基于Flexsim的炼钢连铸物流仿真系统

摘要：针对炼钢连铸生产工艺复杂、生产过程存在动态性难以对其生产过程进行建模的问题，本论文研究了包含生产设备与生产流程的炼钢连铸物流系统，并建立了包括流程仿真，人机交互与决策制定的基于flexsim的炼钢连铸物流仿真系统。利用某钢厂的现场数据进行仿真实验，仿真结果表明所开发的炼钢连铸仿真系统的有效性，为深入研究适用于现场实际的炼钢连铸策略提供了可视化实验平台。

1. 简介

炼钢与连续浇筑是钢铁生产公司的关键流程。材料平衡与资源平衡的问题和时间平衡的问题存在于生产流程的各个步骤。并且生产的时序安排水平与公司的生产力和生产效率直接关联。炼钢技术复杂，生产工序多样且多变，这使得建立符合其特征的数学模型尤为困难。众多针对炼钢与连铸的调度方法停留在理论阶段。炼钢生产调度仿真的研究有助于发现炼钢生产物流平衡和需求平衡问题，诊断生产中的瓶颈和关键路径，优化企业生产运行和调度方案，实现提高设备利用率、节能降耗及降低成本的目标。近年来国内外对这一问题的研究甚为重视并已取得显著进展，主要集中在数字仿真和二维图形仿真。

虚拟现实（VR）技术是一种起源于二十世纪末的交叉的新兴技术。VR是一种可以创建和实验的虚拟世界。它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术及传感器技术等多个信息技术分支，大大推进了各项技术的综合应用和发展。

虚拟现实技术在炼钢物流调度方面的研究较少，仅仅利用二维图形的虚拟现实

技术的反馈设计和可视化的特点的文章使计划编制人员方便而有效地制定调度计划。虚拟技术的介绍提升了系统的效率与人机交互性，提升了系统的实践性，可操作性和方便性。但是VR以二维图表的形式输出计划。因此炼钢物流系统不能准确的以三维图表的形式表示。

Flexsim是一种近年最新研究出的三维仿真软件，它拥有完整的C 面向对象的仿真环境，拥有强大的3D虚拟环境，拥有直观的，容易理解的用户界面和完美的适应性。Flexsim仿真软件是唯一在世界上运用C 集成开发环境和编译器中的图形模型环境的软件。只要物流模型被定义，C 可以直接运用并编译到flexsim中来。Flexsim拥有高层次的开放性和适应性，几乎可以准确的为所有的工业建立准确的模型。

针对炼钢连铸生产工艺复杂、生产过程存在动态性难以对其生产过程进行建模的问题，本论文研究了包含生产设备与生产流程的炼钢连铸物流系统，并建立了包括流程仿真，人机交互与决策制定的基于flexsim的炼钢连铸物流仿真系统。利用某钢厂的现场数据进行仿真实验，仿真结果表明所开发的炼钢连铸仿真系统的有效性，为深入研究适用于现场实际的炼钢连铸策略提供了可视化实验平台。

1. 炼钢物流分析简介

炼钢连铸生产工艺流程主要包括炼钢、精炼和连铸过程。炼钢的主要任务是把高温条件下的铁水进一步冶炼为含碳量更低的钢水, 去除铁水中的硫、磷、氧、氢及氮等夹杂物，调节钢水中碳、锰及硅等元素的含量。为了保证连铸机浇注出的板坯符合特定钢种的要求，冶炼出站的钢水还需要进行精炼。精炼的作用是进一步调整钢水的温度和化学成分，同时也为连铸机协调进站钢水满足连续浇注提供了缓冲的空间。连续铸造是一种先进的铸造方法，其原理是将熔融的金属不断浇入结晶器中，连续不断地从结晶器的另一端拉出形成铸件。

生产资源的布局和钢铁企业的资源、能力和利用的拓扑结构是公司管理和生产计划与控制的重要基础。在钢铁生产和物流模型建立之后，他们同时也成为了信息管理的重要基础。根据钢铁生产过程和钢铁厂的组织结构，物流元素被分为车间，区域，加工过程，工作站等等。模型层次如图1所示。

图1 钢厂物流元素图

1. 车间

形成一个完整企业的生产与辅助车间有着密切的联系。首先，为加工的材料供应与需求相互满足。正如在铁水冶炼厂冶炼的铁水及时运往炼钢厂，以满足炼钢熔炉的需求；连铸钢坯（合格的钢坯）运往轧钢轧制车间。不同规范的钢铁轧制车间与成品之间也存在供需关系。此外，上下游的生产容量需要彼此平衡与适应。如果平衡适应的关系被破坏，就会对生产过程产生不利的影响。

1. 跨度

通常，车间的生产运作集中在主要的车间，至少包括未加工原材料区域，加热区域和铸造区域。车间的特点是加热区域安排在主要车间之间。加热区域的一边是未加工原材料区域，另一边是铸造区域。两边都可以操作，在一边投入铁水和金属碎片，在另一边汲取铁水，这使得所有的物流过程运行流畅。起重机是在不同区域堆放的主要的调度设备。合理的起重机调度确保了流程运转与工作站的合理有效。

1. 加工过程

加工过程是包含了在同一工作场所的处理对象的一系列连续工序。事实上，钢铁生产流程是一个由许多具有不同属性和不同功能的加工过程组成的系统。一个过程受到上下游工序的影响。车间调度的总体目标是通过和各个工序间的协作和合理的安排加工时间与加工路径实现最高的生产效率。

1. 工作站

工作台是冶炼单位（包）完成加工、测量和运输的工作点。就生产调度系统而言，如果考虑工作站的布局，那么需要增加更多的生产约束。

1. 基于Flexsim的炼钢连铸生产物流模型

3.1 生产物流过程模型框架

确定企业的实体（对象）是企业信息建模的关键和难点。正确的选择实体与否直接影响了信息模型的准确性和实践性。针对钢铁生产物流过程的特点，本论文采用以生产过程为核心的物流模型框架，如图2所示。在此模型中，生产流程彼此独立。为连接“调度对象”，钢坯起到工序间的间接作用，从而起到了物流系统的正确连接。

生产对象

生产过程

生产控制

图2 生产物流模型框架

3.2生产设备建模

1. 生产设备物理建模

炼钢生产设备的三维物理模型通过3DS MAX软件建立，然后导入 Flexsim 中。建立的设备模型包括转炉、精炼练炉、连铸机架、回转台、结晶器、中间包、钢包、轨道、台车和天车。部分设备模型如图3所示。

转炉 钢包 台车

结晶器 回转台

图3 物流设备模型

1. 生产设备属性建模

在使用3DS MAX完成设备的物理模型后，需要将设备模型导入 Flexsim 中建立设备属性模型。炼钢设备分为固定设备和移动设备 2 种，根据炼钢设备的特点选择模版导入。导入 Flexsim 中的设备都继承了其模版的属性，如图4所示。主体设备以处理器作为模版，具有模版的处理时间属性，直接进行参数设置即可完成时间的设置，模型运行时就会根据设置的加工时间进行加工。

台车，升降机等移动设备记录了模板中的移动速度，装卸状态。设置它们的运输速度与钢包的装卸状态可以确保钢包的运输流畅性。

图4 基于Flexsim的装备属性设置界面图

3.3生产流程建模

生产流实际上是开放系统中的一组多元流动。在具体的外部状态中，生产流根据由不同工序间的自然工序与连接器组成的网络结构中的具体的步骤动态有序的流动。炼钢生产对象—钢包在炼钢工序、精炼工序、连铸工序以及连接各工序之间的轨道所组成的网络结构中，按照钢包携带计划的要求，动态有序地运行，实现钢包的预定目标，即确定钢包在各个工序上的设备、钢包行走的路径及在每个设备上按照计划的要求进行加工钢水等。生产流程建模包括车间模型建立和模型驱动。

1.车间模型

当建立车间模型时，模型库中与炼钢与连铸模型相符合的设备应该拖拽到模型视图中，每一个设备都有许多属性。比如坐标（x,y,z），旋度（rx，ry，rz），动态活动（时间）等等。而且，他们可以继承模板中的属性。通过设定设备的参数，就可以建立炼钢的物理模型。建立车间模型的步骤是：首先，根据炼钢生产流程，将模型库中与炼钢连铸过程相符的模型拖拽至视图中，这样，车间的基本布局就完成了。然后，将所有车间的设备模型连接来符合生产物流系统的连接。

在Flexsim模型中，实体间的连接存在三种端口，输入端口，输出端口和中间端口。固定资源类实体间的连接用输入端口和输出端口。任务执行器之间通过中间端口连接。连接形式根据不同的端口存在两种，“S”连接和“A”连接。“S”连接用于连接中间端口，“A”连接用来连接其他端口。车间模型连接图如图5所示。

图5 基于Flexsim的车间模型

1. 车间模型驱动

在建立好车间模型后，炼钢设备应该可以实现一系列的操作，比如移动，旋转等。举个例子，天车通常有两个发动机来操纵，一个操纵横梁在轨道运转，另一个通过金属丝提升它的钩子。每一个发动机都有它自己的加速，减速和最大速度。两个发动机同时运转，赋予它复杂行动的机械性能。在介绍运转功能之前，模仿运转最简单的办法就是在模型树中的不同层级的数列中定义三个实体。每一个实体模拟一种行为或操作。然而，这可能使得模型不够生动。运动功能可以实现一个属性同时对应几种不同的行动，可以完美地解决这一问题。Flexsim定义了运动功能的应用程序界面（API）。用户可以通过应用程序界面建立更多的功能。

运动学的运作设计了Flexsim的相关功能，主要包括初始化运动，增加运动功能和更新运动功能。初始化运动初始化了运动数据，并且预存了初始坐标和属性角的数据。在初始化运动后，增加运动功能提供了设备的下一步运转。更新运动功能刷新了运动路线实施的观念。

每一个车间模型中的设备都有一个包含了所有属性的属性界面。用户可以按照设备的功能在不同的触发器中编程。以下是主要设备的编程：

旋转平台的功能是：当钢包到达时，旋转平台旋转使得钢包在中间对齐。

If(msgparam(1)==1)

{

updatekinematics(label(current,“fs_kinematics”)，current)；

If(content(current)gt;1)

......

}

Else if(msgparam(1)==2)

{

......

Initkinematics(kinlabel,current,0,0);

......

Setlabelnum(current,“moving”，1)；

}

转炉倾倒钢水的行为是：转炉从垂直状态倾斜一定角度。在倾斜的过程中，钢水从转炉中流出来。在完成倾斜后，转炉回复到垂直状态。

Double m=gettablenum(“zhuanlu3”,iptno3,10);

Gettablenum(“zhuanlu3”,iptno3,9) 1;

......

If(time()lt;1000)

Setrot(current,0,0,0);

天车活动：天车可以及时的装载和转移钢包。而且，天车可以在合适的时间将钢包卸载到具体的设备。

Treenode returnts=NULL;

For(int index=1;indexlt;=content(tsqueue)amp;amp;!returnts;index )

{

......

}

Return tonum(returnts);

1. 基于Flexsim的炼钢物流过程仿真系统

仿真对象是一个钢铁生产车间。根据生产流程的内部规则，本文展示了全方位的生产视角，并且建立了钢铁生产流程的软件结构，形成了一个完整的钢铁生产物流仿真系统。炼钢与连铸生产物流仿真深入到每一个工作站的技术模型水平，使得技术模型运行起来像完整的系统的一部分。由仿真系统形成的软件环境是完整的，综合的，模拟生产流程运行的。由Flexsim仿真软件建立的生产流程模型

模仿了整个钢铁生产工业生产的生产流程。

4.1仿真系统的建立步骤

生产流程仿真的必要建模步骤如下所示：

1. 设备建模：将由3DS Max建立的炼钢设备模型输入到Flexsim中。在输入设备的过程中，发生器应该选择合适的模板来建立炼钢实体模型库。
2. 车间建立：将炼钢设备拖拽至Flexsim界面中合适的位置来建立设备布局。
3. 设备连接：将Flexsim模型中的实体进行输入端口，输出端口，中间端口的连接。
4. 数据输入：将生产计划中的数据输入到Flexsim的总表中。
5. 模型驱动：根据设备的相关运行，设置属性和驱动程序。
6. 模型仿真：根据计划数据编译并运行模型。

钢铁生产物流仿真系统包含转炉设备3 台、精炼炉5台，连铸机 3 台，精炼炉分为两个层级。第一层级包括3台RH精炼炉，第二层级包括两台LF精炼炉。其他设备包括三台连铸设备支架，三个旋转平台三个中间包，十五个钢包，十一条轨道，八台手推车，两架天车，十个缓冲区，六个发生器和三个接收器。

4.2仿真系统的主要功能

基于Flexsim的钢铁生产物流仿真系统的主要功能包括：1.生产流程仿真：由Flexsim仿真软件建立的生产流模型模拟了整个实际钢铁生产的生产步骤；2.人机交互：Flexsim提供了用户界面交互功能。人机交互界面按照这一功能建立起来。所有的流程工作信息可以通过双击钢包显示出来。为了实现动态的显示钢铁生产计划的目的，可以适当修改属性。3.决策制定：在生产物流仿真的运行过程中，每一个流程设备的关键计划可以被实时的显示，包含了

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