關鍵詞：動態(tài)精準設計；信息物理系統(tǒng)；一體化計劃排程；全流程實時動態(tài)調(diào)度；全流程工藝數(shù)字化；設備智能化運維；能源精細化管控

0 引言

在以往的鋼廠工程設計中，通常立足于各工序/裝置的靜態(tài)能力估算和不同富余系數(shù)的假定，采用機械論的拆分方法進行鋼廠靜態(tài)設計。由于各工序/裝置分別由不同專業(yè)人員設計，靜態(tài)能力估算和富余能力亦有不同，往往造成鋼廠生產(chǎn)流程內(nèi)各工序的靜態(tài)容量（能力）無法充分發(fā)揮，且各工序之間很難實現(xiàn)動態(tài)有序協(xié)同運行，最終導致空間占用大、投資效率低，生產(chǎn)制造過程時間較長、運行效率低，信息難以貫通、能源能耗高等問題。冶金制造流程追求的目標是物質(zhì)流、能量流、信息流處在動態(tài)-有序、協(xié)同-連續(xù)的運行狀態(tài)（三流一態(tài)）。動態(tài)精準設計是在鋼鐵制造全流程動態(tài)有序、協(xié)同連續(xù)運行的概念指導下實現(xiàn)的技術創(chuàng)新。河鋼運用最新的鋼廠動態(tài)精準設計，在唐鋼新區(qū)物理空間應用230多項前沿新工藝和130多項鋼鐵綠色制造技術和智能化大型裝備，通過集成感知、通信、計算和控制等數(shù)字技術構建了可與物理空間進行狀態(tài)感知、實時分析、科學決策以及精準執(zhí)行的信息空間，全面設計建設了新一代冶金流程的唐鋼新區(qū)。

1 新一代流程鋼廠動態(tài)精準設計理念

工程是各類相關技術和相關經(jīng)濟要素進行相互作用的動態(tài)集成系統(tǒng)，是制造業(yè)直接生產(chǎn)力和現(xiàn)實生產(chǎn)力的體現(xiàn)。制造業(yè)的競爭，從形式上看是產(chǎn)品的競爭，本質(zhì)上則是源于工程設計的競爭。工程設計是選擇、整合、構建、轉(zhuǎn)化以及動態(tài)運行的重要環(huán)節(jié)，是將科學技術轉(zhuǎn)化為直接生產(chǎn)力和現(xiàn)實生產(chǎn)力的橋梁。工程設計既要為工程建設提供圖紙，更要考慮工程運行過程的功能和效率，以及與環(huán)境生態(tài)的融合。同時，工程設計要將工程運行過程的功能、效率和環(huán)境生態(tài)等要素融入到工程建設施工圖設計中。

鋼廠設計和生產(chǎn)運行的整體運行過程不是一個孤立系統(tǒng)，而是嵌入在一定周邊環(huán)境條件下的開放系統(tǒng)，處于不停地進行物質(zhì)、能量、信息的輸入/輸出過程中，因此，鋼廠的物理系統(tǒng)實際上處于非平衡的開放狀態(tài)，而物理系統(tǒng)結構自組織性的優(yōu)劣在很大程度上取決于鋼廠工程設計。鋼廠工程設計既要從物理系統(tǒng)一側(cè)進行自組織信息流分析，也要理順人工輸入的他組織信息流，以促進制造流程運行本質(zhì)智能化的實現(xiàn)，因此，需要用動態(tài)精準設計的理論和方法來指導鋼廠工程設計，動態(tài)精準設計以三流一態(tài)為目標任務，在工程設計時就要考慮到工程建造投產(chǎn)后動態(tài)、實際的生產(chǎn)運行情況。靜態(tài)設計與動態(tài)精準設計在理念上的區(qū)別如圖1所示。

鋼廠動態(tài)精準設計不僅有利于提高各項技術和經(jīng)濟指標，而且有利于節(jié)省投資金額，提高投資效益和環(huán)境效益，在鋼廠全流程物質(zhì)流/能量流動態(tài)運行過程中，實現(xiàn)各種信息參量穩(wěn)定和動態(tài)精準可控，有利于進一步發(fā)展到信息物理系統(tǒng)。鋼廠動態(tài)精準設計的理念為唐鋼新區(qū)的設計建設提供了有力的理論支撐。

2 唐鋼新區(qū)工程設計中的動態(tài)精準設計方法

對唐鋼新區(qū)鋼鐵制造流程的設計而言，不僅要為鋼廠提供工程建造方案，以供鋼廠工程建設之用，而且要為鋼廠工程建成后的日常生產(chǎn)運行準備好合理的層流運行路線。唐鋼新區(qū)鋼廠的設計方法，從以流程內(nèi)各工序的靜態(tài)能力（容量）的估算和簡單疊加的靜態(tài)設計方法推進到以三流一態(tài)為目標的動態(tài)精準設計方法，即在他組織調(diào)控下按照一定的動態(tài)運行規(guī)則進行適時自適應，其涉及工序功能集合的解析-優(yōu)化、工序間關系集合的協(xié)同-優(yōu)化和流程中組成工序集合的重構-優(yōu)化。動態(tài)精準設計方法如圖2所示。

傳統(tǒng)鋼鐵企業(yè)的鋼廠工程交付模式多依托于藍圖和文檔，會造成不同專業(yè)、不同類型文檔之間難以關聯(lián)整合，不利于工程信息的查閱與讀取，并且各類紙質(zhì)文檔圖紙難以與工程后期數(shù)字化系統(tǒng)協(xié)同互通，導致鋼廠數(shù)字化生產(chǎn)運營的數(shù)據(jù)基礎難以構建。因此，在產(chǎn)業(yè)升級和發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的時代背景下，唐鋼新區(qū)為實現(xiàn)鋼鐵企業(yè)全生命周期的數(shù)據(jù)流通，從規(guī)劃設計開始就基于動態(tài)精準設計，應用建筑信息模型技術，將唐鋼新區(qū)設計中涉及的所有專業(yè)放在同一模型中，采用Bentley軟件以1∶1方式及真實尺寸對生產(chǎn)專業(yè)設備、電氣外網(wǎng)、水外網(wǎng)、動力外網(wǎng)等進行三維模型建立，并通過三維模型進行合理性檢查及碰撞檢測，保障唐鋼新區(qū)工程設計的合理準確和連續(xù)緊湊。由于唐鋼新區(qū)采用的是長流程生產(chǎn)工藝，投資大、專業(yè)面廣、工程復雜，設計建設過程中涵蓋總圖、工藝、建筑、結構、動力、機械、水道、電氣等專業(yè)，因此，在數(shù)字建模過程中采用“串行+并行”的協(xié)同設計方式，以實現(xiàn)各專業(yè)快速協(xié)同設計，為唐鋼新區(qū)物理空間的靜態(tài)結構框架以及動態(tài)運行的路徑、軌跡和時-空邊界打下了堅實基礎。

為發(fā)揮唐鋼新區(qū)臨?？扛蹆?yōu)勢，在總圖布置主體工藝路徑時，綜合考慮廠區(qū)內(nèi)外部條件，通過貫徹動態(tài)精準設計方法，構建形成了由南向北依次布置的封閉式C形料場、直徑為120 m的封閉式圓形料場、2臺360 m2燒結機、2臺624 m2帶式球團焙燒機、3座2922 m3高爐，并由高爐自西往東依次進行煉鋼和軋鋼的廠內(nèi)建設，實現(xiàn)各生產(chǎn)工序的緊湊連續(xù)，不僅減少了物質(zhì)流的運行時間，還降低了因運輸距離長而導致的能源耗散，更便于唐鋼新區(qū)全流程的互通和管理。同時，大量采用物性轉(zhuǎn)換的“界面”技術、能量-溫度轉(zhuǎn)換的“界面”技術和物流運行的時-空“界面”技術等，如一罐到底、一包到底、無人天車、輥道輸送、封閉皮帶傳輸?shù)?，實現(xiàn)物質(zhì)流、能量流通路的簡捷化，優(yōu)化相關的、異質(zhì)異構的一系列制造單元（工序）之間的非線性相互作用關系，以及物質(zhì)流的效率和速率。同時，構建形成了唐鋼新區(qū)全廠能源利用系統(tǒng)，建設采用煤氣發(fā)電的2套78 MW高溫超高壓帶一次中間再熱機組及1套100 MW超高溫亞臨界中間一次再熱機組。另外，還在燒結區(qū)域利用燒結環(huán)冷機中的低溫廢氣，建設1套25 MW余熱發(fā)電機組。根據(jù)全廠飽和蒸汽供應及平衡情況，在煉鋼區(qū)域建設1套22 MW凝汽式飽和蒸汽發(fā)電機組。結合場區(qū)的具體情況，在滿足規(guī)劃、安全、消防的情況下，在煤氣綜合管理區(qū)域自西向東、自北向南分別布置煤氣防護站、煤氣混合站、煤氣加壓站、1座30萬m3稀油密封圓形高爐煤氣柜、2座15萬m3橡膠膜密封轉(zhuǎn)爐煤氣柜、1座5萬m3稀油密封圓形焦爐煤氣柜，由此可充分發(fā)揮唐鋼新區(qū)能源轉(zhuǎn)換功能，合理利用全廠各個生產(chǎn)工序中產(chǎn)生的余熱余能，實現(xiàn)能源的梯級利用和循環(huán)使用。通過運用動態(tài)精準設計方法，使得建成后的唐鋼新區(qū)物理空間總圖布置緊湊、功能分區(qū)明確和生產(chǎn)流程順暢，為全流程動態(tài)有序、協(xié)同連續(xù)運行起到“鋪路架橋、快速貫通”的作用。同時，總圖噸鋼用地指標實現(xiàn)0.53 t/ m2，噸鋼投資4800元/t， 該指標處于國內(nèi)外同級別鋼廠的領先水平。為解決鋼廠建設過程中數(shù)字技術與鋼鐵全流程深入融合的問題、新一代流程鋼廠各工序高效銜接問題、鋼鐵工程項目管理手段不統(tǒng)一的問題，研發(fā)出了綠色智能鋼廠融合協(xié)同的工程建設方法，唐鋼新區(qū)綠色智能鋼廠建設路線如圖3所示。

3 動態(tài)精準設計方法在唐鋼新區(qū)的應用實踐

以動態(tài)精準設計為指導的唐鋼新區(qū)，在利用建筑信息模型技術提高物理空間自組織性的同時，在信息空間對全流程各個設備進行數(shù)字化，便于與物理空間進行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)，并通構建工廠數(shù)據(jù)庫平臺的數(shù)采網(wǎng)關，利用Netshare共享文件采集軟件、IOT-DataBus高性能中間件等實時收集各個設備的PLC、ODG，以及其他設備系統(tǒng)數(shù)據(jù)，保障各個設備控制系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、能源數(shù)據(jù)、設備狀態(tài)的實時數(shù)據(jù)和緩存數(shù)據(jù)統(tǒng)一集成到工廠數(shù)據(jù)庫平臺，打破數(shù)據(jù)孤島和數(shù)據(jù)壟斷，并讓數(shù)據(jù)有清晰的定義和統(tǒng)一的結構，為數(shù)字化、智能化系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)供給，目前已實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集率達100%，數(shù)據(jù)采集周期不超過1 s。為實現(xiàn)全局動態(tài)調(diào)控，在工廠數(shù)據(jù)庫平臺的基礎上，構建了一體化高級計劃排程、全流程實時動態(tài)調(diào)度、全流程工藝數(shù)字化和設備智能運維平臺，實現(xiàn)鐵素流的物質(zhì)銜接性和全流程連續(xù)化運行時間的最小化，以及實現(xiàn)能源精細化管控、全廠能源利用效率提升和能源耗散降低。由此，不僅提高了唐鋼新區(qū)信息空間的他組織力，還融合了唐鋼新區(qū)物理空間和信息空間。

唐鋼新區(qū)信息物理系統(tǒng)如圖4所示。

唐鋼新區(qū)信息物理系統(tǒng)是集成先進的感知、通信、計算、控制等數(shù)字技術構建的一套基于數(shù)據(jù)自動流動的狀態(tài)感知、實時分析、科學決策、精準執(zhí)行的賦能體系，可使信息空間與物理空間中的人、機、料、法、環(huán)主要要素進行相互映射、實時交互和高效協(xié)同，使系統(tǒng)內(nèi)的資源配置和運行可以按需響應、快速迭代、動態(tài)優(yōu)化，解決生產(chǎn)制造和能源耗散過程中的復雜性、不確定性問題。唐鋼新區(qū)信息物理系統(tǒng)可實現(xiàn)動態(tài)精準設計應遵循的設計原則，即物質(zhì)流在長時間范圍內(nèi)動態(tài)、穩(wěn)定、均衡地匹配相等、全流程整體運行時間最小化、能源耗散減少而使流程能耗最小化，這是三流一態(tài)的重要標志。動態(tài)精準設計應遵循的設計原則可用式（1）～式（3）聯(lián)立在一起體現(xiàn)。

Q_PF=Q_FN，Q_F=Q_IN，Q_I=Q_CC=Q_rh=Q_ro（1）

∑t1^set+∑t2^set+∑t3^set+∑t4^set+∑t5^set→min（2）

∑E→min（3）

式中：QPF、QFN分別為鐵前系統(tǒng)平均每分鐘原料供應量、需求量，t/min；QF、QIN分別為煉鋼系統(tǒng)平均每分鐘出鐵量、需鐵量，t/min；QI為煉鋼系統(tǒng)平均每分鐘供鋼水量，t/min；QCC為連鑄機平均每分鐘鑄坯輸出量，t/min；Qrh為加熱爐平均每分鐘鑄坯輸出量， t/min；Qro為軋機運行時平均每分鐘軋制量，t/min；∑為生產(chǎn)物質(zhì)流在流程各工序、裝置中通過所消耗的實際運行時間總和；∑為生產(chǎn)物質(zhì)流在流程網(wǎng)絡中運行所消耗的各種實際運輸（輸送）時間總和；∑為生產(chǎn)物質(zhì)流在流程網(wǎng)絡中運行所消耗的各種實際等待（緩沖）時間總和；∑為影響流程整體運行的各類檢修時間總和；∑為生產(chǎn)物質(zhì)流在流程網(wǎng)絡中運行時間出現(xiàn)的影響流程整體運行的各類故障時間總和；∑E為噸鋼綜合能耗（以標準煤計），kg/t。

動態(tài)精準設計高度重視子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間、節(jié)點與節(jié)點之間的銜接匹配關系、層流運行的關系、緩沖協(xié)調(diào)關系乃至簡捷順暢關系。為實現(xiàn)流程網(wǎng)絡的簡捷化、流程運行的順暢化，唐鋼新區(qū)鋼鐵制造流程的集成創(chuàng)新不僅包括制造流程物理系統(tǒng)的集成創(chuàng)新，還包括信息系統(tǒng)的集成創(chuàng)新。

3.1 一體化計劃排程

在面對多品種小批量的生產(chǎn)訂單時，既要使生產(chǎn)計劃符合各設備的實際產(chǎn)能，以確保生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定和連續(xù)高效經(jīng)濟運行，也要平衡前后設備的生產(chǎn)計劃，使得設備產(chǎn)能發(fā)揮最大化，還要確保銷售訂單按客戶需求時間進行交付。針對鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)計劃排程問題，唐鋼新區(qū)通過將人工智能與大數(shù)據(jù)等新技術與銷產(chǎn)轉(zhuǎn)換和生產(chǎn)計劃優(yōu)化推薦進行深度融合，構建了先進的一體化計劃排程系統(tǒng)，建設由批量生產(chǎn)計劃和全局/件次計劃排程引導的生產(chǎn)模式，進而快速響應客戶訂單需求，優(yōu)化生產(chǎn)計劃和執(zhí)行，為產(chǎn)銷和質(zhì)量管理提供有效支撐。該系統(tǒng)采用全局和件次的分層優(yōu)化模型，利用智能算法確定訂單在不同工藝路徑上的最優(yōu)分配方案，通過考慮每個工序的產(chǎn)能約束、物料庫存、設備檢修計劃、工藝路徑和物流平衡等因素，實現(xiàn)需求訂單中各個品種鋼的最佳產(chǎn)量分配和時序分配，確保生產(chǎn)資源的高效利用和訂單交付的準確性。通過構建全面的產(chǎn)線工序能力模型，依據(jù)訂單產(chǎn)品類型、當前產(chǎn)能利用情況、庫存情況、原材料供應情況等多維度信息，智能預測訂單的最快交貨期、計劃交貨期和最遲交貨期，并且系統(tǒng)自動評估產(chǎn)線在指定交貨期內(nèi)完成訂單的可行性，輔助業(yè)務人員做出最佳決策。通過多工序協(xié)同計劃排程技術，實現(xiàn)多工序生產(chǎn)計劃的統(tǒng)一查看和監(jiān)控，各工序生產(chǎn)進度、產(chǎn)能利用情況、設備狀態(tài)和物料供應情況等關鍵信息的實時顯示，幫助管理層進行跨工序的生產(chǎn)協(xié)同和資源調(diào)度，最終實現(xiàn)計劃排程時間縮短20%，板坯平均庫存降低15%。同時，全流程實時動態(tài)調(diào)度也需要一體化計劃排程的支撐才能發(fā)揮最大功效。一體化計劃排程系統(tǒng)技術路線如圖5所示。

3.2 全流程實時動態(tài)調(diào)度

針對鋼鐵流程運行規(guī)律復雜和生產(chǎn)作業(yè)計劃實時調(diào)整要求高等問題，唐鋼新區(qū)以全流程一圖貫通、全廠生產(chǎn)狀態(tài)一圖描述、全流程智能化調(diào)度一圖指揮為核心，構建了全流程實時動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)。該系統(tǒng)橫向上協(xié)同了全流程全部生產(chǎn)工序，是一體化高級計劃排程與生產(chǎn)設備控制系統(tǒng)進行溝通的核心。通過多智能體技術，開發(fā)了全流程動態(tài)網(wǎng)絡仿真模型，確保鐵素流的物質(zhì)銜接性和全流程連續(xù)化運行時間的最小化。全流程實時動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)利用多智能體技術、圖論、Petri網(wǎng)等數(shù)字技術，通過AnyLogic等仿真軟件建立全流程動態(tài)網(wǎng)絡仿真模型；同時，通過歸納鋼鐵生產(chǎn)工序界面協(xié)同、流程動態(tài)有序運行規(guī)則，構建起規(guī)則數(shù)字化知識庫，而后將規(guī)則數(shù)字化知識庫作為動態(tài)仿真模型關鍵技術的輸入，通過引入各區(qū)段流程模型，完成場景分析、定量解析和實時優(yōu)化。該系統(tǒng)可基于仿真平臺的作業(yè)計劃，采用智能化制定與動態(tài)調(diào)整技術，通過運籌學理論和啟發(fā)式規(guī)則構建動態(tài)調(diào)度模型進行全流程智能排產(chǎn)，實現(xiàn)在線動態(tài)優(yōu)化調(diào)度。在鋼鐵制造流程中，各制造單元以及相關制造單元之間起到鏈接件功能的界面技術的集成，將通過唐鋼新區(qū)首創(chuàng)的全流程物質(zhì)-能量-時間-空間-信息五維動態(tài)甘特圖的優(yōu)化呈現(xiàn)出來，實現(xiàn)各生產(chǎn)單元之間協(xié)同-緩沖-鏈接-穩(wěn)定的互動關系，以此顯著縮短不同工序間的傳擱時間，減少過程溫降，提高流程運行效率。另外，該系統(tǒng)根據(jù)實時生產(chǎn)信息，建立了分鐘級鐵素流流量預警模型，對可能產(chǎn)生的生產(chǎn)堵點進行預警和提示，通過信息顯示、工控條件設定和生產(chǎn)過程調(diào)整消除非必要生產(chǎn)節(jié)奏波動，確保了在線生產(chǎn)順行，保證了鐵素流的物質(zhì)銜接性。全流程實時動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)的構成如圖6所示。

該系統(tǒng)上線運行后，鐵水運輸時間由123 min降至81 min， 鐵素物質(zhì)流從KR進站到連鑄開澆時間由171.8 min縮短至155.6 min， 實現(xiàn)生產(chǎn)物質(zhì)流在流程網(wǎng)絡中運行時所消耗的各種實際運輸時間的總和以及實際等待（緩沖）時間的總和最小化。

3.3 全流程工藝數(shù)字化

為使生產(chǎn)設備對物質(zhì)流處于最優(yōu)加工時間并獲得良好的鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量，唐鋼新區(qū)通過對象和過程數(shù)字化，并根據(jù)生產(chǎn)工藝和相關數(shù)學模型對冶金全流程上的設備進行優(yōu)化設定。1）燒結控制系統(tǒng)。應用配料模型實現(xiàn)燒結的精準配料，基于燒結機風箱溫度對燒結終點進行預測和控制，優(yōu)化燒結過程控制，提高燒結溫度命中精度，降低能源消耗提升燒結礦質(zhì)量。2）高爐控制系統(tǒng)?；谠铣煞诌M行高爐的精準配料，并進行高爐上料的物料追蹤，根據(jù)熱負荷和其他工藝參數(shù)變化，通過高爐模型監(jiān)視和調(diào)控高爐爐體和冷卻設備的工作狀態(tài)。3）轉(zhuǎn)爐煉鋼系統(tǒng)。唐鋼新區(qū)轉(zhuǎn)爐煉鋼系統(tǒng)由副槍模塊、音頻化渣模塊和煙氣分析模塊共同組成，通過3個模塊的集成，使得煉鋼全程無人化和智能化，減少因人為因素導致的冶煉過程不良波動，進而降低原材料消耗，縮短冶煉周期，實現(xiàn)煉鋼效率提升和終點命中率的提高。4）一鍵精煉系統(tǒng)。針對不同鋼種，通過專家模型和數(shù)學模型規(guī)范精煉各操作和運行環(huán)節(jié)，實現(xiàn)精煉過程的實時跟蹤與檢測，提高精煉各環(huán)節(jié)的控制精準度，提高鋼水成分控制精度。5）加熱爐控制系統(tǒng)。基于加熱爐加熱工藝，在進行爐溫設定時，充分考慮實際生產(chǎn)過程板坯冷熱混裝、閉環(huán)精度較差等因素，將每塊板坯鋼種、規(guī)格、溫度和出爐目標溫度、剩余在爐時間等因素進行權重解耦計算。板坯溫度預報按照機理模型分析、在線適配模型調(diào)整、試驗參數(shù)校正、鋼溫反饋計算、工況智能識別等流程，在保證溫度計算準確性和智能適應性的同時，使加熱爐整個燃燒過程的各個環(huán)節(jié)自動可控，在降低能耗的同時提高板壞加熱質(zhì)量。唐鋼新區(qū)的全流程工藝數(shù)字化橫向貫穿鋼鐵生產(chǎn)過程各個設備，覆蓋率高達98.6%，保障和實現(xiàn)生產(chǎn)物質(zhì)流在流程各工序、裝置中通過，所消耗的實際運行時間最小化。唐鋼新區(qū)典型的工藝數(shù)字化匯總情況見表1。

3.4 設備智能運維

唐鋼新區(qū)設備智能運維平臺的目標是通過預測性、前瞻性維護減少設備突發(fā)事故，將設備停機計劃的隨機性和不確定性轉(zhuǎn)變成可控和可預測，避免非計劃停機造成的生產(chǎn)連續(xù)性中斷；提高人員工作效率，替代人員點檢，降低設備點檢人員的工作負荷；以數(shù)據(jù)為驅(qū)動進行設備管理和預測性維修。智能設備運維方式演變過程如圖7所示。

唐鋼新區(qū)設備智能運維平臺由設備全生命周期管理系統(tǒng)和智能點檢維修系統(tǒng)構成，主要圍繞提質(zhì)增產(chǎn)創(chuàng)效、保障設備高質(zhì)量的長久安全穩(wěn)定運行。1）設備全生命周期管理系統(tǒng)。按照設備全生命周期管理思想，覆蓋設備選型到設備淘汰或報廢的整個過程，將各個設備的相關業(yè)務數(shù)據(jù)整合到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)設備數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)一化管理，對設備全生命周期做到精細化管理。以設備地理信息和設備型號為基礎，建立以大數(shù)據(jù)為支撐的周期性維護體系，實現(xiàn)狀態(tài)及精度監(jiān)測管理和周期性維護管理的管控模式。對備品備件進行全生命周期管理，建立指標預警體系、設備運行預警體系和庫存預警體系，通過將備件壽命分析、庫存采購分析、故障分析進行流程化、標準化、數(shù)字化，使得有關業(yè)務模型具有全局性，進而實行全面管控，提高整個企業(yè)的設備管理水平。2）智能點檢維修系統(tǒng)。通過唐鋼新區(qū)搭建的工廠數(shù)據(jù)庫，構建了覆蓋全流程的設備點檢維修系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術將全流程監(jiān)測設備的儀表數(shù)據(jù)集中到工廠數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對設備的狀態(tài)進行感知。將存儲在工廠數(shù)據(jù)庫的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)模型實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時分析以及關鍵隱藏信息的挖掘，將數(shù)據(jù)作為設備分析模型的輸入值。同時，將設備故障和故障維修知識固化到運維數(shù)字化規(guī)則庫中，通過設備分析模型對全廠現(xiàn)場設備進行實時監(jiān)控和異常預警，異常預警可靠性達85%。當監(jiān)測設備的儀器數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大異常波動時，報警信息會通過微信推送給指定業(yè)務人員，保障了信息傳遞的高效性和及時性，并通過多人遠程協(xié)助的工作模式高效協(xié)同設備廠家和專業(yè)專家?guī)椭F(xiàn)場維修人員處理設備異常，使得工作效率提升20%。同時，保障設備全天候?qū)崟r監(jiān)控和快速響應，系統(tǒng)運行可靠性達到99%，并且使設備突發(fā)故障持續(xù)時間降低20%，實現(xiàn)維修成本降低15%。設備智能運維平臺實現(xiàn)了影響流程整體運行的各類故障時間和檢修時間的最小化。

3.5 能源精細化管控

為確保不同能源介質(zhì)調(diào)度的獨立性和相互之間的調(diào)度安全，完成對能源介質(zhì)運行過程的管理與控制，以及產(chǎn)線生產(chǎn)與動力介質(zhì)之間的協(xié)同，依托智能化調(diào)度、協(xié)同化管控、無人化值守、集中化管理，唐鋼新區(qū)圍繞鋼鐵生產(chǎn)過程中的能源介質(zhì)，構建了覆蓋全流程工序和配套公輔設施的能源精細化管控系統(tǒng)，在確保鋼鐵制造無延遲和無斷檔的前提下，進行集中一貫制管控，達到提高全廠能源利用效率、降低能源耗散的目標。該系統(tǒng)通過構建的主要工序能耗預測模型，可分析現(xiàn)有技術條件下主要工序的理論最小能耗，從而進一步挖掘工藝的節(jié)能潛力。同時，建立了全流程層次上的能量流輸入-輸出模型，用于研究能量流產(chǎn)生-儲存-輸送-分配-緩沖-使用-回收-再使用排放等各環(huán)節(jié)的不平衡性。另外，構建了與物質(zhì)流聯(lián)動的能量流仿真平臺，為多場景能源計劃、多尺度多視角能效評估和多介質(zhì)能源調(diào)配提供工具支持，而后通過全流程生產(chǎn)能源協(xié)同優(yōu)化和動態(tài)調(diào)配技術，依據(jù)全流程實時動態(tài)調(diào)度預測各種能源介質(zhì)消耗-回收-緩沖態(tài)勢，進行煤氣-蒸汽-電等能源介質(zhì)的動態(tài)調(diào)配和高效轉(zhuǎn)化，保障鋼鐵制造過程順暢、能源調(diào)度控制精準，完成能源的精細化管控。唐鋼新區(qū)能源管控系統(tǒng)架構如圖8所示。

唐鋼新區(qū)通過建立以數(shù)據(jù)為驅(qū)動的能源精細化管控系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)企業(yè)存在的能源調(diào)度不合理和能源放散問題，同時綜合電量需求、分時電價及能源價格，適時將煤氣存儲于煤氣柜，實現(xiàn)電價谷時存氣少發(fā)電，電價峰時用氣多發(fā)電，自發(fā)電比例最佳水平可達90%以上，支撐鋼鐵生產(chǎn)全流程用能的優(yōu)化配置和高效供應。由此，將傳統(tǒng)的粗放能源管控轉(zhuǎn)變?yōu)榫婊芸?，調(diào)度職能從經(jīng)驗型轉(zhuǎn)變?yōu)榉治鲂?，降低全流程能源介質(zhì)耗散，實現(xiàn)噸鋼綜合能耗（以標準煤計）為539.75 kg/t， 使唐鋼新區(qū)能效水平處于國內(nèi)領先。

4 結論

1）相較于傳統(tǒng)的靜態(tài)能力估算和不同富余系數(shù)假定的鋼廠靜態(tài)設計，基于冶金流程工程學的動態(tài)精準設計對推進鋼廠動態(tài)有序、協(xié)同連續(xù)運行具有重要的理論支撐和現(xiàn)實意義。在鋼鐵行業(yè)進行產(chǎn)業(yè)升級過程中，應以動態(tài)精準設計指導鋼廠的設計和建設。

2）從物理側(cè)和信息側(cè)共同發(fā)力，相向而行，通過系統(tǒng)層面的集成優(yōu)化，實現(xiàn)了唐鋼新區(qū)物質(zhì)流在長時間動態(tài)-穩(wěn)定-均衡的匹配、全流程整體運行時間最小化、能源耗散減少而使流程能耗最小化。

3）以動態(tài)精準設計方法構建的唐鋼新區(qū)信息物理系統(tǒng)，可使系統(tǒng)內(nèi)的資源配置和運行按需響應和動態(tài)優(yōu)化，解決生產(chǎn)制造和能源耗散過程中的復雜性和不確定性問題。唐鋼新區(qū)綠色智能鋼廠的建成為鋼鐵行業(yè)提供了示范樣板。

本文摘自《中國冶金》 2024 年第 12 期