第6章 冶金制造流程中的多因子物質(zhì)流控制

1、冶金制造流程中的多因子物質(zhì)流控制冶金制造流程中的多因子物質(zhì)流控制孫健孫健 1提綱提綱v多因子物質(zhì)流控制的某些理論基礎(chǔ)多因子物質(zhì)流控制的某些理論基礎(chǔ)問題問題v鋼鐵制造流程的多因子物質(zhì)流控制鋼鐵制造流程的多因子物質(zhì)流控制v動態(tài)動態(tài)-有序流程結(jié)構(gòu)與信息流有序流程結(jié)構(gòu)與信息流2制造流程的概念與運行要素制造流程的概念與運行要素流程網(wǎng)絡(luò)流程網(wǎng)絡(luò) 為適應(yīng)在開放的流程系統(tǒng)中將為適應(yīng)在開放的流程系統(tǒng)中將“資源流資源流”、“結(jié)點結(jié)點”和和“連結(jié)器連結(jié)器”整合在一起的物質(zhì)整合在一起的物質(zhì)-能量能量-時間時間-空間結(jié)構(gòu)。空間結(jié)構(gòu)。 要求有靜態(tài)的合理性，特別是體現(xiàn)在空間結(jié)構(gòu)（例如總要求有靜態(tài)的合理性，特別是體現(xiàn)在空間結(jié)

2、構(gòu)（例如總平面布置等），更重要的是要能適應(yīng)平面布置等），更重要的是要能適應(yīng)“資源流資源流”在動態(tài)運在動態(tài)運行過程中可以體現(xiàn)出動態(tài)有序性、可連續(xù)性、緊湊性。行過程中可以體現(xiàn)出動態(tài)有序性、可連續(xù)性、緊湊性。 “資源流資源流”包括了輸入的原料流、能源流等，也包括了包括了輸入的原料流、能源流等，也包括了運行過程中的物質(zhì)流、能量流以及相應(yīng)的信息流，還有輸運行過程中的物質(zhì)流、能量流以及相應(yīng)的信息流，還有輸出的產(chǎn)品流、副產(chǎn)品流和各類排放流等。出的產(chǎn)品流、副產(chǎn)品流和各類排放流等。3鋼鐵冶金過程理論與工程實踐的發(fā)展過程鋼鐵冶金過程理論與工程實踐的發(fā)展過程節(jié)點與連結(jié)器節(jié)點與連結(jié)器 節(jié)點節(jié)點指在流程網(wǎng)絡(luò)中的各類功能

3、不同的工序、裝指在流程網(wǎng)絡(luò)中的各類功能不同的工序、裝置，例如高爐、轉(zhuǎn)爐等。而置，例如高爐、轉(zhuǎn)爐等。而“連結(jié)器連結(jié)器”則是指結(jié)點則是指結(jié)點與結(jié)點的連結(jié)的手段、方式、裝備等，例如管道、與結(jié)點的連結(jié)的手段、方式、裝備等，例如管道、輥道、鐵路、吊車、各類車輛、鋼水包、鐵水罐等輥道、鐵路、吊車、各類車輛、鋼水包、鐵水罐等。因此，也可以將。因此，也可以將“流程網(wǎng)絡(luò)流程網(wǎng)絡(luò)”看成是看成是“結(jié)點結(jié)點”、“連結(jié)器連結(jié)器”的優(yōu)化配置及其組成的時的優(yōu)化配置及其組成的時-空邊界?？者吔?。4制造流程的概念與運行要素制造流程的概念與運行要素流流 泛指在開放的流程系統(tǒng)中運行著的各種形式的泛指在開放的流程系統(tǒng)中運行著的各種形

4、式的“資源資源”。對冶金流。對冶金流程而言，程而言，“流流”是一類多因子（多維）是一類多因子（多維）“流流”。v物理性質(zhì)上的多維性：化學組分，物理相態(tài)，幾何形狀，表面性質(zhì)物理性質(zhì)上的多維性：化學組分，物理相態(tài)，幾何形狀，表面性質(zhì)，溫度，時間等；，溫度，時間等；v多因子多因子“流流”在生產(chǎn)工藝流程中表現(xiàn)為運行、調(diào)控過程中的在生產(chǎn)工藝流程中表現(xiàn)為運行、調(diào)控過程中的“多維多維”性。性?！岸嗑S多維”性體現(xiàn)在流程運行過程中物質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)變、物質(zhì)性質(zhì)性體現(xiàn)在流程運行過程中物質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)變、物質(zhì)性質(zhì)控制和與之相關(guān)的物質(zhì)流管制過程的控制和與之相關(guān)的物質(zhì)流管制過程的“物質(zhì)流物質(zhì)流”-“能量流能量流”-“信信息流息流”復

5、合在制造流程中的物質(zhì)流中。復合在制造流程中的物質(zhì)流中。a)從調(diào)控角度上看，則體現(xiàn)為對制造流程運行調(diào)控過程中基本參數(shù)（從調(diào)控角度上看，則體現(xiàn)為對制造流程運行調(diào)控過程中基本參數(shù)（物質(zhì)量、溫度、時間）物質(zhì)量、溫度、時間）-派生參數(shù)（產(chǎn)量、質(zhì)量、成本等）的派生參數(shù)（產(chǎn)量、質(zhì)量、成本等）的“多多維維”性上。性上。6制造流程的概念與運行要素制造流程的概念與運行要素程序程序 可以看成是各種形式的可以看成是各種形式的“序序”和規(guī)則、策略、途徑和規(guī)則、策略、途徑的集合。的集合。“序序”包括了無序和有序，也包括了對某一因包括了無序和有序，也包括了對某一因子的次第排列。有序的形式又包括了功能序、空間序、子的次第排列

6、。有序的形式又包括了功能序、空間序、時間序以及時空序等。而時間序以及時空序等。而“規(guī)則規(guī)則”則來自不同的要求、則來自不同的要求、不同外部條件以及流程自身的整體功能，例如運行連續(xù)不同外部條件以及流程自身的整體功能，例如運行連續(xù)化、緊湊化等，就是規(guī)則的主要體現(xiàn)?；?、緊湊化等，就是規(guī)則的主要體現(xiàn)?！靶蛐颉焙秃汀耙?guī)則規(guī)則”的結(jié)合就反映出對制造流程中多維物質(zhì)流的總體調(diào)控的結(jié)合就反映出對制造流程中多維物質(zhì)流的總體調(diào)控策略和具體運行途徑。策略和具體運行途徑。7制造流程的概念與運行要素制造流程的概念與運行要素原料流原料流能源流能源流產(chǎn)品流產(chǎn)品流信息流信息流副產(chǎn)品流副產(chǎn)品流排放流排放流 ：結(jié)點：結(jié)點 ：連結(jié)器（

7、道路、管道、輥道、吊車、鐵水罐、鋼水包等）：連結(jié)器（道路、管道、輥道、吊車、鐵水罐、鋼水包等） ：多維物質(zhì)流（流程運行中的）：多維物質(zhì)流（流程運行中的）圖圖6-6-1 1 制造流程的概念與要素示意圖制造流程的概念與要素示意圖5制造流程的概念與運行要素制造流程的概念與運行要素信息流信息流動態(tài)有序運行的前提條件動態(tài)有序運行的前提條件 系統(tǒng)必須是開放系統(tǒng)，流程系統(tǒng)處在遠離平系統(tǒng)必須是開放系統(tǒng)，流程系統(tǒng)處在遠離平衡狀態(tài)，是不可逆過程。衡狀態(tài)，是不可逆過程。8流程的動態(tài)有序運行流程的動態(tài)有序運行動態(tài)動態(tài)-有序運行過程的有序運行過程的“動力源動力源”p組元運行的組元運行的“漲落漲落”行為。行為。p組元之間

8、相互作用的非線性耦合。組元之間相互作用的非線性耦合。p組元處在遠離平衡狀態(tài)。組元處在遠離平衡狀態(tài)。流程運行過程中自組織功能的產(chǎn)生和形式流程運行過程中自組織功能的產(chǎn)生和形式 鋼鐵制造流程是一種耗散過程，在具有耗鋼鐵制造流程是一種耗散過程，在具有耗散結(jié)構(gòu)的流程運行過程中，耗散流程系統(tǒng)有散結(jié)構(gòu)的流程運行過程中，耗散流程系統(tǒng)有序狀態(tài)的自我形成和自我完善形象地稱為序狀態(tài)的自我形成和自我完善形象地稱為自自組織組織。 自組織現(xiàn)象豐富多彩，具有多種形式，自組織現(xiàn)象豐富多彩，具有多種形式，主要有主要有自創(chuàng)生自創(chuàng)生、自復制自復制、自生長自生長、自適應(yīng)自適應(yīng)幾幾種形式。種形式。9多因子物質(zhì)流控制研究目標、內(nèi)容和多因

9、子物質(zhì)流控制研究目標、內(nèi)容和方法方法10 研究鋼廠生產(chǎn)流程進入動態(tài)研究鋼廠生產(chǎn)流程進入動態(tài)-有序運行的特征、狀態(tài)和外界條件，通過耗散有序運行的特征、狀態(tài)和外界條件，通過耗散結(jié)構(gòu)研究流程中自身存在的結(jié)構(gòu)研究流程中自身存在的“自組織自組織”功能和研究流程運行中的序參量。進一功能和研究流程運行中的序參量。進一步目的是為了提高企業(yè)的市場綜合競爭力；促進可持續(xù)發(fā)展，適應(yīng)循環(huán)經(jīng)濟社步目的是為了提高企業(yè)的市場綜合競爭力；促進可持續(xù)發(fā)展，適應(yīng)循環(huán)經(jīng)濟社會。會。研究目標研究目標多因子物質(zhì)流控制研究目標、內(nèi)容和多因子物質(zhì)流控制研究目標、內(nèi)容和方法方法11l制造流程的結(jié)構(gòu)和行為；制造流程的結(jié)構(gòu)和行為；l流程中相鄰、

10、相關(guān)層次的作用關(guān)系；流程中相鄰、相關(guān)層次的作用關(guān)系；l流程中各組元的功能、結(jié)構(gòu)和效率；流程中各組元的功能、結(jié)構(gòu)和效率；l流程中各組元之間的相互作用關(guān)系。流程中各組元之間的相互作用關(guān)系。研究內(nèi)容研究內(nèi)容l流程中各組元運行過程中的漲落現(xiàn)象及其概率；流程中各組元運行過程中的漲落現(xiàn)象及其概率；l流程中各組元運行過程中的相互作用的非線性關(guān)系；流程中各組元運行過程中的相互作用的非線性關(guān)系；l流程運行流程運行耗散過程中自身存在的耗散過程中自身存在的“自組織自組織”功能；功能；l流程運行過程的序參量及其對新功能的流程運行過程的序參量及其對新功能的“涌現(xiàn)涌現(xiàn)”貢獻；貢獻；l外界條件對流程結(jié)構(gòu)與流程運行狀態(tài)的影響

11、極其相互適用性等。外界條件對流程結(jié)構(gòu)與流程運行狀態(tài)的影響極其相互適用性等。研究方法研究方法鋼鐵制造流程的多因子物質(zhì)流控制鋼鐵制造流程的多因子物質(zhì)流控制從工程科學角度講，鋼鐵制造流程的特征是物質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)變、從工程科學角度講，鋼鐵制造流程的特征是物質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)變、物質(zhì)性質(zhì)控制、物質(zhì)流控制在流程過程中的協(xié)調(diào)物質(zhì)性質(zhì)控制、物質(zhì)流控制在流程過程中的協(xié)調(diào)-優(yōu)化。優(yōu)化。12鋼鐵制造流程的過程特征鋼鐵制造流程的過程特征13鋼鐵制造流程運行的概念鋼鐵制造流程運行的概念 鋼鐵制造流程是準連續(xù)鋼鐵制造流程是準連續(xù)/間歇流程系統(tǒng)，間歇流程系統(tǒng)，流體為流體為連續(xù)介質(zhì)系統(tǒng)。從工程方法論的角度連續(xù)介質(zhì)系統(tǒng)。從工程方法論的角度上看

12、，兩者都是一種外界上看，兩者都是一種外界“刺激刺激”-內(nèi)在內(nèi)在“響響應(yīng)應(yīng)”的本質(zhì)。的本質(zhì)。14抽象抽象-類比類比“刺激刺激”-“響應(yīng)響應(yīng)” 鋼廠生產(chǎn)流程可以用鋼廠生產(chǎn)流程可以用類比類比的方法的方法抽象抽象為為“粘性粘性”制造流程系統(tǒng)。制造流程系統(tǒng)。鋼鐵制造流程運行的概念鋼鐵制造流程運行的概念 對連續(xù)介質(zhì)系統(tǒng)而言，連續(xù)介質(zhì)內(nèi)的任對連續(xù)介質(zhì)系統(tǒng)而言，連續(xù)介質(zhì)內(nèi)的任何微元體對外界何微元體對外界“刺激刺激”具有一致甚至同時具有一致甚至同時的內(nèi)在的內(nèi)在“響應(yīng)響應(yīng)”；對流程方式的系統(tǒng)而言，；對流程方式的系統(tǒng)而言，其諸多組元其諸多組元(工序、裝置等工序、裝置等)對外界對外界“刺激刺激”因素（如市場、投資、資

13、源、能源、價格等因素（如市場、投資、資源、能源、價格等變化）具有不均勻變化）具有不均勻(甚至不同取向甚至不同取向)的或不同的或不同滯后度的內(nèi)在滯后度的內(nèi)在“響應(yīng)響應(yīng)”。15抽象抽象-類比類比“刺激刺激”-“響應(yīng)響應(yīng)”式中，式中，流程系統(tǒng)的流程系統(tǒng)的“粘性耗散值粘性耗散值”； m機械機械性性的的“粘性耗散值粘性耗散值”；P人為性人為性的的“粘性耗散粘性耗散值值”。mPf （,）16鋼鐵制造流程運行的概念鋼鐵制造流程運行的概念式中，式中，S S鋼廠結(jié)構(gòu)鋼廠結(jié)構(gòu)；E組元工序的集合；組元工序的集合； R R工序之間關(guān)系的集合。工序之間關(guān)系的集合。(S)(,)ffER “粘性系統(tǒng)粘性系統(tǒng)”和和“不同滯后

14、度不同滯后度”17穩(wěn)定諧振狀態(tài)穩(wěn)定諧振狀態(tài)可以分為設(shè)定的一般狀態(tài)、可以分為設(shè)定的一般狀態(tài)、“柔性柔性”正常調(diào)控狀態(tài)、正常調(diào)控狀態(tài)、“柔性柔性”極限調(diào)控極限調(diào)控狀態(tài)。狀態(tài)。準連續(xù)準連續(xù)/間歇制造流程的運行方式間歇制造流程的運行方式圖圖6-4 電爐流程運行的電爐流程運行的“彈性鏈彈性鏈/半彈性鏈半彈性鏈”穩(wěn)定諧振狀態(tài)及其不同類型穩(wěn)定諧振狀態(tài)及其不同類型A-A設(shè)定的一般狀態(tài)設(shè)定的一般狀態(tài) A(+)-A(-)正常柔性調(diào)控范圍正常柔性調(diào)控范圍A(+)-A(-)極限柔性調(diào)控范圍極限柔性調(diào)控范圍電爐；電爐；鋼包爐；鋼包爐；連鑄機；連鑄機；加熱爐及附屬儲存庫；加熱爐及附屬儲存庫；熱軋機熱軋機“彈性鏈彈性鏈”/

15、“半彈性鏈半彈性鏈”諧振諧振18 諧振失衡狀態(tài)諧振失衡狀態(tài)是指流程整體運行過程中，由于受外界影響或是自是指流程整體運行過程中，由于受外界影響或是自身處置不當，使得身處置不當，使得“剛性組元剛性組元”超過其超過其“彈性彈性”值、值、“柔性組元柔性組元”超過其超過其“極限極限”值，或是組元工序之間的關(guān)系不能互相連續(xù)適應(yīng)值，或是組元工序之間的關(guān)系不能互相連續(xù)適應(yīng)“自組織自組織”失控，從而導致整個流程系統(tǒng)失衡而喪失失控，從而導致整個流程系統(tǒng)失衡而喪失“彈性鏈彈性鏈”諧諧振運行方式。振運行方式?！皬椥枣湉椥枣湣?“半彈性鏈半彈性鏈”諧振諧振19流程內(nèi)的工程效應(yīng)流程內(nèi)的工程效應(yīng)圖圖6-5 鋼鐵制造流程的演

16、進與鋼鐵制造流程的演進與“臨界臨界-緊湊緊湊-準連續(xù)準連續(xù)/連續(xù)連續(xù)”效應(yīng)效應(yīng)20在不同外界在不同外界“刺激刺激”因素作用下，做出因素作用下，做出“響應(yīng)響應(yīng)”的類型有：的類型有：“反射反射”類響應(yīng)，類響應(yīng)，“吸收吸收”類響應(yīng)，類響應(yīng)，“傳導傳導”類響應(yīng)，類響應(yīng)，“轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換”類響應(yīng)類響應(yīng)外界外界“刺激刺激”-流程系統(tǒng)流程系統(tǒng)“響應(yīng)響應(yīng)”的分析的分析外界外界“刺激刺激”因素的變化：因素的變化：n市場總?cè)萘亢彤a(chǎn)品品種需求的變化；市場總?cè)萘亢彤a(chǎn)品品種需求的變化；n市場引起的國際競爭市場引起的國際競爭n資源、能源的供應(yīng)和運輸、價格的變化資源、能源的供應(yīng)和運輸、價格的變化n資金市場的狀況資金市場的狀況n科

17、學技術(shù)進步與社會經(jīng)濟發(fā)展的狀況科學技術(shù)進步與社會經(jīng)濟發(fā)展的狀況n人員的組織及工資成本的變化人員的組織及工資成本的變化n環(huán)境、生態(tài)的要求和可持續(xù)發(fā)展環(huán)境、生態(tài)的要求和可持續(xù)發(fā)展21動態(tài)動態(tài)-有序流程結(jié)構(gòu)與信息流有序流程結(jié)構(gòu)與信息流式中，式中，F(xiàn)流程系統(tǒng)的流程系統(tǒng)的所有功能集變量所有功能集變量； r為功能集變量間存在關(guān)系的有向為功能集變量間存在關(guān)系的有向邊邊，可表示，可表示關(guān)系的時序性，也可表示關(guān)系的作用方向關(guān)系的時序性，也可表示關(guān)系的作用方向。DFr， 通過流程系統(tǒng)的組成工序及其相互作用關(guān)系來對流程進行劃分和再組合，可通過流程系統(tǒng)的組成工序及其相互作用關(guān)系來對流程進行劃分和再組合，可用有關(guān)有向圖的概念，確定劃分和再組合原則。用有關(guān)有向圖的概念，確定劃分和再組合原則。鋼鐵制造流程的劃分和尺度鋼鐵制造流程的劃分和尺度-層次耦合層次耦合 22動態(tài)動態(tài)-有序流程結(jié)構(gòu)與信息流有序流程結(jié)構(gòu)與信息流多尺度、多層次與自組織多尺度、多層次與自組織流程的劃分、組合與控制流程的劃分、組合與控制動態(tài)動態(tài)-有序流程結(jié)構(gòu)與信息流有序流