Optimisation of product sequences in continuous strip processing lines

Abstract

Thema dieser Arbeit ist ein Softwaretool zur Produktionsplanung in kontinuierlichen Behandlungsanlagen für Stahlband. Integriert in einem Level 2 Automatisierungssystem soll das Tool die Vorausplanung von Produktionssequenzen ermöglichen. Die Bunde zur Endbehandlung in den Anlagen müssen so sortiert werden, dass eine zeit und energieoptimierte Produktion gewährleistet wird. Es wurde ein flexibler, auf verschiedene Anlagen anpassbarer Algorithmus entwickelt. Im Speziellen kann dieser Algorithmus auf Anlagen mit einem integrierten Walzgerüst eingesetzt werden. Walzgerüste haben eigene Anforderungen an die Breiten von aufeinanderfolgenden Bunden. Die Aufgabenstellung lässt sich als kombinatorisches Optimierungsproblem mit mehreren Zielen und mehreren Beschränkungen formulieren. Basierend auf der Annahme, dass es sich um ein NP-vollständiges Problem handelt, liegt der Einsatz von heuristischen Optimierungsmethoden nahe. In einem ersten Schritt wird eine Anfangslösung durch die Verwendung von Konstruktionsheuristiken erstellt. Diese wird nachfolgend durch das Tabu Search Verfahren, eine deterministische Metaheuristik, auf Basis des formulierten Minimierungsproblems optimiert. Das Verfahren ist speziell auf die Aufgabenstellung mit einer eigenen Zielfunktion und einer problemorientierten Nachbarschaftsstruktur abgestimmt. Der Algorithmus wurde zur Verifikation und Optimierung in matlab implementiert. In einem nächsten Schritt erfolgte eine objektorientierte Umsetzung in C++ und Einbindung in das Level 2 Automatisierungssystem. Der Algorithmus ist mittlerweile in kürzlich von Andritz AG gebauten Bandbehandlungsanlagen in Verwendung.

The subject of this work is a production planning tool used for continuous processing lines of steel strips. The tool is integrated in a L2 automation system and facilitates the forward planning of production sequences. Coils of finishing lines have to be sequenced to ensure a time- and energy-optimised production. The developed algorithm is adaptable to different production lines and especially to lines featuring an in-line mill. In-line mills have special requirements concerning the width of successive products. The planning task can be formulated as a multi-objective and multi-constraint combinatorial optimisation problem. Based on the assumption that the problem is NP-complete, the use of a heuristic optimisation method is proposed. After using construction heuristics to generate start solutions, a deterministic optimisation method, the meta-heuristics Tabu Search, is used to solve the formulated minimisation problem. The search algorithm is tailored to the specific task in terms of the move function and the objective function. The algorithm was verified and tuned using an implementation in matlab. After these tests an object oriented implementation in C++ and the integration in the L2 automation system was done. The algorithm is already in use on recently built finishing lines by the Andritz AG.