智能化鋼鐵制造流程信息物理系統(tǒng)的設(shè)計研究
張福明1,2
(1. 首鋼集團有限公司， 北京 100041；2. 北京市冶金三維仿真工程技術(shù)研究中心， 北京 100043)
摘要：現(xiàn)代鋼鐵制造流程是集成燒結(jié)、球團、焦化、煉鐵、煉鋼和軋鋼等多工序過程的耗散結(jié)構(gòu)體系。鋼鐵制造流程是在物質(zhì)流、能量流和信息流協(xié)同運行的條件下，完成一系列復雜的冶金過程和轉(zhuǎn)變。探討了對鋼鐵制造過程物理本質(zhì)以及運行特征的認識和研究，提出了現(xiàn)代鋼鐵制造流程物理系統(tǒng)的設(shè)計理念和方法。闡述了流程工程動態(tài)精準設(shè)計體系在鋼鐵冶金工程設(shè)計中的應(yīng)用，討論了智能化鋼鐵制造流程的系統(tǒng)層次和構(gòu)建理念。著重論述了鋼鐵制造流程信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵和架構(gòu)，提出了靜態(tài)物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)集成、耦合、協(xié)同的設(shè)計理念和方法，論證了現(xiàn)代鋼鐵制造流程信息物理系統(tǒng)的智能化設(shè)計思路、程序和應(yīng)用實踐。
關(guān)鍵詞：鋼鐵；制造流程；智能化；信息物理系統(tǒng)；設(shè)計；耗散結(jié)構(gòu)
文獻標志碼：A 文章編號：0449-749X（2021）06-0001-09
Research and design on cyber physics system of intelligent iron and steel manufacturing process
ZHANG Fu-ming1,2
(1. Shougang Group Co.， Ltd.， Beijing 100041， China；2. Beijing Metallurgical 3D Simulation Engineering Technology Research Center， Beijing 100043， China)
Abstract：The modern iron and steel manufacturing process is a dissipative structure system that integrates multiple production processes of sintering，pelletizing，coking，ironmaking，steelmaking，and rolling，etc. The iron and steel manufacturing process is to achieve a series of complex metallurgical processes and transformations under the condition of coordinated operation of substance flow，energy flow，and information flow. The understanding and research on the physical essence and operation characteristics of iron and steel manufacturing process are discussed；the engineering design philosophy and method of modern steel manufacturing process physical system are put forward. The application of process engineering dynamic precision design system in the iron and steel metallurgical engineering design is described；the systematic level and construction concept of intelligent iron and steel manufacturing process are discussed. The connotation and structure of the cyber-physical system for the iron and steel manufacturing process are emphasized. The design concept and method of the integration，coupling，and cooperation between the static physical system and the cyber system are proposed；the thinking，program，and application practice of intelligent design for the cyber-physical system of modern iron and steel manufacturing process.
Key words：iron and steel；manufacturing process；intelligentization；cyber physical system；design；dissipativestructure
現(xiàn)代鋼鐵冶金工藝流程是由燒結(jié)、球團、焦化、煉鐵、煉鋼、軋鋼等多個單元工序和單元裝置構(gòu)成的，是通過多工序非線性耦合構(gòu)成的復雜制造系統(tǒng)。鋼鐵制造流程中各單元工序或單元裝置之間，具有系統(tǒng)層次性和復雜多樣性，上游工序的輸出即為下游工序的輸入，上下游工序之間緊密銜接、相互匹配?，F(xiàn)代鋼鐵制造流程以動態(tài)-有序、協(xié)同-連續(xù)和耗散結(jié)構(gòu)優(yōu)化為特征，通過智能化推動鋼鐵產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量轉(zhuǎn)型發(fā)展，實現(xiàn)鋼鐵企業(yè)高效率-低成本生產(chǎn)運行，不斷提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟效益和市場競爭力。
1.1 物理本質(zhì)
現(xiàn)代高爐-轉(zhuǎn)爐鋼鐵生產(chǎn)過程中，燒結(jié)、球團、焦化、高爐、轉(zhuǎn)爐、連鑄、軋鋼等單元工序基本都是獨立運行，工序之間通過膠帶機、鐵水罐、鋼水罐、輥道、吊車等運輸(儲存或緩沖)設(shè)備/裝置連接起來，進而形成完整的鋼鐵制造流程，經(jīng)過這個復雜的多工序耦合運行的制造流程(單元操作+單元過程)，鐵礦石經(jīng)過一系列復雜的冶金過程最終被生產(chǎn)成鋼材產(chǎn)品。
現(xiàn)代鋼鐵冶金工藝過程的實質(zhì)是一類開放的、遠離平衡的、不可逆的、由不同結(jié)構(gòu)-功能的相關(guān)單元工序過程經(jīng)過非線性相互作用、嵌套構(gòu)建而成的流程系統(tǒng)，是一個多相多態(tài)復雜巨系統(tǒng)。在這個流程系統(tǒng)中，鐵素物質(zhì)流和能量流耦合作用、協(xié)同運行，按照設(shè)定的運行程序，沿著所設(shè)計的復雜流程網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)運行。與此同時，在這個復雜流程中，還要實現(xiàn)結(jié)構(gòu)、功能、效率的集成優(yōu)化和運行效果的多目標優(yōu)化。
由此可見，動態(tài)變化是鋼鐵制造流程運行的核心。進一步研究可以發(fā)現(xiàn)，對于高爐-轉(zhuǎn)爐工藝流程，其流程的物理本質(zhì)是：鐵素物質(zhì)流在碳素能量流的作用和驅(qū)動下、在信息流的調(diào)控下，沿著設(shè)定的流程網(wǎng)絡(luò)(即設(shè)計的工藝流程)，按照設(shè)定的運行程序(即控制系統(tǒng)、控制模型等)進行動態(tài)連續(xù)的運行過程，在這個運行過程中實現(xiàn)成本、質(zhì)量、效率、效益、環(huán)境等多目標集成優(yōu)化。所謂多目標集群包括提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能，降低生產(chǎn)消耗和運行成本，實現(xiàn)生產(chǎn)高效順行，提高能源轉(zhuǎn)換效率和利用率，降低資源和能源消耗、CO2及污染物排放，實現(xiàn)鋼鐵制造過程的循環(huán)經(jīng)濟和低碳綠色等。
1.2 運行特征
現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)工藝過程是多個單元工序和單元裝置相互銜接、前后匹配所構(gòu)成的一個協(xié)同運行的集成系統(tǒng)和制造過程。典型的現(xiàn)代鋼鐵制造流程如圖1所示。
整體性和復雜性是現(xiàn)代鋼鐵制造流程的重要特征。鋼鐵制造流程的整體性是系統(tǒng)論的具體體現(xiàn)，表現(xiàn)在鋼鐵制造流程的整體和工序之間的相互關(guān)系方面。即當流程整體處于有序狀態(tài)時，流程整體的功能和效率大于工序之和；但是當流程整體處于無序狀態(tài)時，流程整體的功能和效率則小于工序之和；與此同時，工序的紊亂和無序也將對鋼鐵制造流程的整體產(chǎn)生影響效應(yīng)?，F(xiàn)代鋼鐵制造流程的復雜多樣性和層次結(jié)構(gòu)性則是其復雜性的具體體現(xiàn)。
1.3 特征要素
殷瑞鈺院士指出“流”、“流程網(wǎng)絡(luò)”和“運行程序”是鋼鐵制造流程動態(tài)運行的特征要素。所謂流是現(xiàn)代鋼鐵制造流程運動態(tài)變化中最關(guān)鍵的要素；而所謂流程網(wǎng)絡(luò)乃是鋼鐵制造流程的運行路徑、結(jié)構(gòu)和時空邊界，即流程設(shè)計中的鋼鐵制造工序流程結(jié)構(gòu)以及流程界面；運行程序則是指鋼鐵制造流程的信息化原則、策略和調(diào)控程序等。在鋼鐵制造流程中，運行程序主要是指流程運行中各類信息的采集、存儲、傳輸、處理和網(wǎng)絡(luò)化集成，以及網(wǎng)絡(luò)化的調(diào)控操作和運行管理，還涵蓋過程檢測、程序控制、制造執(zhí)行、能源管控和企業(yè)資源計劃等。現(xiàn)代鋼鐵制造過程運行程序還體現(xiàn)著信息輸入“他組織”的特征。
2.1 功能優(yōu)化
現(xiàn)代鋼鐵制造流程是基于鋼鐵制造過程物質(zhì)、能量和信息的動態(tài)耦合、協(xié)同運行和系統(tǒng)集成而構(gòu)建起來的全新型鋼鐵制造系統(tǒng)?，F(xiàn)代鋼鐵廠的功能已經(jīng)拓展為鋼鐵產(chǎn)品制造、能源轉(zhuǎn)換和廢棄物消納處理與再資源化3大功能。
現(xiàn)代鋼鐵冶金流程設(shè)計必須摒棄傳統(tǒng)的機械還原論理念和方法，樹立動態(tài)運行的思維理念，所設(shè)計的鋼鐵制造流程物理系統(tǒng)(工程物理實體)應(yīng)充分體現(xiàn)鋼鐵制造要素優(yōu)化、動態(tài)有序、協(xié)同連續(xù)、運行高效的結(jié)構(gòu)特征，通過物質(zhì)-能量-信息的流程網(wǎng)絡(luò)以及相應(yīng)的動態(tài)運行程序的協(xié)同運行和耦合匹配，使其構(gòu)建成為具備高效率-低成本-高質(zhì)量的鋼鐵產(chǎn)品制造功能、高效能源轉(zhuǎn)換功能以及資源化處理廢棄物3大功能的工程系統(tǒng)?，F(xiàn)代鋼鐵制造流程功能優(yōu)化如圖2所示。
2.2 設(shè)計理念
現(xiàn)代鋼鐵制造流程以現(xiàn)代鋼鐵冶金工程設(shè)計理論和方法指導概念設(shè)計和頂層設(shè)計，并以優(yōu)化的頂層設(shè)計統(tǒng)籌工序、設(shè)備、裝置等工藝要素的合理選擇和動態(tài)集成。頂層設(shè)計包括單元工序和裝置等要素的優(yōu)化選擇、總體流程結(jié)構(gòu)的形成和建構(gòu)、流程功能的優(yōu)化和合理建構(gòu)。系統(tǒng)優(yōu)化體現(xiàn)在工序功能集合解析-優(yōu)化、工序之間關(guān)系集合協(xié)調(diào)-優(yōu)化、流程工序集合的重構(gòu)-優(yōu)化，以及流程動態(tài)運行效率、能源轉(zhuǎn)換效率等方面的策劃和考量等內(nèi)涵。
現(xiàn)代鋼鐵制造流程使鋼鐵冶金工程從孤立的局部性研究走向開放的動態(tài)系統(tǒng)研究，從間歇、等待和隨機組合運行的流程走向動態(tài)、協(xié)同、非線性耦合的動態(tài)精準、耗散優(yōu)化的流程。
鋼鐵冶金工程演化和現(xiàn)代鋼鐵制造流程構(gòu)建，本質(zhì)上是工程思維模式的轉(zhuǎn)變和創(chuàng)新，是從機械“還原論”思維模式所暴露出的缺失中擺脫出來，探索到了系統(tǒng)性整體集成優(yōu)化的新思路和新理念。從工程哲學視角分析，在鋼鐵制造流程設(shè)計中，不僅要研究“孤立”和“局部”的“最佳”，更要解決流程整體動態(tài)運行過程的系統(tǒng)最優(yōu)化；不能用機械論拆分-還原的方法來解決相關(guān)的、異質(zhì)功能的而又往往是不易同步運行工序/裝置的組合集成的復雜問題。鋼鐵制造流程設(shè)計要注重研究鋼鐵冶金耗散結(jié)構(gòu)動態(tài)運行過程的工程科學問題，要理清工藝表象和物理本質(zhì)之間的表里關(guān)系、因果關(guān)系、非線性相互作用和動態(tài)耦合關(guān)系，并探索出其內(nèi)在規(guī)律。
因此離散型裝備制造業(yè)所通行的采用信息網(wǎng)絡(luò)鏈接實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能化的理念，在鋼鐵冶金復雜的流程制造系統(tǒng)中，不是簡單照搬照抄就能夠?qū)崿F(xiàn)鋼鐵制造全流程智能化，需要一切從實際出發(fā)，結(jié)合鋼鐵制造流程的本構(gòu)特征和運行特點，必須要設(shè)計并構(gòu)建出結(jié)構(gòu)合理、運行高效、動態(tài)有序、協(xié)同連續(xù)的鋼鐵制造流程靜態(tài)物理結(jié)構(gòu)(static physical systems)。
2.3 設(shè)計方法
鋼鐵制造流程設(shè)計是基于鋼鐵冶金基礎(chǔ)科學，應(yīng)用鋼鐵冶金技術(shù)科學和工藝技術(shù)、裝備技術(shù)以及相關(guān)專業(yè)技術(shù)等進行有效的工程集成的過程，是在科學-技術(shù)-工程3個層次上進行綜合、權(quán)衡、集成和建構(gòu)的過程。流程設(shè)計是現(xiàn)代鋼鐵廠工程設(shè)計最重要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是承載工程理念的載體。從方法論上來看，流程設(shè)計是鋼鐵冶金工程的要素、結(jié)構(gòu)、功能、效率的權(quán)衡選擇、協(xié)調(diào)取舍和綜合集成，從而構(gòu)建出結(jié)構(gòu)、效率、功能協(xié)同優(yōu)化具有可持續(xù)競爭能力的實體工程結(jié)構(gòu)。
流程設(shè)計核心關(guān)注點是要協(xié)調(diào)處理整體流程的結(jié)構(gòu)、效率和功能集成優(yōu)化以及動態(tài)運行過程中的目標群的優(yōu)化，使各單元工序和裝置之間實現(xiàn)動態(tài)-有序和協(xié)同-連續(xù)，合理構(gòu)建出物質(zhì)、能量和信息的流程網(wǎng)絡(luò)，制定動態(tài)-精準的運行程序，協(xié)調(diào)處理單元工序、單元裝備和信息控制系統(tǒng)之間的耦合匹配。因此，鋼鐵冶金工程設(shè)計是跨學科、跨領(lǐng)域的學科分支，需要集成鋼鐵冶金基礎(chǔ)科學、技術(shù)科學和工程科學的研究成果和發(fā)展趨勢進行設(shè)計應(yīng)用和創(chuàng)新，并將其凝聚成工程設(shè)計新的認識、理念、理論和方法。
3.1 設(shè)計思維
現(xiàn)代鋼鐵冶金工程設(shè)計是基于系統(tǒng)論、協(xié)同學、運籌學、耗散結(jié)構(gòu)理論和冶金流程工程學理論，從傳統(tǒng)靜態(tài)-粗放的設(shè)計模式發(fā)展到動態(tài)-精準的設(shè)計體系，基于鋼鐵制造流程動態(tài)運行過程物理本質(zhì)的深刻認識，以冶金流程工程學為基礎(chǔ)所建立的設(shè)計理念和設(shè)計方法。
鋼鐵制造流程智能化設(shè)計應(yīng)以概念研究為核心，摒棄傳統(tǒng)的比擬放大、參照設(shè)計的思維模式和設(shè)計模式，充分運用系統(tǒng)論、運籌學、耗散結(jié)構(gòu)理論和動態(tài)仿真模擬等先進理論和方法，以全流程高效協(xié)同運行為宗旨，著重研究物質(zhì)、能量和信息的流程網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計和運行程序設(shè)計，為了解決全流程的連續(xù)化、高效化運行問題，深入研究工序之間和工序內(nèi)部的界面技術(shù)優(yōu)化問題，以期在鋼鐵冶金全流程中實現(xiàn)耗散結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并且著力實現(xiàn)現(xiàn)代鋼鐵廠的3大功能。動態(tài)精準設(shè)計是構(gòu)建現(xiàn)代鋼鐵信息物理系統(tǒng)、實現(xiàn)全流程智能化的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。
鋼鐵制造流程智能化設(shè)計是現(xiàn)代鋼鐵制造流程的重要基礎(chǔ)，流程設(shè)計的先進性、科學性和合理性直接決定鋼鐵廠的工程投資、運行成本、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。實踐證實沒有卓越的流程設(shè)計和工程設(shè)計，鋼鐵企業(yè)在未來激烈的市場中就會缺乏可持續(xù)競爭力。設(shè)計面向未來，設(shè)計引領(lǐng)未來，設(shè)計創(chuàng)造未來?，F(xiàn)代鋼鐵制造流程智能化的發(fā)展框架如圖3所示。
3.2 設(shè)計體系
現(xiàn)代鋼鐵冶金工程動態(tài)精準設(shè)計方法屬于典型的智能化設(shè)計方法，是以構(gòu)建鋼鐵制造全流程高效協(xié)同、動態(tài)精準運行為目標，形成動態(tài)-有序-連續(xù)運行系統(tǒng)的實體(硬件)-虛體(軟件)集成，構(gòu)建出鋼鐵冶金全流程具有高度自組織功能，進而實現(xiàn)全流程系統(tǒng)自感知、自適應(yīng)、自決策、自執(zhí)行的智能化運行的設(shè)計方法。
鋼鐵冶金工程動態(tài)精準設(shè)計基于現(xiàn)代科學理論和先進的信息技術(shù)，從本質(zhì)上屬于智能化設(shè)計方法體系。動態(tài)精準設(shè)計本身也是智能化的，是必須依靠計算機、大數(shù)據(jù)工作站以網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同設(shè)計等先進技術(shù)裝備、工具、方法和手段才能得以實現(xiàn)的。鋼鐵流程運行參數(shù)的選擇、流程結(jié)構(gòu)的確定、流程網(wǎng)絡(luò)和運行程序的設(shè)計，已經(jīng)不再是傳統(tǒng)意義上的經(jīng)驗設(shè)計、半理論-半經(jīng)驗設(shè)計和靜態(tài)比擬設(shè)計；從簡單堆砌、比擬放大躍遷到仿真模擬研究、數(shù)字化設(shè)計、動態(tài)精準設(shè)計和智能化設(shè)計，進而發(fā)展到智能化虛擬現(xiàn)實鋼鐵冶金制造過程。鋼鐵冶金工程智能化設(shè)計流程與內(nèi)容見表1。
由表1可以看出，現(xiàn)代鋼鐵冶金工程設(shè)計包含了概念設(shè)計、頂層設(shè)計和動態(tài)精準設(shè)計3個層次，每個層次設(shè)計研究的內(nèi)容不盡相同，動態(tài)精準設(shè)計是鋼鐵冶金工程智能化設(shè)計的基礎(chǔ)，也是鋼鐵制造流程信息物理系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)。通過表1還可以歸納出鋼鐵冶金工程智能化設(shè)計的思維邏輯、設(shè)計體系和設(shè)計過程的要素包括：
(1)建立科學合理的時間-空間的協(xié)同關(guān)系；
(2)注重流程網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與優(yōu)化；
(3)注重單元工序和單元裝置之間的耦合匹配以及界面技術(shù)的設(shè)計研究；
(4)突出頂層設(shè)計中的集成創(chuàng)新，追求多目標協(xié)同優(yōu)化；
(5)提高鋼鐵制造全流程動態(tài)精準運行的整體性、系統(tǒng)性、高效性、精準性和協(xié)調(diào)性。
3.3 智能化信息系統(tǒng)的構(gòu)建
現(xiàn)代鋼鐵制造流程智能化在信息化基礎(chǔ)架構(gòu)上，通過人工智能可以實現(xiàn)精準管理與控制。鋼鐵制造流程信息系統(tǒng)的設(shè)計主要應(yīng)用冶金流程工程學理論和現(xiàn)代鋼鐵冶金工程動態(tài)精準設(shè)計方法，首先建立流程動態(tài)有序運行的理論架構(gòu)和物理實體模型及仿真計算模型，針對各單元工序關(guān)鍵工藝參數(shù)的確定、主體設(shè)備裝置能力的確定、工序之間的界面連接方式等進行研究分析，運用現(xiàn)代設(shè)計方法進行動態(tài)的仿真研究、精準計算和優(yōu)化配置，將粗放型、經(jīng)驗型或半經(jīng)驗-半理論性的傳統(tǒng)設(shè)計方法轉(zhuǎn)變?yōu)榛谥悄芑芯康木珳试O(shè)計方法，構(gòu)建現(xiàn)代鋼鐵冶金工程動態(tài)精準、高效協(xié)調(diào)的制造流程體系。
鋼鐵制造流程智能化是以自動化、數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化為基礎(chǔ)，具有系統(tǒng)性和結(jié)構(gòu)層次性，并非單純依靠ERP就可以解決鋼鐵制造復雜流程的智能化問題。對于單元工序、設(shè)備或裝置，基礎(chǔ)的檢測和控制(PLC/DCS)是必須的，比如工況運行參數(shù)的檢測、計量、監(jiān)測，設(shè)備的啟-停以及設(shè)備之間的聯(lián)鎖控制等都是實現(xiàn)智能化的基礎(chǔ)，這也是實現(xiàn)智能化“自感知”的基礎(chǔ)。單元工序過程控制(PCS)是實現(xiàn)具體工序或系統(tǒng)的模型控制，例如高爐供料—裝料—布料的模型控制、轉(zhuǎn)爐冶煉過程的加料—吹氧—測溫—定碳—出鋼操作控制等。工廠級的制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)則是控制料場、燒結(jié)、球團、焦化、煉鐵、煉鋼、軋鋼等工廠級制造流程的運行，如煉鋼廠的制造執(zhí)行系統(tǒng)就包括鐵水預處理—轉(zhuǎn)爐冶煉—二次精煉—連鑄等各個主要生產(chǎn)工序環(huán)節(jié)的綜合調(diào)控；而對于鋼鐵企業(yè)制造管控中心(總調(diào)度室或生產(chǎn)制造部)而言，制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)則主要調(diào)控的是全流程的界面銜接與工序匹配，例如煉鐵向煉鋼的鐵水供應(yīng)、連鑄向熱軋供應(yīng)連鑄坯料等。另外，作為全廠性的能源管控中心，能源介質(zhì)的供應(yīng)、調(diào)配和管控則是通過能源管控系統(tǒng)(EMS)進行的，這與生產(chǎn)制造系統(tǒng)(MES)屬于同一層次的控制系統(tǒng)。而對于鋼鐵企業(yè)的供應(yīng)、銷售、財務(wù)、資金、訂單、合同管理需要通過企業(yè)資源計劃系統(tǒng)(ERP)進行集成化管理，這是鋼鐵企業(yè)經(jīng)營管理層面的流程，是直接服務(wù)于企業(yè)經(jīng)營決策、戰(zhàn)略、管理、計劃、運營、財務(wù)和資金等范疇的高層級信息化管控，屬于鋼鐵企業(yè)經(jīng)營管理的控制范疇。
圖4所示為鋼鐵企業(yè)智能化體系的結(jié)構(gòu)與層次；圖5所示為鋼鐵生產(chǎn)過程智能化信息管控系統(tǒng)的層級關(guān)系和設(shè)計框架。
3.4 物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的耦合
基于對鋼鐵制造流程物理本質(zhì)的認識和研究，可以看出鋼鐵制造流程設(shè)計的主要目的，不是簡單地設(shè)計若干個相互獨立的工序單元，然后再進行疊加和拼湊從而形成一個組合的流程結(jié)構(gòu)，而是要設(shè)計出滿足鋼鐵制造流程動態(tài)運行要求及其特性的優(yōu)化的流程體系。
信息物理系統(tǒng)(CPS，cyber physical systems)將信息系統(tǒng)和物理實體集成為統(tǒng)一整體，將數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通訊及動態(tài)控制集成一體，是具有自學習、自生長能力的新一代智能化生態(tài)系統(tǒng)。CPS是實現(xiàn)鋼鐵制造流程系統(tǒng)的信息感知、動態(tài)調(diào)控和信息集成，可以使系統(tǒng)更加可靠、高效、精準，可以做到實時協(xié)同、動態(tài)耦合運行，在流程制造業(yè)領(lǐng)域具有重要而廣泛的應(yīng)用前景。
根據(jù)鋼鐵冶金制造流程的技術(shù)特征，現(xiàn)代鋼鐵冶金工廠智能制造的涵義，是以企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營全過程和企業(yè)發(fā)展全局的智能化、綠色化以及產(chǎn)品質(zhì)量的品牌化為發(fā)展目標，設(shè)計研究出的生產(chǎn)經(jīng)營全過程的信息物理系統(tǒng)。其關(guān)鍵技術(shù)是生產(chǎn)工藝/裝置技術(shù)優(yōu)化、工藝/裝置之間的“界面”技術(shù)優(yōu)化和制造全過程的整合-協(xié)同優(yōu)化，以此為基礎(chǔ)嵌入數(shù)字信息技術(shù)，以物質(zhì)-能量-信息協(xié)同、物質(zhì)流網(wǎng)絡(luò)-能量流網(wǎng)絡(luò)-信息流網(wǎng)絡(luò)交互融合為切入口，從而構(gòu)成體現(xiàn)智能特色的信息物理系統(tǒng)——CPS。
鋼鐵制造流程信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的耦合建構(gòu)主要包括以下幾個方面：
(1)鋼鐵冶金工程設(shè)計不僅是單元工序、設(shè)備和裝置的設(shè)計，要在整個鋼鐵制造流程的層次上研究流程設(shè)計，不僅要重視物質(zhì)流和能量流的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計，也要重視信息流網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。新一代鋼鐵制造流程不同于傳統(tǒng)的流程，是面向智能化的流程工程，必須重視信息流的輸入、調(diào)控和耦合運行，建構(gòu)與靜態(tài)物理流程結(jié)構(gòu)具有相互映射關(guān)系的“數(shù)字孿生”系統(tǒng)，形成“三網(wǎng)協(xié)同”“三流耦合”交互融合的流程整體和完整的信息-物理系統(tǒng)(CPS)，如圖6所示。
(2)現(xiàn)代鋼鐵制造流程屬于復雜巨系統(tǒng)，在時-空關(guān)系、質(zhì)-能轉(zhuǎn)換、自組織性和他組織性等方面關(guān)系錯綜復雜，復雜性、層次性、多樣性、多目標性特征鮮明?；诤纳⒔Y(jié)構(gòu)優(yōu)化理論，鋼鐵制造流程設(shè)計必須要使系統(tǒng)具有高度的自組織性和自組織力，上下游工序之間匹配合理、協(xié)同運行。
(3)現(xiàn)代鋼鐵冶金工程設(shè)計是在限定或約束的條件下，結(jié)合市場需求和資源能源供給條件、生態(tài)環(huán)境承載條件等，合理確定鋼鐵廠生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝流程和裝備配置等關(guān)鍵要素，同時還要進行投資、效益、環(huán)境等多目標群進行綜合、權(quán)衡、協(xié)調(diào)、決策等集成優(yōu)化的過程。
(4)現(xiàn)代鋼鐵冶金工程設(shè)計既要實現(xiàn)煉鐵、煉鋼等單元工序的優(yōu)化，還要通過系統(tǒng)集成優(yōu)化和流程重構(gòu)優(yōu)化，從而實現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)全過程的系統(tǒng)優(yōu)化。
(5)現(xiàn)代鋼鐵冶金流程智能化設(shè)計有別于傳統(tǒng)的工程設(shè)計，是由鋼鐵廠系統(tǒng)全局出發(fā)自上而下開展的。在實現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)全過程動態(tài)精準、協(xié)同高效運行的工程理念統(tǒng)領(lǐng)下，注重概念設(shè)計研究和頂層設(shè)計深化，進而提出對單元工序和裝置進行精準設(shè)計的要求，而不是各自獨立設(shè)計單元工序，再匯總拼湊出流程系統(tǒng)。
(6)現(xiàn)代鋼鐵冶金工程設(shè)計創(chuàng)新必須順應(yīng)時代發(fā)展要求，以循環(huán)經(jīng)濟、低碳綠色、智能高效作為工程設(shè)計的發(fā)展理念，要拓展現(xiàn)代鋼鐵廠的功能。同時，不僅重視流程物理實體系統(tǒng)的建構(gòu)，還必須重視信息虛擬系統(tǒng)的構(gòu)建，做到“虛擬與現(xiàn)實結(jié)合”。
采用現(xiàn)代鋼鐵冶金工程動態(tài)精準設(shè)計體系的首鋼京唐鋼鐵廠設(shè)計規(guī)模為年產(chǎn)粗鋼870~920萬t/a。該工程于2007年3月12日開工建設(shè)，2009年5月21日1號高爐點火送風，2010年6月26日全面竣工、順利投產(chǎn)。首鋼京唐一期工程設(shè)計構(gòu)建了以2座高爐、1個煉鋼廠、2條熱軋生產(chǎn)線和3條冷軋生產(chǎn)線為物理框架的新一代可循環(huán)鋼鐵制造工藝流程。自主設(shè)計建造了2座5 500 m3高爐、2臺550 m2燒結(jié)機、1臺504 m2帶式焙燒機球團生產(chǎn)線、(2+3)座300 t轉(zhuǎn)爐高效率-低成本潔凈鋼生產(chǎn)平臺、2 250 mm和1 580 mm寬帶鋼熱軋生產(chǎn)線、2 230 mm和1 700 mm以及1 420 mm鍍錫板冷軋生產(chǎn)線、5萬t/d海水淡化等一批具有代表性的先進工藝技術(shù)裝備，形成了近百項具有自主知識產(chǎn)權(quán)的工程技術(shù)創(chuàng)新成果，對中國現(xiàn)代鋼鐵廠的設(shè)計建設(shè)具有重要的引領(lǐng)和示范作用。
首鋼京唐工程投產(chǎn)10年來，5 500 m3高爐日產(chǎn)量達到12 650 t/d以上，利用系數(shù)達到2.35 t/(m3·d)；高爐球團礦入爐比例達到55%以上，入爐礦品位達到60%以上，高爐渣量降低到215 kg/t；燃料比低于495 kg/t，焦比為287 kg/t，煤比為180 kg/t，風溫達到1 250 ℃以上；高爐煤氣利用率大于50%，TRT發(fā)電量達到45 kW·h/t以上；煉鐵工序能耗低于385 kg/t。自主集成、首次在巨型高爐-轉(zhuǎn)爐界面采用鐵水運輸“一罐到底”技術(shù)，鐵水溫降100 ℃以下，節(jié)能環(huán)保效果顯著。鐵水經(jīng)過脫硫、脫硅和脫磷預處理，轉(zhuǎn)爐冶煉周期為24~30 min，轉(zhuǎn)爐全爐役碳氧積達到0.001 6，超低碳鋼冶煉出鋼溫度降低至1 648 ℃；潔凈鋼生產(chǎn)過程中［S］、［P］、［N］、［H］、［O］等有害元素的質(zhì)量分數(shù)可降低到0.004 5%以下；連鑄系統(tǒng)采用結(jié)晶器液位自動控制、結(jié)晶器電磁制動和動態(tài)輕壓下和動態(tài)二次冷卻控制技術(shù)，低碳鋼連鑄最高拉速達到2.5 m/min；熱軋工序連鑄坯熱裝率大于75%；2 230 mm和1 700 mm冷軋生產(chǎn)線的冷熱轉(zhuǎn)換比達到55%、涂鍍比達到51%以上。采用動態(tài)精準設(shè)計體系，實現(xiàn)了鋼鐵廠工程設(shè)計的集約化和精準化，鋼鐵廠噸鋼占地僅為0.9 m2，煉鐵至煉鋼的鐵水運輸距離僅為900 m；充分利用鋼鐵冶金過程的余熱、余能，自發(fā)電率達到96%以上，噸鋼電耗降低到615 kW·h，全流程噸鋼能源消耗為556 kg；采用海水淡化技術(shù)和綜合節(jié)水技術(shù)，噸鋼新水消耗僅為2.18 t；鋼鐵制造過程流程緊湊、動態(tài)有序、協(xié)同連續(xù)，從高爐出鐵到熱軋成材的制造周期僅為345 min。經(jīng)過10年多的生產(chǎn)實踐，在鋼鐵制造流程智能化、綠色化發(fā)展進程中達到了預期的運行效果。圖7所示為首鋼京唐鋼鐵制造流程智能化管控架構(gòu)。
(1)現(xiàn)代鋼鐵冶金過程是開放的耗散結(jié)構(gòu)體系，由多個單元工序和裝置組合而構(gòu)成的復雜系統(tǒng)，需要認真研究其物理本質(zhì)和運行規(guī)律，不能照搬照抄離散型裝備制造業(yè)的智能化模式。
(2)現(xiàn)代鋼鐵制造流程智能化設(shè)計的核心是構(gòu)建信息物理系統(tǒng)(CPS)。基于對鋼鐵制造流程物理本質(zhì)和運行特征的深入研究，構(gòu)建流程結(jié)構(gòu)合理的靜態(tài)物理系統(tǒng)是基礎(chǔ)和前提。
(3)現(xiàn)代鋼鐵制造流程必須重視物質(zhì)流和能量流的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計，也要重視信息流網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高系統(tǒng)的自組織性，在信息流輸入和他組織力的調(diào)控下實現(xiàn)動態(tài)有序、協(xié)同連續(xù)和耗散結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
(4)智能化鋼鐵制造流程設(shè)計，對于現(xiàn)代鋼鐵制造流程而言是至關(guān)重要的，卓越的流程設(shè)計是企業(yè)參與市場競爭的核心要素，是工程創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新的始端。只有智能化的工程設(shè)計才能建構(gòu)出智能化的工藝流程。
