钢铁企业板坯库作业仿真模型研究

王明葆 （北京物资学院，北京101149）

WANG Ming-bao (Beijing Wuzi University, Beijing 101149, China)

1 课题背景

板坯库系统的目标是做好连接炼钢连铸和轧制工序的物流枢纽，调节好浇铸和轧制生产。板坯库的库房布局和产品物流路线对生产效率有着很重要的影响，通过建立对整个板坯库和产品路线的仿真。通过仿真寻求解决问题的相对较合理的生产流动方式方法。彭旺明、张跃刚[1]介绍了系统仿真以及Flexsim 系统仿真软件的特点，针对汽车转向器生产流程，应用Flexsim 系统仿真软件进行建模仿真，运行仿真模型，找出了生产流程中的“瓶颈”，为企业调整生产线平衡提供了科学的决策依据。彭旺明、张晓川[2]分析了eM-plant 在一个流水线作业中装配的仿真过程及方法，阐明了eM-plant 在离散系统仿真中的优势以一个制作电脑桌的流程为例，说明eM-plant 在流水线仿真中的优越性。宋建新、徐菱、宋远申[3]在《现代生产物流系统仿真研究》中针对现代生产物流系统进行了仿真研究，提出建立仿真模型的基木步骤。以现代生产物流实验系统为例，采用Flexsim 软件快速建立起模型，编写控制程序然后对各种方案进行仿真分析，得出管理者想要的资料报表，简单快速地为企业提供决策依据。

2 板坯库仿真

对于钢铁企业，板坯库是钢铁企业一个必不可少的处理库房，从浇铸到轧制，中间在板坯库停留，根据时间对温度的影响改变不同，产生不同的生产上料方式[4-5]。本文依据企业实际，设计板坯库总长240m、宽90m，分三跨：LM 跨、MN 跨、NP跨，各跨宽度为33m、27m 和27m。在MN 跨的两个轨道之间部分有保温坑，各跨还有天车分布，其中，LM 跨有两部80 吨天车，MN 跨有两部80 吨天车和两部40 吨天车，NP 跨有一步80 吨天车和三部40 吨天车。除此之外，还有过跨车实现跨与跨之间的板坯运输，载重150 吨。主要物流线路是两条辊道，通过辊道实现板坯从浇铸到轧制工序的移动。

2.1 板坯库仿真参数

如图1 所示，MN 跨冷装区域上料是1 区和2 区，其中有4 部天车，2 部40 吨天车和两部80 吨天车，80 吨天车可以一次吊1 到2 块板坯，40 吨天车一次只可吊1 块板坯。MN 跨上料由天车直接吊板坯至MN 跨中部卸板台，再由卸板台推至轨道，在卸板台推板过程中，天车可以去执行其他的任务，目前在板坯库的实际作业中，多是由80 吨天车一次吊2 块板坯至卸板台，也有可能由80 吨天车吊1 块板坯到卸板台。对作业做如下参数假设：

（1） 根据天车运行的便利性和针对上料点的位置如图1。

（2） 1 区由1 部80 吨天车负责上料，2 区由另1 部80 吨天车专门负责上料，其余2 部40 吨天车负责备料和倒垛。

（3） 2 板坯上料作业流程为：天车由1 区或2 区按一定顺序吊2 块板坯，将2 块板坯放置卸板台，天车释放执行下一轮上料作业流程，卸板台逐板推至轨道，板坯由轨道输送至NP 跨执行板坯校核操作。1 块板坯上料作业流程：天车由1 区或2 区按一定顺序吊1 块板坯，直接吊至卸板台，天车释放执行下一轮上料作业流程，卸板台推板至轨道，板坯由轨道输送至NP 跨执行板坯校核操作。板坯校核操作流程：该板坯输送至NP 跨轨道后NP 跨轨道停止并封锁，由工作人员对板坯的规格和号码进行确认，确认无误后轨道将板坯送至加热炉，如有问题则由NP 跨天车将板坯吊离轨道。

（4） 根据经验和板坯库现场调研，设置MN 跨上料所有仿真参数如下：

①80 吨天车吊2 块板坯上料概率为80%，吊1 块板坯上料概率为20%。

②板坯校核不合格的概率为2%；在NP 跨校核不合格坯由NP 跨天车吊走所需时间为40 秒。

③天车移动速度为1.2 米/秒，无论夹几块板坯，由垛位吊起板坯所用时间为33 秒，卸下板坯所用时间为34 秒。

④卸板台推1 块板坯至轨道所用时间为42 秒；轨道输送速度为0.5 米/秒。

⑤卸板台上料点距离NP 跨校核点10 米，NP 跨校核点距离加热炉车间10 米，加热炉前有4 块板坯的缓冲，加热炉每隔1.5 分钟送1 块板坯；无论1 区还是2 区各个垛位横向距离为2 米，各垛位宽度为1.5 米。

（5） 假设备料天车与上料天车产生干涉的概率一定，发生干涉后上料天车延误时间为30 秒，且只发生在上料天车上料后返回垛区取坯的过程。

（6） 为获得天车供坯的能力范围，假设天车按由近至远的原则由垛位取坯。

3 仿真结果分析

仿真中的各种参数都可以进行调整，但是，在企业实际生产中，很多地方的参数都已经固定，所以只对其中两个参数进行修改，并对结果进行分析。首先是天车干涉概率和加热炉节奏的关系，其次是板坯合格概率分布和天车抓取数量分布的关系，选取一些相对比较特殊的值进行仿真。

3.1 MN 跨仿真结果分析

（1） 1 区仿真

表1 表现的是1 区天车干涉概率和加热炉节奏的关系，表2 表现的是板坯合格概率分布和天车抓取数量分布关系。

（2） 2 区仿真

表3 表现的是1 区天车干涉概率和加热炉节奏的关系，表4 表现的是板坯合格概率分布和天车抓取数量分布关系。

3.2 NP 跨仿真结果分析

（1） 1 区仿真

表1 天车干涉概率和加热炉节奏的关系

表2 板坯合格概率分布和天车抓取数量分布关系

表3 天车干涉概率和加热炉节奏的关系

表4 板坯合格概率分布和天车抓取数量分布的关系

表5 表现的是1 区天车干涉概率和加热炉节奏的关系，表6 表现的是板坯合格概率分布和天车抓取数量分布关系。

加热炉节奏为1.5 分 加热炉节奏为2 分 加热炉节奏为2.5 分天车干涉概率为0 供坯5 块后不满足 供坯25 块后不满足 供坯25 块后不满足天车干涉概率50% 供坯4 块后不满足 供坯4 块后不满足 供坯11 块后不满足天车干涉概率100% 供坯8 块后不满足 供坯8 块后不满足 供坯9 块后不满足

表6 板坯合格概率分布和天车抓取数量分布关系

（2） 2 区仿真表7 表现的是1 区天车干涉概率和加热炉节奏的关系，表8 表现的是板坯合格概率分布和天车抓取数量分布关系。

加热炉节奏为1.5 分 加热炉节奏为2 分 加热炉节奏为2.5 分天车干涉概率0 供坯9 块后不满足 供坯9 块后不满足 供坯9 块后不满足天车干涉概率50% 供坯9 块后不满足 供坯9 块后不满足 供坯9 块后不满足天车干涉概率100% 供坯7 块后不满足 供坯7 块后不满足 供坯7 块后不满足

4 仿真结论

从上面的结果可以看出，对于加热炉节奏是2.5 分钟的那一列对比，1 区的供坯能力要大于2 区，对于1 区而言天车干涉和加热炉节奏对其供坯影响在一定程度内是没有什么太大变化的，分布比较均匀，但是当加热炉节奏变为2.5 分钟时，不论天车干涉概率如何，全程基本上满足供坯；而对2 区而言天车干涉和加热炉节奏对其影响相对较微弱，相对的分布比较稳定。对于1 区在关于板坯合格率和天车抓取板坯数量分布两个因素上，随着合格率的上升供坯能力也迅速上升，随着天车取2 块板坯概率的上升，供坯能力也就较快上升；而对于2 区，上面的这种体现则不明显，分布都相对比较均匀。针对较为保守的天车干涉概率为50%来说，加热炉节奏为2.5 分钟、合格率90%和取两块坯的概率为80%来说，1 区供坯能力达到671 块，大约有671/12，也就是56 个垛位，所以1 区分布大约56/2=28 个长度的垛位距离；而2 区垛位大约1 个垛位距离。

表8 板坯合格概率分布和天车抓取数量分布关系

从上面的结果可以看出MN 跨和NP 跨的供坯敏感程度有很大差别，MN 跨建议在1 区建立大约对称的56 个垛位，也就是28 个垛位的长度，对于1 区和NP 跨的两个区，它们对上面的几种参数依赖程度较小，所以我们要考虑其他因素的影响，改变它们以改变效率，改变这些参数必要的方法是改进硬件设施，比如天车取坯、卸坯时间，卸板台卸坯时间等，这些参数基本都是硬件设施，要改变这些参数，就必须对这些进行改进。建议企业对相关设施进行改建。

[1] 张跃刚. 生产物流系统的计算机仿真应用研究[J]. 煤矿机械，2007,7(3):1-3.

[2] 彭旺明，张晓川. eM-plant 在生产线作业仿真中的应用研究[J]. 武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2004，6(3):24-27.

[3] 宋建新，徐菱，宋远申. 现代生产物流系统仿真研究[J]. 物流科技，2007,3(2):31-35.

[4] 赵爱红. 浅谈板坯库的管理[J]. 山西冶金，2001,2(4):26-29.

[5] 郑顺水. 生产系统仿真技术研究[J]. 产品开发与设计，2005,5(3):7-11.