一、研究背景與問題

智能制造是對傳統(tǒng)制造業(yè)轉型升級的必要手段，是企業(yè)在研發(fā)、生產、管理、服務等方面持續(xù)改進的方向，隨著國家對智能制造政策的持續(xù)推進，緊扣關鍵工序智能化、生產過程智能優(yōu)化控制，建設智能工廠與數字化車間成為實現智能制造的前提條件。

目前轉爐煉鋼智能制造在國內鋼廠的發(fā)展并不均衡。部分大型鋼廠智能化建設較好，但是各中小型鋼廠還是以滿足生產基本要求為主，在煉鋼生產各工序中，自動化尤其過程自動化的應用參差不齊，制約了煉鋼生產制造由自動化網絡化向智能化方向的升級。因此建立一套完整的智慧煉鋼解決方案具有非常重要的意義。

二、解決問題的思路與技術方案

1、解決問題的思路

構建“扁平化、集成化、高效化”的煉鋼工序工業(yè)互聯網，在各工序模型控制的基礎上，結合大數據分析，實現控制系統(tǒng)“規(guī)范化、流程化、數據化”，解決煉鋼生產過程各工序獨立運行，生產過程數據卻緊密關聯的問題，為煉鋼生產柔性管控奠定基礎。

圖1 煉鋼主工序布置示意圖

針對煉鋼生產過程具有冶煉鋼種的多樣性、生產過程組織的復雜性、異常生產的突發(fā)性、設備運行高可靠性要求等特點，生產調度組織協調難度高，人為判定和干預多，經驗效率參差不齊等問題建立以鋼包管理為核心的物流跟蹤與動態(tài)調度管控平臺，利用大數據分析，看板管理，實現煉鋼生產柔性管控。

圖2 轉爐煉鋼柔性控制系統(tǒng)功能組成示意圖

逐步完善各個工序基礎自動化和過程自動化系統(tǒng)，實現各工序一鍵式生產，夯實基礎管控解決煉鋼各工序基礎自動化和過程自動化薄弱，孤島多，人工干預多，未能實現全流程自動化管控，制約了數字車間的建設等問題。

2、技術方案

（1）構建涵蓋全工序的工業(yè)互聯網平臺.縱向打通基礎控制系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)和生產管理系統(tǒng)數據傳輸鏈路，橫向貫通各自獨立的生產工序，采用工業(yè)數據采集技術，對現場各類儀表、設備數據，L1、L2、L3系統(tǒng)數據，生產視頻、音頻等數據進行采集與存儲，實現產線生產數據實時接入、對外數據服務支持、數據互聯互通、數據高效存儲、數據安全備份、邊緣計算等功能。利用生產、管理、設備數據，結合高效的挖掘和分析工具，用大數據的方法解決生產維護中存在的實際問題。

構建適應產線全要素的工藝參數族、設備參數群、環(huán)境介質參數集和物料參數標準規(guī)則體系等的工序大數據，深入研究工序技術原理，結合機理模型，構建質量在線判定、質量預測、工藝參數優(yōu)化、跨工序的質量預測與控制、制造標準優(yōu)化等智能應用模型，優(yōu)化各工序控制，優(yōu)化工藝參數窗口指標，優(yōu)化工藝過程參數，解決煉鋼生產過程的產品質量遺傳性問題，加快實現工藝技術控制能力的提升，變質量的“事后檢測”為“事前控制”，支撐智能制造目標的實現。系統(tǒng)同時聚焦工藝數據多維度展示、質量數據關聯分析、全流程質量監(jiān)控、質量問題分析與追溯等質量業(yè)務核心管理要點，為質量管理人員提供多維度、多角度的質量數據分析應用，提升質量管理能力；利用數據分析結果，優(yōu)化制造標準、質量標準，助力企業(yè)精益制造。

圖3 煉鋼大數據分析應用示例

（2）建立煉鋼物流跟蹤與動態(tài)調度優(yōu)化系統(tǒng)。通過鋼包智慧管控系統(tǒng)的實施，統(tǒng)計包齡包況、優(yōu)化配包，實現鋼包熱狀態(tài)跟蹤管理，提高鋼包周轉率，減少日周轉鋼包數量，實現按計劃合理配包，提高紅包出鋼率，降低運輸過程鋼水溫降，節(jié)約烘烤煤氣消耗；通過鋼包在線溫度模型、熱成像技術，對包襯溫度進行預測，指導各工藝點的溫度控制；根據天車定位、臺車定位、包號識別、生產設備實時狀態(tài)，實現鋼包在鋼水跨各個工藝點、烘烤位、冷修位、空包位、重包位的動態(tài)管控，實現鋼包號、爐號、鋼種匹配；與轉爐二級、MES等系統(tǒng)進行數據互通，動態(tài)排程各作業(yè)單元生產計劃，減少人工干預，提高生產組織效率。

圖4 鋼包智慧管理系統(tǒng)示例

（3）全流程過程控制系統(tǒng)的應用。以轉爐吹煉過程全自動、脫硫處理過程全自動為基礎，并結合動靜態(tài)模型煉鋼、煙氣分析模型等控制終點溫度、終點碳和氧的含量，加上目前技術上正在走向成熟的轉爐自動出鋼技術、脫硫過程中的一鍵扒渣技術，構建了轉爐煉鋼智能控制的基石。

①轉爐全自動模型煉鋼。在滿足傳統(tǒng)的煉鋼工藝控制要求的基礎上，進一步開發(fā)基于煉鋼模型計算的工藝吹煉表數據，實現氧槍槍位自動控制，頂吹底吹閥門站吹煉自動控制，投料系統(tǒng)稱量投料的自動控制，結合副槍系統(tǒng)自動檢測及吹煉數據修正，實現從氧槍下槍開始到吹煉完成整個冶煉過程的全自動控制，無需人工干預的目標，采用數據采集技術及數據逐步回歸模型分析技術，通過冶金原理與統(tǒng)計回歸相結合的方法，使模型客戶化，提高了模型的適應能力。

基于渣況分析模型開發(fā)了全自動濺渣護爐功能，在濺渣階段實現槍位、濺渣流量、濺渣料等的自動控制，自動濺渣分為多種模式，分別對應不同的濺渣設定方案。根據爐渣溫度和流動性等條件可以切換不同的濺渣模式，從而控制槍位、氮氣流量、濺渣時長等。

基于對冶煉過程的判斷，并結合轉爐煉鋼動靜態(tài)模型計算的終點、液面、爐齡等參數，開發(fā)了全流程底吹控制模型，由模型自動生成全流程流量曲線，根據不同鋼種要求的供氣強度，提供多種控制模式下的底吹流量設定值，使底吹供氣強度的調整更加精細、準確。

②轉爐出鋼無人化。轉爐自動出鋼開發(fā)了傾爐角度與鋼包車接鋼位置的閉環(huán)控制模型，自動調整搖爐步間等待時間，通過圖像識別技術檢測渣層狀態(tài)，實現出鋼搖爐動態(tài)控制。通過與爐口檢測系統(tǒng)，下渣檢測系統(tǒng)的配合，當檢測到下渣時，系統(tǒng)報警并自動關閉滑板，轉爐自動回搖至零位，完成出鋼過程。

出鋼無人化即自動出鋼功能，依賴于對轉爐中鋼水液面的實時檢測。根據鋼水液面檢測，實時調整轉爐傾動角度和鋼包車位置，配合下渣檢測和滑板擋渣系統(tǒng)實現自動出鋼功能。目前實現的難點在于轉爐及鋼包內鋼水液面的實時檢測功能，其實現的基本思路是：在出鋼過程中，通過圖像識別技術，實時監(jiān)測分析計算鋼包內液位高度；在轉爐出鋼過程中通過紅外監(jiān)測爐口狀態(tài)，把視頻圖像同時上傳給智能圖像分析處理系統(tǒng)，檢測爐內渣液面距離轉爐爐口邊界的距離。

③鐵水預處理一鍵脫硫。脫硫模型根據鐵水溫度、成分、重量等給出料量與攪拌深度與時間等，實現鐵水預處理全過程自動化，應用圖像識別技術，判斷鐵水中渣分布狀態(tài)，動態(tài)規(guī)劃扒渣機動作路徑，實現扒渣過程智能化，實現“一鍵脫硫”。

自動脫硫短流程一般過程為確認設備條件與參數，流程啟動后攪拌頭下降，攪拌頭在降到液面以上某高度時開始低速旋轉，攪拌頭旋轉著進入鐵水并到達加料高度時，加料溜管啟動伸出，攪拌頭旋轉速度增加并啟動加料，加料完成后，攪拌頭下降至處理高度并開始攪拌，攪拌頭攪拌達到設定時間時，攪拌頭停止并提升至待機位。

自動脫硫長流程一般過程為確認設備條件與參數，啟動后鐵水車前進至測溫位，鐵水車在測溫位時啟動測溫槍進行自動測溫，完成測溫后啟動鐵水車至攪拌位，鐵水車至攪拌位后啟動短流程的自動脫硫，流程參照上面的描述。

④轉爐上料無人化。根據轉爐各高位料倉料種設定，設定各高位料倉上料規(guī)則。根據各高位料倉實際料位檢測，結合高位料倉上料管理規(guī)則，控制上料系統(tǒng)自動上料。實現輔原料上料系統(tǒng)操作無人化。

目前傳統(tǒng)的自動上料控制無法滿足轉爐上料效率的要求，因為轉爐上料流程較長且單個地下料倉同時供給多座轉爐高位料倉使用，無法提供合理的上料及布料小車定位規(guī)則制約了自動上料的投用，一旦因為匹配規(guī)則不合理造成高位料倉混料，撒料直接影響轉爐生產。根據高位料倉料種、單爐用料量趨勢及料位設置合理上料算法，是實現自動上料的基礎。

三、主要創(chuàng)新性成果

1、采用了先進的控制策略，實現了煉鋼全流程、多工序匹配、多操作模式的柔性控制，提高了大型轉爐的生產效率及目標命中率。

2、實現了綠色節(jié)能、敏捷冶煉、為高質量冶煉創(chuàng)造了條件。

3、實現了物流的流轉與生產節(jié)奏的匹配，保證生產計劃的準時執(zhí)行，為智慧化工廠的建設提供了信息化技術支撐。

4、建立了工藝參數與產品質量的對應關系，為制定工藝規(guī)范和質量體系提供決策支持，提高產品質量穩(wěn)定性。

四、應用情況與效果

通過軟測量技術、圖像識別技術、多模式控制技術提高了轉爐基礎自動化控制系統(tǒng)的柔性。集成開發(fā)了一套高可靠高柔性轉爐全自動控制系統(tǒng)，實現了 “一鍵煉鋼”、“一鍵脫硫”、“全自動上料”、“全自動投料”等功能。輔助應用煉鋼物流跟蹤與工序大數據系統(tǒng)，助力煉鋼生產管理升級。

“一鍵煉鋼”采用了動靜態(tài)煉鋼二級模型，針對轉爐在生產過程中的不同階段，自動控制氧槍的槍位，頂吹氧氣流量，底吹介質類型及流量，輔原料和鐵合金的自動稱量投入，實現轉爐吹煉全過程的自動控制，該功能與轉爐二級投料模型和吹煉模型無縫集成，達到了操作簡單、控制穩(wěn)定、一次命中率高的目標?！耙绘I脫硫”根據當前鐵水重量、成分、目標硫含量，通過模型計算所需脫硫劑的種類、重量和攪拌時間，通過氣力輸送將脫硫劑通過管道加入鐵水罐適當位置，完成脫硫功能。在自動控制方面應用了大量的先進控制算法，吸收了國內外相關模型技術的優(yōu)點，二級智能煉鋼模型投用率達到了100%，系統(tǒng)使用模型煉鋼的終點碳和終點溫度的命中率分別達到92%和90%，金屬收得率提高0.1% ；石灰消耗減少4.5Kg/t；氧量消耗降低2m3/t。