一种提高钢铁企业罩式炉机组物流设备运行效率的方法和装置

摘要

一种提高钢铁企业罩式炉机组物流设备运行效率的控制方法和装置，主要通过数据采集器1、数据处理器2、控制方案生成器3、生产过程仿真器4，以及控制信息上传器5通过网络(TCP/IP)6来实现。数据处理器用于对采集到的信息进行深层次的分析和处理，并输入传送给控制方案生成器；吊机控制方案生成器包括资源分配方案生成器9和吊机运行方案调整器10两个模块，前者对罩式炉车间有限资源进行分配；后者对资源分配结果的具体执行，并可对资源的分配做进一步调整；生产过程仿真器模拟罩式炉生产车间的运行环境，对罩式炉生产流程及吊机的运作进行动态仿真并通过LED显示器8显示出来；控制信息上传器用来将吊机控制方案生成器产生的控制信息上传到罩式炉车间吊机控制终端7，指导罩式炉车间的生产。

说明书

技术领域

本发明属于冶金信息技术领域，涉及到自动化技术，特别是提供了一种提高钢铁企业罩式炉机组物流设备运行效率的方法和装置，用于控制罩式炉车间物流设备的运行。

背景技术

罩式炉退火是板卷经冷轧工序进行深加工的必要工序，它对于提高钢卷抗拉强度、屈服强度，改善内在机械性能等方面有着十分显著的效果。罩式炉退火短期过程如表1所示，包括装炉、扣内罩、密封、预吹扫、扣加热罩、加热、卸热罩、扣冷却罩、冷却、卸冷却罩、卸内罩、卸卷等十几个步骤。罩式炉车间的主要物流设备是吊机，大部分工序均由吊机协助完成(包括装炉，口内罩，扣加热罩，卸加热罩，卸冷却罩，卸内罩及卸卷)。因此可以将对整个车间生产节奏的控制及资源的分配转化为对吊机运行的控制。在罩式炉退火生产过程中加热和冷却的处理时间较长，而为了节约生产投入，退火车间的加热罩和冷却罩的数量一般均为炉台数量的一半，如果资源分配不合理必然会造成资源的冲突及等待，影响正常的生产节奏，从而导致不必要的能源浪费。由于罩式炉退火生产具有生产周期长、生产节奏慢、生产工序复杂、能量消耗大等特点，使得人工无法得到合理的控制方案，从而出现某些工序的等待时间过长，其所占用的资源的利用率也随之下降的情况，导致整个罩式炉车间能源浪费严重，生产效率不高，实际生产能力达不到设计能力，故罩式炉吊机物流调度成为冷轧生产中的“瓶颈”。

表1罩式炉流程资源信息表

目前，国内罩式炉车间的物流操作还仅停留在人工控制阶段，主要依靠人工经验对物流设备进行分配，不能对全局进行有效的把握，缺少合理性及科学性。好的罩式炉机组物流设备运行效率控制方法不但可以更好的解决罩式炉车间物流资源的冲突，还可以对生产车间起到有效指导作用，提高罩式炉车间的生产效率，并达到节能降耗的目的，对实际生产车间有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高钢铁企业罩式炉机组物流设备运行效率的控制方法，用于控制罩式炉车间的物流设备，实现资源的合理配置。它从罩式炉车间生产设备着手，通过对现场设备信息的实时监控以实现生产信息的实时性；通过对整个生产过程深层次地分析，以实现吊机控制的优化控制及资源的合理分配；通过整体及局部的仿真结构、搭建罩式炉生产环境，以实现系统控制过程的可视化。本发明不仅可以控制罩式炉车间物流设备的运行，还可以有效提高罩式炉车间生产设备的利用率，缩短生产时间，提高生产效率，达到节能降耗的效果。

本发明从罩式炉生产的实际情况出发，经过分析与探索，发现问题可作如下简化：一、在罩式炉生产车间的四个区域上空各配有一个吊机，两个吊机共用一个跨。吊机的操作规范限定了同一跨上两个吊机的活动范围，各吊机操作互不影响，不会发生吊机碰撞，所以可以单独考虑每个吊机的运行情况，不会影响罩式炉退火过程的控制结果，罩式炉退火实际生产中的复杂的多吊机问题便可转化为简单的单吊机问题；二、不同型号的加热罩、冷却罩不可以相互使用，即不同类型的计划可分开考虑，这样减小了问题的规模。

经过简化之后，本发明主要解决的问题可以描述为：给定若干个待退火垛，每个板卷垛要经过若干个退火步骤才能完成退火工序。对于每个板卷垛，退火步骤的顺序是给定的，且不同的退火步骤需要不同的资源；对于各个资源包括板卷的装卸操作是通过吊机完成的；吊机及各个资源是有限的。本发明要做的就是如何控制吊机完成各个退火步骤，从而达到合理分配有限资源，加快生产节奏的目的。该问题可以通过如下数学模型进行描述：

min$Z=\underset{j\in \left\{\mathrm{crane}\right\}}{\Sigma }\underset{k\in K_j}{\Sigma }\mathrm{\alpha Ss}{T}_{\mathrm{jk}}+\underset{l\in L_i}{\Sigma }{\beta }_l\left(\frac{\underset{i\in I}{\Sigma }{\mathrm{ST}}_{\mathrm{il}}}{\underset{i\in I}{\Sigma }{\mathrm{PT}}_{\mathrm{il}}}\right)+\gamma C_{\max }---\left(1\right)$

s.t.

$\underset{j\in J_{\mathrm{il}}}{\Sigma }\underset{k\in K_j}{\Sigma }{x}_{\mathrm{iljk}}=1$$\forall i\in I,l\in L_i---\left(2\right)$

$\underset{i\in I}{\Sigma }\underset{k\in K_j}{\Sigma }{x}_{\mathrm{iljk}}\le 1$$\forall j\in J_{\mathrm{il}},k\in K_j---\left(3\right)$

Te_il-Ts_il＝PT_il$\forall i\in I,\forall l\in L_i---\left(4\right)$

Ts_il-Te_il-1＝ST_il$\forall l\in L_{\mathrm{ij}},\forall i\in I---\left(5\right)$

Ts_il+1-Te_il≥AT_il$\forall i\in I,\forall l\in L_i-\left\{\overline{l_i}\right\}---\left(6\right)$

$\underset{k\in K_j}{\Sigma }{\mathrm{kx}}_{\mathrm{iljk}}\le \Sigma {\mathrm{kx}}_{{\mathrm{il}}^{\prime }\mathrm{jk}}$$\forall i\in I,l,l^{\prime }\in L_{\mathrm{ij}},l<l^{\prime },j\in \left\{\mathrm{crane}\right\}---\left(7\right)$

TSe_jk-TSs_jk＝SsT_jk$\forall j\in \left\{\mathrm{crane}\right\},k\in K_j---\left(8\right)$

Ts_i′l′-Te_il≥-U(2-x_iljk-x_i′l′jk+1)+SU_ll′$\forall i,i^{\prime }\in I,l\in L_{\mathrm{ij}},l^{\prime }\in L_{i^{\prime }j},$(9)

j∈{crane}，k∈K_j-{k_j}

Ts_{i′，l′-1}-Te_i，l+1≥-U(2-x_iljk-x_u′l′jk+1)$\forall i,i^{\prime }\in I,l,l^{\prime }\in \{\mathrm{heating},\mathrm{cooling}\},$

j∈J-{crane}，k∈K_j-{k_j}       (10)

x_iljk∈{0，1}$\forall i\in I,l\in L_i,j\in J_{\mathrm{il}},k\in K_j---\left(11\right)$

C_max＝max{Te_il|i∈I，l∈L_i}    (12)

其中，

i＝1，...NB，表示炉台；

1＝1，...，Li，表示炉台i的第1个加工阶段；

j＝1，...，NU(NF+NC+1)，表示包括NF个加热罩，NC个冷却罩和一个吊机在内的资源；

k＝1，...，Kj，表示资源j的工作时间段；

X_iljk＝1，表示在资源j在第k个时间段用于加工第i和炉台的第l个工序；否则为0；

Te_il，表示第i个炉台的第l个工序的结束时间；

Ts_il，表示第i个炉台的第l个工序的开始时间；

PT_il，表示第i个炉台的第l个工序的处理时间；

ST_il，表示第i个炉台的第l个工序的等待时间；

TSs_jk，表示第j个资源第k个工作时间段的开始时间；

TSe_jk，表示第j个资源第k个工作时间段的结束时间；

SsT_jk，表示第j个资源在第k个工作段内的工作时间；

AT_il，表示第i个炉台第l阶段的准备时间；

U，为无限大整数；

SU_ll′，表示工序l和l’之间的准备时间；

RT_jk，表示资源j实际应工作的时间；

α，表示吊机利用率惩罚系数；

β，表示加热罩及冷却罩惩罚系数；

γ，表示最大完成时间惩罚系数；

上述目标函数包括三个部分：(1)吊机利用率惩罚，罩式炉退火过程中共有8个工序需要吊机调度，因此，提高吊机的利用率是必要的；模型中用吊机的载物时间来衡量吊机的利用率；对于一批给定的调度计划，吊机的载物时间越小，利用率也必然越高；(2)加热罩及冷却罩利用率惩罚，罩式炉退火车间内罩式炉资源数量有限是罩式炉生产成为冷轧生产的瓶颈的主要原因；因此，提高加热罩、冷却罩的利用率对于提高罩式炉车间生产能力，节约能源等方面都有很大帮助；(3)最大完成时间惩罚；

约束(2)表示必须给每个炉台的每个阶段分配相应的资源；

约束(3)表示每个资源的每个工作时段最多只能用于处理一个炉台的一个工序；

约束(4)定义了第i个炉台的第l个工序的处理时间；

约束(5)定义了第i个炉台的第l个工序的等待时间；

约束(6)表示第i个炉台的l及l+1工序之间存在被忽略的工序(充气及自然冷却)，此约束中，只有充气及自然冷却时AT_il为非零数；

约束(7)表示吊机的所有操作必须严格按照的罩式炉退火工艺要求的顺序执行；

约束(8)用来定义吊机的总运行时间；

约束(9)表示吊机必须在工序准备好的前提下才能进行下一个操作；

约束(10)表示对于加热和冷确操作来说，不同的炉台应用相同的资源时，资源必须是可利用的，也就是说如果加热罩从炉台1到炉台2，那么就要求在加热罩扣到炉台2之前必须从炉台1上卸下；

约束(11)表示变量的取值范围；

约束(12)对C_max进行了定义；

从功能上讲，本发明是对罩式炉车间下达的待处理钢卷计划的具体执行，通过合理控制吊机的运行，解决罩式炉钢卷垛退火处理从装炉、扣内罩、密封、预吹扫、扣加热罩、加热、卸热罩、扣冷却罩、冷却、卸冷却罩、卸内罩、卸卷这十二个过程的资源分配问题及吊机控制问题，能够有效地提高罩式炉车间吊机、加热罩、冷却罩等有限资源的利用率，解决冷轧厂资源不足的“瓶颈”。具体控制方法如下：

第一步：生产数据采集

当罩式炉钢卷生产计划下达之后，用数据采集器从现场采集钢卷的初始信息(例如，计划交货期、个处理阶段钢卷操作时间、退火曲线等)以及生产现场各资源(炉台、加热罩、冷却罩)的利用情况，并传给数据处理器。

第二步：数据分析

根据生产实际情况，可通过数据处理器对输入信息进行深层次的分析，得到每垛钢卷在各个阶段的处理时间。

第三步：生成吊机控制方案

通过控制方案生成器生成吊机的控制方案，控制方案生成器的工作过程分为两个阶段，第一阶段是在钢卷垛到达生产车间后，根据罩式炉车间资源占用情况，形成合理的资源分配方案；第二阶段是根据资源分配的结果，应用车间内可利用吊机模拟执行第一阶段分配结果，生成吊机控制方案，并应用禁忌搜索策略对控制方案进行改进，若其中产生吊机冲突、时间变更等情况，则对资源的分配做进一步调整，直到得获得满意的结果。

第一阶段控制：初始信息设置好后，资源分配方案生成器中的初始方案集生成模块开始工作，该模块能够随机生成一系列钢卷垛加工顺序。应用方案评价模块模拟在加工顺序下的车间操作流程操作过程，得到对应该加工顺序所对应的资源分配方案集并应用上述提到的目标函数式(1)进行评价。以此加工顺序集及资源分配方案集为基础，应用优化控制模块对资源分配方案进行优化，得到优化后的钢卷加工顺序及资源分配方案。

第二阶段控制：在罩式炉车间生产过程中，有吊机参与的过程有：装炉、扣内罩、扣加热罩、卸加热罩、扣冷却罩、卸冷却罩、卸内罩、卸卷这八道工序。吊机运行方案生成器是根据资源分配方案生产器生成的资源分配结果应用吊机运行模拟模块对吊机运行方案进行模拟，使吊机按照钢卷垛的入炉先后顺序以及资源分配结果的时间顺序对以上这八道工序进行资源分配及释放操作，形成吊机运行方案。然后应用优化控制模块采用禁忌搜索策略对吊机运行方案进行改进，直到得到满意解为止。

第四步：仿真吊机控制结果，并执行控制方案

得到吊机控制运行方案后，生产过程仿真器可以根据(4)控制方案模拟罩式炉车间的实际运行环境。最后通过罩式炉生产车间吊机控制终端执行所得到的控制方案。

本发明第三步中第一控制阶段提到的方案评价模块的模拟资源分配过程如下：

Step1：装炉，如果没有需要完成的装炉操作，转到Step2；否则，查看资源状态存储器中是否有空闲炉台，如果有空闲炉台则控制器根据就近原则分配炉台(即是哪个炉台与要装炉的钢卷垛直线距离最近，则就将哪个炉台分配给预装炉的钢卷垛)；如果没有空闲炉台，则查找资源状态存储器中最早可利用炉台，并将该炉台分配给预装炉钢卷垛，记录预装炉时间；在退火过程中设置炉台状态为被占用，记入资源状态存储器，装炉操作完成；由于罩式炉车间每个炉台均配有一个内罩，因此内罩可在装炉后立即进行，控制器中只需加上扣内罩时间即可；同理，密封、预吹扫、加热、冷却这四个过程均不涉及资源的利用，只需加上处理时间。

Step2：扣加热罩，如果没有需要完成的扣加热罩操作，转到Step3；否则，查看资源状态存储器中是否有空闲加热罩，如果有空闲加热罩则控制器会根据就近原则扣罩；如果没有空闲加热罩，则查找资源状态存储器中最早可利用加热罩，并将该加热罩分配给待处理钢卷垛，记录扣加热罩时间。在加热时间内，设置加热罩状态为被占用，记入资源状态存储器中，扣加热罩操作完成。

Step3：卸加热罩、扣冷却罩，如果没有需要完成的操作，转到Step4；否则，根据工艺要求，当钢卷垛达到加热结束条件，钢卷垛在自然状态下冷却要控制在12分钟以内，因此卸加热罩的前提条件是在规定时间内有空闲冷却罩存在。因此，当时间温度满足，可卸下加热罩时，首先需要查看资源状态存储器中是否有空闲冷却罩，如果有空闲冷却罩则控制器会根据就近原则获得冷却罩，然后卸下加热罩，并在规定时间内扣上冷却罩；如果没有空闲加热罩，则查找资源状态存储器中最早可利用冷却罩，并将该冷却罩分配给待处理钢卷垛；冷却罩释放时间即为加热罩卸罩时间，记录卸加热罩时间及扣冷却罩时间，该加热罩设置为释放，将冷却罩状态设置为占用，并将信息记入资源状态存储器中，卸加热罩及扣冷却罩操作完成。

Step4：卸内罩、卸卷，如果没有需要完成当操作，转到Step5；否则，冷却结束后，钢卷垛可进行卸内罩、卸卷操作，此过程在不考虑吊机的情况下将不涉及资源利用的不足，将卸内罩及卸卷时间保存到资源状态存储器中，设置内罩、炉台为释放，操作即为结束；

Step5：如果没有尚未处理的操作，结束；否则，转到Step1。

本发明中第三步第一控制阶段所提到的优化控制模块的运算步骤如下：

Step1：从初始加工顺序集中选出若干个序列分别建立参考集Refset1和Refset2。其中Refset1包括质量好(目标函数值小)的序列，Refset2包括分散性好的序列；设参考集更新标志NS＝0。

Step2：把Refset1中的序列与Refset2中的序列进行组合得到子集集合NewSubsets。

Step3：从子集集合NewSubsets中选择子集Lsubset，将子集中的序列进行组合，产生新的加工序列，对新序列应用上述提到的方案评价模块进行模拟得出资源分配方案及目标函数值。

Step4：判断Refset1中任意序列的目标函数值是否都不大于新序列的目标函数值，若是，则更新Refset1，并令NS＝1；否则，判断是否Refset2中任意序列的分散性都好于新序列的分散性，若是则更新Refset2，并令NS＝1。

Step5：将Lsubset从子集集合中删除，如果子集集合不为空，则重复步骤3-7，否则判断是否大于最大迭代次数，如果大于最大迭代次数，则转到Step6；否则，检查参考集更新标志位，如果，NS＝1则重复步骤2-5，否则，转到Step6；

Step6：输出所有序列中目标函数值最小的钢卷垛加工序列。

本发明中第三步第二控制阶段所提到的吊机运行模拟模块在生成吊机运行方案的过程中，主要考虑并解决了如下情况：

1)、任务冲突：当吊机同时接到多个操作指令时，无法进行同时操作，需要按操作的优先级执行，当所有操作结束，调整资源分配方案中各个操作的开始及结束时间。以单吊机两个炉台的情况说明，在炉台1中钢卷垛加热结束时间和炉台2钢卷垛冷却结束时间相同，但由于吊机资源的限制无法对两个炉台同时进行操作，由于卸加热罩扣冷却罩操作的优先级高于卸冷却罩，因此先进行卸加热罩扣冷却罩操作，炉台2钢卷垛处于等待阶段，炉台1操作结束，吊机再对炉台2进行操作，此时炉台2及后续操作时间已经发生变化，需进行调整；

2)、时间扰动：由于工序操作时间的波动以及吊机运行时间的不确定，导致后续工序的开始时间的缩短及延长，此时需重新修改后续操作的开始结束时间；(一)中由于吊机运行途中发生故障需进行检修，运行时间延长，使原计划卸冷却罩的任务延后；(二)中由于冷却操作阶段完成时间比预计提前，使吊机操作提前；这两种情况的产生均会改变生成方案的结果，需要进一步调整；

3)、临时任务调整：当吊机从一个炉台运行到另一个炉台执行操作时，运行途中恰好遇到另一操作需用吊机，此时延后吊机原计划操作执行突遇情况，这样不仅可以节省时间也可以提高吊机的利用率。以单吊机三个炉台情况为例说明，在该图中，当吊机完成炉台1操作，炉台2空闲可进行装炉操作，吊机收到装炉命令，在吊机从炉台1转移到炉台2过程中，恰好炉台3预吹扫操作结束，可以进行扣加热罩操作，并且炉台3在炉台1与炉台2在吊机运动路径之间，此时吊机放弃原操作先对炉台3进行操作，操作结束后再运行到炉台3完成原操作。

本发明第三步第二阶段所提到的禁忌搜索策略改进吊机控制方案的具体步骤如下：

Step1：将当前解作为历史最好解，初始化最大迭代次数T_max，禁忌表长度L；设i＝1；

Step2：如果i＞T_max，如果是则结束算法，否则，转步骤3；

Step3：搜索邻域N1(交换任意两个炉台的钢卷垛)，N2(将一个炉台上的钢卷垛插入到另一个炉台上进行加工)。选出一个最好的可行移动，如果该移动应用后好于最好解，则对当前解应用该移动；否则选出一个不在禁忌表中的最好移动应用于当前解，将所应用的移动储存到禁忌表中，设置i＝i+1。

Step4：如果当前解好于最好解，则转到Step2；否则，搜索邻域N3(交换吊机的任意两个操作)，选出一个最好的可行移动，如果该移动应用后好于最好解，则对当前解应用该移动；否则选出一个不在禁忌表中的最好移动应用于当前解，将所应用的移动储存到禁忌表中。设置i＝i+1，转到Step2。

根据上述方法，本发明提出一套提高钢铁企业罩式炉机组物流设备运行效率的设备。该设备由现场总线6连接的数据采集器1、数据处理器2、控制方案生成器3、生产过程仿真器4，以及控制信息上传器5构成。其中，数据采集器和数据处理器为整个控制系统提供输入信息；控制方案生成器是本发明的核心，它安装有本发明的方法软件，通过它可以缩短待处理钢卷计划的加工时间、提高资源的利用率为控制目标，根据输入信息生成合理的资源分配方案和吊机运行方案；生产过程仿真器将吊机的运行过程可视化，实时模拟吊机的运行情况；控制信息上传器联通了控制器与生产车间，将吊机控制结果上传给吊机控制终端控制吊机的运行。

本发明的提高钢铁企业罩式炉机组物流设备运行效率的装置，其控制方案生成器包括资源分配方案生成器9和吊机运行方案生成器10。

本发明的提高钢铁企业罩式炉机组物流设备运行效率的装置，其资源分配方案生成器包括四个模块：钢卷垛优先级设置模块11、存储模块14、方案评价模块12以及优化控制模块13；存储模块则由如下三部分组成：资源状态存储器15、钢卷垛顺序存储器16以及方案存储器17；其中资源状态存储器可存储炉台状态、加热罩状态以及冷却罩状态，方案存储器可存储钢卷垛退火总时间、钢卷垛入炉顺序以及吊机资源分配方案；方案评价模块用来比较资源分配方案生成器生成方案的优劣；优化控制模块是对所得资源分配方案结果进行局部调整，使所得方案更加符合要求。

本发明的提高钢铁企业罩式炉机组物流设备运行效率的装置，其吊机运行方案生成器包括吊机运行模拟模块18和优化控制模块19。

本发明的优点在于：

1、本发明数据采集及数据处理均是在线操作，能够充分满足实际生产的需要，为后续方案的确定提供了良好的数据支持；

2、两阶段反馈控制方法的应用，可以有效的获得较好的物流分配及吊机运行方案，对指导生产有很重要意义；

3、罩式炉生产过程仿真依据控制器接口传递的生产命令实时进行，可以通过不同的控制命令改变罩式炉生产过程，这对罩式炉生产过程的研究更加有效；

4、本发明不仅是对局部吊机运行进行仿真，还能够动态仿真整个罩式炉车间具体情况，方便从不同视角对整个生产过程进行监控、研究；

5、本发明是对罩式炉车间的生产计划编排的具体执行，可以通过控制吊机的运行来调整罩式炉车间有限资源的分配方案，以达到提高资源利用率，提高生产效率的作用。

附图说明

图1是本发明的装置的部件配置图；

图2是罩式炉退火流程图；

图3是控制方案生成器内核结构；

图4是控制方案生成器工作原理图；

图5是资源状态存储器功能框图；

图6吊机冲突示意图；

图7时间扰动情况示意图；

图8吊机任务转移示意图；

图9罩式炉车间仿真模拟界面示意图；

图10资源分配方案(3个炉台、3个待处理钢卷垛、2个加热罩、1个冷却罩、1台吊机)示意图；

图11交换方案示意图；

图12分散搜索流程图；

图13禁忌搜索流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的内容作进一步的说明与补充。

图2是罩式炉机组运行流程图即罩式炉退火流程图。空炉台从装炉、扣内罩、密封、预吹扫、扣加热罩、加热、卸热罩、扣冷却罩、冷却、卸冷却罩、卸内罩、卸卷这十二个过程的资源分配问题及吊机控制问题，能够有效地提高罩式炉车间吊机、加热罩、冷却罩等有限资源的利用率，解决冷轧厂资源不足的“瓶颈”。具体控制方法如图1所示：

第一步：生产数据采集

当罩式炉钢卷生产计划下达之后，数据采集器1从现场采集钢卷的初始信息(例如，计划交货期、个处理阶段钢卷操作时间、退火曲线等)以及生产现场各资源(炉台、加热罩、冷却罩)的利用情况，并传给数据处理器2；

第二步：数据分析

根据生产实际情况，可通过数据处理器2对输入信息进行深层次的分析，得到每垛钢卷在各个阶段的处理时间。

第三步：生成吊机控制方案

通过控制方案生成器生成吊机的控制方案；控制方案生成器3的工作过程如图3所示，它分为两个阶段，第一阶段是在钢卷垛到达生产车间后，根据罩式炉车间资源占用情况，形成合理的资源分配方案；第二阶段是根据资源分配的结果，应用车间内可利用吊机模拟执行第一阶段分配结果，生成吊机控制方案，并应用禁忌搜索策略对控制方案进行改进，若其中产生吊机冲突、时间变更等情况，则对资源的分配做进一步调整，直到得获得满意的结果；

第一阶段控制：初始信息设置好后，资源分配方案生成器9如图4所示，当其中的初始方案集生成模块11开始工作，该模块能够随机生成一系列钢卷垛加工顺序；应用方案评价模块12模拟在加工顺序下的车间操作流程操作过程，得到对应该加工顺序所对应的资源分配方案集并应用上述提到的目标函数式(1)进行评价；以此加工顺序集及资源分配方案集为基础，应用优化控制模块13对资源分配方案进行优化，得到优化后的钢卷加工顺序及资源分配方案；

第二阶段控制：在罩式炉车间生产过程中，有吊机参与的过程有：装炉、扣内罩、扣加热罩、卸加热罩、扣冷却罩、卸冷却罩、卸内罩、卸卷这八道工序；吊机运行方案生成器10是根据资源分配方案生产器9生成的资源分配结果应用吊机运行模拟模块18对吊机运行方案进行模拟，使吊机按照钢卷垛的入炉先后顺序以及资源分配结果的时间顺序对以上这八道工序进行资源分配及释放操作，形成吊机运行方案。然后应用优化控制模块19采用禁忌搜索策略对吊机运行方案进行改进，直到得到满意解为止；

第四步：仿真吊机控制结果，并执行控制方案

得到吊机控制运行方案后，生产过程仿真器可以根据(4)控制方案模拟罩式炉车间的实际运行环境。最后通过罩式炉生产车间吊机控制终端执行所得到的控制方案。

本发明第三步中第一控制阶段提到的方案评价模块12的模拟资源分配过程时，打开如图5所示的资源状态存贮器，再按如下步骤进行：

Step1：装炉；如果没有需要完成的装炉操作，转到Step2；否则，查看资源状态存储器15中是否有空闲炉台，如果有空闲炉台则控制器根据就近原则分配炉台(即是哪个炉台与要装炉的钢卷垛直线距离最近，则就将哪个炉台分配给预装炉的钢卷垛)；如果没有空闲炉台，则查找资源状态存储器15中最早可利用炉台，并将该炉台分配给预装炉钢卷垛，记录预装炉时间。、；在退火过程中设置炉台状态为被占用，记入资源状态存储器15，装炉操作完成；由于罩式炉车间每个炉台均配有一个内罩，因此内罩可在装炉后立即进行，控制器中只需加上扣内罩时间即可；同理，密封、预吹扫、加热、冷却这四个过程均不涉及资源的利用，只需加上处理时间；

Step2：扣加热罩，如果没有需要完成的扣加热罩操作，转到Step3；否则，查看资源状态存储器(15)中是否有空闲加热罩，如果有空闲加热罩则控制器会根据就近原则扣罩；如果没有空闲加热罩，则查找资源状态存储器(15)中最早可利用加热罩，并将该加热罩分配给待处理钢卷垛，记录扣加热罩时间。该加热罩设置为被占用，记入资源状态存储器(15)中，扣加热罩操作完成。

Step3：卸加热罩；如果没有需要完成的操作，转到Step4；否则，根据工艺要求，当钢卷垛达到加热结束条件，钢卷垛在自然状态下冷却要控制在12分钟以内，因此卸加热罩的前提条件是在规定时间内有空闲冷却罩存在；因此，当时间温度满足，可卸下加热罩时，首先需要查看资源状态存储器15中是否有空闲冷却罩，如果有空闲冷却罩则控制器会根据就近原则获得冷却罩，然后卸下加热罩，并在规定时间内扣上冷却罩；如果没有空闲加热罩，则查找资源状态存储器中15最早可利用冷却罩，并将该冷却罩分配给待处理钢卷垛；冷却罩释放时间即为加热罩卸罩时间，记录卸加热罩时间及扣冷却罩时间，将加热罩状态设置为释放，将冷却罩状态设置为占用，并将信息记入资源状态存储器15中，卸加热罩及扣冷却罩操作完成；

Step4：卸内罩、卸卷，冷却结束后，如果没有需要完成的操作，转到Step5；否则，冷却结束后，钢卷垛可进行卸内罩、卸卷操作，此过程在不考虑吊机的情况下将不涉及资源利用的不足，将卸内罩及卸卷时间保存到资源状态存储器15中，设置内罩、炉台为释放，操作即为结束。

本发明中第三步第一控制阶段所提到的优化控制模块采用如图12所示的分散搜索，其具体的运算步骤如下：

Step1：从初始加工顺序集中选出若干个序列分别建立参考集Refset1和Refset2，其中Refset1包括质量好(目标函数值小)的序列，Refset2包括分散性好的序列，设参考集更新标志NS＝0；

Step2：把Refset1中的序列与Refset2中的序列进行组合得到子集集合NewSubsets；

Step3：从子集集合NewSubsets中选择子集Lsubset，将子集中的序列进行组合，产生新的加工序列，对新序列应用上述提到的方案评价模块进行模拟得出资源分配方案及目标函数值；

Step4：判断Refset1中任意序列的目标函数值是否都不大于新序列的目标函数值，若是，则更新Refset1，并令NS＝1；否则，判断是否Refset2中任意序列的分散性都好于新序列的分散性，若是则更新Refset2，并令NS＝1；

Step5：将Lsubset从子集集合中删除，如果子集集合不为空，则重复步骤3-7，否则判断是否大于最大迭代次数，如果大于最大迭代次数，则转到Step6；否则，检查参考集更新标志位，如果，NS＝1则重复步骤2-5，否则，转到Step6；

Step6：输出所有序列中目标函数值最小的钢卷垛加工序列。

本发明中第三步第二控制阶段所提到的在生成吊机运行方案的过程中，主要考虑并解决了如下情况，它包括吊机任务冲突、操作时间扰动以及临时任务调整等，如图6、7、8所示：

1)、任务冲突：当吊机同时接到多个操作指令时，无法进行同时操作，需要按操作的优先级执行，当所有操作结束，调整资源分配方案中各个操作的开始及结束时间。如图6所示，以单吊机两个炉台的情况说明，在该图中炉台1中钢卷垛加热结束时间和炉台2钢卷垛冷却结束时间相同，但由于吊机资源的限制无法对两个炉台同时进行操作，由于卸加热罩扣冷却罩操作的优先级高于卸冷却罩，因此先进行卸加热罩扣冷却罩操作，炉台2钢卷垛处于等待阶段，炉台1操作结束，吊机再对炉台2进行操作，此时炉台2及后续操作时间已经发生变化，需进行调整；

2)、时间扰动：由于工序操作时间的波动以及吊机运行时间的不确定，导致后续工序的开始时间的缩短及延长，此时需重新修改后续操作的开始结束时间；如图7所示，(一)中由于吊机运行途中发生故障需进行检修，运行时间延长，使原计划卸冷却罩的任务延后；(二)中由于冷却操作阶段完成时间比预计提前，使吊机操作提前；这两种情况的产生均会改变生成方案的结果，需要进一步调整；

3)、临时任务调整：当吊机从一个炉台运行到另一个炉台执行操作时，运行途中恰好遇到另一操作需用吊机，此时延后吊机原计划操作执行突遇情况，这样不仅可以节省时间也可以提高吊机的利用率。如图8所示，以单吊机三个炉台情况为例说明，在该图中，当吊机完成炉台1操作，炉台2空闲可进行装炉操作，吊机收到装炉命令，在吊机从炉台1转移到炉台2过程中，恰好炉台3预吹扫操作结束，可以进行扣加热罩操作，并且炉台3在炉台1与炉台2在吊机运动路径之间，此时吊机放弃原操作先对炉台3进行操作，操作结束后再运行到炉台3完成原操作。

本发明第三步第二阶段所提到的禁忌搜索策略如图13所示，用它作出改进吊机控制方案的具体步骤如下：

Step 1：将当前解作为历史最好解，初始化最大迭代次数T_max，禁忌表长度L，设i＝1；

Step2：如果i＞T_max，如果是则结束算法，否则，转步骤3；

Step3：搜索邻域N1(交换任意两个炉台的钢卷垛)，N2(将一个炉台上的钢卷垛插入到另一个炉台上进行加工)；选出一个最好的可行移动，如果该移动应用后好于最好解，则对当前解应用该移动；否则选出一个不在禁忌表中的最好移动应用于当前解，将所应用的移动储存到禁忌表中，设置i＝i+1。

Step4：如果当前解好于最好解，则转到Step2；否则，搜索邻域N3(交换吊机的任意两个操作)，选出一个最好的可行移动，如果该移动应用后好于最好解，则对当前解应用该移动；否则选出一个不在禁忌表中的最好移动应用于当前解，将所应用的移动储存到禁忌表中。设置i＝i+1，转到Step2。

按照图2所示的连接方式将现场总线6连接的数据采集器1、数据处理器2、控制方案生成器3、生产过程仿真器4，以及控制信息上传器5组合成一体，其中，数据采集器1和数据处理器2为整个控制系统提供输入信息；控制方案生成器3是本发明的核心，它安装有本发明的方法软件，通过它可以缩短待处理钢卷计划的加工时间、提高资源的利用率为控制目标，根据输入信息生成合理的资源分配方案和吊机运行方案；生产过程仿真器4将吊机的运行过程可视化，实时模拟吊机的运行情况；控制信息上传器5联通了控制器与生产车间，将吊机控制结果上传给吊机控制终端7控制吊机的运行。

控制方案生成器包括资源分配方案生成器9和吊机运行方案生成器10。

资源分配方案生成器包括四个模块：钢卷垛优先级设置模块11、存储模块14、方案评价模块12以及优化控制模块13；存储模块则由如下三部分组成：资源状态存储器15、钢卷垛顺序存储器16以及方案存储器17；其中资源状态存储器可存储炉台状态、加热罩状态以及冷却罩状态，方案存储器可存储钢卷垛退火总时间、钢卷垛入炉顺序以及吊机资源分配方案；方案评价模块用来比较资源分配方案生成器生成方案的优劣；优化控制模块是对所得资源分配方案结果进行局部调整，使所得方案更加符合要求。

吊机运行方案生成器包括吊机运行模拟模块18和优化控制模块19。

本发明的提高钢铁企业罩式炉机组物流设备运行效率的运行控制器是在罩式炉车间待处理钢卷垛已知的情况下，根据现场实际信息，生成罩式炉机组物流分配方案及吊机运行方案，并模拟罩式炉车间生产的运行环境，对罩式炉生产流程及吊机运行情况进行控制及仿真，其计算机界面如图9所示。罩式炉退火中，资源初始状态的差别对控制器的控制会产生不同的影响。下面以不同初始状态为例具体说明，其具体实施方式描述如下：

实施例1：初始状态为所有资源均处于空闲状态的情况

图10给出3个待处理钢卷垛、3个炉台、2个加热罩、1个冷却罩、1台吊机的资源分配方案实施例。看过以下实施例的说明后，对于本领域的技术人员来说，推广到任意数量钢卷垛、炉台、加热罩和吊机是不成问题的。

第一步：当待处理钢卷垛信息下达到现场，运行数据采集器1采集实时钢卷垛及罩式炉车间炉台、加热罩、冷却罩、吊机等资源占用情况，并将采集信息传给数据处理器2；

第二步：根据实际生产情况，可根据数据处理器2对输入信息进行深层次的分析，得到每垛钢卷在各个阶段的处理时间，假设得到：1号钢卷加热时间为30小时(图10中小时记为h)、冷却时间为40小时，2号钢卷加热时间为40小时、冷却时间为30小时，3号钢卷加热时间为50小时、冷却时间为50小时；

第三步：通过控制方案生成器生成吊机的控制方案

第一阶段控制：初始信息设置好后，资源分配方案生成器9中的初始方案集生成模块11开始工作，该模块能够随机生成一系列钢卷垛加工顺序。应用方案评价模块12模拟在加工顺序下的车间操作流程操作过程，得到对应该加工顺序所对应的资源分配方案集并应用上述提到的目标函数式(1)进行评价。例如对钢卷垛的加工顺序为{1，2，3}的状态进行模拟：

Step1：装炉；如果没有需要完成的装炉操作，转到Step2；否则，查看资源状态存储器15中是否有空闲炉台，此实施例中所有资源均为空闲，因此将炉台1、2、3分别分配给钢卷垛1、2、3，记录预装炉时间；改炉台设置为被占用，记入资源状态存储器15，装炉操作完成；由于罩式炉车间每个炉台均配有一个内罩，因此内罩可在装炉后立即进行，控制器中只需加上扣内罩时间即可；同理，密封、预吹扫、加热、冷却这四个过程均不涉及资源的利用，只需加上处理时间；

Step2：扣加热罩；如果没有需要完成的操作，转到Step3；否则，查看资源状态存储器15中是否有空闲加热罩，如果有空闲加热罩则控制器会根据就近原则扣罩，此实施例中加热罩1、2均为空闲，因此按就近原则将加热罩1、2分别分配给钢卷垛1、2，对于钢垛3，则等到有加热罩处于空闲状态时进行分配，记录扣加热罩时间；设置加热罩状态，记入资源状态存储器15中，扣加热罩操作完成；

Step3：卸加热罩、扣冷却罩；如果没有需要完成的操作，转到Step4；否则，根据工艺要求，当钢卷垛达到加热结束条件，钢卷垛在自然状态下冷却要控制在12分钟以内，因此卸加热罩的前提条件是在规定时间内有空闲冷却罩存在；因此，当时间、温度满足，可卸下加热罩时，首先需要查看资源状态存储器15中是否有空闲冷却罩，如果有空闲冷却罩则控制器会根据就近原则获得冷却罩，然后卸下加热罩，并在规定时间内扣上冷却罩；如果没有空闲加热罩，则查找资源状态存储器中15最早可利用冷却罩，并将该冷却罩分配给待处理钢卷垛；冷却罩释放时间即为加热罩卸罩时间，记录卸加热罩时间及扣冷却罩时间，该加热罩设置为释放，冷却罩设置为占用，并将信息记入资源状态存储器15)中，卸加热罩及扣冷却罩操作完成。此实施例中，只有一个冷却罩，因此按照加热完成时间的先后，依次分配给钢卷垛1，2，3，同时释放相应的加热罩；

Step4：卸内罩、卸卷；如果没有需要完成的操作，转到Step5；否则，冷却结束后，钢卷垛可进行卸内罩、卸卷操作，此过程在不考虑吊机的情况下将不涉及资源利用的不足，将卸内罩及卸卷时间保存到资源状态存储器15中，设置内罩、炉台为释放，操作即为结束；

Step5：如果没有尚未处理的操作，结束；否则，转到Step1。

然后资源分配操作结束后，通过模型中的目标函数式(1)可得到改分配钢卷序列下的目标函数值。

得到钢卷加工顺序集及资源分配方案集后，应用优化控制模块13对资源分配方案进行优化。

Step1：从初始加工顺序集中选出若干个序列分别建立参考集Refset1和Refset2，其中Refset1包括序列{1，2，3}和序列{1，3，1}，Refset2包括序列{3，2，1}和{2，1，3}，设参考集更新标志NS＝0；

Step2：把Refset1中的序列与Refset2中的序列进行组合得到子集集合NewSubsets：{{{1，2，3}，{3，2，1}}，{{1，2，3}，{1，3，2}}，{{1，2，3}，{2，1，3}}，{{3，2，1}，{1，3，2}}，{{3，2，1}，{2，1，3}}，{{1，3，2}，{2，1，3}}}；

Step3：从子集集合NewSubsets中选择子集Lsubset，将子集中的序列进行组合，产生新的加工序列，对新序列应用上述提到的方案评价模块进行模拟得出资源分配方案及目标函数值；此处以子集{{3，2，1}，{1，3，2}}为例，首先检查序列1的第一个位置与序列2的第一个位置是否相等，如果相等则转移到下一个位置；否则在序列1中寻找与徐丽了2中第一个位置数值相同的位置号n。交换序列1与序列2中的第一个不同位置与第n个位置中的数值，得出两个新序{3，1，2}和{2，3，1}；

Step4：判断Refset1中任意序列的目标函数值是否都不大于新序列的目标函数值，若是，则更新Refset1，并令NS＝1；否则，判断是否Refset2中任意序列的分散性都好于新序列的分散性，若是则更新Refset2，并令NS＝1；

Step5：将Lsubset从子集集合中删除，如果子集集合不为空，则重复步骤3-7，否则判断是否大于最大迭代次数，如果大于最大迭代次数，则转到Step6；否则，检查参考集更新标志位，如果，NS＝1则重复步骤2-5，否则，转到Step6；

Step6：输出所有序列中目标函数值最小的钢卷垛加工序列。

第二控制阶段：在罩式炉车间生产过程中，有吊机参与的过程有：装炉、扣内罩、扣加热罩、卸加热罩、扣冷却罩、卸冷却罩、卸内罩、卸卷这八道工序；吊机运行方案生成器10是根据资源分配方案生产器9生成的资源分配结果对吊机运行方案进行模拟，使吊机按照钢卷垛的入炉先后顺序以及资源分配结果的时间顺序对以上这八道工序进行资源分配及释放操作，形成吊机运行方案，例如对序列{1，2，3}及相应的资源分配方案进行吊机模拟运行：对1号待处理钢卷垛进行装炉扣内罩操作，由于之后的密封吹扫操作无需吊机参与，故吊机离开1号钢卷垛服务2号钢卷垛，对2号钢卷垛进行装炉扣内罩操作，操作结束2号钢卷垛进入密封吹扫阶段，同理吊机开始服务3号钢卷垛，待1号钢卷垛进入扣加热罩操作，需要吊机参与执行，吊机返回处理1号钢卷垛，后续操作过程与此相同，在图10(1)中清晰可见，故此处不再重复说明。当最后一个钢卷垛完成卸卷操作，即得到总的吊机运行方案。

然后应用禁忌搜索策略对吊机运行方案进行改进，直到得到满意解为止：

Step1：将当前解作为历史最好解，初始化最大迭代次数T_max，禁忌表长度L，设i＝1；

Step2：如果i＞T_max，，如果是，则结束算法；否则日，转到Step3；

Step3：搜索邻域N1(交换任意两个炉台的钢卷垛)，N2(将一个炉台上的钢卷垛插入到另一个炉台上进行加工)，选出一个最好的可行移动，如果该移动应用后豪雨最好解，则对当前解应用该移动；否则选出一个不在禁忌表中的最好移动应用于当前解，将所应用的移动贮存到禁忌表中，设置i＝i+1，转到Step2；

Step4：如果当前解好于最好解，则转到Step2；否则搜索邻域N3(交换吊机的任意两个操作i)，选出一个最好可行移动，如果该移动应用后好于最好解，则对当前解应用该移动；否则选出一个不在禁忌表中的最好移动应用于当前解，将所应用的移动贮存到禁忌表中，设置i＝i+1，转到Step2。

第四步：仿真吊机控制结果，并执行控制方案。

实施例2：初始状态为无空闲炉台可用的情况

待处理钢卷进行退火时，由于无空闲炉台可用，装炉阶段出现无空闲炉台可用，此时钢卷需进入等待炉台阶段，为缩短此等待时间，资源分配方案生成器选择最早释放的炉台分配给该钢卷垛，满足钢卷退火的要求。，若同时有多个炉台释放，则遵循就近原则分配，若出现钢卷垛争抢资源情况，则按钢卷垛顺序分配。其具体实施方式与实施例1相同，此处不重复说明。

实施例3：初始状态为无空闲加热罩可用的情况

由于无空闲加热罩可用，钢卷垛进入扣加热罩阶段时，可能会出现无空闲加热罩可用的情况，此时钢卷垛进入等待加热罩阶段，资源分配方案生成器选择最早释放的加热罩分配给该钢卷垛，满足钢卷退火的要求。若同时有多个加热罩释放，则遵循就近原则分配。若出现钢卷垛争抢资源情况，则按钢卷垛顺序分配。其具体实施方式与实施例1相同，此处不重复说明。

实施例4：初始状态为无空闲冷却罩可用的情况

由于无空闲冷却罩可用，钢卷垛进入扣冷却罩阶段时，可能会出现无空闲冷却罩可用的情况，此时钢卷垛进入等待冷却罩阶段。资源分配方案生成器选择最早释放的冷却罩分配给该钢卷垛，满足钢卷退火的要求。若同时有多个冷却罩释放，则遵循就近原则分配。若出现钢卷垛争抢资源情况，则按钢卷垛顺序分配。其具体实施方式与实施例1相同，此处不重复说明。

实施例5：初始状态为多种资源均无空闲可用的情况

待处理钢卷垛开始进行罩式炉退火操作时，会存在多种资源均无空闲可用情况。初始阶段钢卷垛进入等待状态次数会显著增加，带有相应资源释放，等待情况会逐渐好转，进入等待阶段时，资源分配方案生成器选择最早释放的资源分配给该钢卷垛，来满足钢卷退火的要求。若同时有多个相应资源释放，则遵循就近原则分配。若出现钢卷垛争抢资源情况，则按钢卷垛顺序分配。其实具体施方式与实施例1相同，此处不重复说明。