基于Arena仿真技術(shù)在鋼鐵生產(chǎn)流程中的應(yīng)用研究

摘 要：在介紹Arena仿真技術(shù)的同時，將Arena仿真技術(shù)引入到鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程中。通過建立煉鋼工藝仿真模型，分析仿真模型的有效性以及子系統(tǒng)的可靠性。結(jié)果表明改進施工生產(chǎn)能力的因素并不簡單，涉及到的因素較多?；贏rena的施工管理有助于改善生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)率。

關(guān)鍵詞：Arena 仿真技術(shù) 鋼鐵工業(yè) 生產(chǎn)流程

中圖分類號：TG21 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（c）-0100-02

現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)工序多，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，兼有離散和連續(xù)過程工業(yè)的特點，是典型的復(fù)雜的工程系統(tǒng)。鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)流程的科學(xué)運作和管理是實現(xiàn)快捷、多批量、低成本的市場競爭目標(biāo)的重要手段。在實踐中，對于一個新上項目或技改項目的設(shè)計，是否能確保該項目有效達產(chǎn)，是否能發(fā)現(xiàn)制約生產(chǎn)能力的瓶頸所在，局部的技術(shù)改造會對原有生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生什么樣的影響，是工藝流程設(shè)計者和管理者非常關(guān)注的問題。借助有效的仿真軟件，通過工藝流程建模，科學(xué)分析模型輸出結(jié)果，將為流程的設(shè)計和管理提供有利的決策工具。

本文重點介紹了Arena仿真技術(shù)的基本特點及其在鋼鐵企業(yè)中的應(yīng)用案例，說明該技術(shù)可以有效地應(yīng)用到鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)流程設(shè)計中，并且有助于管理者的科學(xué)決策。

1 Arena仿真技術(shù)

Arena是基于SIMAN/CINEMA發(fā)展起來的，特色功能在于能夠很好地解決計算機仿真與可視化技術(shù)的有機集成，兼?zhèn)涓呒壏抡嫫鳎⊿imulators）易用性和專用仿真語言靈活性（Flexibility）的特點，并且還可以與通用編程語言（如Visual Basic、FORTRAN和C/C++等）編寫的程序鏈接運行[1]。Arena與其他仿真軟件一樣遵循系統(tǒng)仿真的基本邏輯概念和結(jié)構(gòu)。通常，仿真是通過對代表某真實系統(tǒng)的模型進行試驗來了解此系統(tǒng)的方法[2]。通過仿真可以解決“What if”一類的決策問題。仿真過程就是通過分析可控輸入量和概率輸入量的值如何影響或改變仿真模型的輸出量，并就可控輸入量提出決策建議，而這些可控輸入量將會為真正的系統(tǒng)帶來所期望的輸出量。這里，仿真模型包括了數(shù)學(xué)表達式和邏輯表達式兩種。其中，前者用于定量分析，更具研究價值。

Arena的仿真研究通用建模步驟[3]包括：（1）用公式表示概念問題和分析。（2）數(shù)據(jù)和信息采集。（3）模型建立。（4）查證和確認(rèn)。（5）試驗設(shè)計。（6）進行試驗和結(jié)果分析；（7）試驗設(shè)計描述。（8）最終結(jié)果分析和程序文件。

Arena系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，具有模塊化、層次性的特點。Arena的層次從下向上，建模水平則由低到高。最低層是編程語言工具（如VB、FORTRAN或C/C++等），常用來滿足復(fù)雜的決策規(guī)則或外部數(shù)據(jù)的選取等特別建模需求?！俺Ｓ妹姘濉笔欠抡娼＿^程中一些最常用的通用模塊，它與“支持與運送面板”一起組成了Arena模板。SIMAN模板、Arena模板則與用戶過程語言（如VB、FORTRAN或C/C++等）編寫程序一起構(gòu)成了Arena的標(biāo)準(zhǔn)版本[4]。最高層“應(yīng)用用戶生成模板”與垂直方案ASTS模板以及Arena的標(biāo)準(zhǔn)版共同組成了Arena專業(yè)版本。

2 Arena在鋼鐵廠生產(chǎn)優(yōu)化中的應(yīng)用

鋼鐵公司需要一種決策支持工具來評估其主要工藝流程，此前主要使用工作表模型和小型仿真工具進行煉鋼工藝分析?，F(xiàn)在大部分鋼鐵公司使用羅克韋爾Arena軟件實現(xiàn)工藝過程的建模和仿真，通過分析仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的瓶頸，并預(yù)測到工藝流程的變化對整個生產(chǎn)系統(tǒng)的具體影響。此外，煉鋼廠使用該模型驗證當(dāng)前的工藝過程是否能夠達到年生產(chǎn)目標(biāo)，并分析子系統(tǒng)可靠性。

煉鋼廠的工藝過程主要包括：煉鐵脫硫、復(fù)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼、爐外精煉、真空脫氣和連鑄。

2.1 仿真建模

本文使用Arena仿真工具開發(fā)了煉鋼工藝仿真模型，并實現(xiàn)與Excel工作表間的連接，完成仿真模型的系統(tǒng)輸入和輸出，從而便于工程師評估仿真事件。仿真建模的具體過程包括：（1）收集具體、準(zhǔn)確的工藝過程描述，生成功能說明書和工藝流圖。（2）創(chuàng)建仿真模型。（3）確定模型輸入?yún)?shù)。（4）記錄模型輸出結(jié)果。（5）使用生產(chǎn)數(shù)據(jù)驗證仿真模型。

仿真建模的第一步是記錄所有施工過程中的關(guān)鍵過程，定義相關(guān)系統(tǒng)過程和模型所需的細(xì)節(jié)等級，為下一步的系統(tǒng)評估奠定基礎(chǔ)。例如，本文以前不久參加的某煉鋼項目施工過程，在其中定義了87個需要建模的工藝過程/活動，并完成仿真模型和工藝過程的完整的功能說明書，根據(jù)功能說明書生成的過程流圖示例如圖2所示。

2.2 創(chuàng)建仿真模型

根據(jù)工藝流圖和功能說明書開發(fā)仿真模型，該模型由4個功能模塊組成：煉鐵和除硫、煉鋼、真空脫氣、連鑄和鋼包維修。仿真模型使用表單作為系統(tǒng)輸入，并創(chuàng)建了Microsoft Excel和Arena間的接口，實現(xiàn)Excel和Arena間運行時數(shù)據(jù)傳遞。仿真邏輯建立后，還可為仿真模型增加動畫效果，演示鋼水或鋼坯的運動情況。模型建好后，煉鋼廠工程師可以收集歸檔過程和系統(tǒng)資源所需的所有處理時間、決策概率以及故障參數(shù)，然后進行數(shù)據(jù)分析，并建立分布函數(shù)來描述處理延時和資源故障的隨機過程。

3 模型驗證與分析

為驗證本文仿真模型的有效性，現(xiàn)使用某煉鋼廠施工的生產(chǎn)數(shù)據(jù)來檢驗該模型的運行情況。將仿真模型結(jié)果和實際澆鑄周期、連鑄生產(chǎn)數(shù)據(jù)相比較，仿真結(jié)果基本符合實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

開發(fā)該仿真模型的主要目的在于：（1）驗證子流程增量式變化是否會明顯影響生產(chǎn)能力。（2）發(fā)現(xiàn)制約生產(chǎn)輸出的主要因素。為此，仿真工作分兩組開展，第一組模擬各種子流程可能發(fā)生的變化并根據(jù)輸出結(jié)果驗證哪種變化影響最大，盡管該模型有100多個用戶輸入?yún)?shù)，但是僅有約20個參數(shù)可能對改進工藝過程有效，對這20個參數(shù)設(shè)計仿真試驗，評估關(guān)鍵輸入對模型輸出的影響，通常，最初的試驗設(shè)計僅能發(fā)現(xiàn)明顯的影響因素，模型運行次數(shù)有限。對于一些技改項目，為確定某一車間流程的變化是否能增加生產(chǎn)能力或某些設(shè)備投資是否必需，Arena仿真模擬了同一子流程變化對新的工藝設(shè)計的影響，模型的輸入應(yīng)能反映出新方案涉及到的業(yè)務(wù)規(guī)則，模型的測試結(jié)果將用于幫助決定哪種工藝設(shè)計方案最有效。

4 結(jié)論

經(jīng)過測試結(jié)果表明，對于一個運行良好的施工流程，使用工作表來發(fā)現(xiàn)改進因素的做法往往不夠精確，并可能過分夸大潛在結(jié)果。而使用本文設(shè)計的Arena進行施工過程動態(tài)管理與工期優(yōu)化建模，為工程管理與跟進提供了更切合實際的視圖。模型結(jié)果表明，改進施工生產(chǎn)能力的因素并不簡單，涉及到的因素較多。模型的使用有助于提高施工流程了解能力，包括生產(chǎn)施工過程、子流程間關(guān)系、流程改進的依賴條件?；贏rena的施工管理有助于改善生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)率。

參考文獻

[1]張濤，孫林巖.供應(yīng)鏈不確定性管理：技術(shù)與策略[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2]Anderson David R， SweeneyDennis J，W illiamsThomas A.數(shù)據(jù)、模型與決策（tenth Edition）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[3]Jack P C Kleijnen.Supply chain simulation tools and techniques：a survey[J].International Journal of Simulation and ProcessModeling，2004，1（1-2）：82-89.

[4]孫寶鳳，李星，李建華，等.Arena和System Dynamics在供應(yīng)鏈仿真領(lǐng)域的應(yīng)用[J].吉林大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2006，（5）：829-834.