陳英博 張榮軍 羅涵 王希坤 楊笑
（鞍鋼股份煉鐵總廠 遼寧 鞍山 114001）
摘要：本文首先介紹鞍鋼股份有限公司進行數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智慧制造的發(fā)展情況，并以該公司煉鐵集控中心項目作為案例，分析鞍鋼煉鐵工藝數(shù)字化轉(zhuǎn)型的方式，提出“智慧煉鐵”建議為鋼鐵企業(yè)進行數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供借鑒和經(jīng)驗。
關(guān)鍵詞：鋼鐵企業(yè)；數(shù)字化轉(zhuǎn)型；智慧煉鐵
煉鐵總廠是鞍鋼股份有限公司下屬的主體生產(chǎn)廠，擁有大型燒結(jié)、球團、煉鐵工藝技術(shù)裝備，目前高爐群各個零散的操作室處于分散管理，存在信息流傳遞滯后，海量數(shù)據(jù)沒有互聯(lián)互通等問題。為此鞍鋼股份煉鐵總廠運用數(shù)字化、智能化手段通過煉鐵高爐集控中心項目有效解決上述問題，并全面提升高爐產(chǎn)線智能化水平。本文對此做一介紹。
1 鞍鋼股份有限公司數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智慧制造發(fā)展情況
在國家“十四五”數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃的指引下，鞍鋼股份有限公司戰(zhàn)略方向明確,以《智慧鞍鋼發(fā)展規(guī)劃》和《鞍山鋼鐵集團有限公司推進智慧制造的指導(dǎo)意見》為指引，加速推進“工業(yè)化、信息化深度融合，打造智慧鞍鋼”，全面提升鞍山鋼鐵核心競爭力。智能制造已成為世界制造業(yè)發(fā)展的容觀趨勢，世界上主要工業(yè)發(fā)達國家正在大力推廣和應(yīng)用。[1-2]
2 煉鐵集控中心項目背景
煉鐵總廠是鞍鋼股份有限公司下屬的主體生產(chǎn)廠之一，始建于1917年，擁有大型燒結(jié)、球團、煉鐵工藝技術(shù)裝備，具備年產(chǎn)1800萬噸的生鐵產(chǎn)能，是國內(nèi)鋼鐵行業(yè)單廠產(chǎn)能最大的煉鐵廠。目前煉鐵廠區(qū)內(nèi)的6個高爐工序、55個操作室分散管理，存在信息流傳遞滯后，海量數(shù)據(jù)沒有實現(xiàn)互聯(lián)互通等問題。急需提升生產(chǎn)操作效率，打破工序間數(shù)據(jù)壁壘，實現(xiàn)互聯(lián)互通，為后續(xù)智慧煉鐵、智能決策提供支撐。
為此建設(shè)高爐區(qū)域集數(shù)據(jù)采集、智能視頻、智能操控、數(shù)據(jù)可視化與智慧分析決策等系統(tǒng)于一體的智慧生產(chǎn)運營平臺，并通過煉鐵集控中心項目提高鐵前工藝智能化水平。
3 煉鐵集控中心場景描述
煉鐵集控中心項目是鞍山鋼鐵踐行新鞍鋼內(nèi)涵，建設(shè)數(shù)字鞍鋼、創(chuàng)新鞍鋼、綠色鞍鋼的重點工程。于2019年開始規(guī)劃，充分學(xué)習(xí)考察韶鋼、寶鋼、馬鋼、新?lián)徜摰绕髽I(yè)先進經(jīng)驗后，于2021年開工建設(shè)，2022年4月集控一期項目成功并網(wǎng)運行，2022年12月集控二期項目成功并網(wǎng)運行。一期項目主要包含1#、4#、5#、10#四座高爐集控，二期項目主要包括2#、3#兩座高爐集控。隨著六座高爐先后順利并網(wǎng)，操控人員入駐集控中心，整體項目實現(xiàn)投運，煉鐵集控中心項目初期目標(biāo)已經(jīng)實現(xiàn)。
為實現(xiàn)煉鐵工序協(xié)同生產(chǎn)和無障礙溝通，該項目結(jié)合鞍鋼自身特點，以安全生產(chǎn)、效率提升為目標(biāo)，創(chuàng)新性制定出跨工序、跨區(qū)域、跨界面的一體化智慧集控方案。在工業(yè)日益進步，生活品質(zhì)日益提高的今天，對工業(yè)產(chǎn)品品質(zhì)的要求，也越來越高。因此對自動化機械的精度要求，也相對提高[3]。該項目采用了信息化、智能化、數(shù)字化等主要技術(shù)，融合了現(xiàn)有高爐各工序布局和工藝特性。在方案設(shè)計階段，為打破工序間的數(shù)據(jù)壁壘，改善原有操作模式不統(tǒng)一的現(xiàn)象，通過匯總高爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)和操控數(shù)據(jù)，形成了模板化、一體化、規(guī)范化的操控界面，實現(xiàn)了高爐爐長集中管控，為今后崗位兼崗、并崗打下基礎(chǔ)。同時，該項目創(chuàng)造性地開發(fā)出操控賦權(quán)、界面分屏、數(shù)據(jù)疊加、電子操作牌等技術(shù)，使操控系統(tǒng)能夠更好的服務(wù)于生產(chǎn)和管理，讓操作人員的工作更加安全、高效、便捷。
該項目將分布在鞍鋼廠區(qū)內(nèi)的6個高爐工序、55個操作室、108個控制系統(tǒng)全部整合融合到煉鐵中心大樓集控大廳內(nèi)，實現(xiàn)了各崗位職能橫向聯(lián)通、縱向融合，提升了生產(chǎn)信息流傳遞和操作效率。同時，為確保不影響高爐生產(chǎn)，有效利用生產(chǎn)間隙完成操作系統(tǒng)調(diào)試，項目團隊使用虛擬仿真技術(shù)，在編程實驗室進行點對點模擬測試，使開發(fā)的新系統(tǒng)運行準(zhǔn)確率達到100%，有效縮短了熱試時間，順利完成了新系統(tǒng)與原系統(tǒng)的切換，并取得了控制零差錯、熱試一次性成功。
該項目的成功投運是鞍鋼智能制造建設(shè)發(fā)展的又一重要里程碑，為集團各大鋼鐵生產(chǎn)基地通過數(shù)字化賦能，實現(xiàn)由經(jīng)驗性管理向數(shù)字化、精益化管理轉(zhuǎn)變提供了示范，更為鋼鐵行業(yè)提供了可復(fù)制、應(yīng)用性強、極具推廣價值的智慧集控“鞍鋼模式”。
4 煉鐵集控中心主要技術(shù)應(yīng)用
1、口令牌+分步操控賦權(quán)技術(shù)：
多層級、多品牌、跨系統(tǒng)的HMI畫面與集控平臺SCADA軟件之間采用口令牌和分布操控賦權(quán)相融合技術(shù)，保證多地操作的唯一性要求，實現(xiàn)現(xiàn)場操作室最高級權(quán)限優(yōu)先使用。
2、容錯服務(wù)器和系統(tǒng)虛擬化融合軟硬件冗余技術(shù)：
硬件采用容錯服務(wù)器技術(shù)，結(jié)合虛擬化技術(shù)融合搭建SCADA操控平臺。其中硬件切換時間19S，虛擬化技術(shù)切換時間10S，平臺整體穩(wěn)定性提高100%。保證集控中心SCADA操控平臺高穩(wěn)定性運行。
3、高爐全系統(tǒng)SCADA操控平臺離線模擬仿真：
對高爐生產(chǎn)線全系統(tǒng)進行多品牌PLC與SCADA操控平臺聯(lián)動的離線模擬仿真。對于操控平臺的問題程序可以準(zhǔn)確的離線甄別，實現(xiàn)離線仿真準(zhǔn)確率100%。平臺系統(tǒng)上線熱負荷試車一次性成功率100%，產(chǎn)線熱負荷試車時間壓縮90%。
5 鞍鋼鐵前工藝數(shù)字化轉(zhuǎn)型的方式
國內(nèi)目前大多大型治金設(shè)備 （高爐、轉(zhuǎn)爐、電弧爐、平爐、冶金爐、爐外精煉裝備、連鑄設(shè)備、鑄鍛設(shè)備、成型設(shè)備等）都沒有信息檢測和故障診斷系統(tǒng)，即便是引進設(shè)備也多處在離線監(jiān)測狀，設(shè)備安全運行存在隱患，利用數(shù)宇化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)研制和裝備監(jiān)測智能設(shè)備勢在必行[4]。
鞍鋼鐵前工藝數(shù)字化轉(zhuǎn)型采取系統(tǒng)架構(gòu)，以點帶線，以線帶面，由底至頂，小步快跑的建設(shè)方式進行開展。
以點帶線：以局部工藝段無人化控制、智能化分析為切入點，帶動整條產(chǎn)線的數(shù)字化能力提升。如：智能巡倉系統(tǒng)、無擾動智能噴吹系統(tǒng)、燒結(jié)漏風(fēng)率智能檢測系統(tǒng)等。
以線帶面：以煉鐵集控中心項目的產(chǎn)線集控為契機，拉動鐵前工藝數(shù)字化升級改造。打破數(shù)據(jù)孤島，實現(xiàn)互聯(lián)互通，結(jié)合高爐各工序布局和工藝特性，形成了模板化、一體化、規(guī)范化的操控界面。搭建生產(chǎn)主數(shù)據(jù)倉庫，完成生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、匯聚、清洗、轉(zhuǎn)化、入庫存儲等工作。為下一步“智慧煉鐵大數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺”的開發(fā)和使用打好數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
由底至頂：在進行整體系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，首先完成邊緣層和LaaS層的建設(shè)，在夯實“智慧煉鐵大數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺”基礎(chǔ)的同時開展工業(yè)PaaS平臺層和工業(yè)SaaS應(yīng)用層的研發(fā)工作。最終實現(xiàn)基于邊緣控制、數(shù)據(jù)治理、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)安全防護、算法模型計算、智能決策分析、數(shù)字孿生于一體的“智慧煉鐵”高爐群。
“智慧煉鐵”場景架構(gòu)如下：
圖3.1 “智慧煉鐵”場景架構(gòu)
|
層級介紹 |
詳細描述 |
|
工業(yè)SaaS應(yīng)用層：系統(tǒng)縱橫一體化 |
依托平臺海量數(shù)據(jù)和生產(chǎn)工藝數(shù)學(xué)模型，建立高爐預(yù)警檢測系統(tǒng)，構(gòu)建物料及能量利用系統(tǒng)、技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)系統(tǒng)、安全預(yù)警系統(tǒng)、冶煉機理系統(tǒng)。實現(xiàn)對高爐全生命周期實時生產(chǎn)運行狀態(tài)在線監(jiān)測、趨勢預(yù)測和優(yōu)化控制，提高生產(chǎn)效率，達到工序間無邊界協(xié)同提升效率的目標(biāo)，實現(xiàn)集中操控一體化、遠程監(jiān)控一體化、統(tǒng)籌管理一體化，實現(xiàn)智能分析、智能決策，保證高爐安全、長壽、高效、穩(wěn)定運行。 |
|
工業(yè)PaaS平臺層：多維度數(shù)據(jù)分析處理 |
工業(yè)PaaS平臺層全系統(tǒng)采用數(shù)字化診斷、多維對標(biāo)在線分析、參數(shù)合理范圍分析等數(shù)字化手段實現(xiàn)高爐精益管控。主要數(shù)字模型：入爐物料質(zhì)量報警；高爐運行潛力分析；高爐配料優(yōu)化；噴吹煤粉合理配煤；高爐裝料狀態(tài)跟蹤；料面預(yù)測分析；高爐爐內(nèi)可視化分析；氣流診斷及優(yōu)化系統(tǒng)；出鐵模型系統(tǒng)；高爐整體監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)；高爐運行狀態(tài)在線智能診斷系統(tǒng)；水溫差熱負荷監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)；爐底爐缸侵蝕監(jiān)測計算模型 |
|
LaaS層：系統(tǒng)高可靠行和可擴展性 |
使用容錯服務(wù)器和虛擬化技術(shù)相融合搭建更加安全穩(wěn)健的冗余操控平臺系統(tǒng)。采用多路鏡像同步技術(shù)實現(xiàn)了故障系統(tǒng)的秒級切換，保證了高可靠性。運用動態(tài)擴展技術(shù)實現(xiàn)了新服務(wù)器設(shè)備無縫接入及運行系統(tǒng)的硬件資源動態(tài)擴展。 |
|
邊緣層：通信類型統(tǒng)一化，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)匯集 |
采用智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)多品牌設(shè)備、多系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入；通過多協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)將多模數(shù)據(jù)類型（結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)等）集成匯聚并且對集成的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)清洗和治理。 |
6 “智慧煉鐵”模式展望
冶金行業(yè)鐵前工藝來說，“智慧煉鐵”的含義不應(yīng)僅局限于數(shù)字高爐，應(yīng)當(dāng)擴展至“智慧燒結(jié)”、“智慧煉焦”，將鐵前全部工藝納入進來。因此“智慧煉鐵”的前行之路還很遠。
不積跬步無以至千里，不積小流無以成將海。未來的鞍鋼股份有限公司必將在建設(shè)數(shù)字鞍鋼的航程中揚帆遠航，為鋼鐵行業(yè)提供可復(fù)制、應(yīng)用性強、極具推廣價值的數(shù)字化“鞍鋼模式”。
參考文獻
[1] 趙邦,謝書凱,周福寬,智能制造領(lǐng)域研究現(xiàn)狀及未來趨勢分析[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2018(2):180-181.
[2] 何成奎,郎朋飛,康敏,我國智能制造的發(fā)展展望[J].機床與液壓,2018,46(16):126-129.
[3] 龍立新.工業(yè)機械手的分析分析[J].機械, 2003(3):15‐17.
[4] 趙萍.我國智能制造業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與需求分析[J].遼寧省交通高等專科學(xué)校學(xué)報,2018,20(5):36-39