熊佑發(fā)，廖海歐

（馬鋼股份有限公司設備管理部，安徽馬鞍山 243000）

前言

智慧制造是面向服務、基于知識運用的人機物協(xié)同制造模式，將各種制造資源有機集成在一起形成統(tǒng)一的資源協(xié)同，高效準確服務客戶個性化需求，實現(xiàn)人機物共同決策下的智能響應，在制造全過程中提供定制化的、特別需求的、主動的、透明的、可信的制造服務。

《2021 年馬鋼股份智慧制造重點工作計劃》要求強化制造場景與智能技術的融合，加快工業(yè)機器人、智能裝備、設備遠程運維等先進技術的應用，提高自動化水平，提高勞動效率，降低安全生產(chǎn)風險，打造少人化、無人化產(chǎn)線。

保障生產(chǎn)經(jīng)營目標提升制造效率，實現(xiàn)設備安全穩(wěn)定運行，智慧制造在傳統(tǒng)制造業(yè)領域，其應用場景與關鍵路徑主要有以下幾個方面。

（1）總結現(xiàn)場大師們先進成熟的操作經(jīng)驗，結合專用工藝設備特點固化自動化控制流程，建立智能預警模型，準確掌握設備早期缺陷，制定維修策略滿足定修模型目標，實現(xiàn)機器比人做的更及時、更穩(wěn)定、更可靠。

（2）篩選現(xiàn)有海量生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)中，能夠表達設備運行狀況的數(shù)據(jù)，設定早期異常數(shù)據(jù)閾值，建立智能報警模型，告知生產(chǎn)及時調(diào)整操作應對，實現(xiàn)人機物共同決策比現(xiàn)在的人機協(xié)同做的更精準、更安全、更高效。

（3）采集未知運行狀態(tài)的關鍵數(shù)據(jù)，以問題解決為目標建立數(shù)據(jù)監(jiān)測模型，結合設備破損機理、發(fā)掘特殊數(shù)據(jù)規(guī)律、制定智能調(diào)節(jié)策略、實現(xiàn)智慧控制目標，替代人工操作無法完成的精準操控任務，保障設備滿足特殊生產(chǎn)工藝需求更主動、更透明、更可信。

（4）開發(fā)3D 功能裝置解決生產(chǎn)運行痛點，運用成熟的視覺、力覺、觸覺識別技術，實現(xiàn)人機物協(xié)同智能控制，替代人的勞動，實現(xiàn)本質(zhì)安全，保障設備穩(wěn)定運行達到更高作業(yè)率、更少故障數(shù)、更強連續(xù)性。

1 智能設備點檢模型-存量數(shù)據(jù)直接應用

1.1 應用場景

鋼鐵企業(yè)滿足生產(chǎn)工藝的諸多大型設備，如原料系統(tǒng)的翻車機，煉焦產(chǎn)線的裝煤機、推焦機，攔焦級、高爐煉鐵的爐頂裝料設備、出鐵泥砲、開口機等都是自動控制標準化運行設備，細分每個動作都有明確的時間標準值，編制點檢預警模型，即可應用存量數(shù)據(jù)實現(xiàn)單體設備智能化設備點檢。

1.2 案例：高爐爐頂設備智能點檢模型

高爐爐頂裝料設備、均排壓設備、液壓驅(qū)動設備、集中潤滑設備、布料溜槽傳動齒輪箱水冷設備、探料尺設備、爐頂框架結構以及檢修設備等所組成，滿足高爐每小時8批料以上裝料速度，且焦礦按工藝要求分罐準確裝入爐內(nèi)，每罐爐料裝料入爐需要完成33個設備動作步驟，每小時至少需要完成16次循環(huán)，各個設備動作邏輯性強、節(jié)奏快、時間控制精準。

為了保障高爐高作業(yè)率穩(wěn)定生產(chǎn)，爐頂裝料設備精準快節(jié)奏穩(wěn)定運行至關重要，然爐頂裝料設備位于近百米高空的煤氣危險區(qū)域，每罐爐料入爐裝料系統(tǒng)設備都要完成33個秒級時間動作，是智能點檢優(yōu)先選擇的應用場景。

應用現(xiàn)有存量的48個數(shù)據(jù)采集點，開發(fā)爐頂裝料設備早期缺陷智能點檢報警系統(tǒng)，能夠及時發(fā)現(xiàn)設備早期缺陷，通過專業(yè)維檢人員進行異常確認，及崗位操作人員及時采取合理應對，保障爐頂裝料設備高效精準運行，支撐高爐高效穩(wěn)定運行；同時準確掌握爐頂裝料設備各個系統(tǒng)的劣化趨勢，定修時精準實施預防維修維護對策，降低設備修理費支出，大幅減少百米高空煤氣危險區(qū)域設備人員巡檢工作負荷等多方面都有高應用價值。

依據(jù)爐頂裝料過程邏輯圖見圖1。

圖1 高爐裝料工藝流程邏輯圖

串罐無料爐頂裝料設備早期缺陷智能點檢報警模型：通過監(jiān)控爐頂裝料設備的“邏輯”工作穩(wěn)定性狀況，具體將對爐頂裝料設備的工作狀態(tài)，即對每罐裝料過程的33 個動作完成的時間數(shù)據(jù)實時采集監(jiān)控，與標準值（閾值）對比。

使用高爐爐頂設備的實時控制數(shù)據(jù)流輸入模型，按照秒級周期性計算爐頂裝料設備各閥門的工作狀態(tài)，各個動作連續(xù)2 次時間超過閾值1～2 s 時黃色預警；各個動作連續(xù)3 次時間超過閾值1～2 s時，或時間超過閾值2 s 以上橙色預警；對應推送對應設備早期缺陷預警，并結合液壓站工作的壓力、流量、油位等進行設備缺陷專業(yè)判斷。

1.3 關鍵路徑

滿足生產(chǎn)工藝要求的專用設備運行邏輯是不變的，自動化控制時間是永恒的、控制數(shù)據(jù)采集是存量的，完成智能點檢預警模型實現(xiàn)智能點檢是快捷的，設備點檢效果一定比人做的更及時、更精準、更可靠。

2 智能專家控制模型-現(xiàn)有數(shù)據(jù)篩選應用

2.1 應用場景

現(xiàn)代長流程鋼鐵生產(chǎn)的焦爐、高爐、轉(zhuǎn)爐、連鑄、軋鋼等設備都有海量的運行數(shù)據(jù)采集點，連續(xù)生產(chǎn)控制的需求；馬鋼有七十余年滾動發(fā)展的歷史，涌現(xiàn)了各類專家能夠準確判斷各類異常，且能采取有效應對策略；篩選現(xiàn)有關鍵數(shù)據(jù)建結合專家經(jīng)驗建立智能專家控制模型。

2.2 案例：高爐設備智能專家模型

高爐煉鐵生產(chǎn)專家給出關鍵設備運維難題：（1）高爐多鐵口交替出鐵爐缸侵蝕不均勻的“短板效應”是高爐長壽痛點；（2）風口小套磨蝕漏水的“隨機性”是高爐低碳生產(chǎn)要點；（3）爐體冷卻壁侵蝕漏水“精準控制”是高爐長期順行難點；（4）爐頂裝料設備的“準確順暢”是高爐穩(wěn)定高效關鍵點。

滿足專家模型高爐長壽高作業(yè)率要求，充分利用現(xiàn)有煉鐵生產(chǎn)運行采集的工藝數(shù)據(jù)，如某高爐存量數(shù)據(jù)采采集4 765 個點，建立高爐設備專家模型，僅篩選932個點（冷卻壁481個，爐缸330個，風口73個，爐頂48個）。即可建立高爐設備專家模型，實時完成設備異常預、報警，實現(xiàn)高爐設備運行智能專家點檢，及時準確地對設備早期缺陷進行預警、報警，服務生產(chǎn)操作、設備維護，及時有效采取科學防范應對措施。

高爐智能專家控制模型系統(tǒng)同樣包含模型輸入、模型建立、模型輸出、模型反饋、閉環(huán)迭代優(yōu)化。（1）模型輸入：依靠專家經(jīng)驗和故障機理，確定所需要采集的數(shù)據(jù)：溫度、水流量等數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為模型的輸入?yún)?shù)。（2）模型建立：通過標準比較、統(tǒng)計量計算、設定值比較等特征轉(zhuǎn)化和特征提取等過程挖掘出隱含的關聯(lián)特征，經(jīng)過經(jīng)驗公式的計算、機理推導規(guī)則的設計和AI 算法的應用，建立設備狀態(tài)預警、報警模型。（3）模型輸出：實時數(shù)據(jù)進入到模型，模型給出綜合預警結果，顯示預警的等級、異常的現(xiàn)象，以及關聯(lián)特征的表現(xiàn)、分析、描述、及建議采取的措施，將信息匯總到交互系統(tǒng)界面。（4）模型閉環(huán)反饋：模型輸出的信息給到現(xiàn)場人員，進行確認和跟蹤，記錄操作、維修結果信息形成報告，再反饋給模型，完成設備監(jiān)控模型的閉環(huán)優(yōu)化流程。見圖2。

圖2 高爐設備專家模型框架示意圖

高爐智能專家控制模型實現(xiàn)了經(jīng)驗傳承與精準數(shù)據(jù)融合。

（1）發(fā)掘設備運行異常數(shù)據(jù)的價值，提升高爐設備運維智能化水平；

（2）大幅降低煤氣危險區(qū)域設備點檢維護人員的作業(yè)時間及工作負荷，實現(xiàn)本質(zhì)安全；

（3）通過系統(tǒng)自己學習系統(tǒng)，記錄操作結果信息形成報告，再反饋給模型的數(shù)據(jù)，綜合現(xiàn)代大型高爐設備運行近三十年積累的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，完成設備監(jiān)控模型的閉環(huán)優(yōu)化流程，為智慧點檢積累建立數(shù)據(jù)庫；

（4）推進設備運維管養(yǎng)修一體信息化智能點檢平臺建設。保障設備安全平穩(wěn)運行、實現(xiàn)設備精準維護維修、提高設備作業(yè)率及使用壽命，支撐高爐煉鐵生產(chǎn)低碳、綠色、安全、智能技術進步。

高爐設備專家模型系統(tǒng)：包含高爐模型展示，及報警、報警列表、報警統(tǒng)計、報警趨勢。高爐專家智能模型含爐缸、風口、冷卻壁、爐頂4 區(qū)域報警時分別“紅閃”首頁上方爐頂、風口、冷卻壁、爐頂主頁、及歷史臺賬。

2.3 關鍵路徑

在高爐存量數(shù)據(jù)采集4 765 個點中篩選932 個數(shù)據(jù)點，即可建立高爐設備專家模型。高爐設備智能專家模型實現(xiàn)了人機物共同決策，比現(xiàn)在的人機協(xié)同做的更精準、更安全、更高效。

3 智能數(shù)學模型開發(fā)-未知數(shù)據(jù)采集應用

3.1 應用場景

我們定修模型中諸多關鍵設備都采取周期更換方式滿足生產(chǎn)工藝要求穩(wěn)定而設定，高質(zhì)量發(fā)展就需要關鍵設備的使用周期進一步延長，也是智能制造支撐安全、綠色、低碳、高效、經(jīng)濟的重要應用場景。

3.2 案例：高爐熱風管系換爐應力智能線性控制模型

高爐煉鐵是鋼鐵生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，高爐煉鐵仍是現(xiàn)代煉鐵的主要方法。隨著我國鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，高爐爐容不斷大型化、冶煉風溫、風壓、風量持續(xù)提升。特大型高爐熱風爐換爐操作時，7 000 m3以上風量、450 kPa 的壓力、風速度45 m/s，換爐應力波動范圍高達5×106～20×106N，導致每座熱風爐出口鋼殼結構位移高達15～20 mm，直接造成熱風閥法蘭松動漏風、波紋補償器發(fā)紅、耐材松動脫落、總管發(fā)紅、熱風爐出口松動脫硫、及熱風爐出口區(qū)域大墻磚破損等系列問題；更有波紋補償器爆炸、出口爐殼燒穿、熱風總管斷裂等惡性事故。

大型高爐的熱風管系的受力非常復雜，國內(nèi)外一直沒有完整的力學模型，其設計都是通過經(jīng)驗和比較法得出，因此對施工、烘爐、生產(chǎn)等各個階段的應力變化認知不足，無法提出預應力的設置及調(diào)節(jié)需求；因此熱風管系構件在生產(chǎn)過程中的失效處理；只能以出現(xiàn)的事故問題為目標，被動采取局部加強、持續(xù)維修、周期更換等被動措施維持生產(chǎn)。

智慧制造不斷發(fā)展，精準控制已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)，應用成熟、可靠、低成本的現(xiàn)有技術，實時準確采集高爐熱風管系應力波動數(shù)據(jù)，分析換爐應力波動與各閥門動作的對應關系、研究換爐各閥門開關動作與應力曲線對應關系，明確要實現(xiàn)換爐應力線性控制，保障熱風系統(tǒng)設備安全運行，降低設備疲勞負荷、延長使用壽命，真正實現(xiàn)高質(zhì)量本質(zhì)安全的低碳長壽熱風爐。

通過發(fā)明大量程拉力檢測裝置，開發(fā)壓力管道應力實時監(jiān)測模型，成功檢測到熱風爐換爐操作時，應力波動特點即冷風閥開啟的30 s 內(nèi)應力陡增了3.6 倍，巨大的沖擊應力導致瞬時鋼殼位移超標耐材松動脫落。

圖3 熱風爐換爐實時應力波動趨勢曲線

換爐應力波動曲線特性已經(jīng)透明，智能線性控制的對策可謂觸景生情順理成章，通過對冷風閥開啟液壓伺服系統(tǒng)精度升級，編制智能線性數(shù)學模型，實現(xiàn)換爐應力線性均勻上升，百年煉鐵爐窯設備難題取得革命性突破。

3.3 關鍵路徑

針對生產(chǎn)運行中難點熱點問題，找準破損機理集成成熟技術，發(fā)明數(shù)據(jù)采集裝置建立實時數(shù)據(jù)監(jiān)測模型，獲得工藝運行狀態(tài)關鍵數(shù)據(jù)特征，制定智能操控策略、實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)控制，替代人工操作無法完成的精準控制目標，保障生產(chǎn)設備滿足工藝需求更透明、更主動、更可信。

4 智能操作功能替代-3D裝置數(shù)據(jù)集成應用

4.1 應用場景

集團推出了“萬名寶羅上崗計劃”，自主研發(fā)領域，選取典型應用場景，進行樣機試制、現(xiàn)場試用；新增技術成熟的首臺機器人，在集團內(nèi)批量化推廣，針對運行痛點，開發(fā)3D功能機器手裝置，采用成熟的視覺、力覺、觸覺識別，實現(xiàn)人機物協(xié)同智能控制，替代人的勞動，實現(xiàn)本質(zhì)安全，保障設備穩(wěn)定運行達到更高作業(yè)率、更少故障數(shù)、更強連續(xù)性。

4.2 案例：物料連續(xù)輸送雜物清理機器人開發(fā)應用

馬鋼工業(yè)機器人應用還處于起步階段，應用的主要是噴碼機器人、貼標機器人、巡檢機器人；還有煤氣、高溫、連續(xù)作業(yè)等；大量3D崗位（風險大、環(huán)境臟、重復勞動）需要機器人替代，實現(xiàn)本質(zhì)安全。目前開發(fā)的高爐泥炮加泥機器人、開鐵口換釬機器人等，都只是替代1D崗位（重復勞動）。

馬鋼為2 000 萬t 級長流程鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，每年通過船、火車、汽車運輸?shù)拿禾俊⒔固?、礦石、礦粉、溶劑、輔料數(shù)千萬噸，通過各種轉(zhuǎn)運方式進入各生產(chǎn)線的膠帶機運輸系統(tǒng)。來料中的雜物、大塊等經(jīng)常導致，堵料停機及大塊雜物燒壞膠帶等造成生產(chǎn)停機事件，影響生產(chǎn)連續(xù)運行；甚至造成清料人員人生安全事故。

現(xiàn)代工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)的物料輸送，不僅要保障物料輸送的連續(xù)性，同時還要降低了工巡檢、疏通、清理，降低勞動強度，才能實現(xiàn)物料連續(xù)輸送雜物清理3D功能，真正做到機器替代人目標。保障物料輸送的連續(xù)性，減少人工勞動強度實現(xiàn)本質(zhì)安全，為真正實現(xiàn)物料運輸“一鍵式”智能操作，提供基礎保障。

圖4 智能物料連續(xù)輸送雜物清理裝置

通過力覺、視覺識別實時發(fā)現(xiàn)各類雜物，依靠格柵無遺漏分揀雜物，采用智能液控機械手適時清理連續(xù)物料輸送中雜物，完成智能3D功能。

視覺識別、力覺識別、觸覺識別技術都已成熟，智能液控機械手也已經(jīng)廣泛應用，PLC 也已經(jīng)能夠完全實現(xiàn)人的任何要求，機器人就是量身定制完成3D功能的機械手裝置。

4.3 關鍵路徑

滿足現(xiàn)場需求量身定制完成3D 功能機械手裝置，集成成熟的視覺、力覺、觸覺識別，運用智能液控機系統(tǒng)完成動作，實現(xiàn)人機物協(xié)同智能控制，替代人的勞動，實現(xiàn)本質(zhì)安全，保障設備運行作業(yè)率更高、故障數(shù)更少、連續(xù)性更強。

5 結語

隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能高新技術發(fā)展，與人機物融合的相關研究引起全球普遍關注，信息技術、人工智能新興科技快速發(fā)展，大大拓展了時間、空間及人的認知，人類正在進入一個萬物互聯(lián)時代，傳統(tǒng)制造業(yè)全面進入智能控制轉(zhuǎn)型與應用，智慧制造應用場景與技術路徑選擇一定是多維度的、無界限的。

智能制造在傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型道路上切入點，首先是提升運動控制、過程控制、順序控制、邏輯控制的安全性、可靠性、精準性；其次是圍繞生產(chǎn)經(jīng)營目標，面向解決制造過程中熱點、難點、痛點問題；最后就是結合專家經(jīng)驗創(chuàng)新性的進行智能控制有機集成，文中案例已經(jīng)做出了詳細的闡述；滿足量身定制、開發(fā)自主知識產(chǎn)權、逐步實現(xiàn)高水準集成創(chuàng)新智慧制造體系的建立。

中國鋼鐵工業(yè)的新時代正在由鋼鐵大國向鋼鐵強國發(fā)展，鋼鐵生產(chǎn)這一傳統(tǒng)制造業(yè)必須走在智能制造轉(zhuǎn)型與應用的前列，快速占領智能制造的高地。傳統(tǒng)制造業(yè)有著諸多優(yōu)秀的歷史傳承、優(yōu)秀技術積累、優(yōu)秀的專家智慧；智慧制造轉(zhuǎn)型與應用正處在窗口期，我們要有充分的自信并結合自身特點，在扎實做好運動、過程、順序、邏輯控制的前提下，依靠專家經(jīng)驗持續(xù)創(chuàng)新集成優(yōu)異智能控制模型，發(fā)掘更多自主知識產(chǎn)權的新技術，文中案例都已發(fā)掘出系列自主知識產(chǎn)權。

馬鋼有著悠久的生產(chǎn)歷史，滾動發(fā)展歷經(jīng)從肩挑人扛到引進國際先進的技術裝備，七十余年來一直用自力更生艱苦奮斗的精神姿態(tài)進行探索、實踐、引進、消化、吸收、再創(chuàng)新，走出了一條具有中國特色的鋼鐵生產(chǎn)發(fā)展之路。馬鋼各類專家對傳統(tǒng)鋼鐵生產(chǎn)探索出了特有的認知、特有的理解、特有的感悟；必然會有獨特的方法、獨特的技巧、獨特的靈感；都是馬鋼以新時代思想為引領不斷開拓智慧制造新局面的優(yōu)勢，也是馬鋼拉高標桿跨越發(fā)展的動力，更是馬鋼持續(xù)發(fā)掘創(chuàng)新成果的源泉。