[發明專利]一種連鑄機鋼水澆鑄順序的控制方法

有效

• 申請號: 201110218618.1
• 申請日: 2011-08-01
• 公開（公告）號: CN102266927A
• 公開（公告）日: 2011-12-07
• 發明（設計）人: 唐立新;汪恭書
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: B22D11/18
• 分類號: B22D11/18
• 代理公司: 沈陽東大專利代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

1.一種連鑄機鋼水澆鑄順序的控制方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟1：獲取生產過程工藝數據；

步驟2：建立生產過程的工藝特征和鋼水澆鑄順序聯系的描述方式；

步驟3：以基本工藝約束為依據，制定鋼水澆鑄順序的預控制方案；

步驟4：以描述方式為依據，優化連鑄生產過程各項工藝指標，改進預控制方案，設定鋼水澆鑄順序控制方案；

所述步驟1獲取生成過程工藝數據，包括：從煉鋼連鑄生產車間的三級制造執行系統MES獲取以下數據項，每爐鋼水的爐次號、鋼級、首寬、尾寬、鑄坯厚度、鋼水精煉方式、鋼水重量；從煉鋼連鑄生產車間的二級過程控制系統獲取工藝數據，包括連鑄機數目，連鑄機結晶器厚度范圍，連鑄機結晶器寬度范圍及在線調整規則，中間包壽命和結晶器壽命，鋼級拉速度；

所述步驟2建立生產過程的工藝特征和鋼水澆鑄順序聯系的描述方式，以數學模型描述生產過程工藝特征與鋼水澆鑄順序的聯系，具體包括：

1)將生產數據和工藝數據以及數據間的關聯關系映射為數學模型的參數，其具體過程如下：

1.1)對于任意爐次i，計算其澆鑄時間t_i；

ti=Qi(vowoho+vewehe)ρ,---(1)]]>

其中，Q_i為爐次i的鋼水重量，v_o為奇流澆鑄速度，w_o為奇流結晶器寬度，h_o為奇流結晶器厚度，v_e為偶流澆鑄速度，w_e為偶流結晶器寬度，h_e為偶流結晶器厚度，ρ為鋼水密度取7.6噸/m³；

1.2)對任意兩個需要插鐵板工藝的爐次i和j，計算插鐵板工藝對鋼水澆鑄的影響時間τ_ij：

τij=4-0.8/v‾+4(vi-0.4)2/v‾+4(vj-0.4)2/v‾,---(2)]]>

其中，v_i為爐次i的澆鑄拉速，v_j為爐次j的澆鑄拉速，對任意兩個不需要插鐵板工藝的爐次i和j，τ_ij＝0；

1.3)計算中間包更換過程對鋼水澆鑄的影響時間：

ξij=6-0.8/v‾+4(vi-0.4)2/v‾+4(vj-0.4)2/v‾,---(3)]]>

其中，v_i為換前舊中間包內最后一爐鋼水i的澆鑄拉速，v_j為換后新中間包內第一爐鋼水j的澆鑄拉速，

1.4)對在澆次內的首爐i，計算開澆過程對鋼水澆鑄的影響時間ζ_i；

ζ_i＝(2v_i-0.3-v₀)/v_i+(v_i-v₀)²/(2av_i)＝4v_i-0.06/v_i-1.2，????(4)

1.5)對在澆次內的尾爐j，計算終澆過程對鋼水澆鑄的影響時間υ_j：

υ_j＝1-v₀/v_j+(v_j-v₀)²/(2av_j)＝4v_j+0.24/v_j-2.2?????????????(5)；

1.6)按式(6)建立任意兩個爐次i和j之間的鋼級連澆映射關系α_ij；

1.7)按式(7)建立任意兩個爐次i和j之間的鑄坯寬度在線調節映射關系β_ij；

βij=0,Bj=Ei,k3,-σ2≤Bj-Ei≤σ1andBj≠Ei,∞,Bj-Ei>σ1orBj-Ei<-σ2,---(7)]]>

1.8)按式(8)建立任意一個爐次i和任意一臺連鑄機c之間的澆鑄映射關系d_ic；

2)將連鑄生產過程中鋼水澆鑄順序方案映射為數學模型決策變量，其具體過程如下：

2.1)設定爐次間澆鑄順序的0-1決策變量x_ijbc，當決定爐次i和j都在鑄機c的第b個澆次內，且爐次j緊接著爐次i之后澆鑄時，x_ijbc取1；否則x_ijbc取0；

2.2)設定澆次的開澆爐次0-1決策變量x_0jbc，當決定爐次j為鑄機c的第b個澆次的開澆爐次時，x_0jbc取1；否則x_0jbc取0；

2.3)設定澆次的終澆爐次0-1決策變量x_j0bc，當決定爐次j為鑄機c的第b個澆次的終澆爐次時，x_j0bc取1；否則x_j0bc取0；

2.4)設定中間包更換方案的0-1決策變量z_ilbc，澆鑄完爐次i后決定更換鑄機c上第b個澆次內的第l中間包，z_ilbc取1；否則z_ilbc取0；

2.5)設定澆次更換方案0-1決策變量y_bc，鑄機c上第b個澆次內所有爐次澆鑄完成后，需要更換澆次，y_bc取1；否則，鑄機c上第b個澆次為空澆次不需更換，y_bc取0；

2.6)設定附加變量s_j，e_j，分別表示爐次j的開澆時間和終澆時間，設定附加變量S_bc，E_bc，分別表示鑄機c上第b個澆次的開澆時間和終澆時間；

3)將連鑄生產過程的工藝限制客觀映射為數學模型約束條件，其具體過程如下

3.1)建立連鑄生產過程中控制鋼水澆鑄順序約束條件：

Σc∈CΣb∈BcΣj∈NU{0}/{i}xijbc=1,∀i∈N,---(9)]]>

Σj∈Nx0jbc=Σj∈Nxj0bc≤1,∀c∈C,b∈Bc,---(10)]]>

Σj∈NU{0}/{i}xijbc=Σj∈NU{0}/{i}xjibc,∀i∈N,∀c∈C,b∈Bc,---(11)]]>

其中，N為所有待生產的爐次集合，C為鑄機集合，B_c為某一鑄機c上的預設澆次集合；

3.2)建立連鑄生產過程中更換澆次的約束條件：

Σi∈NΣj∈NU{0}/{i}xijbc≤Mybc,c∈C,b∈Bc,---(12)]]>

y_bc≥y_b+1c，c∈C，b∈B_c/{|B_c|}，?????(13)；

3.3)建立連鑄生產過程中更換中間包的約束條件：

zilbc≤Σj∈NU{0}/{i}xjibc,∀i∈N,c∈C,b∈Bc,l∈Lb,---(14)]]>

Σi∈Nzilbc≥Σi∈Nzi,l+1,bc,∀c∈C,b∈Bc,l∈Lb,---(15)]]>

其中，L_b為澆次b內預設的中間包集合；

3.4)建立連鑄生產過程中與生產設備和工藝相關的約束條件：

-σ2≤Σc∈CΣb∈Bcxijbc(Ei-Bj)≤σ1,∀i≠j∈N,---(16)]]>

Σb∈BcΣj∈NU{0}/{i}dicxijbc≤M,∀i∈N,c∈C,---(17)]]>

Σc∈CΣb∈Bcαijxijbc≤M,∀i≠j∈N,---(18)]]>

ej≥Σc∈CΣb∈Bcx0jbcsj+tj+ζj+(Σc∈CΣb∈Bcx0jbc-1)M,∀i∈N,---(19)]]>

ej≥ei+ti+τij+υj-MΣc∈CΣb∈BcxijbcΣc∈CΣb∈Bcxj0bc,∀i∈N,---(20)]]>

ej≥ei+ti+τij+ξijΣc∈CΣb∈BcΣl∈Lbzilbc-MΣc∈CΣb∈Bcxijbc(1-Σc∈CΣb∈Bcxj0bc),∀i∈N,---(21)]]>

Σi∈Nsizi,l+1,bc-Σi∈Nsizilbc≤Ttudish,∀c∈C,b∈Bc,l∈Lb,---(22)]]>

Σj∈Nejxj0bc-Σj∈Nsjx0jbc≤Tcast,∀c∈C,b∈Bc,---(23)]]>

Sb+1c=Σj∈Nejxj0bc+Tsetup,c∈C,b∈Bc/{|Bc|},---(24)]]>

4)將連鑄生產過程中優化的工藝指標映射為數學模型目標函數，其具體過程如下：

4.1)將鋼水收得率指標映射為式(25)的目標函數，即最小化異鋼級連澆產生的交接板坯和結晶器在線調寬形成的梯形板坯所帶來的鋼水收得率損失：

MinΣc∈CΣb∈BcΣi∈NΣj∈N/{i}|αij=k2αijxijbc+Σc∈CΣb∈BcΣi∈NΣj∈N/{i}βijxijbc;---(25)]]>

4.2)將質量成本指標映射為式(26)的目標函數，即最小化異鋼級連澆產生的交接板坯帶來以優充次成本損失：

MinΣc∈CΣb∈BcΣi∈NΣj∈N/{i}|αij=k1αijxijbc;---(26)]]>

4.3)將中間包使用效率指標映射為式(27)的目標函數，即最小化中間包更換次數：

MinΣc∈CΣb∈BcΣl∈LbΣi∈Nzilbc;---(27)]]>

4.4)將鑄機作業率指標映射為式(28)的目標函數，即最小化澆次更換次數：

MinΣc∈CΣb∈Bcybc;---(28)]]>

4.5)將整個連鑄系統生產效率指標映射為式(29)的目標函數，即最小化完成所有爐次鋼水澆鑄所需的時間：

Min?max_{c∈C，b∈B}(E_bc)；????(29)

所述步驟3以基本工藝約束為依據，制定鋼水澆鑄順序的預控制方案的過程如下：

步驟3.1：組爐批：對所有爐次N按照鋼級、鑄坯寬度和厚度進行分組，使每一組中的爐次具有相同寬度、厚度和鋼級，對于每一組同寬度、厚度和鋼級的爐次N_b，將它們劃分為個爐批；

步驟3.2：爐批組澆：對所有的爐批，按照其對應鋼級的鋼種類別和鑄坯厚度分組多個爐批組，對每組爐批，按照精煉類別，異鋼種連澆規則及調寬規則進行合并，形成一個或多個澆次；

步驟3.3：澆次分配：對所有澆次，按照澆次中所包含爐次的屬性與鑄機屬性之間的對應關系，并考慮鑄機負荷平衡因素，將澆次分配到爐次；

步驟3.4：澆次排程：對每個鑄機上的分配的澆次，枚舉所有可能的序列，選擇其中一個使得精煉生產均衡化的序列為鑄機上的澆次排程；

步驟3.5：確定變量取值：由澆次排程結果獲得所有與順序相關的決策變量的取值，包括x_ijbc，x_0jbc，x_j0bc，y_bc的取值，計算各個爐次、澆次的開澆和終澆時間，即s_j，e_j和S_bc，E_bc，按照邏輯關系獲得變量z_ilbc的取值；

所述步驟4采用禁忌搜索算法或變鄰域搜索算法優化連鑄生產過程各項工藝指標，改進預控制方案，設定鋼水澆鑄順序控制方案；

所述禁忌搜索算法，具體包括如下步驟：

第1步：初始化算法參數，包括最大運行代數MaxIter、最大連續未改進代數UnimproveIter、禁忌表長度TabuListLength、禁忌表T＝φ、歷史最優目標值HisBestObj＝∞、歷史最優排序π^HBST＝φ、初始排序π＝φ、當前迭代次數iter＝0、連續未改進代數unIter＝0、爐次信息；

第2步：通過步驟三中所述的確定鋼水澆鑄順序預控制方案的過程，獲得所有決策變量x_ijbc，x_0jbc，x_j0bc，y_bc，z_ilbc，s_j，e_j，S_bc和E_bc的取值，將變量取值，計算各個目標函數分量的值，并對目標函數分量值進行加權計算，獲得總目標值f(π⁰)，其中π⁰＝(x_ijbc，x_0jbc，x_j0bc，y_bc，z_ilbc，s_j，e_j，S_bc，E_bc)，令HisBestObj＝f(π⁰)，π^HBST＝π⁰；

第3步：根據鄰域搜索策略求出鄰域最優移動以及鄰域最優排列如果則unIter＝0，轉到第5步；否則，unIter＝unIter+1；

第4步：如果unIter＝UnimproveIter，則停止；

第5步：更新禁忌表，將所表征的相關信息v^lbest加入到禁忌表中，如果禁忌表未滿，則依次添加；若禁忌表已滿，禁忌表中最后一個元素解禁，其他的元素依次下移一個位置，然后將新的元素加入到第一個位置；

第6步：iter＝iter+1，如果iter＝MaxIter，則停止；否則轉到第3步。

2.如權利要求1所述的連鑄機鋼水澆鑄順序的控制方法，其特征在于：步驟4中所述的變鄰域搜索算法具體包括如下步驟：

第1步：初始化算法參數，包括算法最大運行代數MaxIter、連續未改進代數UnimproveIter、歷史最優目標值HisBestObj＝∞、歷史最優排序π^HBST＝φ、初始排序π＝φ、當前迭代次數iter＝0、連續未改進代數unIter＝0、爐次的原始信息、確定算法中用到的k種鄰域結構；

第2步：利用啟發式產生初始解，構造初始計劃序列π⁰，計算目標值f(π⁰)，令π＝π⁰，HisBestObj＝f(π⁰)，π^HBST＝π⁰；

第3步：令k＝1，開始算法的迭代過程；

第4步：在π⁰的第k類鄰域中采用kick策略，即隨機選取兩個爐批在第k類鄰域中進行移動得到π′；

第5步：以π′作為在該類鄰域中局部搜索的起點，得到局部最優解π″；

第6步：如果滿足f(π″)＜f(π⁰)，令π⁰＝π″，HisBestObj＝f(π″)，π^HBST＝π⁰，unIter＝0，k保持不變，轉到步驟8；如果f(π″)≥f(π⁰)，k＝k+1，unIter＝unIter+1，轉到第7步；

第7步：如果unIter＞UnimproveIter，算法終止；否則轉到第8步；

第8步：如果iter＞MaxIter，算法終止；否則iter＝iter+1，轉到第4步。