一、研究背景與問題
智能制造是對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的必要手段，是企業(yè)在研發(fā)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等方面持續(xù)改進(jìn)的方向，隨著國(guó)家對(duì)智能制造政策的持續(xù)推進(jìn)，緊扣關(guān)鍵工序智能化、生產(chǎn)過程智能優(yōu)化控制，建設(shè)智能工廠與數(shù)字化車間成為實(shí)現(xiàn)智能制造的前提條件。
目前轉(zhuǎn)爐煉鋼智能制造在國(guó)內(nèi)鋼廠的發(fā)展并不均衡。部分大型鋼廠智能化建設(shè)較好，但是各中小型鋼廠還是以滿足生產(chǎn)基本要求為主，在煉鋼生產(chǎn)各工序中，自動(dòng)化尤其過程自動(dòng)化的應(yīng)用參差不齊，制約了煉鋼生產(chǎn)制造由自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)化向智能化方向的升級(jí)。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(shù)方案
1、解決問題的思路
構(gòu)建“扁平化、集成化、高效化”的煉鋼工序工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，在各工序模型控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)“規(guī)范化、流程化、數(shù)據(jù)化”，解決煉鋼生產(chǎn)過程各工序獨(dú)立運(yùn)行，生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)卻緊密關(guān)聯(lián)的問題，為煉鋼生產(chǎn)柔性管控奠定基礎(chǔ)。
圖1 煉鋼主工序布置示意圖
針對(duì)煉鋼生產(chǎn)過程具有冶煉鋼種的多樣性、生產(chǎn)過程組織的復(fù)雜性、異常生產(chǎn)的突發(fā)性、設(shè)備運(yùn)行高可靠性要求等特點(diǎn)，生產(chǎn)調(diào)度組織協(xié)調(diào)難度高，人為判定和干預(yù)多，經(jīng)驗(yàn)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(dòng)態(tài)調(diào)度管控平臺(tái)，利用大數(shù)據(jù)分析，看板管理，實(shí)現(xiàn)煉鋼生產(chǎn)柔性管控。
圖2 轉(zhuǎn)爐煉鋼柔性控制系統(tǒng)功能組成示意圖
逐步完善各個(gè)工序基礎(chǔ)自動(dòng)化和過程自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各工序一鍵式生產(chǎn)，夯實(shí)基礎(chǔ)管控解決煉鋼各工序基礎(chǔ)自動(dòng)化和過程自動(dòng)化薄弱，孤島多，人工干預(yù)多，未能實(shí)現(xiàn)全流程自動(dòng)化管控，制約了數(shù)字車間的建設(shè)等問題。
2、技術(shù)方案
（1）構(gòu)建涵蓋全工序的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái).縱向打通基礎(chǔ)控制系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)和生產(chǎn)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸鏈路，橫向貫通各自獨(dú)立的生產(chǎn)工序，采用工業(yè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各類儀表、設(shè)備數(shù)據(jù)，L1、L2、L3系統(tǒng)數(shù)據(jù)，生產(chǎn)視頻、音頻等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接入、對(duì)外數(shù)據(jù)服務(wù)支持、數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)高效存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)安全備份、邊緣計(jì)算等功能。利用生產(chǎn)、管理、設(shè)備數(shù)據(jù)，結(jié)合高效的挖掘和分析工具，用大數(shù)據(jù)的方法解決生產(chǎn)維護(hù)中存在的實(shí)際問題。
構(gòu)建適應(yīng)產(chǎn)線全要素的工藝參數(shù)族、設(shè)備參數(shù)群、環(huán)境介質(zhì)參數(shù)集和物料參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則體系等的工序大數(shù)據(jù)，深入研究工序技術(shù)原理，結(jié)合機(jī)理模型，構(gòu)建質(zhì)量在線判定、質(zhì)量預(yù)測(cè)、工藝參數(shù)優(yōu)化、跨工序的質(zhì)量預(yù)測(cè)與控制、制造標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化等智能應(yīng)用模型，優(yōu)化各工序控制，優(yōu)化工藝參數(shù)窗口指標(biāo)，優(yōu)化工藝過程參數(shù)，解決煉鋼生產(chǎn)過程的產(chǎn)品質(zhì)量遺傳性問題，加快實(shí)現(xiàn)工藝技術(shù)控制能力的提升，變質(zhì)量的“事后檢測(cè)”為“事前控制”，支撐智能制造目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)同時(shí)聚焦工藝數(shù)據(jù)多維度展示、質(zhì)量數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析、全流程質(zhì)量監(jiān)控、質(zhì)量問題分析與追溯等質(zhì)量業(yè)務(wù)核心管理要點(diǎn)，為質(zhì)量管理人員提供多維度、多角度的質(zhì)量數(shù)據(jù)分析應(yīng)用，提升質(zhì)量管理能力；利用數(shù)據(jù)分析結(jié)果，優(yōu)化制造標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，助力企業(yè)精益制造。
圖3 煉鋼大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用示例
（2）建立煉鋼物流跟蹤與動(dòng)態(tài)調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)。通過鋼包智慧管控系統(tǒng)的實(shí)施，統(tǒng)計(jì)包齡包況、優(yōu)化配包，實(shí)現(xiàn)鋼包熱狀態(tài)跟蹤管理，提高鋼包周轉(zhuǎn)率，減少日周轉(zhuǎn)鋼包數(shù)量，實(shí)現(xiàn)按計(jì)劃合理配包，提高紅包出鋼率，降低運(yùn)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(shù)，對(duì)包襯溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)，指導(dǎo)各工藝點(diǎn)的溫度控制；根據(jù)天車定位、臺(tái)車定位、包號(hào)識(shí)別、生產(chǎn)設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)鋼包在鋼水跨各個(gè)工藝點(diǎn)、烘烤位、冷修位、空包位、重包位的動(dòng)態(tài)管控，實(shí)現(xiàn)鋼包號(hào)、爐號(hào)、鋼種匹配；與轉(zhuǎn)爐二級(jí)、MES等系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)互通，動(dòng)態(tài)排程各作業(yè)單元生產(chǎn)計(jì)劃，減少人工干預(yù)，提高生產(chǎn)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(yīng)用。以轉(zhuǎn)爐吹煉過程全自動(dòng)、脫硫處理過程全自動(dòng)為基礎(chǔ)，并結(jié)合動(dòng)靜態(tài)模型煉鋼、煙氣分析模型等控制終點(diǎn)溫度、終點(diǎn)碳和氧的含量，加上目前技術(shù)上正在走向成熟的轉(zhuǎn)爐自動(dòng)出鋼技術(shù)、脫硫過程中的一鍵扒渣技術(shù)，構(gòu)建了轉(zhuǎn)爐煉鋼智能控制的基石。
①轉(zhuǎn)爐全自動(dòng)模型煉鋼。在滿足傳統(tǒng)的煉鋼工藝控制要求的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)基于煉鋼模型計(jì)算的工藝吹煉表數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)氧槍槍位自動(dòng)控制，頂吹底吹閥門站吹煉自動(dòng)控制，投料系統(tǒng)稱量投料的自動(dòng)控制，結(jié)合副槍系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)及吹煉數(shù)據(jù)修正，實(shí)現(xiàn)從氧槍下槍開始到吹煉完成整個(gè)冶煉過程的全自動(dòng)控制，無需人工干預(yù)的目標(biāo)，采用數(shù)據(jù)采集技術(shù)及數(shù)據(jù)逐步回歸模型分析技術(shù)，通過冶金原理與統(tǒng)計(jì)回歸相結(jié)合的方法，使模型客戶化，提高了模型的適應(yīng)能力。
基于渣況分析模型開發(fā)了全自動(dòng)濺渣護(hù)爐功能，在濺渣階段實(shí)現(xiàn)槍位、濺渣流量、濺渣料等的自動(dòng)控制，自動(dòng)濺渣分為多種模式，分別對(duì)應(yīng)不同的濺渣設(shè)定方案。根據(jù)爐渣溫度和流動(dòng)性等條件可以切換不同的濺渣模式，從而控制槍位、氮?dú)饬髁俊R渣時(shí)長(zhǎng)等。
基于對(duì)冶煉過程的判斷，并結(jié)合轉(zhuǎn)爐煉鋼動(dòng)靜態(tài)模型計(jì)算的終點(diǎn)、液面、爐齡等參數(shù)，開發(fā)了全流程底吹控制模型，由模型自動(dòng)生成全流程流量曲線，根據(jù)不同鋼種要求的供氣強(qiáng)度，提供多種控制模式下的底吹流量設(shè)定值，使底吹供氣強(qiáng)度的調(diào)整更加精細(xì)、準(zhǔn)確。
②轉(zhuǎn)爐出鋼無人化。轉(zhuǎn)爐自動(dòng)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(dòng)調(diào)整搖爐步間等待時(shí)間，通過圖像識(shí)別技術(shù)檢測(cè)渣層狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)出鋼搖爐動(dòng)態(tài)控制。通過與爐口檢測(cè)系統(tǒng)，下渣檢測(cè)系統(tǒng)的配合，當(dāng)檢測(cè)到下渣時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警并自動(dòng)關(guān)閉滑板，轉(zhuǎn)爐自動(dòng)回?fù)u至零位，完成出鋼過程。
出鋼無人化即自動(dòng)出鋼功能，依賴于對(duì)轉(zhuǎn)爐中鋼水液面的實(shí)時(shí)檢測(cè)。根據(jù)鋼水液面檢測(cè)，實(shí)時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)角度和鋼包車位置，配合下渣檢測(cè)和滑板擋渣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)出鋼功能。目前實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于轉(zhuǎn)爐及鋼包內(nèi)鋼水液面的實(shí)時(shí)檢測(cè)功能，其實(shí)現(xiàn)的基本思路是：在出鋼過程中，通過圖像識(shí)別技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析計(jì)算鋼包內(nèi)液位高度；在轉(zhuǎn)爐出鋼過程中通過紅外監(jiān)測(cè)爐口狀態(tài)，把視頻圖像同時(shí)上傳給智能圖像分析處理系統(tǒng)，檢測(cè)爐內(nèi)渣液面距離轉(zhuǎn)爐爐口邊界的距離。
③鐵水預(yù)處理一鍵脫硫。脫硫模型根據(jù)鐵水溫度、成分、重量等給出料量與攪拌深度與時(shí)間等，實(shí)現(xiàn)鐵水預(yù)處理全過程自動(dòng)化，應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù)，判斷鐵水中渣分布狀態(tài)，動(dòng)態(tài)規(guī)劃扒渣機(jī)動(dòng)作路徑，實(shí)現(xiàn)扒渣過程智能化，實(shí)現(xiàn)“一鍵脫硫”。
自動(dòng)脫硫短流程一般過程為確認(rèn)設(shè)備條件與參數(shù)，流程啟動(dòng)后攪拌頭下降，攪拌頭在降到液面以上某高度時(shí)開始低速旋轉(zhuǎn)，攪拌頭旋轉(zhuǎn)著進(jìn)入鐵水并到達(dá)加料高度時(shí)，加料溜管啟動(dòng)伸出，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度增加并啟動(dòng)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(dá)到設(shè)定時(shí)間時(shí)，攪拌頭停止并提升至待機(jī)位。
自動(dòng)脫硫長(zhǎng)流程一般過程為確認(rèn)設(shè)備條件與參數(shù)，啟動(dòng)后鐵水車前進(jìn)至測(cè)溫位，鐵水車在測(cè)溫位時(shí)啟動(dòng)測(cè)溫槍進(jìn)行自動(dòng)測(cè)溫，完成測(cè)溫后啟動(dòng)鐵水車至攪拌位，鐵水車至攪拌位后啟動(dòng)短流程的自動(dòng)脫硫，流程參照上面的描述。
④轉(zhuǎn)爐上料無人化。根據(jù)轉(zhuǎn)爐各高位料倉(cāng)料種設(shè)定，設(shè)定各高位料倉(cāng)上料規(guī)則。根據(jù)各高位料倉(cāng)實(shí)際料位檢測(cè)，結(jié)合高位料倉(cāng)上料管理規(guī)則，控制上料系統(tǒng)自動(dòng)上料。實(shí)現(xiàn)輔原料上料系統(tǒng)操作無人化。
目前傳統(tǒng)的自動(dòng)上料控制無法滿足轉(zhuǎn)爐上料效率的要求，因?yàn)檗D(zhuǎn)爐上料流程較長(zhǎng)且單個(gè)地下料倉(cāng)同時(shí)供給多座轉(zhuǎn)爐高位料倉(cāng)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(dòng)上料的投用，一旦因?yàn)槠ヅ湟?guī)則不合理造成高位料倉(cāng)混料，撒料直接影響轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)。根據(jù)高位料倉(cāng)料種、單爐用料量趨勢(shì)及料位設(shè)置合理上料算法，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料的基礎(chǔ)。
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
1、采用了先進(jìn)的控制策略，實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)爐的生產(chǎn)效率及目標(biāo)命中率。
2、實(shí)現(xiàn)了綠色節(jié)能、敏捷冶煉、為高質(zhì)量冶煉創(chuàng)造了條件。
3、實(shí)現(xiàn)了物流的流轉(zhuǎn)與生產(chǎn)節(jié)奏的匹配，保證生產(chǎn)計(jì)劃的準(zhǔn)時(shí)執(zhí)行，為智慧化工廠的建設(shè)提供了信息化技術(shù)支撐。
4、建立了工藝參數(shù)與產(chǎn)品質(zhì)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為制定工藝規(guī)范和質(zhì)量體系提供決策支持，提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。
四、應(yīng)用情況與效果
通過軟測(cè)量技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)、多模式控制技術(shù)提高了轉(zhuǎn)爐基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的柔性。集成開發(fā)了一套高可靠高柔性轉(zhuǎn)爐全自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了 “一鍵煉鋼”、“一鍵脫硫”、“全自動(dòng)上料”、“全自動(dòng)投料”等功能。輔助應(yīng)用煉鋼物流跟蹤與工序大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，助力煉鋼生產(chǎn)管理升級(jí)。
“一鍵煉鋼”采用了動(dòng)靜態(tài)煉鋼二級(jí)模型，針對(duì)轉(zhuǎn)爐在生產(chǎn)過程中的不同階段，自動(dòng)控制氧槍的槍位，頂吹氧氣流量，底吹介質(zhì)類型及流量，輔原料和鐵合金的自動(dòng)稱量投入，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐吹煉全過程的自動(dòng)控制，該功能與轉(zhuǎn)爐二級(jí)投料模型和吹煉模型無縫集成，達(dá)到了操作簡(jiǎn)單、控制穩(wěn)定、一次命中率高的目標(biāo)?！耙绘I脫硫”根據(jù)當(dāng)前鐵水重量、成分、目標(biāo)硫含量，通過模型計(jì)算所需脫硫劑的種類、重量和攪拌時(shí)間，通過氣力輸送將脫硫劑通過管道加入鐵水罐適當(dāng)位置，完成脫硫功能。在自動(dòng)控制方面應(yīng)用了大量的先進(jìn)控制算法，吸收了國(guó)內(nèi)外相關(guān)模型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，二級(jí)智能煉鋼模型投用率達(dá)到了100%，系統(tǒng)使用模型煉鋼的終點(diǎn)碳和終點(diǎn)溫度的命中率分別達(dá)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。
