0 前言
钢铁生产是一典型的混合流程，其中复杂的物理、化学过程交织在一起，各种突变和不确定性因素繁多，原料、半成品和成品之间温度、化学成分及物理形态在各工序都截然不同，钢铁制造流程的复杂性给研究者带来很多困难。目前，利用系统建模、仿真技术，模拟现实钢铁工业产品生产全过程是解决这一问题的有效办法，这样，可通过定量化的直观流程再现，供研究者对过程状况进行分析，以减少钢铁生产过程中的经验性，提高其科学性。
目前，国内外针对冶金物流的研究大多停留在生产计划层，对冶金生产各个生产工位的关联涉及不多;对冶金生产细节的研究大多集中在一些独立的工艺模型上，如钢水的温度成分计算等。
炼钢-连铸-热轧仿真系统是国家863课题《冶金工业MES架构和关键技术研究及示范应用》中的子课题。该系统利用建模、仿真技术，将对物流的仿真深入到各个生产工位的工艺模型层面，使工艺模型作为系统的一个有机部分运行。该仿真系统生成了一个集成的、综合的可模拟生产过程运行的软件系统环境，通过内建的模型和算法来模拟现实钢铁工业产品生产全过程。
1 系统框架
1. 1 硬件结构
系统硬件结构如图1 所示。
该系统是一个网络环境下的计算机集成环境。由Ethernet 局域网络连接的各个子系统之间的通信采用套接字方式。系统硬件为PC机，操作系统采用微软的Windows 2000 ，数据存储采用微软的SQL Server 2000 。
该系统采用分布式结构，即由若干台网络环境下的计算机，分别模拟生产过程的不同环节，通过信息交换整体协调，共同模拟整个钢厂的生产活动过程。从HLA ( High Level Architecture )[1] 的角度看，每个子系统都是联邦成员。
分布式结构的优点主要体现在以下几方面：
( l )通用性流程模拟所仿真的生产过程，可以由任意多个已知单体构成，比如3 台转炉和2 台连铸机或者2 台转炉和2 台连铸机构成的生产过程对仿真系统来讲是无差异的，因此系统可以模拟各种各样的生产情况;
( 2 )扩展性未知的新单体可以容易地加入到仿真系统中;
( 3 )可维护性任一子系统，其优化和改进完全被局部化;
( 4 )计算分布仿真计算分布在网络上，有效缓解了性能瓶颈。
虽然分布式结构的优点非常突出，但同时带来分布式仿真系统的协同问题(如时空一致性), 显著增加了系统的开发难度，就本系统而言基本上是参考田冉的规范加以解决。
1. 2 系统软件结构
系统软件结构如图2 所示。
对应分布式的系统构架，系统软件由若干个进程(子系统)组成。仿真平台扮演调度的角色，单体工位仿真模拟各个生产工序的生产活动，单体生产过程显示给出生产过程的图形化显示，数据算法库保存仿真环境和结果数据。
在本系统中，一个单体进程是用来模拟某一个独立的生产工序，如转炉、连铸等。绝大部分单体具有相似的软件结构，在这里，对单体的软件结构作一说明。
1. 2. 1生产过程仿真
( l )基础生产过程仿真以构成生产过程的各个主要设备为线索，模拟生产过程的基本行为。
( 2 )生产过程控制和管理生产过程的控制和管理功能主要包括：监视每个设备的状态及运行情况，协调整个系统的运行;根据外部调度发送的信息，进行生产过程指挥;将一些生产过程信息(如生产过程发生故障等)通过通信单元通知调度，将生产结果发送给调度。
( 3 )生产过程跟踪该模块主要完成物流跟踪、生产过程的分析统计等内容。通过物流跟踪，得到成品、半成品等各种生产信息和炉次之间的对应关系。
基于生产流程的炼钢一连铸一热轧仿真系统
( 4 )生产信息发布该模块将生产信息以广播的形式向外部动态发送。
( 5 )时间管理该部分的主要功能是按照总体的要求在时间轴上推进仿真系统的运行，维护仿真时钟。
( 6 )调试由于本系统是多进程多线程同时运行，相关逻辑关系复杂，因此为了保证系统的可测试性和可维护性，提供了专门的调试模块。它由一系列子模块构成，主要功能是显示各种内部信息，便于系统在出现异常情况下的诊断。
( 7 )日志该模块记录仿真过程和通信过程发生的主要事件。日志信息可以组态，也可以被关闭。
l. 2. 2 生产过程通信〔 2 〕
该模块完成单体生产过程与调度之间的交互。在这里，定义了一系列消息，单体根据消息的内容定义生产设备，确定工艺参数，组织生产，从而实现了单体仿真过程的通用性。
1. 2. 3生产过程显示
该模块提供了单体仿真的可视化界面。此模块通过网络接收生产过程发布的数据，获得目前单体生产状况和各个子设备的状态。本系统采用监控软件AriTect 作为可视化的开发平台，通过图形化和数据点的形式将生产过程表现出来。
生产过程显示模块作为一个独立的进程而存在，与仿真过程完全分离，仅通过网络进行信息交互。
2 系统功能
这里所阐述的系统功能是指从用户角度来讲，系统所模拟的冶金生产过程的内容。
2. 1 仿真过程管理子系统
( l )计划管理 冶金流程仿真系统将钢铁厂用以组织生产的作业计划作为主要输人。作业计划主要包括炼钢计划、浇注计划和轧制计划。该计划管理模块功能包括作业计划的添加、修改和删除。
( 2 )仿真场景的建立、维护及拆除 仿真场景的建立过程：每个单体通过网络与总体进行连接，当所有生产所需要的设备都与总体建立连接后，仿真场景建立完毕。总体根据计划内容，从数据库读取相应的设备、工艺参数信息，与计划一起发送给各个单体。单体根据总体发送来的参数初始化，并根据计划内容组织生产。仿真过程中，总体通过向各个单体发送仿真参数，使整个系统保持时间和空间的一致性，并对仿真时间步进行维护。仿真场景的拆除过程：生产仿真结束后，总体向各个单体发送仿真结束的消息，并保存仿真过程和结果，释放系统资源。
( 3 )指挥调度(包括物料运输) 该模块主要根据计划的不同状态和设备的生产情况，对计划下发、钢包运输、原材料请求及运输等各种情况进行处理。
( 4 )过程显示 该模块显示生产过程的各种信息，包括各个工位的状态、钢包的位置、计划的执行情况等。
( 5 )信息发布 该模块将生产过程的各种信息通过订购的方式向外发布。其它应用系统可根据本身的功能对仿真系统发布的数据进行使用。
( 6 )生产过程分析汇总该模块以甘特图和列车时刻表的形式对一个批量计划的生产过程仿真结果进行显示、分析和汇总。该模块提供了一个对生产过程中各个设备的各个生产阶段的运行时间、连铸连浇情况等进行分析和研究的手段。
( 7 )生产过程通信该模块与单体的生产过程通信模块相对应，通过消息完成各种参数的交换。
2. 2 综合监视子系统
该子系统对钢厂的设备布局、生产过程中各个设备的运行状态和生产情况、计划的具体内容及其执行情况、钢包的使用情况等提供了一个图形化的显示界面。该子系统通过网络接收仿真过程管理子系统发布的生产过程数据，作为一个独立的系统运行。
2. 3 各个生产单体子系统
表1 对每个单体子系统所模拟的生产过程、设备和所涉及到的模型或计算作一简单说明。其中，转炉子系统仿真了包括一般转炉以及用于双联法的脱磷转炉和脱碳转炉的生产过程。
表1 单体子系统功能
2. 4 工厂环境基本信息子系统
工厂环境包括工厂的设备、工艺、布局、原材料(原料、辅料、合金)等情况，是流程模拟的运行基础，提供了生产运行的规则和假定。利用工厂环境参数建立了一个钢厂的模型，可以反映钢厂的基本情况。
该系统将这部分信息保存到数据库服务器中。这些信息分为以下几类。
( l )参照库管理 包括故障程度、成分元素的映射关系、设备类型的定义。
( 2 )基本信息 包括钢种信息、故障信息、物料信息、废钢信息以及产品代码、质量代码的定义。
( 3 )设备参数管理 包括对钢包信息以及转炉、电炉、LF 炉、RH 炉、VOD 炉、AOD 炉、LAST炉、连铸和轧钢设备参数的管理。这些设备参数定义了各个单体生产的主要设备。
( 4 )工厂布局 对工厂的生产设备、生产设备布局、各个钢种对应的工艺路径、炼钢用的铁水和铁水渣的初始值进行了定义。
( 5 )工艺相关信息 定义了不同的钢种在冶炼过程中的工艺和经验参数，包括对转炉、电炉、LF 炉、RH 、VOD 炉、AOD 炉、LAST炉、连铸和轧钢工艺经验参数的管理。
3 系统特点
3. 1 对炼钢一连铸一热轧整体生产流程进行模拟
以整个炼钢厂为仿真对象，依据生产过程内在的规律，全方位地展示整个生产场景，建立了钢铁生产流程的软件架构，形成一个完整的炼钢-连铸-热轧生产过程的模拟系统。
连铸与轧钢工序间采用连铸一直接热坯装炉轧制，并采用一个铸坯库进行缓冲，处理生产中可能出现的过程不匹配问题。作业计划的编制将热轧批和连铸批统一考虑，以使前后工序计划同步，物流匹配。
3. 2 分布式的系统结构
采用分布式的系统结构，显著提高了系统各个组成部分的独立性以及系统的可维护性，并为仿真计算的分布提供了有利的基础条件。
用HLA 的基本思想和方法【1】 来指导分布式流程仿真的建立，在概念上将流程仿真系统投影在HLA 上。整个系统由四类联邦成员构成：
( l )时间调节的联邦成员，如仿真过程管理，负责生产过程的调度与协调、维护分布式仿真场景的时间和空间一致性;
( 2 )时间调节和时间受限的联邦成员，如单体，负责仿真某一个生产环节;
( 3 )时间受限的联邦成员，如显示节点，负责单体和整个的生产过程显示;
( 4 )静态的联邦成员，如辅助子系统，用于提供系统运行、调试的环境。
3. 3 通用性
通过对研究对象的多层次、多尺度结构的抽象，用数据对钢厂、生产设备进行描述，使用户通过组态工厂的设备、设备布局、生产钢种、工艺路径等内容创建一个钢厂，从而可模拟大多数钢厂一般性的炼钢一连铸一热轧生产过程。
4 系统仿真运行
4. 1 背景说明
根据863 验收要求，以宝钢集团公司的一钢为背景，对其不锈钢和碳钢的生产进行了流程模拟。
一钢碳钢炼钢区域设置有KR脱硫装置2 套，2 座1 50 t 顶底复吹转炉(可交替使用、采用双联或常规操作方式), RH 炉1 座、LATS炉1 座、LF 炉1 座，一机一流的板坯连铸机2 座。不锈钢炼钢区域设置100 t 多功能电弧炉1 座，120 t 氢氧脱碳转炉(AOD )1 座，双工位VOD /LTS 1 座，一机一流的板坯连铸机1 座。
仿真的3 个出钢钢号和其对应的设备路径如下。
· 钢号D 科920E2 ：脱磷转炉-脱碳转炉-IF 炉-RH 炉-连铸1 ;
· 钢号AMn50DZ ：脱磷转炉-脱碳转炉-LATS炉-连铸2 ;
· 钢号301820 ：电炉-AOD 炉-VOD炉-连铸3 。
作业计划：3 个钢号同时生产，每个出钢钢号的冶炼为连续浇注10 炉，连铸出来的铸坯直接送加热炉，接着送轧线进行轧制。包括炉次计划30 炉，浇次计划3 个，轧制计划1 个。钢包的运输时间及每个工序的平均处理时间为宝钢一钢的经验数据。
4. 2 仿真结果
该系统用100 min 仿真完成了实际需要600 min 完成的生产过程。因篇幅所限，这里只列出电炉生产过程的显示画面，如图3 所示。
通过对某段运输时间或对某工序参数的修改，可得到不同的计划执行结果，验证计划排产的合理性和极限情况。
图4 是某个计划结束后以列车时刻表和甘特图方式对仿真结果进行的显示。
5 结论
炼钢-连铸-热轧仿真系统在时间轴上基于物流层面全面模拟了钢的冶炼加工的生产过程，提供了冶金生产的框架。基于此平台，可对生产计划的合理性进行验证，分析计划排产的极限，研究调度算法，验证新厂的产能平衡;同时，该系统为工艺模型提供了一个运行框架。
本系统为通用的工厂生产过程仿真系统。通过组态和配置，仿真系统可以模拟各种不同的生产过程。
该系统各个子系统之间通过数据进行耦合，模块的独立性很强。某些子系统或模块可作为独立系统应用于现场。
由于首次进行此类尝试，系统还在以下方面有待改进：
( 1 )仿真过程管理子系统中的一些功能模块，如生产过程调度、生产过程显示和生产过程分析汇总，应该从仿真系统中分离出来，作为仿真系统对外提供的独立工具或仿真实验的一部分内容。
( 2 )丰富和完善流程模拟系统所产生的过程信息，改进生产过程信息的定义和发布环节，扩展流程模拟系统的支持范围。
( 3 )算法模型通过模型库进行统一管理，可以灵活替换，这样如果第3 方能够提供针对于某一工厂的特定工艺模型，仿真系统就能够向工艺方面深化。
【参 考 文 献】
[ 1 ] Frederick Kuhl.计算机仿真中的HLA技术[ M ].付正军，王永红译.北京：国防工业出版社，2003 .
[ 2 ] 刘培志，周卫华，樊利霞，等.分布式仿真中实时网络通讯技术研究[ J ] .计算机仿真，2007，17 ( 5 ) : 48 -52.
LIU Pei-zhi ，ZHOU Wei-hua , FAN Li-xia , et al.The study of real-time
Network commuNIcation technology in distribution simulation [J].
Computer Simulation, 2000, 17(5):48-52.
[ 3 ] 徐文派.转炉炼钢学[ M ] .北京：冶金工业出版社，1988 .
[ 4 ] 张鉴.炉外精炼的理论与实践[M]，北京：冶金工业出版社，1993.
[ 5 ] 孙一康.带钢热连轧的模型与控制[ M ] .北京：冶金工业出版社，2002 .
