翟寶鵬，金鵬，高大鵬，宋偉豪，孟婷婷，江山，王琦，魏梓軒

（鞍鋼集團信息產(chǎn)業(yè)有限公司，遼寧 鞍山 114000）

近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國鋼鐵產(chǎn)量迅速增長，鋼鐵產(chǎn)能連續(xù)多年排名全球首位。但是鋼鐵工業(yè)能耗大，環(huán)境污染和原材料浪費嚴重等問題束縛了我國鋼鐵企業(yè)提高國際競爭力，制約著鋼鐵工業(yè)的良性發(fā)展［1］。為提高我國制造業(yè)競爭優(yōu)勢，加速制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，助力我國由制造大國向制造強國邁進，國家提出了《中國制造2025》發(fā)展規(guī)劃，鋼鐵行業(yè)積極布局智能制造項目，2015-2018年，共有包含寶鋼、鞍鋼、河鋼等9個智能制造項目被工信部列為 “國家智能制造試點示范項目”［2］。鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠三分廠5號線于2015年1月建設(shè)投產(chǎn)，煉鋼系統(tǒng)整體配備了副槍、聲吶檢測、吊車定位與鋼水罐定位、下渣檢測、PLC及集控設(shè)備等，但是實際生產(chǎn)中仍對人工操控較依賴，不利于生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量的提升。為了實現(xiàn)煉鋼工序向智能化精細生產(chǎn)轉(zhuǎn)型升級，降低生產(chǎn)成本，對該生產(chǎn)線進行了智能化煉鋼系統(tǒng)建設(shè)，取得較好效果。

1 煉鋼工序原來存在的問題

（1）供貨廠商繁多，設(shè)計范圍、通訊標準各不相同，新舊設(shè)備之間數(shù)據(jù)未能實現(xiàn)互聯(lián)互通。

（2）一、二、三、四級計算機網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊協(xié)議復雜，很多數(shù)據(jù)不能自動接收和傳送，仍需人工處理。

（3）雖然實現(xiàn)設(shè)備集控，但是設(shè)備自動化程度不高，仍依賴人工操作。

（4）生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)不完善，部分生產(chǎn)數(shù)據(jù)未進入到鞍鋼ERP系統(tǒng)和調(diào)度中心。

上述原因使得煉鋼生產(chǎn)未能實現(xiàn)上下游統(tǒng)一調(diào)控，轉(zhuǎn)爐冶煉鋼水各項檢驗指標受人為因素干擾影響較大，阻礙了轉(zhuǎn)爐自動化生產(chǎn)水平的進一步提升。

2 智能化煉鋼系統(tǒng)建設(shè)

2.1 自動控制系統(tǒng)改造

原有一級PLC系統(tǒng)僅有靜態(tài)控制功能，為實現(xiàn)智能化煉鋼系統(tǒng)的實時控制功能，對一級PLC系統(tǒng)進行改造。轉(zhuǎn)爐電氣PLC、儀表PLC、副槍PLC、合金PLC等實現(xiàn)了重新組網(wǎng)，與二級服務(wù)器、聲吶系統(tǒng)、“精鋼云”平臺實現(xiàn)了高速、穩(wěn)定、低延時互聯(lián)互通，實現(xiàn)了云端對氧槍、副槍、料倉等設(shè)備的實時控制。

2.2 系統(tǒng)通信建設(shè)

應用煉鋼總廠廠區(qū)基于4.9 GHz頻段的5G鋼鐵專網(wǎng)進行智能化煉鋼系統(tǒng)通訊傳輸。該專網(wǎng)采用SA組網(wǎng)模式+MEC邊緣計算架構(gòu)，通過在廠區(qū)機房內(nèi)獨立建設(shè)邊緣計算設(shè)備（MEC）與“精鋼云”平臺進行對接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)不出廠，保障工業(yè)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)信息的安全。5G鋼鐵專網(wǎng)見圖1。

圖1 5G鋼鐵專網(wǎng)Fig.1 5G Special Network for Iron and Steel Enterprises

2.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與功能架構(gòu)

智能化煉鋼系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。5G通訊技術(shù)具有高速率、低時延、廣連接的特點，5G鋼鐵專網(wǎng)打通鞍鋼集團一、二、三、四級計算機網(wǎng)絡(luò)，解決了無線終端、聲吶、攝像頭等設(shè)備與各計算機層級通訊問題，暢通上下工序信息通道，解決長流程工序銜接問題。智能化煉鋼系統(tǒng)功能架構(gòu)分三大層次建設(shè)：本地執(zhí)行層、生產(chǎn)監(jiān)控層和云端，如圖3所示。

圖2 智能化煉鋼系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.2 Network Architecture for Intelligent Steelmaking System

圖3 智能化煉鋼系統(tǒng)功能架構(gòu)Fig.3 Functional Architecture for Intelligent Steelmaking System

2.3.1 本地執(zhí)行層

本地執(zhí)行層以一鍵式智能化煉鋼為核心建設(shè)目標，分為聲吶氧槍控制模塊、副槍自動測試模塊、自學習投料模塊、智能終點控制模塊四部分。

（1）聲吶氧槍控制模塊

聲吶氧槍控制模塊由計算靜態(tài)槍譜、聲吶信號分析、控制氧槍槍位、控制氧氣流量四部分組成。研究表明，特征頻率的聲強與渣面水平有關(guān)，噪聲中心頻率主要取決于轉(zhuǎn)爐的尺寸，現(xiàn)場其他共鳴條件和各種干擾源。噪聲強度等級取決于爐渣水平面距氧槍槍口的距離或浸入程度所引起的衰減。吹煉開始時噪聲強度很高，與轉(zhuǎn)爐的低渣面相一致，隨著吹煉造渣的進行，渣面逐漸升高，噪聲等級逐漸下降。選出特定轉(zhuǎn)爐吹煉時能代表渣面變化的“特征”噪聲信號，濾除和抑制雜散干擾后，如果噪聲信號大幅度下降，則表示爐內(nèi)泡沫急劇增多，即所謂“噴濺”現(xiàn)象；反之，噪聲等級在吹煉幾分鐘以后又出現(xiàn)增大的現(xiàn)象，就意味著爐內(nèi)泡沫的減少，即所謂“返干”現(xiàn)象；如無明顯變化，則證明此時爐內(nèi)化渣良好。

（2）副槍自動測試模塊

副槍自動測試模塊由探頭種類選擇、探頭自動安裝、TSC自動測試、TSO自動測試四部分組成。

副槍是重要的轉(zhuǎn)爐冶煉檢測設(shè)備，是一鍵式智能化煉鋼的重要組成部分，每爐鋼水的冶煉通常需要過程測試（TSC）、終點測試（TSO）兩次副槍測試。

（3）自學習投料模塊

自學習投料模塊由自學習參數(shù)、堿鎂平衡計算、熱平衡計算、料倉自動控制四部分組成。

通過云端智能專家系統(tǒng)對歷史數(shù)據(jù)的分析與優(yōu)化，確認自學習參數(shù)；通過堿鎂平衡計算確定熔劑種類及加入量［3-4］；通過熱平衡計算選擇降溫材料或升溫材料并計算出其加入量；通過料倉自動控制將各熔劑與降溫材料或升溫材料通過模擬人工手動加入方式，多批次小批量適時加入爐內(nèi)，防止因加入批次、單批次加料量、加料時機的錯誤計算與錯誤執(zhí)行，對造渣造成不良影響。

（4）智能終點控制模塊

智能終點控制模塊由計算冶煉目標、計算實時碳溫、料倉自動控制、終點自動控制四個部分組成。

終點自動控制是通過七段論轉(zhuǎn)爐冶煉終點控制法生成轉(zhuǎn)爐終點操作指令，通過在轉(zhuǎn)爐電氣PLC、儀表PLC編寫轉(zhuǎn)爐終點控制程序及增加通訊接口，實現(xiàn)冶煉終點自動控制。七段論包含了轉(zhuǎn)爐冶煉終點可能出現(xiàn)的七種狀態(tài)，各種狀態(tài)都給出合理的解決方案，在保護設(shè)備安全的前提下，可實現(xiàn)任何情況下最理想的碳溫平衡輸出結(jié)果。

生產(chǎn)監(jiān)控層包括轉(zhuǎn)爐監(jiān)控系統(tǒng)和工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺兩大部分。

（1）轉(zhuǎn)爐監(jiān)控系統(tǒng)

轉(zhuǎn)爐監(jiān)控系統(tǒng)包含HMI人機界面和專家指導兩部分。

HMI人機界面包括生產(chǎn)控制和狀態(tài)監(jiān)視。生產(chǎn)控制包括對氧槍控制參數(shù)進行設(shè)定、副槍過程測試時機設(shè)定、冶煉終點判斷原則設(shè)定、終點測試等候時間設(shè)定等參數(shù)設(shè)定。狀態(tài)監(jiān)視包括氧槍吹氧過程曲線、聲吶曲線、副槍測試氧副槍聯(lián)動曲線、冶煉后期碳溫實時曲線等冶煉數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)視。

專家指導作為智能專家系統(tǒng)的本地端，擁有決策指導與閉環(huán)控制兩種模式，既可以由系統(tǒng)設(shè)置為智能專家系統(tǒng)直接執(zhí)行分析優(yōu)化后的生產(chǎn)指令，也可以設(shè)置為只為生產(chǎn)操控人員提供操作指導。當操作人員選擇自動控制模式時，智能化煉鋼系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)狀態(tài)自動啟動運行，根據(jù)智能專家系統(tǒng)分析優(yōu)化后發(fā)送的生產(chǎn)指令，自動進行氧槍、副槍、料倉及冶煉終點自動生產(chǎn)控制；當操作人員選擇手動操作時，專家指導系統(tǒng)將給出推薦計算結(jié)果，為操作人員提供決策指導。

（2）工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺

工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)核心，主要包括數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)集控、數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)存儲四大部分功能。

（2）標準之間存在交叉、矛盾和冗余。一般油田企業(yè)的標準體系中，既包含油氣儲運專業(yè)的國標、行標和企標，同時也包含其他如工程建設(shè)、儀表自動化、安全環(huán)保、計量等專業(yè)的國標、行標和企標。這些標準的制定部門不同，制定時間不同，制定背景也不同，導致標準之間缺乏協(xié)調(diào)，不可避免的存在交叉、矛盾、冗余和不符合實際需要之處。[3]

數(shù)據(jù)接入包括一二級系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時通訊和三四級系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時通訊，二級向一級延伸（轉(zhuǎn)爐傾動系統(tǒng)、氧槍系統(tǒng)、副槍系統(tǒng)、料倉系統(tǒng)、煤氣回收系統(tǒng)等）、三級向四級延伸（化檢驗系統(tǒng)、MES系統(tǒng)等）的數(shù)據(jù)實時通訊功能。

數(shù)據(jù)集控包括聲吶數(shù)據(jù)集控，吊車定位數(shù)據(jù)集控兩部分。通過將聲吶儀表和吊車系統(tǒng)接入實時通訊網(wǎng)絡(luò)，聲吶數(shù)據(jù)、吊車數(shù)據(jù)實時寫入數(shù)據(jù)庫，將聲吶信號和吊車信號接入數(shù)據(jù)集控平臺，實現(xiàn)聲吶數(shù)據(jù)和吊車數(shù)據(jù)接入智能化煉鋼系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)過濾包括數(shù)據(jù)清洗與數(shù)據(jù)整理。通過高效的過濾處理，抽取各環(huán)節(jié)的有效數(shù)據(jù)，將生產(chǎn)過程中的分散、零亂、標準不統(tǒng)一的數(shù)據(jù)整合到一起，將設(shè)備故障、儀表故障、人為操作失誤等造成的錯誤數(shù)據(jù)進行清洗，避免對自動生產(chǎn)控制產(chǎn)生影響，為數(shù)據(jù)分析提供堅實的基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)存儲包括數(shù)據(jù)記錄與參數(shù)維護。數(shù)據(jù)記錄采用海量數(shù)據(jù)倉庫管理及分布式數(shù)據(jù)處理技術(shù)，不但提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和存取效率，而且易于擴展。數(shù)據(jù)存儲機制通過多節(jié)點的冗余處理有效保障了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全。先進的流處理技術(shù)使得系統(tǒng)具備高速的數(shù)據(jù)采集能力，滿足鋼鐵企業(yè)各生產(chǎn)車間，尤其是毫秒級數(shù)據(jù)采集存儲需求。數(shù)據(jù)存儲后形成數(shù)據(jù)湖，為數(shù)據(jù)挖掘，工藝改進，生產(chǎn)問題查詢，模型優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

采用數(shù)據(jù)集控平臺與數(shù)據(jù)庫孿生技術(shù)實現(xiàn)煉鋼冶煉參數(shù)與數(shù)據(jù)傳遞，不但提高了系統(tǒng)的可靠性，而且提高了大數(shù)據(jù)平臺數(shù)據(jù)傳遞效率。先進的流處理技術(shù)使系統(tǒng)具備高速的數(shù)據(jù)傳遞能力，滿足HMI人機界面、一鍵式智能化煉鋼控制模型、云端的參數(shù)運算需求。

2.3.3 云端

云端即利用“精鋼云”搭建的智能化煉鋼支撐系統(tǒng)，主要功能為煉鋼工業(yè)大數(shù)據(jù)的管理和對本地算法模型進行訓練優(yōu)化，包含大數(shù)據(jù)管理、模型優(yōu)化、質(zhì)量判定、指標分析系統(tǒng)四部分。

（1）大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)收集所有工序的生產(chǎn)、控制、工藝、能源介質(zhì)、設(shè)備運行、質(zhì)量參數(shù)等數(shù)據(jù)資料，將這些多源、多類型數(shù)據(jù)經(jīng)過清洗和轉(zhuǎn)換形成統(tǒng)一格式存入數(shù)據(jù)倉庫。此外，大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)將收集訂單、技術(shù)協(xié)議、產(chǎn)品質(zhì)量、原料成本數(shù)據(jù)形成鋼鐵產(chǎn)品全生命周期大數(shù)據(jù)，收集煉鐵、預處理、轉(zhuǎn)爐、氬站、精煉、連鑄等全工序大數(shù)據(jù)，為后期數(shù)據(jù)挖掘、模型開發(fā)提供數(shù)據(jù)湖。

（2）模型優(yōu)化系統(tǒng)

在大數(shù)據(jù)湖的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)挖掘，利用云端算力優(yōu)勢進行智能化煉鋼參數(shù)自優(yōu)化計算。通過云邊數(shù)字孿生技術(shù)進行智能化煉鋼系統(tǒng)參數(shù)動態(tài)更新，實現(xiàn)智能化煉鋼生產(chǎn)工藝參數(shù)在線動態(tài)優(yōu)化。

（3）質(zhì)量判定系統(tǒng)

利用大數(shù)據(jù)湖對影響鋼種質(zhì)量的數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)鋼種作業(yè)指導書，對轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工序質(zhì)量進行預判，提出操作建議。

（4）指標分析系統(tǒng)

利用大數(shù)據(jù)湖對影響成本的鋼鐵料、白灰單耗、氧氣單耗等指標進行分析，當指標異常時，通過HMI畫面及聲音報警等方式對現(xiàn)場生產(chǎn)進行提示。

3 應用效果

3.1 鋼水質(zhì)量控制水平提高

智能化煉鋼系統(tǒng)于2021年底在煉鋼總廠三分廠5號線改造完成投入使用。統(tǒng)計了9罐SPCC鋼種冶煉數(shù)據(jù)見表1所示。由表1可以看出，鋼水終點碳含量和終點溫度基本達到目標要求，不低于人工控制水平。

表1 SPCC鋼種冶煉數(shù)據(jù)Table 1 Smelting Data of SPCC Steel Grade

該系統(tǒng)已穩(wěn)定運行近一年，實現(xiàn)了冶煉過程模型數(shù)據(jù)動態(tài)可視化和一鍵式煉鋼，減輕了勞動強度，提高了煉鋼質(zhì)量控制水平，鋼水一次拉碳命中率從投入前的92.3%提高至96.5%，減少了點吹冶煉時間。

3.2 經(jīng)濟與環(huán)保效益顯著

智能化煉鋼系統(tǒng)精準控制煉鋼過程，通過降罩冶煉，提高了煙氣中一氧化碳回收率；通過提高一次拉碳命中率降低氧氣消耗量，優(yōu)化石灰石與活性石灰配比，降低了生產(chǎn)成本。降低原材料損耗和生產(chǎn)能耗，減少有害廢氣廢物的排放，符合國家“碳中和”綠色發(fā)展規(guī)劃，取得較好的經(jīng)濟與環(huán)保效益。

4 結(jié)語

隨著“中國制造2025”、“碳中和”等發(fā)展規(guī)劃的相繼提出，國內(nèi)各大鋼鐵企業(yè)都在加快提升自身數(shù)字化、信息化、智能化水平，摒棄過去粗放式鋼鐵生產(chǎn)模式，向低碳環(huán)保、高效率、高質(zhì)量的智能化精細生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)型升級。鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠智能化煉鋼系統(tǒng)建設(shè)應用后，提高了煉鋼工序控制水平，鋼水一次拉碳命中率由92.3%提高至96.5%，提高了煙氣中一氧化碳回收率，降低原材料損耗和生產(chǎn)能耗，減少有害廢氣廢物的排放，取得較好的經(jīng)濟與環(huán)保效益。