系統(tǒng)工程理論在復雜系統(tǒng)失穩(wěn)中的應用

劉天浩 楊紅偉 任坤

(1:北京首鋼股份有限公司硅鋼事業(yè)部 河北遷安 064400;2:首鋼集團有限公司礦業(yè)公司 河北遷安 064400 )

1 前言

某鋼廠的?；嵯礄C組由于設計規(guī)劃經驗不足，機組上存在著設計缺陷和設計缺項等眾多問題，機組運行時酸系統(tǒng)非常不穩(wěn)定，出現(xiàn)多處高頻故障點，這些故障點嚴重的影響了機組的產能的釋放，因此對該機組進行了系統(tǒng)工程的分析。本文將以機組中高頻故障點多發(fā)區(qū)酸系統(tǒng)為例進行分析。

常化酸洗硅鋼酸洗系統(tǒng)是一個由酸洗系統(tǒng)為主，配備了復雜的輔助系統(tǒng)的一個大系統(tǒng)。硅鋼酸洗可以分解為酸洗小系統(tǒng)、在線脫硅小系統(tǒng)、堿洗小系統(tǒng)之間的整體關系。這些系統(tǒng)之所以被稱為一個系統(tǒng)，是因為這些系統(tǒng)各個組成小系統(tǒng)之間不是零散、單獨存在的，而是小系統(tǒng)之間存在一定的相互關系，通過關系和關系相互聯(lián)結，讓各小系統(tǒng)之間相互影響，構造了一個整體的硅鋼酸洗系統(tǒng)。所以在硅鋼酸洗系統(tǒng)中，不能單獨的看待這三個小系統(tǒng)，硅鋼酸系統(tǒng)也不是由這三個小系統(tǒng)簡單迭加的綜合。

硅鋼酸洗系統(tǒng)具有以下三個顯著特征：一是集合性，由三個小系統(tǒng)組成；二是整體性，即各個小系統(tǒng)不是簡單的迭加，而是相互聯(lián)系和作用，存在著復雜耦合關系的，構成的統(tǒng)一的整體；三是層次性，硅鋼酸洗系統(tǒng)由三個小系統(tǒng)組成，酸洗小系統(tǒng)由三個酸洗工藝槽的子系統(tǒng)組成，在線脫硅由二套在線脫硅小系統(tǒng)組成，并且在線脫硅又由加藥，沉淀和壓濾三個子系統(tǒng)組成，堿洗系統(tǒng)又分為大循環(huán)堿洗和小循環(huán)堿洗子系統(tǒng)，這些小系統(tǒng)和子系統(tǒng)的功能不同，作業(yè)不同自然地位也不同。由于這個復雜的硅鋼酸洗系統(tǒng)中各個小系統(tǒng)存在著復雜的耦合關系，時間滯后和非線性等特性，因此各個小系統(tǒng)直接的關系很難明確，小系統(tǒng)或子系統(tǒng)中任何一個因素的變化,都會使其基本機制發(fā)生變化。因此,常規(guī)的定性分析與定量分析方法不能揭示和把握這種量化關系的變化規(guī)律。本文利用系統(tǒng)工程學理論分析了硅鋼酸洗系統(tǒng)，通過系統(tǒng)的分析梳理出各個子系統(tǒng)之間的工藝邏輯關系，明確各個子系統(tǒng)的相互關系，確定了子系統(tǒng)的工藝功能。而系統(tǒng)分析方法最適合這種有著復雜相關性和層次性的系統(tǒng)的分析(圖1)。

圖1 系統(tǒng)分析的步驟

2 系統(tǒng)工程學

系統(tǒng)論是本世紀40年代的美籍奧地利理論生物學家馮·貝塔朗菲首次提出,后經過很多科學家發(fā)展形成,包括一般系統(tǒng)理論、控制理論、信息論、耗散結構理論、合作理論等，也包括被廣泛應用于科學與工程分析的系統(tǒng)分析技術[1]。

系統(tǒng)分析是一門分析技術，系統(tǒng)分析具有一種獨特的思考問題和處理問題的方法，通常需要采用多種解決方案進行求解。這就是系統(tǒng)分析方法論。系統(tǒng)分析方法論除采用一般系統(tǒng)的數(shù)學描述方法和邏輯推理方法外，還涉及工程技術的規(guī)范和社會科學的藝術等。描述性、邏輯性、規(guī)范性、藝術性這些特點交織在一起，構成了系統(tǒng)分析獨特的思想方法、理論基礎、基本程序和方法步驟。在系統(tǒng)工程方法中，系統(tǒng)分析起著核心的作用，可以從不同的角度來分析系統(tǒng)[2]。通過對不同分析方法的篩選，最終選擇了比較合適的目標—手段分析法和因果分析法來對硅鋼酸洗系統(tǒng)進行分析。

目標—手段分析法，就是將要達到的目標和所需的手段安裝系統(tǒng)展開，一級手段等于二級目標，二級手段等于三級目標，依次類推，便產生了層次分析，相互聯(lián)系又逐漸具體話分層目標系統(tǒng)。，相互聯(lián)系又逐漸具體化的分層目標系統(tǒng)。在分解過程中，要注意分解的分目標與總目標保持一致，分目標的集合一定要保證總目標的實現(xiàn)。分解過程中，分目標直接可能一致，也可能不一致，甚至是矛盾的，這就需要不斷的調整，使之在總體上保持協(xié)調。將總目標分解為若干個階層的分目標，需要有很大的創(chuàng)造行和掌握豐富的科學技術知識與實踐經驗。目標分解反復進行直到認為滿意為止。

因果分析法，它是利用因果分析圖來分析影響系統(tǒng)的因素，并從中找出產生某種結果的主要原因的一種定性分析方法。系統(tǒng)某一行為(結果)的發(fā)生，絕非是一種或兩種原因所造成，而往往是由于多種復雜因素的影響所致。為了分析影響系統(tǒng)的重要因素，找出產生某種結果的主要原因，系統(tǒng)分析人員廣泛使用了一種簡便而有效的定性分析方法——因果分析法。這種方法是在圖上用箭頭表示原因與結果之間的關系，形象簡單，一目了然，特別是在分析的問題越復雜時越能發(fā)揮其長處，因為它把人們頭腦中所想問題的結果與其產出的原因結構圖形化、條理化。許多工程技術人員集體討論一個問題時，這種方法便于把各種不同的意見加以綜合整理，從而使得所有工程技術人員對問題的看法逐漸趨于一致[3]。

3 應用

硅鋼酸洗系統(tǒng)存在的表象問題是：帶鋼出現(xiàn)大量欠酸洗，噴嘴和管道堵塞，酸洗循環(huán)泵異常高頻損壞，壓濾機無法有效的壓濾出硅泥餅等各類問題。依據(jù)這些表現(xiàn)和系統(tǒng)本身的結構和特性，使用系統(tǒng)分析方法的分析情況如下：

硅鋼酸洗系統(tǒng)由三個小系統(tǒng)組成分別為酸洗系統(tǒng)、在線脫硅系統(tǒng)、堿洗系統(tǒng)，三者之間的關系是在線脫硅系統(tǒng)和酸洗系統(tǒng)是主輔關系，在線脫硅能及時排除酸洗系統(tǒng)硅泥的含量，確保系統(tǒng)中運行的酸液中的硅泥能保持較低的含量；堿洗系統(tǒng)和酸洗系統(tǒng)是主從關系，當酸洗生產結束后，堿洗系統(tǒng)開始工作，使得酸洗系統(tǒng)中積存的硅泥和硅垢及時得到排出系統(tǒng)，把系統(tǒng)的功能有效的恢復；在線脫硅和堿洗系統(tǒng)的關系是并行關系，兩種排出硅泥的手段相互補充，使得酸洗系統(tǒng)能夠延長有效的生產作業(yè)時間和及時的恢復系統(tǒng)的功能[4] [5] [6]。這些問題和改善功能邏輯關系看上去根本無從入手，從現(xiàn)象看根本無法捋順關系。因此從系統(tǒng)論的概念和思想出發(fā)，綜合應用多專業(yè)的知識和方法，研究系統(tǒng)各要素的相互關系和系統(tǒng)整體變化規(guī)律，在此基礎上對系統(tǒng)進行協(xié)調和綜合，迅速梳理處改善手段的層次關系，達到系統(tǒng)改善總目標最優(yōu)的目的。為此首先選擇了系統(tǒng)分析方法中目標—手段方法對硅鋼酸洗系統(tǒng)的狀態(tài)，特性，運行機理等進行了系統(tǒng)的梳理，對硅鋼酸洗系統(tǒng)的問題由表及理的進行分析，最終借助專業(yè)方法找到最底層的改善手段作為優(yōu)先改善點，差找出了需要優(yōu)先改善的系統(tǒng)缺陷點(圖2)。

圖2 硅鋼酸洗系統(tǒng)目標—手段分析圖

由于外方的設計缺陷和缺項，存在著不適合現(xiàn)有工況的機械設備選型，檢測儀表的缺失，控制功能的不完善，工藝控制點不明確等各種問題。這些問題不能被單獨的機械，自動化，工藝專業(yè)所能全部分析清楚和解決。再次選擇了采用因果分析法對硅鋼酸洗系統(tǒng)的機械、電氣、工藝、操作、自動化五個專業(yè)方面的存在的問題進行了分析。這些專業(yè)問題都存在于硅鋼酸洗系統(tǒng)中，這些問題有些獨立的有些是相互聯(lián)系的，通過因果分析找出各專業(yè)的共性問題作為優(yōu)先改善點，作為破解復雜的系統(tǒng)問題迷局的鑰匙(圖3)。

對于硅鋼酸洗系統(tǒng)這種復雜的系統(tǒng)的問題分析采用了目標—手段分析法和因果分析法，從多維的視角分析了系統(tǒng)問題，迅速分析出系統(tǒng)問題解決的關鍵點為加藥系統(tǒng)定量泵改型和增加流量計。為了進一步確定關鍵改善點，對問題點對系統(tǒng)的影響工藝邏輯進行性了梳理。加藥系統(tǒng)流量計缺失無法發(fā)現(xiàn)定量泵是否有效工作；定量泵無法有效工作導致無法向混合罐中添加足劑量的絮凝劑；沒有足量藥劑的酸液流到沉淀罐中無法產生大量的沉淀的泥漿；沒有大量沉淀的泥漿壓濾機就無法產生泥餅；壓濾機無法有效壓濾出大量的泥餅酸系統(tǒng)中的硅泥就無法有效排除；硅泥無法有效排除就導致管道和泵等設備堵塞、儀表失效、整個系統(tǒng)失穩(wěn)，最終的結果是酸洗系統(tǒng)失穩(wěn)的結果是設備大量高頻異常損壞、大量硅鋼欠酸洗現(xiàn)象發(fā)生。上述一系列的現(xiàn)象的發(fā)生類似于氣象學里的蝴蝶效應，一個非常小的擾動將會引起一場大的風暴，這里是一個小的儀表的缺失導致整個系統(tǒng)性失穩(wěn)，因此這里可以簡稱“硅鋼酸系統(tǒng)的蝴蝶效應”。通過正向推演明確了關鍵改善點的重要性，通過系統(tǒng)改進提升在線脫硅系統(tǒng)穩(wěn)定性，使得整個系統(tǒng)逐步趨于穩(wěn)定，從而為下一步對系統(tǒng)進行進一步的改善奠定了基礎。

圖3 硅鋼酸洗系統(tǒng)因果分析圖

4 結論

介紹了系統(tǒng)工程理論；并以硅鋼酸洗系統(tǒng)為例，闡述了系統(tǒng)工程理論在復雜系統(tǒng)失穩(wěn)中的具體應用；利用系統(tǒng)工程理論，描述了各個小系統(tǒng)的功能，找出不合理的因素，明確了影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行的真正的癥結所在，確定了不同的癥結點改善的邏輯關系，對系統(tǒng)的行為走向及解決問題的途徑做出了定性的判斷。最終結果表明，系統(tǒng)分析方法引入對?；嵯礄C組其他系統(tǒng)缺陷的分析中，例如帶鋼糾偏系統(tǒng)、?；癄t系統(tǒng)的缺陷分析，都取得了良好效果。