基于Arena仿真技術在鋼鐵生產流程中的應用研究

摘 要：在介紹Arena仿真技術的同時，將Arena仿真技術引入到鋼鐵企業生產過程中。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的可靠性。結果表明改進施工生產能力的因素并不簡單，涉及到的因素較多。基于Arena的施工管理有助于改善生產流程，提高生產率。

關鍵詞：Arena 仿真技術 鋼鐵工業 生產流程

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

現代鋼鐵生產工序多，生產工藝復雜，兼有離散和連續過程工業的特點，是典型的復雜的工程系統。鋼鐵企業生產流程的科學運作和管理是實現快捷、多批量、低成本的市場競爭目標的重要手段。在實踐中，對于一個新上項目或技改項目的設計，是否能確保該項目有效達產，是否能發現制約生產能力的瓶頸所在，局部的技術改造會對原有生產系統產生什么樣的影響，是工藝流程設計者和管理者非常關注的問題。借助有效的仿真軟件，通過工藝流程建模，科學分析模型輸出結果，將為流程的設計和管理提供有利的決策工具。

本文重點介紹了Arena仿真技術的基本特點及其在鋼鐵企業中的應用案例，說明該技術可以有效地應用到鋼鐵企業生產流程設計中，并且有助于管理者的科學決策。

1 Arena仿真技術

Arena是基于SIMAN/CINEMA發展起來的，特色功能在于能夠很好地解決計算機仿真與可視化技術的有機集成，兼備高級仿真器（Simulators）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仿真的基本邏輯概念和結構。通常，仿真是通過對代表某真實系統的模型進行試驗來了解此系統的方法[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帶來所期望的輸出量。這里，仿真模型包括了數學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）數據和信息采集。（3）模型建立。（4）查證和確認。（5）試驗設計。（6）進行試驗和結果分析；（7）試驗設計描述。（8）最終結果分析和程序文件。

Arena系統結構如圖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），常用來滿足復雜的決策規則或外部數據的選取等特別建模需求。“常用面板”是仿真建模過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）編寫程序一起構成了Arena的標準版本[4]。最高層“應用用戶生成模板”與垂直方案ASTS模板以及Arena的標準版共同組成了Arena專業版本。

2 Arena在鋼鐵廠生產優化中的應用

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。現在大部分鋼鐵公司使用羅克韋爾Arena軟件實現工藝過程的建模和仿真，通過分析仿真結果可以發現系統的瓶頸，并預測到工藝流程的變化對整個生產系統的具體影響。此外，煉鋼廠使用該模型驗證當前的工藝過程是否能夠達到年生產目標，并分析子系統可靠性。

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

2.1 仿真建模

本文使用Arena仿真工具開發了煉鋼工藝仿真模型，并實現與Excel工作表間的連接，完成仿真模型的系統輸入和輸出，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、準確的工藝過程描述，生成功能說明書和工藝流圖。（2）創建仿真模型。（3）確定模型輸入參數。（4）記錄模型輸出結果。（5）使用生產數據驗證仿真模型。

仿真建模的第一步是記錄所有施工過程中的關鍵過程，定義相關系統過程和模型所需的細節等級，為下一步的系統評估奠定基礎。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，根據功能說明書生成的過程流圖示例如圖2所示。

2.2 創建仿真模型

根據工藝流圖和功能說明書開發仿真模型，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輸入，并創建了Microsoft Excel和Arena間的接口，實現Excel和Arena間運行時數據傳遞。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資源所需的所有處理時間、決策概率以及故障參數，然后進行數據分析，并建立分布函數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，現使用某煉鋼廠施工的生產數據來檢驗該模型的運行情況。將仿真模型結果和實際澆鑄周期、連鑄生產數據相比較，仿真結果基本符合實際生產數據。

開發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能力。（2）發現制約生產輸出的主要因素。為此，仿真工作分兩組開展，第一組模擬各種子流程可能發生的變化并根據輸出結果驗證哪種變化影響最大，盡管該模型有100多個用戶輸入參數，但是僅有約20個參數可能對改進工藝過程有效，對這20個參數設計仿真試驗，評估關鍵輸入對模型輸出的影響，通常，最初的試驗設計僅能發現明顯的影響因素，模型運行次數有限。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能力或某些設備投資是否必需，Arena仿真模擬了同一子流程變化對新的工藝設計的影響，模型的輸入應能反映出新方案涉及到的業務規則，模型的測試結果將用于幫助決定哪種工藝設計方案最有效。

4 結論

經過測試結果表明，對于一個運行良好的施工流程，使用工作表來發現改進因素的做法往往不夠精確，并可能過分夸大潛在結果。而使用本文設計的Arena進行施工過程動態管理與工期優化建模，為工程管理與跟進提供了更切合實際的視圖。模型結果表明，改進施工生產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，包括生產施工過程、子流程間關系、流程改進的依賴條件。基于Arena的施工管理有助于改善生產流程，提高生產率。

參考文獻

[1]張濤，孫林巖.供應鏈不確定性管理：技術與策略[M].北京：清華大學出版社，2005.

[2]Anderson David R， SweeneyDennis J，W illiamsThomas A.數據、模型與決策（tenth Edition）[M].北京：機械工業出版社，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在供應鏈仿真領域的應用[J].吉林大學學報：工學版，2006，（5）：829-834.