, one as possible continuous casting process to ensure the steel and / or iron blanks to be processed is. The same also applies to the further processing of the generated ones Blanks using rolling mills but also in the chemical / pharmaceutical industry and / or the pulp or paper industry application. Here too is one to preserve preferably efficient production process an optimized depending on the request or specification Product sequence or production sequence, for example sheet metal, observed. The specification data can include physical, chemical and / or geometric properties, such as Thickness, length, Width, density, structure, elasticity, hardness, chemical composition, regarding include.
Ein bekannter Ansatz zur Bestimmung der Produktabfolge bei der Stahlherstellung ist im Artikel von Grossman und Harjunkoski „A decomposition approach for the scheduling of a steel plant production" (Computers and Chemical Engineering, 25, 2001, Seiten 1647–1660) angegeben. In vorgenanntem Artikel wird darauf abgestellt eine Effizienzsteigerung des Produktionsbetriebes durch zeitliche Ausdehnung bzw. Erweiterung der kontinuierlichen Gießsequenzen zu erreichen, was in der Stahlherstellung bzw. -erzeugung eine Reduktion der Stillstands- bzw. Ausfallzeiten bedeutet. Die Effizienzsteigerung eines Stahlwerks wurde durch Vorsortierung auftragsgemäß herzustellender Stahlrohlinge nach Produktkenngrößen, wie beispielsweise Lieferdatum, Breite, Qualität und Dicke erreicht, indem Rohlinge gleicher Qualität und Dicke zu einer Produktfamilie zusammengefasst wurden. Innerhalb einer Produktfamilie wurden dann entsprechende Gießsequenzen gebildet, wobei innerhalb einer Gießsequenz jedoch nachteilig eine gleichbleibende oder abnehmende Breite der Stahlrohlinge vom vorherigen zum nachfolgenden Rohling Voraussetzung war.A well-known approach to determination the product sequence in steel making is in Grossman's article and Harjunkoski “A decomposition approach for the scheduling of a steel plant production "(Computers and Chemical Engineering, 25, 2001, pages 1647-1660). In the aforementioned Article is geared towards increasing the efficiency of the production operation by extending or expanding the continuous casting sequences to achieve what is a reduction in steel production or production Downtimes or downtimes means. The increase in efficiency of a steelworks was made to order by presorting Steel blanks according to product parameters, such as for example delivery date, width, quality and thickness achieved by Blanks of the same quality and thickness have been combined into a product family. Within Corresponding casting sequences then became a product family formed, but disadvantageous within a casting sequence a constant or decreasing width of the steel blanks from previous to subsequent blank was a requirement.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine verbesserte Planung komplexer Produktionsabfolgen in grosstechnischen Anlagenbetrieben anzugeben.The invention is based on the object improved planning of complex production sequences in large-scale Plant operations to be specified.
Vorgenannte Aufgabe wird durch ein Verfahren und ein System der eingangs genannten Art mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung sowie in den abhängigen Ansprüchen angegeben.The above task is accomplished by a Method and a system of the type mentioned with the features the independent Expectations solved. Advantageous embodiments of the invention are in the following Description as well as in the dependent claims specified.
Verfahrensgemäß wird zur optimierten Planung komplexer Produktionsabfolgen in grosstechnischen Anlagenbetrieben, insbesondere der Stahl- und/oder Zellstoffund/oder Papier- und/oder Chemisch/Pharmazeutischen-Industrie, durch programmtechnische Anwendung eines auf Methoden und Algorithmen des Mixed Integer Linear Programming (MILP) aufbauenden, gemischt-ganzzahligen Optimierungsverfahren und unter Berücksichtigung vorbestimmter Regeln und Produktkenngrößen schrittweise eine optimierte Gruppierung und optimierte Sequenzierung gemäß Auftragsbestand herzustellender Produkte durchgeführt und resultierend eine optimierte Produktabfolge bzw. Produktionsabfolge bestimmt.According to the procedure, planning becomes optimized complex production sequences in large-scale plant operations, in particular the steel and / or pulp and / or paper and / or Chemical / pharmaceutical industry, through program application one on methods and algorithms of mixed integer linear programming (MILP) constructive, mixed-integer optimization method and taking into account Predefined rules and product parameters are gradually optimized Grouping and optimized sequencing according to the order backlog Products carried out and as a result an optimized product sequence or production sequence certainly.
Hierzu wird in einem ersten Schritt, in Abhängigkeit von Produktkenngrößen, wie beispielsweise Lieferdatum, Länge, Breite, Dicke, Höhe, Gewicht, Dichte, Güte, Qualität, Reinheit, Festigkeit, Elastizität und chemische Zusammensetzung des jeweiligen Produktes, sowie durch vorgebbare Regeln, die insbesondere durch den Herstellungsprozess mitbestimmt werden, eine sequenzielle Vorsortierung der herzustellenden Produkte in einzelne Produktfamilien durchgeführt.In a first step, dependent on of product parameters, such as for example delivery date, length, Width, thickness, height, Weight, density, goodness, Quality, Purity, strength, elasticity and chemical composition of the respective product, as well as by Predefinable rules, in particular through the manufacturing process co-determined, a sequential pre-sorting of those to be produced Products carried out in individual product families.
Vorgenannte Regeln berücksichtigen hierbei im wesentlichen geometrische, chemische und/oder physikalische Erfordernisse und oder Beschränkungen des jeweiligen Herstellungsprozesses und/oder des zur Produktherstellung eingesetzten Anlagenbetriebes.Consider the above rules here essentially geometric, chemical and / or physical Requirements and or restrictions of the respective manufacturing process and / or of the product manufacturing plant operation used.
Geometrische Regeln berücksichtigen hierbei maßgeblich Beschränkungen und/oder Rahmenbedingungen betreffend der zur Herstellung eingesetzten Betriebsmittel bzw. der zur Verfügung stehenden Infrastruktur.Consider geometric rules decisive here restrictions and / or general conditions regarding the used for the production Equipment or the available standing infrastructure.
Chemische Regeln berücksichtigen beispielsweise unterschiedliche chemische Zusammensetzungen der herzustellenden Produkte sowie die jeweilig zu deren Herstellung erforderlichen Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffe, wobei sicherzustellen ist, dass ein zweites Produkt einem vorausgegangenen ersten Produkt ohne größere finanzielle und/oder technische Aufwendungen, wie beispielsweise Reinigungsarbeiten der zur Herstellung des ersten Produktes eingesetzten Betriebsmittel, nachfolgen kann. Demgemäss sind beispielsweise bei der Stahlerzeugung Stähle mit gefordertem sehr niedrigem Kohlenstoffanteil stets vor Stählen mit höherem Kohlenstoffanteil zu gießen bzw. herzustellen, das heißt eine Abfolge der Produkte bzw. Stähle mit zunehmendem Kohlenstoffanteil ist zu berücksichtigen. Des weiteren ist sicherzustellen, dass einander nachfolgende Produktgruppen der auftragsgemäß geforderten Spezifikation überhaupt herstellbar sind. Beispielsweise bedingt der Herstellungsprozess einiger hochreinen Stähle, der sogenannten „wash grades", prozessvorbereitend eine gründliche Reinigung der zur Herstellung einzusetzenden Betriebsmittel um Verunreinigungen und/oder Reste vorangegangener Schmelzen bzw. Stähle zu entfernen.Chemical rules take into account, for example, different chemical compositions of the products to be manufactured and the raw materials, auxiliaries and operating materials required for their manufacture, whereby it must be ensured that a second product is a previous first product without major financial and / or technical expenditure, such as cleaning work of the equipment used to manufacture the first product. Accordingly, for example Steel production Always cast or manufacture steels with the required very low carbon content before steels with a higher carbon content, i.e. a sequence of products or steels with increasing carbon content must be taken into account. Furthermore, it must be ensured that successive product groups of the specification required by the order can be manufactured at all. For example, the manufacturing process of some high-purity steels, the so-called “wash grades”, requires a thorough preparation of the equipment to be used in the preparation in order to remove impurities and / or residues from previous melts or steels.
Physikalische Regeln berücksichtigen hierbei insbesondere einzuhaltende physikalische Größen den Herstellungsprozess betreffend, wie beispielsweise Temperatur, Druck sowie allgemein einzuhaltende Spezifikationen und Einstellungen der verschiedenen eingesetzten Betriebsmittel.Take physical rules into account here physical quantities to be observed in particular the manufacturing process regarding, such as temperature, pressure and general Specifications and settings of the various to be observed used equipment.
In einem zweiten Schritt wird innerhalb einer jeden Produktfamilie anhand wenigstens einer vorselektierten Produktkenngröße, beispielsweise der Qualität und/oder Weite, regelbasiert eine Gruppierung der herzustellenden Produkte in einzelne Produktgruppen durchgeführt.The second step is inside of each product family based on at least one pre-selected Product characteristic, for example of quality and / or width, rule-based grouping of those to be produced Products carried out in individual product groups.
In einem dritten Schritt wird für jede Produktgruppe kenngrößenabhängig und regelbasiert eine Kompatibilitätsmatrix bestimmt und darauf aufbauend ein mathematisches Modell erstellt. Die Kompatibilitätsmatrix repräsentiert die dem gemischt-ganzzahligen Optimierungsverfahren zugrunde gelegten komplexen und/oder nicht-linearen Regeln bzw. gibt diese an. Die Matrixelemente können hierbei die Werte 0 oder 1 annehmen. Das Matrixelement Pii' besitzt der Wert 1 wenn Produkt i' nach Produkt i hergestellt werden kann. Ist dies nicht der Fall, so besitzt das Matrixelement Pii den Wert 0. Diese Matrix zusammen mit den zu optimierenden Zielfunktionen, beispielsweise minimale Stillstandszeiten des Anlagenbetriebes oder ein kontinuierlicher Produktionsprozess, eingebettet in den MILP-Ansatz, stellen alle erforderlichen Informationen für die Durchführung einer erfolgreichen Sequenzzierung bereit bzw. erfüllen alle Voraussetzungen für die Durchführung einer erfolgreichen Sequenzzierung.In a third step, a compatibility matrix is determined for each product group based on parameters and based on rules, and a mathematical model based on this is created. The compatibility matrix represents or specifies the complex and / or non-linear rules on which the mixed-integer optimization method is based. The matrix elements can have the values 0 or 1. The matrix element P ii ' has the value 1 if product i' can be produced after product i. If this is not the case, then the matrix element P ii has the value 0. This matrix together with the target functions to be optimized, for example minimum downtimes of the plant operation or a continuous production process, embedded in the MILP approach, provide all the information required to carry out a Successful sequencing ready or meet all the requirements for successful sequencing.
Verfahrensgemäß wird jeweils entweder das Gleichbleiben und/oder Ansteigen bzw. das Zunehmen oder das Gleichbleiben und/oder das Absteigen bzw. Abnehmen von Produktkenngrößen innerhalb der Produktabfolge einer jeden Produktgruppe erlaubt bzw. ermöglicht.According to the procedure, either Staying the same and / or increasing or increasing or staying the same and / or the decrease or decrease of product parameters within allows or enables the product sequence of each product group.
Das mathematische Modell hat hierbei der vorgenannten Flexibilität zu genügen.The mathematical model has here the aforementioned flexibility to suffice.
In einem vierten Schritt schließlich wird durch Anwendung gebräuchlicher MILP-Lösungsmethoden auf die Kompatibilitätsmatrix bzw. das mathematische Modell eine optimierte Sequenzzierung der Produkte innerhalb einer jeden Produktgruppe, der Produktgruppen innerhalb einer jeden Produktfamilie und somit auch der Produkte innerhalb einer Produktfamilie durchgeführt und erreicht.Finally, in a fourth step by using more common MILP-solving methods on the compatibility matrix or the mathematical model an optimized sequencing of the Products within each product group, the product groups within each product family and therefore also the products implemented and achieved within a product family.
Die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt vorzugsweise mittels eines Systems zur optimierten Planung komplexer Produktionsabfolgen in grosstechnischen Anlagenbetrieben, insbesondere der Stahl- und/oder Zellstoff- und/oder Papier- und/oder Chemisch/Pharmazeutischen-Industrie, welches Mittel zur programmtechnischen Anwendung eines, auf Methoden und Algorithmen des Mixed Integer Linear Programming (MILP) aufbauenden, gemischt-ganzzahligen Optimierungsverfahrens aufweist, wobei Mittel vorhanden sind, die dafür eingerichtet sind, unter Berücksichtigung vorbestimmter Regeln und Produktkenngrößen schrittweise eine optimierte Gruppierung und optimierte Sequenzzierung herzustellender Produkte in Produktfamilien und Produktgruppen durchzuführen und eine optimierte Produktabfolge bzw. Produktionsabfolge zu bestimmen.The execution of the method according to the invention is preferably carried out using a system for optimized planning complex production sequences in large-scale plant operations, in particular the steel and / or pulp and / or paper and / or Chemical / pharmaceutical industry, which means for program engineering Application of one, to methods and algorithms of the mixed integer Linear programming (MILP) building, mixed-integer optimization method has, whereby means are available, which are set up under consideration Predefined rules and product parameters are gradually optimized Grouping and optimized sequencing of products to be manufactured in product families and product groups and an optimized product sequence or to determine the production sequence.
Ein Computerprogramm, das die Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist und durch geeignete Hardware ausgeführt wird, insbesondere eine Datenverarbeitungseinrichtung mit Eingabe- und Anzeigevorrichtung sowie gegebenenfalls mit Netzwerk- und/oder Internetanbindung und die gegebenenfalls mit einem Datenspeicher zusammenwirkt, führt zu einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems. Ein Computerprogramm, insbesondere ein auf einen Datenträger gespeichertes Computerprogramm, das die Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist, wird daher ausdrücklich in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung einbezogen.A computer program that has the characteristics of the method according to the invention has and is executed by suitable hardware, in particular a Data processing device with input and display device as well as possibly with network and / or internet connection and which possibly interacts with a data store leads to a preferred embodiment of the system according to the invention. A computer program, in particular one stored on a data carrier Computer program containing the features of the method according to the invention is therefore expressly included in the disclosure content of the present application.
Diese und weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.These and other advantageous embodiments and embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Anhand eines in den beigefügten Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles der Erfindung sollen die Erfindung, vorteilhafte Ausgestaltungen und besondere Vorteile der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.Using one in the attached figures illustrated embodiment the invention, the invention, advantageous embodiments and particular advantages of the invention are explained and described in more detail.
Es zeigen:Show it:
Beim hier beispielhaft zugrunde gelegten Stahlherstellungsprozess werden zwei elektrisch gespeiste Lichtbogenöfen 01 und 02 als Hochöfen eingesetzt, die abwechseln betrieben werden und in denen geschmolzener neuwertiger Stahl mit Alteisen bzw. Schrott kombiniert bzw. versetzt geschmolzen wird. Darüber hinaus wird zur metallurgischen Behandlung der Schmelze eine Argon-Sauerstoff Dekarburierungseinheit D1 zur Reduktion des Kohlenstoffanteils der Schmelze, dem sog. „Frischen", sowie zur Überwachung sowie Regelung der chemischen Zusammensetzung und Temperatur der Schmelze eine Gießpfanne mit metallurgischen Einrichtungen G1, beispielsweise ein sog. „Konverter", eingesetzt. Das abschließende Vergießen des flüssigen Stahls erfolgt mittels moderner Stranggießverfahren in einer Stranggießanlage S1, welche eine gleichbleibende Erstarrung und ein optimales Gefüge der hergestellten Brammen (Stahlrohlinge) und oder Rundstäbe gewährleisten. Ein kontinuierlicher Gießprozess umfasst hierbei in aller Regel zwischen 8–10 Ofenbefüllungen. Wurden diese abgearbeitet, so werden reguläre Wartungsarbeiten und/oder Instandhaltungsmaßnahmen an der Stranggießanlage durchgeführt. Der Wartungszyklus liegt also bei ca. 8–10 abgearbeiteten Ofenbefüllungen bzw. Schmelzen.In the example used here Steel production process will be two electrically powered arc furnaces 01 and 02 as blast furnaces used, which are operated alternately and in which melted New steel combined or scraped with scrap iron or scrap is melted. About that In addition, an argon oxygen is used for the metallurgical treatment of the melt Decarburization unit D1 to reduce the carbon content of the Melt, the so-called "fresh", and for monitoring and regulation of the chemical composition and temperature of the Melt a ladle with metallurgical devices G1, for example a so-called “converter” final Shed of molten steel takes place by means of modern continuous casting processes in a continuous casting plant S1, which is a constant solidification and an optimal structure of the manufactured Ensure slabs (steel blanks) and or round bars. A continuous one casting process usually includes between 8-10 furnace fillings. Once these have been processed, so become regular Maintenance work and / or maintenance measures on the continuous caster carried out. The maintenance cycle is around 8-10 completed furnace fillings or melting.
Bei der Stahlherstellung handelt es sich um einen äußerst zeitkritischen Prozess mit vergleichsweise hohem Energiebedarf, bei welchem Planungsentscheidungen den Ablauf des Stahlherstellungsprozesses betreffend in aller Regel noch manuell, das heißt von einem Experten getroffen werden, was sich insbesondere bei hochkomplexen Prozessabläufen und einer Vielzahl zu berücksichtigender Rahmenbedingungen als schwierig bis nahezu unmöglich erweist.Acting in steel making it is an extremely time critical Process with a comparatively high energy requirement, in which planning decisions As a rule, the sequence of the steel manufacturing process still manual, that is be met by an expert, which is particularly the case with highly complex process flows and a variety of considerations Framework proves to be difficult to almost impossible.
Insbesondere der letzte Verarbeitungsschritt, nämlich das kontinuierliche Gießen der Schmelze in auftragsgemäße Brammen und/oder Rundstähle ist hierbei aufgrund der Vielzahl zu berücksichtigender und zu erfüllender Regeln und/oder Rahmenbedingungen zur Erreichung der geforderten Stahlqualität als der planungstechnisch am schwierigsten zu realisierende Prozess.Especially the last processing step, namely continuous casting the melt into slabs to order and / or round steels is to be considered and fulfilled due to the large number Rules and / or framework conditions to achieve the required steel quality as the most difficult process to implement in terms of planning.
Vorgenannte Regeln umfassen hierbei im Wesentlichen geometrische, chemische und/oder physikalische Regeln und/oder Erfordernisse.The aforementioned rules include essentially geometric, chemical and / or physical rules and / or requirements.
Geometrische Regeln rühren hierbei maßgeblich von Beschränkungen und/oder Rahmenbedingungen betreffend der zur Herstellung eingesetzten Betriebsmittel bzw. der zur Verfügung stehenden Infrastruktur her, so wird insbesondere bei bekannten Verfahren davon ausgegangen, dass der Gießprozess bei der Stahlherstellung nur in der Abfolge abnehmender Weite bzw. Breite der Gießformen und/oder Produkte durchführbar ist.Geometric rules stir here essential of restrictions and / or general conditions regarding the used for the production Equipment or the available existing infrastructure, especially in known Process assumed that the casting process in steel manufacturing only in the order of decreasing width or width of the molds and / or products feasible is.
Chemische Regeln beispielsweise berücksichtigen die zur Herstellung unterschiedlicher Stähle erforderlichen Edukte und/oder Beimischungen, wobei sowohlTake chemical rules into account, for example the starting materials and / or required for the production of different steels Admixtures, both
- – sicherzustellen ist, dass die nächste Schmelze der vorausgegangenen ohne größere Aufwendungen, beispielsweise Reinigungsarbeiten der Gießpfanne, nachfolgen kann, so sollten beispielsweise Produkte bzw. Stähle mit gefordertem sehr niedrigen Kohlenstoffanteil stets vor Produkten mit höherem Kohlenstoffanteil gegossen werden, das heißt eine Abfolge der Produkte bzw. Stähle mit zunehmendem Kohlenstoffanteil ist zu berücksichtigen als auch- ensure is that the next Melt the previous one without major expense, for example Cleaning of the ladle, can follow, for example, products or steels should required very low carbon content always before products with higher Carbon content are cast, that is, a sequence of products or steels with increasing carbon content has to be considered as well
- – sicherzustellen ist, dass einander nachfolgende Produktgruppen der geforderten Spezifikation überhaupt herstellbar sind, beispielsweise bedingen einige hochreinen Stähle und/oder Edelstähle, die sogenannten „wash grades", vor Beginn des Herstellungsprozesses eine gründliche Reinigung der einzusetzenden Betriebsmittel, beispielsweise von Verunreinigungen und Resten vorangegangener Schmelzen bzw. Stähle und/oder Gießvorgänge.- ensure is that successive product groups of the required specification can be manufactured at all are, for example, require some high-purity steels and / or Stainless steels, the so-called "wash degrees ", before the beginning a thorough cleaning of the manufacturing process Operating resources, for example of contaminants and residues from previous ones Melting or steels and / or Casting operations.
Physikalische Regeln betreffen hierbei insbesondere einzuhaltende Temperaturen, beispielsweise der Öfen, der Schmelze und/oder kritische Temperaturen der eingesetzten Betriebsmittel, sowie allgemein einzuhaltende Spezifikationen und Einstellungen der verschiedenen eingesetzten Betriebsmittel. So ist beispielsweise die Dickenänderung gegossener Brammen bzw. Stahlrohlinge („slabs") ein zeitabhängiger Prozess, der, wenn möglich vermieden werden sollte. Auch die eingesetzten Betriebsmittel haben Grenzen, so verträgt die Stranggießanlage, der „caster", lediglich 8 Ofenbefüllungen („heats") bzw. Schmelzchargen, bevor eine umfangreiche Wartung durchgeführt werden muß.Physical rules apply here in particular temperatures to be observed, for example the ovens, the Melt and / or critical temperatures of the equipment used, as well as general specifications and settings to be observed of the various equipment used. For example the change in thickness cast slabs or steel blanks ("slabs") is a time-dependent process that is avoided if possible should be. The equipment used also has limits, so tolerated the continuous caster, the "caster", only 8 oven fillings ("Heats") or melt batches, before extensive maintenance has to be carried out.
Vorgenannte Regeln sind hierbei beispielsweise zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schmelzchargen und den ihnen zugrunde liegenden Produktgruppierungen zu beachten bzw. anzuwenden sowie bei jedem Sequenzwechsel. Innerhalb einer Sequenz, die in der Regel 8 bis 10 Schmelzchargen und/oder Ofenbefüllungen umfasst, ist ein kontinuierlicher, unterbrechungsfreier Gießprozess möglich, Ein Sequenzwechsel jedoch bedingt die Durchführung von Wartungs- und oder Instandhaltungsmaßnahmen, so dass die Produktion bzw. der Stranggießprozess unterbrochen werden muß. Demgemäß sucht man zur Reduktion der Stillstandszeiten des Anlagenbetriebes bzw. der Produktionsausfälle und demgemäß zur Effizienzsteigerung des Anlagenbetriebes bzw. Herstellungsprozesses möglichst lange Gieß-Sequenzen zu erreichen. Jedoch nicht länger als das gebotene Wartungsintervall.The aforementioned rules must be observed or applied, for example, between two consecutive batches of melt and the product groups on which they are based, and for each sequence change. A continuous, uninterrupted casting process is possible within a sequence, which usually comprises 8 to 10 batches of melt and / or furnace fillings. However, a change of sequence requires maintenance and repair work to be carried out, so that the production or continuous casting process must be interrupted , Accordingly, one seeks to achieve the longest possible casting sequences in order to reduce the downtimes of the plant operation or the production failures and accordingly to increase the efficiency of the plant operation or manufacturing process. However, no longer than the required maintenance interval.
Unterbrechungen des kontinuierlichen Gießprozesses treten beispielsweise auf, wenn zur auftragsgemäßen Herstellung verschiedener Produkte, insbesondere Stahlrohlinge beispielsweise unterschiedlicher geometrischer Abmessungen Umbauten der Betriebsmittel, hier der Stranggießanlage erforderlich werden.Interruptions of continuous casting process occur, for example, when different for the orderly production Products, especially steel blanks, for example different Geometric dimensions of the equipment, here the continuous casting plant become necessary.
Um Stillstandszeiten des Anlagenbetriebes, hier der Stranggießanlage, auf ein Minimum zu reduzieren und einen kontinuierlichen Herstellungsprozess über einen möglichst langen Zeitraum möglicht effizient zu gestalten macht eine optimierte Planung der Produktabfolge unumgänglich.At plant downtimes, here the continuous caster, to a minimum and a continuous manufacturing process using one if possible long period possible Efficient design makes optimized planning of the product sequence unavoidable.
Wie in
Vorgenannte Regeln berücksichtigen hierbei im Wesentlichen geometrische, chemische und/oder physikalische Erfordernisse und oder Beschränkungen des Stahlerzeugungsprozesses und/oder der zur Produktherstellung eingesetzten Stranggießanlage.Consider the above rules here essentially geometric, chemical and / or physical Requirements and or restrictions the steelmaking process and / or the product manufacturing process used continuous caster.
In einem zweiten Schritt (
In einem dritten Schritt (
Erfindungsgemäß wird jeweils entweder das Gleichbleiben und/oder Ansteigen bzw. Zunehmen oder das Gleichbleiben und/oder Absteigen bzw. Abnehmen von der Weite innerhalb der Produktabfolge einer jeden Produktgruppe erlaubt.According to the invention, either Staying the same and / or increasing or increasing or staying the same and / or descending or decreasing in width within the product sequence allowed for each product group.
Das mathematische Modell hat hierbei der vorgenannten Flexibilität zu genügen und lässt sich wie folgt angeben:The mathematical model has here the aforementioned flexibility to suffice and lets specify as follows:
Zur Beschreibung der Abhängigkeiten
sind 4 Fälle
C1, C2, C3 und C4 zu unterscheiden:
C1: Pii' = 1, wi ≤ wi',
ti ≤ ti'
C2:
Pii' =
1, wi' ≤ wi, ti ≤ ti'
C3:
Pi'i =
1, wi' ≤ wi, ti' ≤ ti
C4:
Pi'i =
1, wi ≤ wi',
ti' ≤ ti,
wobei w die Weite des jeweiligen
Produktes und t eine die Güte
des jeweiligen Produktes beschreibende Typnummer angibt. Als Regel
ist hierbei zu beachten, dass das Produkt mit der Typnummer 1, also
mit höherer Güte, stets
vor dem Produkt mit Typnummer 2, also mit niedrigerer Güte gegossen
bzw. hergestellt werden muß.
zg sei eine binäre Variable die den Wert 1
annimmt wenn eine Sequenz g benutzt wird, das heißt wenigstens en
Produkt enthalten ist, ansonsten hat sie den Wert 0. Das Ziel besteht
darin die Gesamtanzahl an Sequenzen bzw. Produktgruppen zu minimieren.
Ausgedrückt
durch die nachfolgende Relation R1 G
gibt hierbei eine Abschätzung
der maximal erforderlichen Anzahl von Gruppen an.There are 4 cases C1, C2, C3 and C4 to describe the dependencies:
C1: P ii ' = 1, w i ≤ w i' , t i ≤ t i '
C2: P ii '= 1, w i' ≤ w i , t i ≤ t i '
C3: P i'i = 1, w i ' ≤ w i , t i' ≤ t i
C4: P i'i = 1, w i ≤ w i ' , t i' ≤ t i ,
where w is the width of the respective product and t is a type number describing the quality of the respective product. As a rule, it should be noted that the product with type number 1, i.e. with a higher quality, must always be cast or manufactured before the product with type number 2, i.e. with a lower quality.
z g be a binary variable that takes the value 1 if a sequence g is used, that is, at least one product is contained, otherwise it has the value 0. The goal is to minimize the total number of sequences or product groups. Expressed by the following relation R1 G gives an estimate of the maximum number of groups required.
Die Zuordnung von Produkten i zu Produktgruppen g erfolgt durch die binäre Variable xig. Jedes Produkt i muß hierbei, wie durch Zielfunktion bzw. Relation R2 angegeben, eindeutig genau einer Produktgruppe g zugeordnet werden, wobei eine Obergrenze Mmax, für die maximale Anzahl von Produkten in einer Produktgruppe einzuhalten ist, was durch Relation R3 verdeutlicht wird. Die Variablen für unbenutzte Produktgruppen haben den Wert 0. I beschreibt hierbei die Menge der herzustellenden Produkte. αg ist eine binäre Variable mit dem Wert 1 wenn innerhalb der Produktgruppe bzw. Sequenz g die Produktweite w zunimmt. qig ist eine Variable, die dazu dient einige der angegebenen Zielfunktionen für das letzte Produkt einer Sequenz aufzuweichen bzw. zu entschärfen. Bei einer Produktabfolge innerhalb einer Produktgruppe mit ansteigender Weite (α=1) muß es für alle Produkte, ausgenommen das letzte Produkt der Folge, ein geeignetes nachfolgendes Produkt geben, ausgedrückt durch Relation R4. Zielfunktion bzw. Relation R5 gibt den entsprechenden Fall bei abnehmender Weite (a=0) innerhalb einer Produktabfolge an.The assignment of products i to product groups g is done by the binary variable x ig . Each product i must be clearly assigned to exactly one product group g, as indicated by the objective function or relation R2, with an upper limit M max for the maximum number of products in a product group being observed, which is illustrated by relation R3. The variables for unused product groups have the value 0. I describes the quantity of products to be manufactured. α g is a binary variable with the value 1 if the product width w increases within the product group or sequence g. q ig is a variable that is used to soften or defuse some of the specified target functions for the last product in a sequence. In the case of a product sequence within a product group with increasing width (α = 1), there must be a suitable subsequent product for all products, except the last product in the sequence, expressed by relation R4. Target function or relation R5 indicates the corresponding case with decreasing width (a = 0) within a product sequence.
Entsprechend den beiden vorgenannten Zielfunktionen bzw. Relationen R4 und R5. beschreiben die beiden nachfolgenden Zielfunktionen, R6 für ansteigende Weiten und R7 für abnehmende Weiten innerhalb einer Sequenz, den Fall, dass alle Produkte, ausgenommen das erste Produkt, innerhalb einer Produktabfolge einer Produktgruppe bzw. einer Sequenz ein geeignetes vorausgehendes Produkt aufweisen muß. Die Zielfunktion wird für das erste Produkt einer Sequenz abgeschwächt durch die Variable rig.Corresponding to the two aforementioned objective functions or relations R4 and R5. describe the two following target functions, R6 for increasing widths and R7 for decreasing widths within a sequence, the case that all products, except the first product, must have a suitable preceding product within a product sequence of a product group or a sequence. The target function is weakened for the first product of a sequence by the variable r ig .
Da die Abfolge der Produkte innerhalb einer Produktgruppe nicht direkt kontrolliert werden kann sind zwei weitere Zielfunktionen R8 und R9 erforderlich um Fehler bzw. Unverträglichkeiten auszuschließen: Die Zielfunktion R8 verhindert das Auftreten von Produkten mit größerer Weite und mit kleinerer Typnummer, also hoher Güte, sowie Produkte mit geringerer Weite und mit höherer Typnummer, also geringerer Güte, für ansteigende bzw. zunehmende Weiten innerhalb einer Sequenz bzw. einer Produktabfolge einer Produktgruppe. Die zweite Zielfunktion bzw. Relation R9 beschreibt den entsprechenden Fall für abnehmende Weiten innerhalb einer Sequenz. Es sei hier angemerkt, dass bei Vorsortierung der Produkte in Abhängigkeit der Güte in Indexvergleich ausreichend ist.Because the sequence of products within a product group cannot be controlled directly are two further target functions R8 and R9 required to avoid errors or incompatibilities exclude: The target function R8 prevents the appearance of products with a larger width and with a smaller type number, i.e. high quality, and products with a lower one Wide and with higher Type number, i.e. lower quality, for rising or increasing widths within a sequence or a product sequence a product group. The second objective function or relation R9 describes the corresponding case for decreasing width within a sequence. It should be noted here that when pre-sorting the products depending on the quality in index comparison is sufficient.
Die Relationen R10 und R11 erlauben genau zwei Ausnahmen pro Gruppe, nämlich für das erste und das letzte Produkt einer Sequenz.The relations R10 and R11 allow exactly two exceptions per group, namely for the first and the last Product of a sequence.
Die weiteren Zielfunktionen bzw. Relationen dienen zur weiteren Eingrenzung des Suchraumes bzw. Zur Kompaktierung des Modells. Der "flag" für zunehmende Weiten innerhalb einer Sequenz wird auf 0 gesetzt für nicht-existierende Sequenzen, siehe Relation R12. Die Produktgruppen werden in Abhängigkeit der Anzahl der in ihnen enthaltenen Produkte geordnet, siehe Relation R13. Zusätzlich wird durch Gleichung R14 bewirkt, dass die aktiven Gruppen vorangestellt werden. Die Anzahl der bildbaren Gruppen |G|, wird durch die Vorsortierung erreicht. Es ist üblich, dass einige der dieser Relationen nach der Optimierung redundant erscheinen.The other target functions or Relations serve to further narrow the search space or to Compacting the model. The "flag" for increasing Widths within a sequence are set to 0 for nonexistent ones Sequences, see relation R12. The product groups are dependent ordered by the number of products they contain, see relation R13. additionally is caused by equation R14 to prepend the active groups become. The number of groups that can be formed | G | is determined by the presorting reached. It is usual, that some of these relations are redundant after optimization appear.
Die Ausnahmevariablen für das erste
und letzte Produkt einer Folge sind reelle Variablen im Bereich zwischen
0 und 1.
In einem vierten Schritt schließlich wird durch Anwendung gebräuchlicher MILP-Lösungsmethoden auf die Kompatibilitätsmatrix bzw. das mathematische Modell und Lösung des durch vorgenannte Zielfunktionen angegebenen Modells eine optimierte Sequenzzierung der Produkte innerhalb einer jeden Produktgruppe, der Produktgruppen innerhalb einer jeden Produktfamilie und somit auch der Produkte innerhalb einer Produktfamilie erreicht.Finally, in a fourth step by using more common MILP-solving methods on the compatibility matrix or the mathematical model and solution of the aforementioned Objective functions specified model an optimized sequencing of the products within each product group, the product groups within each product family and therefore also the products achieved within a product family.
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