系统工程理论在复杂系统失稳中的应用

刘天浩 杨红伟 任坤

(1:北京首钢股份有限公司硅钢事业部 河北迁安 064400;2:首钢集团有限公司矿业公司 河北迁安 064400 )

1 前言

某钢厂的常化酸洗机组由于设计规划经验不足，机组上存在着设计缺陷和设计缺项等众多问题，机组运行时酸系统非常不稳定，出现多处高频故障点，这些故障点严重的影响了机组的产能的释放，因此对该机组进行了系统工程的分析。本文将以机组中高频故障点多发区酸系统为例进行分析。

常化酸洗硅钢酸洗系统是一个由酸洗系统为主，配备了复杂的辅助系统的一个大系统。硅钢酸洗可以分解为酸洗小系统、在线脱硅小系统、碱洗小系统之间的整体关系。这些系统之所以被称为一个系统，是因为这些系统各个组成小系统之间不是零散、单独存在的，而是小系统之间存在一定的相互关系，通过关系和关系相互联结，让各小系统之间相互影响，构造了一个整体的硅钢酸洗系统。所以在硅钢酸洗系统中，不能单独的看待这三个小系统，硅钢酸系统也不是由这三个小系统简单迭加的综合。

硅钢酸洗系统具有以下三个显著特征：一是集合性，由三个小系统组成；二是整体性，即各个小系统不是简单的迭加，而是相互联系和作用，存在着复杂耦合关系的，构成的统一的整体；三是层次性，硅钢酸洗系统由三个小系统组成，酸洗小系统由三个酸洗工艺槽的子系统组成，在线脱硅由二套在线脱硅小系统组成，并且在线脱硅又由加药，沉淀和压滤三个子系统组成，碱洗系统又分为大循环碱洗和小循环碱洗子系统，这些小系统和子系统的功能不同，作业不同自然地位也不同。由于这个复杂的硅钢酸洗系统中各个小系统存在着复杂的耦合关系，时间滞后和非线性等特性，因此各个小系统直接的关系很难明确，小系统或子系统中任何一个因素的变化,都会使其基本机制发生变化。因此,常规的定性分析与定量分析方法不能揭示和把握这种量化关系的变化规律。本文利用系统工程学理论分析了硅钢酸洗系统，通过系统的分析梳理出各个子系统之间的工艺逻辑关系，明确各个子系统的相互关系，确定了子系统的工艺功能。而系统分析方法最适合这种有着复杂相关性和层次性的系统的分析(图1)。

图1 系统分析的步骤

2 系统工程学

系统论是本世纪40年代的美籍奥地利理论生物学家冯·贝塔朗菲首次提出,后经过很多科学家发展形成,包括一般系统理论、控制理论、信息论、耗散结构理论、合作理论等，也包括被广泛应用于科学与工程分析的系统分析技术[1]。

系统分析是一门分析技术，系统分析具有一种独特的思考问题和处理问题的方法，通常需要采用多种解决方案进行求解。这就是系统分析方法论。系统分析方法论除采用一般系统的数学描述方法和逻辑推理方法外，还涉及工程技术的规范和社会科学的艺术等。描述性、逻辑性、规范性、艺术性这些特点交织在一起，构成了系统分析独特的思想方法、理论基础、基本程序和方法步骤。在系统工程方法中，系统分析起着核心的作用，可以从不同的角度来分析系统[2]。通过对不同分析方法的筛选，最终选择了比较合适的目标—手段分析法和因果分析法来对硅钢酸洗系统进行分析。

目标—手段分析法，就是将要达到的目标和所需的手段安装系统展开，一级手段等于二级目标，二级手段等于三级目标，依次类推，便产生了层次分析，相互联系又逐渐具体话分层目标系统。，相互联系又逐渐具体化的分层目标系统。在分解过程中，要注意分解的分目标与总目标保持一致，分目标的集合一定要保证总目标的实现。分解过程中，分目标直接可能一致，也可能不一致，甚至是矛盾的，这就需要不断的调整，使之在总体上保持协调。将总目标分解为若干个阶层的分目标，需要有很大的创造行和掌握丰富的科学技术知识与实践经验。目标分解反复进行直到认为满意为止。

因果分析法，它是利用因果分析图来分析影响系统的因素，并从中找出产生某种结果的主要原因的一种定性分析方法。系统某一行为(结果)的发生，绝非是一种或两种原因所造成，而往往是由于多种复杂因素的影响所致。为了分析影响系统的重要因素，找出产生某种结果的主要原因，系统分析人员广泛使用了一种简便而有效的定性分析方法——因果分析法。这种方法是在图上用箭头表示原因与结果之间的关系，形象简单，一目了然，特别是在分析的问题越复杂时越能发挥其长处，因为它把人们头脑中所想问题的结果与其产出的原因结构图形化、条理化。许多工程技术人员集体讨论一个问题时，这种方法便于把各种不同的意见加以综合整理，从而使得所有工程技术人员对问题的看法逐渐趋于一致[3]。

3 应用

硅钢酸洗系统存在的表象问题是：带钢出现大量欠酸洗，喷嘴和管道堵塞，酸洗循环泵异常高频损坏，压滤机无法有效的压滤出硅泥饼等各类问题。依据这些表现和系统本身的结构和特性，使用系统分析方法的分析情况如下：

硅钢酸洗系统由三个小系统组成分别为酸洗系统、在线脱硅系统、碱洗系统，三者之间的关系是在线脱硅系统和酸洗系统是主辅关系，在线脱硅能及时排除酸洗系统硅泥的含量，确保系统中运行的酸液中的硅泥能保持较低的含量；碱洗系统和酸洗系统是主从关系，当酸洗生产结束后，碱洗系统开始工作，使得酸洗系统中积存的硅泥和硅垢及时得到排出系统，把系统的功能有效的恢复；在线脱硅和碱洗系统的关系是并行关系，两种排出硅泥的手段相互补充，使得酸洗系统能够延长有效的生产作业时间和及时的恢复系统的功能[4] [5] [6]。这些问题和改善功能逻辑关系看上去根本无从入手，从现象看根本无法捋顺关系。因此从系统论的概念和思想出发，综合应用多专业的知识和方法，研究系统各要素的相互关系和系统整体变化规律，在此基础上对系统进行协调和综合，迅速梳理处改善手段的层次关系，达到系统改善总目标最优的目的。为此首先选择了系统分析方法中目标—手段方法对硅钢酸洗系统的状态，特性，运行机理等进行了系统的梳理，对硅钢酸洗系统的问题由表及理的进行分析，最终借助专业方法找到最底层的改善手段作为优先改善点，差找出了需要优先改善的系统缺陷点(图2)。

图2 硅钢酸洗系统目标—手段分析图

由于外方的设计缺陷和缺项，存在着不适合现有工况的机械设备选型，检测仪表的缺失，控制功能的不完善，工艺控制点不明确等各种问题。这些问题不能被单独的机械，自动化，工艺专业所能全部分析清楚和解决。再次选择了采用因果分析法对硅钢酸洗系统的机械、电气、工艺、操作、自动化五个专业方面的存在的问题进行了分析。这些专业问题都存在于硅钢酸洗系统中，这些问题有些独立的有些是相互联系的，通过因果分析找出各专业的共性问题作为优先改善点，作为破解复杂的系统问题迷局的钥匙(图3)。

对于硅钢酸洗系统这种复杂的系统的问题分析采用了目标—手段分析法和因果分析法，从多维的视角分析了系统问题，迅速分析出系统问题解决的关键点为加药系统定量泵改型和增加流量计。为了进一步确定关键改善点，对问题点对系统的影响工艺逻辑进行性了梳理。加药系统流量计缺失无法发现定量泵是否有效工作；定量泵无法有效工作导致无法向混合罐中添加足剂量的絮凝剂；没有足量药剂的酸液流到沉淀罐中无法产生大量的沉淀的泥浆；没有大量沉淀的泥浆压滤机就无法产生泥饼；压滤机无法有效压滤出大量的泥饼酸系统中的硅泥就无法有效排除；硅泥无法有效排除就导致管道和泵等设备堵塞、仪表失效、整个系统失稳，最终的结果是酸洗系统失稳的结果是设备大量高频异常损坏、大量硅钢欠酸洗现象发生。上述一系列的现象的发生类似于气象学里的蝴蝶效应，一个非常小的扰动将会引起一场大的风暴，这里是一个小的仪表的缺失导致整个系统性失稳，因此这里可以简称“硅钢酸系统的蝴蝶效应”。通过正向推演明确了关键改善点的重要性，通过系统改进提升在线脱硅系统稳定性，使得整个系统逐步趋于稳定，从而为下一步对系统进行进一步的改善奠定了基础。

图3 硅钢酸洗系统因果分析图

4 结论

介绍了系统工程理论；并以硅钢酸洗系统为例，阐述了系统工程理论在复杂系统失稳中的具体应用；利用系统工程理论，描述了各个小系统的功能，找出不合理的因素，明确了影响系统稳定运行的真正的症结所在，确定了不同的症结点改善的逻辑关系，对系统的行为走向及解决问题的途径做出了定性的判断。最终结果表明，系统分析方法引入对常化酸洗机组其他系统缺陷的分析中，例如带钢纠偏系统、常化炉系统的缺陷分析，都取得了良好效果。