系統工程理論在復雜系統失穩中的應用

劉天浩 楊紅偉 任坤

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

1 前言

某鋼廠的?；嵯礄C組由于設計規劃經驗不足，機組上存在著設計缺陷和設計缺項等眾多問題，機組運行時酸系統非常不穩定，出現多處高頻故障點，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工程的分析。本文將以機組中高頻故障點多發區酸系統為例進行分析。

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

硅鋼酸洗系統具有以下三個顯著特征：一是集合性，由三個小系統組成；二是整體性，即各個小系統不是簡單的迭加，而是相互聯系和作用，存在著復雜耦合關系的，構成的統一的整體；三是層次性，硅鋼酸洗系統由三個小系統組成，酸洗小系統由三個酸洗工藝槽的子系統組成，在線脫硅由二套在線脫硅小系統組成，并且在線脫硅又由加藥，沉淀和壓濾三個子系統組成，堿洗系統又分為大循環堿洗和小循環堿洗子系統，這些小系統和子系統的功能不同，作業不同自然地位也不同。由于這個復雜的硅鋼酸洗系統中各個小系統存在著復雜的耦合關系，時間滯后和非線性等特性，因此各個小系統直接的關系很難明確，小系統或子系統中任何一個因素的變化,都會使其基本機制發生變化。因此,常規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律。本文利用系統工程學理論分析了硅鋼酸洗系統，通過系統的分析梳理出各個子系統之間的工藝邏輯關系，明確各個子系統的相互關系，確定了子系統的工藝功能。而系統分析方法最適合這種有著復雜相關性和層次性的系統的分析(圖1)。

圖1 系統分析的步驟

2 系統工程學

系統論是本世紀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展形成,包括一般系統理論、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分析技術[1]。

系統分析是一門分析技術，系統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。這就是系統分析方法論。系統分析方法論除采用一般系統的數學描述方法和邏輯推理方法外，還涉及工程技術的規范和社會科學的藝術等。描述性、邏輯性、規范性、藝術性這些特點交織在一起，構成了系統分析獨特的思想方法、理論基礎、基本程序和方法步驟。在系統工程方法中，系統分析起著核心的作用，可以從不同的角度來分析系統[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，相互聯系又逐漸具體話分層目標系統。，相互聯系又逐漸具體化的分層目標系統。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。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調。將總目標分解為若干個階層的分目標，需要有很大的創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。系統某一行為(結果)的發生，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。為了分析影響系統的重要因素，找出產生某種結果的主要原因，系統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

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

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

圖2 硅鋼酸洗系統目標—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的機械、電氣、工藝、操作、自動化五個專業方面的存在的問題進行了分析。這些專業問題都存在于硅鋼酸洗系統中，這些問題有些獨立的有些是相互聯系的，通過因果分析找出各專業的共性問題作為優先改善點，作為破解復雜的系統問題迷局的鑰匙(圖3)。

對于硅鋼酸洗系統這種復雜的系統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問題，迅速分析出系統問題解決的關鍵點為加藥系統定量泵改型和增加流量計。為了進一步確定關鍵改善點，對問題點對系統的影響工藝邏輯進行性了梳理。加藥系統流量計缺失無法發現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、整個系統失穩，最終的結果是酸洗系統失穩的結果是設備大量高頻異常損壞、大量硅鋼欠酸洗現象發生。上述一系列的現象的發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性失穩，因此這里可以簡稱“硅鋼酸系統的蝴蝶效應”。通過正向推演明確了關鍵改善點的重要性，通過系統改進提升在線脫硅系統穩定性，使得整個系統逐步趨于穩定，從而為下一步對系統進行進一步的改善奠定了基礎。

圖3 硅鋼酸洗系統因果分析圖

4 結論

介紹了系統工程理論；并以硅鋼酸洗系統為例，闡述了系統工程理論在復雜系統失穩中的具體應用；利用系統工程理論，描述了各個小系統的功能，找出不合理的因素，明確了影響系統穩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，系統分析方法引入對常化酸洗機組其他系統缺陷的分析中，例如帶鋼糾偏系統、?；癄t系統的缺陷分析，都取得了良好效果。