余城德，陳振勇，晁團(tuán)效

江蘇省鑌鑫鋼鐵集團(tuán)有限公司，江蘇 連云港 222113

摘 要：鑌鋼2020年4月開始進(jìn)行全流程智能工廠建設(shè)，聯(lián)合賽迪信息、北科大等改進(jìn)鑌鋼工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，將各種系統(tǒng)匯聚同一系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行全流程管理。鑌鋼高爐借東風(fēng)，改進(jìn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化控制程序、應(yīng)用智能工藝模型、高清攝像頭視頻監(jiān)控構(gòu)建鑌鋼特色生產(chǎn)管理體系，對(duì)高爐生產(chǎn)過程進(jìn)行全流程監(jiān)控，原燃料低庫存條件下，生產(chǎn)成本逐漸下降，生產(chǎn)過程工藝參數(shù)控制科學(xué)準(zhǔn)確，生產(chǎn)事故隱患基本杜絕，取得較好經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：智能制造；全流程智能工廠；工藝模型；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

近年來，隨著新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝、大數(shù)據(jù)技術(shù)廣泛應(yīng)用高爐生產(chǎn)，并與智能制造相融合，開發(fā)出高爐日常生產(chǎn)控制、監(jiān)控多個(gè)智能應(yīng)用模塊，多層次、多角度還原高爐日常生產(chǎn)場(chǎng)景，高爐生產(chǎn)逐漸由原來粗放型管理轉(zhuǎn)化精細(xì)管理，通過高爐智能模塊技術(shù)廣泛應(yīng)用，可以從物料進(jìn)廠、物料中間過程處理、高爐物料入爐全過程進(jìn)行跟蹤，生產(chǎn)過程各種物料檢驗(yàn)分析、生產(chǎn)參數(shù)自動(dòng)生成報(bào)表，建立關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫，通過3D技術(shù)，仿真應(yīng)用場(chǎng)景；通過智能模塊分析，對(duì)生產(chǎn)過程參數(shù)控制提供指導(dǎo)，確保生產(chǎn)過程穩(wěn)定順行，產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)，高產(chǎn)、低耗，環(huán)保，經(jīng)濟(jì)。通過正向、反向跟蹤，復(fù)盤、追溯生產(chǎn)過程，提出物料采購(gòu)指標(biāo)，生產(chǎn)過程參數(shù)控制指標(biāo)，達(dá)到降本增效，優(yōu)化生產(chǎn)過程目標(biāo)。

鑌鑫鋼鐵公司成立2008年2月，經(jīng)過近十幾年發(fā)展，煉鐵廠高爐由530m³+630 m³通過異地改造升級(jí)2*1250 m³，各種新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備廣泛應(yīng)用高爐生產(chǎn)保證高爐穩(wěn)定順行。特別是2020年4月開始建設(shè)高爐數(shù)字化車間，2023年1月完成；建設(shè)數(shù)字化高爐二座，輔配高爐上料裝置、熱風(fēng)爐、出鐵裝置、高爐冷卻設(shè)備、煤氣凈化裝置等，以高爐為中心環(huán)形布局，根據(jù)冶煉原料配比及產(chǎn)品質(zhì)量要求，對(duì)冶煉原料依次進(jìn)行調(diào)配、高爐上料、冶煉生產(chǎn)、渣鐵產(chǎn)品處理、鐵水運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)作業(yè)；目前已構(gòu)建86個(gè)智能應(yīng)用，22個(gè)工藝模型，接入116個(gè)畫面，1.2萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)位，采集處理6億多條時(shí)序數(shù)據(jù)。23年底提出全流程智能工廠建設(shè)，對(duì)數(shù)字化高爐進(jìn)行升級(jí)改造，采用新技術(shù)，新工藝，增加鐵前一體化配礦和物料跟蹤功能，對(duì)高爐使用物料從采購(gòu)、生產(chǎn)、生成產(chǎn)品全過程進(jìn)行跟蹤，結(jié)合前期投用技術(shù)，將生成過程使用物料、生產(chǎn)參數(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量、成本等融為一體形成鑌鋼生產(chǎn)管理系統(tǒng)，達(dá)到降本增效，環(huán)保，長(zhǎng)壽，優(yōu)質(zhì)，低耗，高效的目標(biāo)。

1  鑌鋼高爐智能制造內(nèi)容

   鑌鑫鋼鐵利用產(chǎn)能置換、大修改造時(shí)機(jī)，建設(shè)2*1250 m³高爐，高爐在智能制造方面建設(shè)如下：

1.1 智能裝備方面

高爐設(shè)備全面采用基于數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的智能裝備，基于大數(shù)據(jù)的綜合智能運(yùn)維及集中決策、控制等目標(biāo)設(shè)計(jì)。建設(shè)智能裝備 182 臺(tái)(套)，其中設(shè)備聯(lián)網(wǎng)數(shù)采169 臺(tái)(套)，數(shù)采率達(dá)到92%以上；包括：熱風(fēng)爐、料倉(cāng)、料罐、爐頂除塵裝置、爐體冷卻裝置、噴煤裝置、鐵水罐運(yùn)輸?shù)妊b備

1.2  數(shù)采集控方面

車間搭建中冶賽迪國(guó)產(chǎn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，運(yùn)用智能網(wǎng)關(guān)與設(shè)備端相連，自動(dòng)采集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)數(shù)據(jù)（如速度、溫度、壓力、流量等），自動(dòng)生成生產(chǎn)報(bào)表，建立日常生產(chǎn)過程。同時(shí)接受集控平臺(tái)的指令認(rèn)證后確認(rèn)相關(guān)操作，通過線上計(jì)劃協(xié)同、模型分析、工控安全、工業(yè)電視等輔助手段，實(shí)現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)的集中操控與智能決策，以及生產(chǎn)設(shè)備調(diào)參、故障診斷等遠(yuǎn)程智維作業(yè)，設(shè)立報(bào)警功能，分析異常數(shù)據(jù)及時(shí)提醒、提出操作建議等功能，確保生產(chǎn)過程穩(wěn)定順行。

1.3  智能應(yīng)用模塊

近幾年原料，各種新控制技術(shù)、智能算法應(yīng)用高爐生產(chǎn)，高爐生產(chǎn)參數(shù)自動(dòng)采集，生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用大數(shù)據(jù)智能分析，建立智能應(yīng)用工藝模塊，真實(shí)反映高爐生產(chǎn)實(shí)際情況，當(dāng)高爐控制參數(shù)發(fā)生異常時(shí)，發(fā)出報(bào)警，提醒高爐工長(zhǎng)或者提高調(diào)整參數(shù)，及時(shí)調(diào)整爐況，確保高爐生產(chǎn)穩(wěn)定順行。鑌鋼高爐日常生產(chǎn)過程參數(shù)全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集，建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫，逐漸探索出鑌鋼高爐調(diào)整制度，保證高爐日常生產(chǎn)長(zhǎng)期穩(wěn)定順行。

2  智能制造設(shè)備控制技術(shù)

2.1  高爐爐頂均壓煤氣全回收技術(shù)。

高爐爐頂均壓煤氣實(shí)現(xiàn)全回收，高爐爐頂均壓煤氣干法全回收工藝、組合式頂進(jìn)頂出干式除塵設(shè)備、高效引射裝備及智能控制回收系統(tǒng)等一系列關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高爐均壓煤氣的高效干法全回收。減少煤氣分散，降低高爐能耗，保護(hù)環(huán)境。每3.5Nm³煤氣發(fā)一度電，電價(jià)按0.6元/度，則年回收煤氣直接經(jīng)濟(jì)效益如下：W=178萬元/年。減少對(duì)空排放粉塵量約104t，能夠取得較好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。

2.2  熱風(fēng)爐無擾動(dòng)換爐：

熱風(fēng)爐引進(jìn)無擾動(dòng)換爐及時(shí)，確保熱風(fēng)爐換爐期間風(fēng)壓波動(dòng)±5kpa，風(fēng)量穩(wěn)定，減少換爐期間風(fēng)壓、風(fēng)量波動(dòng)，穩(wěn)定高爐爐況。

2.3  高爐沖渣行車自動(dòng)操作

系統(tǒng)自動(dòng)抓渣，電腦遠(yuǎn)程時(shí)時(shí)監(jiān)控，輕點(diǎn)鼠標(biāo)就能輕松完成以前耗時(shí)勞累的繁瑣操作，做到省力、省事、快捷，安全環(huán)保，節(jié)省人力目標(biāo)。

2.4  高爐噴煤

采用一鍵噴吹、等距噴吹技術(shù)，保證噴吹過程煤粉噴吹量穩(wěn)定，高爐風(fēng)口煤粉分配均勻，數(shù)量相同等，減少噴吹煤粉壓力波動(dòng)、風(fēng)口噴吹煤粉量不均對(duì)爐缸工作狀態(tài)影響，活躍爐缸，降低能耗。

3  智能應(yīng)用

鑌鋼高爐建設(shè)、投產(chǎn)后，跟蹤當(dāng)前先進(jìn)技術(shù)、工藝、設(shè)備對(duì)高爐進(jìn)行技術(shù)改造，先后應(yīng)用多個(gè)智能模塊：爐缸侵蝕模塊，智能燒爐，環(huán)境除塵系統(tǒng)節(jié)能，賽迪開發(fā)工藝模塊等，對(duì)高爐生產(chǎn)過程進(jìn)行全流程智能監(jiān)控，設(shè)置異常數(shù)據(jù)報(bào)警功能，及時(shí)反饋操作人員調(diào)整，或者上報(bào)各級(jí)管理人員，減少、杜絕事故隱患，保證高爐生產(chǎn)穩(wěn)定順行。

3.1  熱風(fēng)爐智能燒爐控制模型

自動(dòng)跟蹤煤氣壓力波動(dòng)情況，自主優(yōu)化空燃比參數(shù)，大幅節(jié)約高爐煤氣；在規(guī)定的燃燒周期內(nèi)，自主決策控制大燒和小燒進(jìn)程，保證熱風(fēng)爐拱頂、煙道溫度達(dá)標(biāo)；在故障檢修等異常情況下，系統(tǒng)自動(dòng)控制燃燒進(jìn)程，保證短期內(nèi)達(dá)到燒爐目標(biāo)；通過優(yōu)化程序連鎖，實(shí)現(xiàn)了熱風(fēng)爐自動(dòng)無擾動(dòng)換爐，換爐過程中實(shí)現(xiàn)風(fēng)壓穩(wěn)定，換爐結(jié)束后系統(tǒng)自動(dòng)切入自動(dòng)燒爐，并在燒爐過程中優(yōu)化燒爐參數(shù)，節(jié)約煤氣，自動(dòng)優(yōu)化燒爐使煤氣單耗較使用前下降6.5%～11.5%。

定壓無擾動(dòng)換爐、自動(dòng)燒爐、自動(dòng)換爐技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，使熱風(fēng)爐實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)操作，大幅降低現(xiàn)場(chǎng)人員勞動(dòng)強(qiáng)度。熱風(fēng)爐系列優(yōu)化技術(shù)在提高自動(dòng)化、智能化水平的同時(shí)，也因?yàn)楣?jié)約了大量煤氣而提升了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2  爐缸侵蝕模型

爐缸爐底侵蝕在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)可對(duì)高爐爐底爐缸耐材侵蝕情況進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和自動(dòng)預(yù)警，指導(dǎo)高爐工作者及時(shí)掌握爐缸侵蝕狀態(tài)并采取護(hù)爐措施，延緩爐缸侵蝕速度，預(yù)防爐缸燒穿事故，防患于未然，幫助高爐工作者實(shí)現(xiàn)高爐的安全長(zhǎng)壽。

3.3  賽迪智能制造技術(shù)

高爐二級(jí)系統(tǒng)（L2）實(shí)現(xiàn)部分專家系統(tǒng)功能。L2 系統(tǒng)主要功能為高爐爐身仿真、料面預(yù)測(cè)、爐熱、煤量調(diào)劑預(yù)測(cè)等，生成各類電子報(bào)表，生成出鐵管理報(bào)表，展示各類關(guān)鍵參數(shù)趨勢(shì)圖形，自動(dòng)配料及料單傳輸，自動(dòng)采集生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)。

高爐爐身仿真：每次探尺運(yùn)行，就觸發(fā)一次計(jì)算，根據(jù)冶煉周期，自動(dòng)計(jì)算后用圖形（或列表）直觀顯示當(dāng)前爐內(nèi)各批物料在高爐內(nèi)部的位置，并用圖形展示每批料的礦批、焦批、堿度、焦比、煤比、燃料比及趨勢(shì)，對(duì)入爐的異常料批在到達(dá)風(fēng)口前進(jìn)行報(bào)警。

智能應(yīng)用模型：通過對(duì)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集，生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工算法，結(jié)合高爐生產(chǎn)工藝，建立多個(gè)工藝模型：料面、爐熱、煤量調(diào)劑等預(yù)測(cè)、重大爐況預(yù)警、有害元素跟蹤、爐缸平衡等工藝模型，多方位對(duì)爐況進(jìn)行監(jiān)控，異常情況報(bào)警，提醒操作人員及時(shí)調(diào)整，保證高爐生產(chǎn)穩(wěn)定順行。

各類電子報(bào)表：自動(dòng)記錄高爐各項(xiàng)操作參數(shù)，生成操作日志及其他電子報(bào)表，并可根據(jù)需要導(dǎo)出各種格式，減少記錄工作量和人工記錄的誤差。

高爐出鐵管理：記錄各鐵口工作情況，生成出鐵時(shí)間、出鐵間隔、出渣時(shí)間、出鐵速率情況，生成出鐵管理報(bào)表。

各類關(guān)鍵參數(shù)趨勢(shì)圖形展示：記錄并展示爐內(nèi)煤比、焦比、燃料比、爐熱指數(shù)、爐渣R₂（R₃、R₄）、煤氣利用率等趨勢(shì)。

自動(dòng)配料及料單傳輸：自動(dòng)采集檢化驗(yàn)系統(tǒng)里最新物料成份，按照規(guī)定爐溫計(jì)算（校核）焦炭負(fù)荷、燃料比、煤比、爐渣成份等裝料參數(shù)，配比符合要求后，二級(jí)系統(tǒng)（L2）生成變料單，發(fā)上料操作電腦（L1）執(zhí)行并發(fā)回上料操作反饋（變料批數(shù)、操作人信息等）。自動(dòng)配料及其電子變料單減少了人工計(jì)算和手寫工作量，減少了人工輸入各物料成份的工作量，大幅降低了人為變料錯(cuò)誤。

上料數(shù)據(jù)采集：采集上料PLC每批入爐物料中各種物料的重量、下料時(shí)的料線、布料時(shí)間、布料角度、爐料負(fù)荷、焦比、堿度等參數(shù)，并通過爐料結(jié)構(gòu)餅圖、實(shí)際重量柱狀圖等方式展示。入爐料采用圖形展示后，稱量錯(cuò)誤可被直觀發(fā)現(xiàn)。根據(jù)爐料實(shí)際入爐時(shí)間，精確計(jì)算1小時(shí)實(shí)際料批，再以此計(jì)算小時(shí)燃料比，用實(shí)際料速核算出來的燃料比為高爐操作人員調(diào)節(jié)爐溫提供了重要依據(jù)。

    特別是賽迪智能制造技術(shù)應(yīng)用，高爐生產(chǎn)過程控制逐漸形成：以業(yè)務(wù)主線貫穿應(yīng)用多維度提升高爐穩(wěn)定順行生產(chǎn)模式。以高爐生產(chǎn)為中心，全方位，多層次，新技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析等形成人、機(jī)、料、法、環(huán)管理閉環(huán)，保持生產(chǎn)過程穩(wěn)定順行，高爐產(chǎn)量，成本等技術(shù)指標(biāo)持續(xù)優(yōu)化，取得巨大經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)比同一地區(qū)先進(jìn)企業(yè)，高爐生產(chǎn)成本由原來高350-400元/t降低到30-50元/t，取得降本增效優(yōu)異成績(jī)。圖1  高爐生產(chǎn)過程優(yōu)化。

    隨著鑌鋼全流程智能工廠建成投用，各種生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)自動(dòng)采集生成報(bào)表，應(yīng)用大數(shù)據(jù)、冶金新技術(shù)，創(chuàng)建智能應(yīng)用模型，對(duì)高爐生產(chǎn)過程全程監(jiān)控，提前報(bào)警，推出日常操作建議，實(shí)現(xiàn)：智能應(yīng)用提升操作精準(zhǔn)、促煉鐵穩(wěn)定運(yùn)行。降低、杜絕誤操作，保持高爐生產(chǎn)穩(wěn)定順行，達(dá)到優(yōu)化工藝參數(shù)，提升高爐生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)目標(biāo)。賽迪系統(tǒng)以高爐生產(chǎn)為中心，投用智能模型如下圖。

圖2  高爐操作優(yōu)化

4  監(jiān)控一張網(wǎng)

通過賽迪系統(tǒng)平臺(tái)，將高爐區(qū)域重點(diǎn)設(shè)備、危險(xiǎn)區(qū)域安裝的攝像頭實(shí)現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)顯示，通過高清攝像頭上傳視頻監(jiān)控，對(duì)該區(qū)域?qū)崿F(xiàn)全天監(jiān)控，設(shè)立報(bào)警功能，區(qū)域發(fā)生異常情況及時(shí)反饋崗位操作人員，即實(shí)現(xiàn)隱患及時(shí)排查、處理，又實(shí)現(xiàn)崗位集中，可降低崗位人員安全隱患，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，可減少崗位人員，實(shí)現(xiàn)勞動(dòng)效率提升。

5  實(shí)施效果

通過以上技術(shù)、智能模型應(yīng)用，高爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)積累，模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率提升，逐漸在日常生產(chǎn)發(fā)揮作用，高爐生產(chǎn)穩(wěn)定順行，崗位操作人員得到優(yōu)化。高爐主控工（上料、熱風(fēng)、噴煤等崗位）16人減少到8人；高爐生產(chǎn)穩(wěn)定順行，高爐技術(shù)指標(biāo)優(yōu)化。2高爐技術(shù)指標(biāo)如下表。

表1  2高爐技術(shù)指標(biāo)

注：1  1月前期生產(chǎn)不順，10日爐況恢復(fù)，高爐指標(biāo)逐漸優(yōu)化。

2  2月高爐降料面噴涂爐身，影響高爐技術(shù)指標(biāo)。

6  結(jié)語

隨著科技技術(shù)進(jìn)步，AI、大數(shù)據(jù)人工算法、5G網(wǎng)絡(luò)普及，鑌鋼全流程智能工廠建設(shè)，清晰、分辨率高攝像頭、工業(yè)機(jī)器人、高爐智能工藝模型應(yīng)用，逐漸打開高爐暗箱操作，通過3D技術(shù)展現(xiàn)操作人員，高爐爐況調(diào)整更加及時(shí)、準(zhǔn)確，高爐生產(chǎn)穩(wěn)定順行，高爐生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)化。