CC BY
11
Вестник Череповецкого государственного университета. 2022. № 6 (111). С. 42-52. Cherepovets State University Bulletin, 2022, no. 6 (111), pp. 42-52.
Научная статья УДК 669.1+519.677
https://doi.org/10.23859/1994-0637-2022-6-111-3
Метод повышения эффективности планирования
сталеплавильного производства на основе унификации химических составов стали
Александр Геннадьевич Карачунов1 н, Евгений Валентинович Ершов 2, Полина Андреевна Виноградова3, Антон Александрович Иванов4
1,2,3,4 Череповецкий государственный университет,
Череповец, Россия, 1 нagkarachunov@chsu.ru 2evershov@chsu.ru, https://orcid.org/0000-0003-2888-4242
Аннотация. В статье описывается системная модель процесса сталеплавильного производства. Рассматривается процесс унификации химических составов стали, схема оптимального распределения заказов по агрегатам «печь-ковш». Описан метод повышения эффективности планирования сталеплавильного производства на основе унификации химических составов стали.
Ключевые слова: «печь-ковш», химический состав стали, унификация, планирование производства
Благодарность. Статья выполнена из средств субсидии федерального бюджета на разработку программ бакалавриата и программ магистратуры по профилю «искусственный интеллект», а также на повышение квалификации педагогических работников образовательных организаций высшего образования в сфере искусственного интеллекта (соглашение №075-15-2021-1039 от 28.09.2021)
Для цитирования: Карачунов А. Г., Ершов Е. В., Виноградова П. А., Иванов А. А. Метод повышения эффективности планирования сталеплавильного производства на основе унификации химических составов стали // Вестник Череповецкого государственного университета. 2022. № 6 (111). С. 42-52. https://doi.org/10.23859/1994-0637-2022-6-111-3.
® Карачунов А. Г., Ершов Е. В., Виноградова П. А., Иванов А. А., 2022
Method to increase the efficiency of steelmaking production planning based on the standardization of chemical compositions of steel
Alexander G. Karachunov Evgeny V. Ershov 2, Polina A. Vinogradova 3, Anton A. Ivanov 4
1,2,3,4 Cherepovets State University, Cherepovets, Russia, 1 H agkarachunov@chsu.ru 2evershov@chsu.ru, https://orcid.org/0000-0003-2888-4242
Abstract. The article focuses on a system model of the steelmaking process. The authors consider the standardization model of chemical composition of steel, the scheme for optimal distribution of orders for the ladle-furnaces. The method to increase the efficiency of steelmaking production planning based on the standardization of chemical composition of steel is described. Keywords: ladle furnace, chemical composition of steel, standardization, production planning Acknowledgments. The article was funded by the federal budget subsidy for the development of bachelor's and master's programs of "Artificial intelligence"; for the advanced training of lecturers of higher education organizations in the field of artificial intelligence (agreement no. 075-15-2021-1039 dated 28.09.2021).
For citation: Karachunov A. G., Ershov E. V., Vinogradova P. A., Ivanov A. A. Method to increase the efficiency of steelmaking production planning based on the standardization of chemical compositions of steel. Cherepovets State University Bulletin, 2022, no. 6 (111), pp. 42-52 (In Russ.). https://doi.org/10.23859/1994-0637-2022-6-111-3.
Введение
При производстве стали одним из наиболее важных факторов, влияющих на снижение объемов излишков продукции, является оптимальное распределение производственных мощностей. На этапе внепечной обработки стали, в ходе которого производится отдача легирующих материалов, только один агрегат типа «печь-ковш», как правило, принимает свыше 300 тонн полупродукта. При наличии инструмента для унификации химических составов стали, применяемых для производства нескольких заказов, возможно обеспечить выплавку соответствующей им стали в одном «печь-ковше».
В работах авторов1 описана модель увеличения комбинируемости химических составов стали при корректировке содержания химических элементов, используемая при составлении производственного плана на этапе выбора химического состава для выполнения заказа. Данная модель была разработана в рамках концепции бережливого производства (lean manufacturing) и успешно внедрена в производственный процесс Череповецкого металлургического комбината, что позволило достичь повышения серийности разливаемой стали, снижения количества отказов и загрузки
1 Карачунов А. Г., Ершов Е. В. Модель комбинируемости химических составов стали при корректировке содержания химических элементов // Сталь. 2021. № 6. С. 9-12; Karachunov A. G., Ershov E. V. Combinability Model of Chemical Compositions of Steel upon Adjustment of Chemical Element Content. Steel in Translation. 2021. Vol. 51. No. 6. Pр. 382-386.
склада малоликвидной продукцией. Модель основывается на поэтапном изменении диапазонов массовых долей содержания химических элементов выбранного химического состава (в рамках требований стандарта на производство требуемой марки стали), с целью поиска химического состава, позволяющего при наименьших таких изменениях обеспечить наибольшую унификацию (выполнение правил комбинируемо-сти) с другими химическими составами, использующимися в производстве.
Следующим этапом планирования производства, на котором возможно обеспечить снижение излишков, является распределение плавок между ковшами.
Основная часть
В настоящее время на металлургических и других предприятиях используются автоматизированные системы управления производством (MES-системы)1, учитывающие при составлении производственного расписания множество параметров. При использовании подобных систем наибольшую сложность (с методической точки зрения), представляет процесс моделирования, в рамках которого предполагается построение производственно-логистической цепи. Блок моделирования должен быть представлен несколькими оптимизационными моделями, в состав которых должны входить модели управления производственными мощностями предприятий черной металлургии, а также модели оптимизации портфеля заказов по различным критериям, в качестве основного из которых определяется максимум маржинального дохо-да.2 Одной из таких задач является распределение работы агрегатов на этапе оперативного планирования с учетом отдельных технологических особенностей. Это отражает потребность предприятия в разработке дополнительных цифровых моделей и методов оптимизации технологических процессов3.
Для описания основных этапов процесса планирования производства рассмотрим его системную модель (представлена на рис. 1). Заказам на производство стали после их обработки и занесения в автоматизированную систему управления предприятия присваиваются соответствующие идентификаторы. В базу данных записываются объем заказа, марка стали, стандарт на ее производство и соответствующий ему химический состав. Из массива описанных данных формируется план выпуска продукции на период времени, после чего определяется потребность в материалах, рассчитывается загрузка производственных мощностей и составляется производственный план.
1 Носов А. Н., Бугров А. Н. Современные средства и технологии обеспечения анализа и планирования производства // Системный анализ в науке и образовании. 2013. № 2. С. 118-132.
2 Габова Ю. А., Замбржицкая Е. С. Оптимизационное планирование на предприятии черной металлургии с использованием автоматизированных информационных систем // Корпоративная экономика. 2022. № 2 (30). С. 4-13.
3 Колобов А. В., Варфоломеев И. А. Повышение эффективности бизнес-системы предприятия на основе применения цифровых инструментов в металлургии // Сталь. 2020. № 10. С. 69-73; Колобов А. В., Глухов В. В., Варфоломеев И. А. Классификация, группировка и определение условий применения инструментов повышения эффективности бизнес-системы предприятия // Экономика и управление в машиностроении. 2019. № 6. С. 25-30.
База данных химических составов, применяемых
на производстве ' | '
База данных стандартов на производство стали
Нормы расхода
материалов
Заказы на производство стали: марка, объем, физические свойства продукции
Обработка заказов
План выпуска продукции на период
Определение потребностей производства и Ь обеспечение материалами
Емкость Оплата
склада продукции
\ \
Хранение Реализация
t
Характеристики оборудования
S7г//г//г/шг//г//г/т
Планирование загрузки производственных мощностей
Производственный план
Производство стали
Рис. 1. Системная модель планирования сталеплавильного производства
Из системной модели выделим этап работы агрегата «печь-ковш» и добавления к плавке присадок, обеспечивающих соответствующий стандарту на производство той или иной марки стали химический состав для достижения заданных физических свойств.
За одну декаду (оперативный горизонт планирования) Череповецкий металлургический комбинат производит порядка 250 плавок в агрегатах такого типа. Грамотное планирование распределения заказов между ковшами производится с учетом воз-
ISSN 1994-0637 (print)
можности их объединения, это позволяет эффективно снизить излишки производимой продукции.
Для решения такой задачи необходимо разработать метод, в состав которого будут входить две модели:
- увеличения комбинируемости (унификации) химических составов стали;
- оптимального распределения заказов по агрегатам «печь-ковш».
Первая модель, как сказано выше, уже реализована и внедрена в производство, в данной статье рассматривается вторая модель и описание метода.
Для моделирования процесса распределения плавок по агрегатам произведем описание необходимых параметров: V- объем агрегата «печь-ковш»; n - количество заказов; m - количество плавок; С - множество химических составов, используемых на производстве и занесенных в базу данных предприятия; C n с C - выборка химических составов, используемых для текущего планирования; c ' е C - химический состав, соответствующий г-му заказу (ге{1, ..., n}); Sj- удельная стоимость реализации химического состава, соответствующего г-му заказу. Под удельной стоимостью реализации химического состава будем понимать сумму произведения максимальных границ массовых долей содержания химических элементов ютж и удельных
стоимостей sE химических элементов E, то есть st = Vют„ • Sm; vt - объем i-го заказа;
' г ^^^ min > г >
Vk - объем полезной загрузки агрегата для k-й плавки (k е{1, ..., m}); vk = V - Vk - объем излишков для k-й плавки.
Заказы, для которых определен один химический состав, можно объединить.
Будем считать, что п - количество заказов после выполнения такой процедуры. Отметим, что для заказов, имеющих параметры > V, необходимо решить задачу распределения только объема, превышающего кратное количество объемов агрегата. Оставшиеся объемы, кратные объему агрегата, непосредственно включаются в производственный план:
Будем полагать, что для некоторых различных заказов установлены химические составы, комбинируемые между собой:
где _Дсь с2) е {0, 1}- функция проверки химических составов на комбинируемость.
Для каждого химического состава можно построить множество комбинируемых с ним и используемых в текущем планировании:
('Vvi> Vj |с/ = cj>i * J)(Vi = Vi + Vj,{vi > •••>Vn}{vj}) •
(1)
(2)
(3)
L = {c е С" : f (о, Oj ) = 1, о e Сn} \ {с,.} [/, j e{1,...,n},
Исходя из установленных правил проверки на комбинируемость,
f ( 1С II
3 c1, c2, c3 3С II
V f (c2, С ) = 0 J
(4)
т. е. для каждого химического состава с, возможно построение 2 1 комбинаций с другими химическими составами.
Для поиска оптимального решения необходимо применить модель увеличения комбинируемости химических составов М(С). В результате для каждого с' получим а, модифицированных химических составов су, обладающих лучшим свойством комбинируемости и обеспечивающих производство заказанных марок стали:
м(сca ={c|jе{о,...,a}, a ^0 a еz}, cn сca.
(5)
По правилу (3) построим для сформированных химических составов су множества комбинируемых с ними с'-1. Всего для п заказов максимально получим
п а, 1С1 ,
^ ^ 2 ' различных вариантов составления объединенных заказов в плавки, из
которых необходимо построить оптимальный план.
В целях проверки химических составов всех отбираемых в плавку заказов на комбинируемость между собой определим их в множество С' и зададим функцию ЯС):
(у[ с,., с, ]е С'|/(с,, с, ) = 1). Формализуем оптимизационную задачу:
К (Х11"-" Х1п ) = ^11^1 + ••• + Х1пУп < V
Г2 (х21,_,х2п) = х2м + ...+ х2пУп < V
Vm (*m1,^^^, Xmn ) = Xm1V1 + ••• + XmnVn ^ V
F ( C ') = 1
(6)
Xje{0,1}.
Необходимо найти такие значения ху, при которых распределение заказов между плавками в агрегатах «печь-ковш» будет оптимальным, при этом будет учитываться возможность комбинирования химических составов.
Критерием оптимальности распределения будет являться минимальный объем излишков продукции, получаемых в результате плавки, с учетом ее минимальной удельной стоимости. Целевая функция имеет вид:
S (c, v, s,V) =
£ vk ^ min
k=1 m _
£sk ^ min.
k=1
(7)
Результат работы построенной модели - схема процесса оптимального распределения заказов по плавкам в агрегате «печь-ковш» с учетом возможности их объединения на основе комбинируемости химических составов.
Метод повышения эффективности планирования сталеплавильного производства на основе унификации химических составов стали использует вышеописанные модели и заключается в последовательном выполнении нижеперечисленных этапов (функциональная схема метода представлена на рис. 2).
1. Составление перечня заказов, занесение в базу данных соответствующих каждому заказу марки стали, стандарта на ее производство, химического состава, объема производства. Определение данных для расчета удельной стоимости реализации для химических составов.
2. Объединение заказов, для которых выбран одинаковый химический состав (1).
3. Проверка химических составов, соответствующих заказам на производство, на комбинируемость между собой, получение сочетаний комбинируемых химических составов и соответствующим им заказов (4). В случае, если химические составы для всех заказов могут быть скомбинированы между собой, составляется производственный план.
4. Выборка заказов, объем производства которых превышает объем агрегата «печь-ковш» (2). Разделение общего количества на перечень заказов, кратных объему агрегата «печь-ковш» и оставшегося объема. Включение заказов, кратных объему агрегата «печь-ковш», в производственный план. Получение нового перечня, имеющего в составе только заказы, объемом меньше агрегата «печь-ковш».
5. Применение модели увеличения комбинируемости химических составов стали для химических составов, соответствующим заказам (5). Получение множества новых химических составов, обеспечивающих производство заказанных марок стали.
6. Повторение операции (4), описанной для второго этапа, для вновь сформированных химических составов. Получение сочетаний комбинируемых вновь сформированных и исходных химических составов и соответствующим им заказов.
7. Выборка химических составов, не комбинируемых с другими, используемыми в текущем планировании. Включение заказов, которым соответствуют такие химические составы, в производственный план в объеме агрегата «печь-ковш». Химический состав при этом выбирается исходя из критерия оптимальности минимальной удельной стоимости реализации данного состава.
8. Применение модели оптимального распределения заказов по агрегатам «печь-ковш» (6). Выборка оптимального перечня сочетаний химических составов, критери-
ем для которого будет минимальное количество произведенной продукции, не спланированной к реализации (7).
Определение химического состава для каждого заказа
Заказы на производство стали: марка, объем, физические свойства продукции
V}, С}
V2, С2
Объединение заказов, для которых выбран одинаковый химический состав, в один заказ
Выборка заказов, объем которых превышает параметры агрегата печь-ковш
V}, С}
V2, С2
Проверка химических составов, соответствующих заказам, на комбинируемое^ между собой
Распределение выбранных заказов в производственный план (в объёме агрегата ковш-печь)
Заказы после объединения имеющих один химический состав
Г Л
Модель увеличения комбинируемости химических составов стали
Производные химические составы, полученные в результате Химические работы модели
составы, соответствующе заказам
С2 С2
Сп1
Сп Сп2
Применение модели
увеличения комбинируемости химических составов стали для сформированных заказов, получение новых химических составов
V}, С} V С2
p < к
Заказы, объемом меньше агрегата
Выделение остатков, не кратных объему
агрегата, в виде отдельных заказов
Модель оптимального распределения заказов по агрегатам ковш-печь
Получение комбинаций
унифицируемых химических составов, выборка оптимальных комбинаций
Распределение объединенных заказов в производственный план в объеме агрегата печь-ковш с условием минимального остатка
Выборка заказов, имеющих химические
составы, не комбинируемые с другими
Распределение выбранных заказов в производственный план в объеме агрегата печь-ковш
Итоговый производственный план
Рис. 2. Функциональная схема метода повышения эффективности планирования сталеплавильного производства на основе унификации химических составов стали
С
к <
n
^к. С
p -p
ISSN 1994-0637 (print)
9. Включение полученных сочетаний в производственный план.
Ниже приведен пример применения вышеописанного метода (см. таблицу).
Таблица
Результаты работы метода повышения эффективности планирования сталеплавильного производства на основе унификации химических составов стали для агрегата «печь-ковш» объемом 360 т
Номер заказа Объем заказа, т Химический состав Химические составы после применения модели Перечень комбинируемых химических составов Номер плавки Заказы, распределенные в плавку Выбранные химические составы Объем полезной загрузки агрегата, т Объем излишков, т
i Щ Q си CtJ k i СЧ К Vk
1 400 C1 Cll C12 C13 С1 = {C3} С11 = {C1 C3 C6} С12 = {C1 C3 C6} С13 = {C1 C3 C7} 1 1 C1 360 -
2 250 C2 - - 2 2 C2 250 110
3 80 C3 C31 С3 = {C1(1-3) C5} С31 = {c1 C3 C5 C61} 3 4 C4 140 220
4 140 C4 - - 4 1, 8 C13 220 140
5 65 C5 - С5 = {C3 C31 C61} 5 6 C6 310 50
6 310 C6 C61 С6 = {cn cn} С61 = {C5 C6 C31} 6 3, 5, 7 C31 205 155
7 60 C3 C31 С3 = {C1(1-3) C5} С31 = {C1 C3 C5 C61} Итого: 1485 675
8 180 C7 - С7 = {C13}
Выводы
Результаты планирования, полученные с помощью описанного в статье метода, могут быть применены для оценки затрат на производство стали в рамках оперативного планирования, а также для поддержки принятия решения о включении того или иного заказа в производственный план (в случае малой серии). Изменение параметров (например, объема агрегата ковш-печь, количества обрабатываемых заказов и соответствующих им марок стали, перечня используемых на предприятии химических составов стали) позволяет настроить метод для конкретного производства. Следует отметить, что основные элементы описанного в данной статье метода повышения эффективности планирования можно применять не только в области сталеплавильного, но и для иного типа производства, в котором объекты могут быть выражены в виде представленного набора данных. В качестве дальнейших исследований планируется разработка алгоритмического обеспечения метода, а также его программная реализация.
Список источников
Габова Ю. А., Замбржицкая Е. С. Оптимизационное планирование на предприятии черной металлургии с использованием автоматизированных информационных систем // Корпоративная экономика. 2022. № 2 (30). С. 4-13.
Карачунов А. Г., Ершов Е. В. Модель комбинируемости химических составов стали при корректировке содержания химических элементов // Сталь. 2021. № 6. С. 9-12.
Колобов А. В., Варфоломеев И. А. Повышение эффективности бизнес-системы предприятия на основе применения цифровых инструментов в металлургии // Сталь. 2020. № 10. С. 69-73.
Колобов А. В., Глухов В. В., Варфоломеев И. А. Классификация, группировка и определение условий применения инструментов повышения эффективности бизнес-системы предприятия // Экономика и управление в машиностроении. 2019. № 6. С. 25-30.
Носов А. Н., Бугров А. Н. Современные средства и технологии обеспечения анализа и планирования производства // Системный анализ в науке и образовании. 2013. № 2. С. 118-132.
Karachunov A. G., Ershov E. V. Combinability Model of Chemical Compositions of Steel upon Adjustment of Chemical Element Content. Steel in Translation. 2021. Vol. 51. No. 6. P. 382-386.
References
Gabova Iu. A., Zambrzhitskaia E. S. Optimizatsionnoe planirovanie na predpriiatii chernoi metal-lurgii s ispol'zovaniem avtomatizirovannykh informatsionnykh sistem [Optimization planning at a ferrous metallurgy enterprise using automated information systems]. Korporativnaia ekonomika [Corporate Economics], 2022, no. 2 (30), pp. 4-13.
Karachunov A. G., Ershov E. V. Model' kombiniruemosti khimicheskikh sostavov stali pri korrektirovke soderzhaniia khimicheskikh elementov [Combinability model of chemical compositions of steel upon adjustment of chemical element content]. Stal' [Steel], 2021, no. 6, pp. 9-12.
Karachunov A. G., Ershov E. V. Combinability Model of Chemical Compositions of Steel upon Adjustment of Chemical Element Content. Steel in Translation, 2021, vol. 51, no. 6, pp. 382-386.
Kolobov A. V., Glukhov V. V., Varfolomeev I. A. Klassifikatsiia, gruppirovka i opredelenie uslovii primeneniia instrumentov povysheniia effektivnosti biznes-sistemy predpriiatiia [Classification, grouping and definition of tool usage conditions to increase the efficiency of the enterprise business system]. Ekonomika i upravlenie v mashinostroenii [Economics and Management in Engineering], 2019, no. 6, pp. 25-30.
Kolobov A. V., Varfolomeev I. A. Povyshenie effektivnosti biznes-sistemy predpriiatiia na os-nove primeneniia tsifrovykh instrumentov v metallurgii [Increasing the business system efficiency of an enterprise based on the application of digital instruments in metallurgy]. Stal' [Steel], 2020, no. 10, pp. 69-73.
Nosov A. N., Bugrov A. N. Sovremennye sredstva i tekhnologii obespecheniia analiza i plani-rovaniia proizvodstva [Modern tools and technology for providing analysis and production planning]. Sistemnyi analiz v nauke i obrazovanii [System Analysis in Science and Education], 2013, no. 2, pp. 118-132.
Сведения об авторах
Карачунов Александр Геннадьевич - аспирант; agkarachunov@chsu.ru, Череповецкий государственный университет (д. 5, пр-т Луначарского, 162600 г. Череповец, Россия); Alexander G. Karachunov - Postgraduate Student, agkarachunov@chsu.ru, Cherepovets State University (5, pr. Lunacharskogo, 162600 Cherepovets, Russia).
Ершов Евгений Валентинович - доктор технических наук, профессор; https://orcid.org/0000-0003-2888-4242, evershov@chsu.ru, Череповецкий государственный университет (д. 5, пр-т Луначарского, 162600 г. Череповец, Россия); Evgeny V. Ershov - Doctor of Technical Sciences, Professor, https://orcid.org/0000-0003-2888-4242, evershov@chsu.ru, Cherepovets State University (5, pr. Lunacharskogo, 162600 Cherepovets, Russia).
Виноградова Полина Андреевна - студент; Череповецкий государственный университет (д. 5, пр-т Луначарского, 162600 г. Череповец, Россия); Polina A. Vinogradova - Student; Cherepovets State University (5, pr. Lunacharskogo, 162600 Cherepovets, Russia).
Иванов Антон Александрович - студент; Череповецкий государственный университет (д. 5, пр-т Луначарского, 162600 г. Череповец, Россия); Anton A. Ivanov - Student; Cherepovets State University (5, pr. Lunacharskogo, 162600 Cherepovets, Russia).
Заявленный вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests.
Статья поступила в редакцию 12.04.2022; одобрена после рецензирования 07.07.2022; принята к публикации 15.07.2022.
The article was submitted 12.04.2022; Approved after reviewing 07.07.2022; Accepted for publication 15.07.2022.
