一、研究的背景與問(wèn)題

鋼鐵企業(yè)進(jìn)行智能工廠建設(shè)方興未艾，鋼軋方面的智能化需求日趨明確：生產(chǎn)工藝和設(shè)備高度集成，生產(chǎn)過(guò)程自感知、自執(zhí)行、自決策、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)，滿足生產(chǎn)過(guò)程“無(wú)人干預(yù)”，從而達(dá)到鋼軋生產(chǎn)運(yùn)行安全穩(wěn)定、節(jié)能減排、降本增效、優(yōu)化生產(chǎn)、質(zhì)量升級(jí)等目標(biāo)。以加熱爐為代表的加熱設(shè)備，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，硬件設(shè)施已經(jīng)逐步趨同。要進(jìn)一步適應(yīng)鋼鐵工業(yè)智能化的新需求特別是鋼軋產(chǎn)線智能化的總體發(fā)展趨勢(shì)，有必要開(kāi)發(fā)加熱爐群智能管控一體化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)爐群有人監(jiān)控、無(wú)人化操作的控制要求，以及加熱爐區(qū)設(shè)備管理、智能化分析要求。

軋鋼加熱爐的能耗占鋼鐵企業(yè)總能耗的10%左右，占軋鋼廠能耗的70%左右。完善和優(yōu)化加熱爐工序,降低加熱爐能耗的同時(shí)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)起著舉足輕重的作用。本課題主要應(yīng)用場(chǎng)景為軋鋼加熱爐群。由于加熱爐本身的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的熱工機(jī)理模型算法很難滿足加熱爐群的動(dòng)態(tài)控制要求，精確的數(shù)學(xué)模型算法往往計(jì)算量巨大，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)性的要求，受到控制節(jié)奏的限制而無(wú)法在線應(yīng)用。因此，需要研究新的方法和技術(shù)解決加熱爐生產(chǎn)過(guò)程中的產(chǎn)量、質(zhì)量、能耗等多目標(biāo)、非線性、多約束的在線優(yōu)化問(wèn)題。

“加熱爐群智能管控一體化系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用”相當(dāng)于加熱爐區(qū)的智慧大腦。系統(tǒng)的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)加熱爐群生產(chǎn)的智能化組織、無(wú)人化燃燒控制、優(yōu)化的能源消耗、環(huán)保的污染物排放以及設(shè)備的全生命周期健康管理。致力于解決加熱工藝環(huán)節(jié)面臨的以下一些問(wèn)題：

1）實(shí)現(xiàn)加熱過(guò)程無(wú)人為因素干擾，確保爐內(nèi)加熱過(guò)程符合加熱工藝要求以及對(duì)工藝變化的開(kāi)放性。

2）合理組織生產(chǎn)，保障生產(chǎn)節(jié)奏變化時(shí)生產(chǎn)過(guò)程的平穩(wěn)性。

3）基于數(shù)據(jù)平臺(tái)的能源優(yōu)化分析，改進(jìn)生產(chǎn)控制。

4）加熱爐全區(qū)域設(shè)備管理，重點(diǎn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控，保障設(shè)備健康運(yùn)行。

二、解決的問(wèn)題的思路與技術(shù)方案

課題以數(shù)采平臺(tái)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)了工序智能化管控一體化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)加熱爐區(qū)域生產(chǎn)組織和設(shè)備管理及加熱工序?qū)崟r(shí)在線調(diào)控，通過(guò)建立數(shù)據(jù)和機(jī)理雙輪驅(qū)動(dòng)模式，機(jī)理模型和數(shù)據(jù)挖掘相輔相成智能化控制生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)可視化、可操作、可優(yōu)化、可分析、可診斷等加熱爐智能化管控，本系統(tǒng)包括以下六部分：

1、適合加熱爐群的數(shù)采系統(tǒng)建立與配置研究；

2、鋼坯爐區(qū)運(yùn)行的全過(guò)程管控模型研究與開(kāi)發(fā)；

3、全息生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析模型研究與開(kāi)發(fā)；

4、加熱爐核心熱工設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控，預(yù)測(cè)模型；

5、生產(chǎn)數(shù)字仿真模型研究及開(kāi)發(fā)；

6、分角色信息推送系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果

加熱爐群智能管控一體化系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用課題在以下的一些方面取得了創(chuàng)新性的成果：

1、面向加熱爐及關(guān)鍵熱設(shè)備集群上下游協(xié)同優(yōu)化控制的需求，構(gòu)建了輕量化軟硬件與智能化特征的管理控制一體化系統(tǒng)解決方案。以加熱爐和關(guān)鍵熱設(shè)備全息生產(chǎn)數(shù)據(jù)解析為紐帶，耦合加熱爐群上下游全過(guò)程智能管控、關(guān)鍵熱設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)控及其產(chǎn)品性能預(yù)測(cè)，形成了加熱爐及關(guān)鍵熱設(shè)備集群的高效管控。

2、提出了爐群運(yùn)行大數(shù)據(jù)模型和熱工機(jī)理模型互促驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)過(guò)程數(shù)值模擬、加熱質(zhì)量在線預(yù)測(cè)和動(dòng)態(tài)優(yōu)化的協(xié)同調(diào)控新方法。通過(guò)高效、輕量化的全息數(shù)據(jù)采集軟硬件設(shè)備提供基礎(chǔ)信息，動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)加熱爐及關(guān)鍵熱設(shè)備集群的非線性行為，耦合加熱爐群熱工機(jī)理數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了加熱爐群雙輪驅(qū)動(dòng)智能管控一體化系統(tǒng)。

3、構(gòu)建了加熱爐及關(guān)鍵熱設(shè)備集群的數(shù)字孿生體。耦合分角色信息推送系統(tǒng)，實(shí)施加熱工藝、關(guān)鍵設(shè)備、產(chǎn)品質(zhì)量的全過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控，實(shí)時(shí)呈現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、產(chǎn)品狀態(tài)，支撐可追溯的加熱爐及關(guān)鍵熱設(shè)備集群全生命周期的過(guò)程管理與控制。

四、應(yīng)用情況與效果

本項(xiàng)目全部或者部分研究成果，先后應(yīng)用海內(nèi)外多個(gè)項(xiàng)目。綜合比較國(guó)內(nèi)外智能化加熱爐控制系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)以及本項(xiàng)目成果指標(biāo)，本項(xiàng)目的研究成果提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了燃料消耗，提高了自動(dòng)化水平，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著，各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。

實(shí)施案例1：加熱爐智能管控一體化系統(tǒng)于2022年6月，在某鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)全功能模塊上線運(yùn)行，智能管控系統(tǒng)投運(yùn)前加熱爐單耗為1.32GJ/t，系統(tǒng)投運(yùn)后能耗降低到1.16GJ/t，鋼坯氧化燒損從0.8%降低到了0.65%，系統(tǒng)無(wú)需操作人員干涉的智能化生產(chǎn)時(shí)間保持在95%以上的較高水平。

實(shí)施案例2：加熱爐群智能管控一體化系統(tǒng)于2023年1月在某軋上線運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了熱軋四座加熱爐的坯溫跟蹤、智能燃燒控制和基于歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)的智能優(yōu)化等功能。投運(yùn)至今，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)良。連續(xù)投運(yùn)率達(dá)到了95％以上，極大提高了生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平。此外，系統(tǒng)的使用，減少了鋼坯的氧化燒損，提高了產(chǎn)品成材率，降低了能耗，綜合效益良好。

隨著市場(chǎng)對(duì)數(shù)字化加熱爐的需求以及智能化制造的要求，本項(xiàng)目的研究成果必將具有更為廣闊的應(yīng)用前景，必將給企業(yè)帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益，給國(guó)家?guī)?lái)巨大的社會(huì)和環(huán)境效益。

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