青岛特钢铁前系统智能制造优化提升实践.pdf

第45卷第4期2023年8 月信息化建设青岛特钢铁前系统智能制造优化提升实践杨领芝,王海波,陈哲,王?东3（1青岛特殊钢铁有限公司，山东青岛2 6 6 40 9;2 青岛海信医疗设备股份有限公司，山东青岛2 6 6 0 0 0；3青岛理工大学，山东青岛2 6 6 52 0）摘要：青岛特钢分析铁前系统存在的信息孤岛、工序协同、智能化提升等问题，整合物联网、大数据、云计算、数字李生等先进工业互联网技术，建设了铁前一体化智能管控平台，共开发18 个生产模型，打造出依托“云-边”协同的炼铁一体化智能管控新模式。该平台的实施运行，打通了传统工艺流程及信息化系统之间的数据孤岛，实现了从自动化到智能化的产线升级。实践证明，系统运行对高炉生产秩序稳定发挥了重要作用，高炉炉况自主诊断的准确率达到8 0%以上，燃料比降低2.3kg/t，煤气利用率提高0.6%。关键词：智能制造；信息孤岛；物联网；自主诊断；大数据中图分类号：TP273山东冶金Shandong Metallurgy文献标识码：BVol.45 No.4August 2023文章编号：10 0 4-46 2 0(2 0 2 3)0 4-0 0 43-0 3移到技术管理人员的计算机上进行，然后再进行系1 前 言统性匹配分析，这不仅分析结果滞后，而且数据不青岛特殊钢铁有限公司(简称青岛特钢)的铁全面，分析结果对生产的指导和促进作用微弱；因前生产体系中配置了大型二次料场和混匀料输配此，联通各信息孤岛，实现数据即时互通，是生产体系统、2 座焦炉、3台烧结机、3座高炉，具有完整的系联动进步的关键。自动化、信息化生产管理体系。但是在进一步的产2.3工序协同问题业升级过程中,出现了诸多发展瓶颈。为此，青岛铁前是典型的长流程，从二次料场开始配制混特钢以铁前系统为试点，按照“总体规划、分步实匀料到转变为铁水，需要历时7 d,期间要操控预配施”的推进方式，把综合原料场、焦化工序、烧结工料系统11个料仓、焦化12 个料仓、烧结17 个料仓、序、炼铁工序的生产数据整合在一起,打造一个功高炉12 个料仓及诸多物料转运环节，实现点到点的能完备的铁前一体化智能管控平台,从而打破工序全过程跟踪，分析影响铁水产质量水平的影响因素，间的信息孤岛1-2 、优化工序人员结构布局、实现工在依赖人工统计的情况下,不仅劳动量巨大，而且难序间的智能衔接；引入智能制造和机器学习技术，以准确匹配和精准分析,需要各工序的高度协同。对生产操控参数进行优中选优，实现工序产线能力2.4智能化提升问题的综合提升。在铁前生产体系中，需要进行二次料场配比、焦化工序配煤、烧结工序配料、高炉槽下配矿等多环节2铁前系统的主要问题及提升方向的持续高频数据采集和即时联动运算。在传统的生2.1人员结构问题产模式中,均为人工预算-生产记录-数据统计-对比随着钢铁产业技术进步，从业人员的人员结构分析-人工优化的粗放式闭环，在计算器运算能力快也发生着重大变化，传统的一线操作工人已经全部速发展的大环境下，以实时数据库为依托的人工智被大专以上学历的员工替代，知识结构的提升深化能迭代运算3,是智能化提升过程最核心环节。了对生产工艺的认知，一线员工在洞悉上下游岗位3铁前智能制造全面提升的措施操作和工序间的耦合影响方面的意愿非常强烈。同时，钢铁行业从业人员短缺，尤其是艰苦岗位，也是助推智能制造进步，实施机器代替人的重要需求。2.2信息孤岛问题在综合原料场、焦化工序、烧结工序和高炉工序中,每条产线都有独立的一级、二级操控系统,生产数据的采集、存储和梳理都需要人工记录，再转收稿日期：2 0 2 3-0 5-10作者简介：杨领芝，女，198 2 年生，博士，现为青岛特殊钢铁有限公司高级工程师，从事信息化及智能制造工作。3.1打造铁前一体化智能管控平台从机理与大数据分析层面建立机理模型，打造单元工序智能应用系统，搭建铁前生产大数据中心4,深度融合物联网、大数据、人工智能、云计算、移动互联等先进工业互联网技术，构建铁前一体化智能管控平台。平台分为烧结生产大数据模块和高炉生产大数据模块两大部分，主要功能如下。(1)烧结-高炉生产联动分析功能。从“烧结配432023年8 月料1号铁料仓”开始，至“高炉出渣出铁”结束，根据皮带转速、混合制粒时间、烧结台车、环冷机运行速度、高炉槽下料位等数据，实时动态地将整个炼铁过程的生产数据进行时间上的统一匹配,真正打通铁前产线的数据链，实现工序数据协同5,基于数据协同进一步实现各类物料质量跟踪，从而准确分析各工艺点数据对产、质量的影响因素。(2)数据挖掘智能对标功能。从产线、工序、班组等不同层级对生产、质量、操作等不同方面进行横向、纵向不同维度的智能对标，从时空多维度分析指标差异与提升空间,并给出综合对标评价。(3)人工智能寻优分析功能(6 。通过对历史运行数据进行分析，自动提取高产型、低耗型绩优工况时间区间，并自动生成绩优工况时期的原燃料条件及操作控制标准范围，通过有监督和无监督机器学习，自动分析当前操作与绩优工况的差异，给出定量化调整建议，优化修正工艺操作标准。（4)炉况智能诊断。实现高炉生产参数、模型计算参数、推理过程参数的全生命周期监控；联动边缘侧炉况诊断推理机实时分析、诊断炉况变化，并通过“云边协同”不断迭代优化边缘侧诊断规则库。(5)便捷的数据统计分析模式。系统集成各类数据算法、数据分析工具、数据可视化工具、应用开发工具，让各层级管理人员轻松、准确地对各工艺点进行横向产线对比分析和纵向数据变化规律预判，生产组织进入良性发展模式。3.2智能运算模型得到广泛应用实现生产过程中的原料参数、操作参数和设备参数的实时调整是平台建设的重要目标，为此，平台规划、开发了一系列的优化模型，能够减小中间操作对指标波动的影响，通过过程稳定性的提高，提质降本。平台累计开发各类模型18 个。(1)智能配料计算模型。传统的配料计算方法多采用人工经验试算,计算量大，难以考虑所有影响因素，计算精度也不能满足现代烧结生产的需求。智能配料计算模型基于依据物料平衡原理,充分考虑原燃料的成分和烧损，兼顾烧结矿的目标成分和目标产量，在恰当范围内，给出各种原料使用的最优配比方案。(2)烧结矿碱度智能控制模型。生产过程中，烧结矿的检化验信息自动上传到大数据平台，当检测结果与目标碱度发生偏差时，系统自动对配料的目标碱度进行修正。二级系统得到新的碱度目标值后，配料系统自动按照此目标值去调整熔剂配比。该模型改善了技术人员凭经验对原料配比进行人工调整的现状，实现了在原料发生变化或成品矿质量44山东冶金波动时，做出及时、精准的调整，从而提高烧结矿碱度的稳定率,最终实现烧结矿碱度的智能控制。(3)烧结终点(BTP)智能控制模型。烧结终点预测模型采用废气温度进行曲线回归拟合的办法进行分析7 。根据实际终点位置与预设定理想位置的偏差，兼顾温度上升点位置偏移情况，自动给出烧结终点的调整方向，实现烧结终点判断的智能化；通过提前分析、适度预调整，来稳定生产过程，实现高产优质。(4)高炉气流分布模型。高炉气流分布的稳定性是高炉顺行的基础8 ,传统的操控模式是中控室操作人员通过密切关注炉顶十字测温装置和冷却壁水温差等数据进行分析，判断气流分布变化；新的模型上线后，系统能够自动记录、即时纵向、横向比较气流分布的变化,出现异常时能够即时预警。3.3平台核心理念及技术应用(1)铁前原料-烧结-高炉联动分析。以“烧结配料1号铁料仓”为起点，以“高炉出渣出铁”时间节点为结束，根据皮带转速、混合机混料速度、烧结台车、环冷机台车运行速度、高炉槽下料位、高炉排料速度等数据，实时动态地将整个炼铁过程的生产数据进行时间上的统一匹配，真正打通铁前系统的数据壁垒，实现各生产线间的数据协同。基于数据协同可进一步实现各类物料质量跟踪，分析产质量与原料质量、过程数据之间的对应关系，有助于第一时间找到制约生产的痛点，制定更有效的应对措施，提升产线生产能力。铁前一体化平台智能炉况分析业务包括产线联动分析、智能对标、工况分析、寻优分析、智能诊断等。(2)最佳操控参数获取。通过对历史运行数据进行分析，自动提取高产型、低耗型绩优工况时间区间，并自动生成绩优工况时期的原燃料条件及操作控制标准范围，通过有监督和无监督机器学习，自动分析当前操作与绩优工况的差异，给出定量化调整建议，优化修正工艺操作标准。(3)智能对标驱动竞赛意识提升。从产线、工序、班组等不同层级对生产、质量、操作、安全等不同方面进行横向、纵向不同维度的智能对标，从时空多维度地分析指标差异与提升空间,并给出综合对标评价，以折线图、柱状图等直观的形式在线展示，让基层班组直观看到差距。4效果检验平台通过炉况种类进行标记，结合平台定制化配置的分析方案对各种异常炉况进行在线分析，将结果进行保存并支持随时对分析过程及结果复盘第45卷杨领芝，等讨论，最终的分析结论可联动边缘侧推理机形成推理提示，实践证明平台运行效果良好。4.1高炉炉况跟踪预测2022年2 月，2 号高炉出现炉况波动，通过高炉类型时间段高产低耗2月47 日低产高耗毛2 月17 18 日通过表1数据分析可知，高产低耗阶段与低产高耗阶段对比，烧结矿的转鼓强度、煤气利用率较高，顶温波动范围较小，炉缸活跃性指数较高，铁水硅含量整体水平较稳定。4.2高炉专家系统模型运行案例系统对高炉生产参数、模型计算参数、推理过程参数进行周期性监控；联动边缘侧炉况诊断推理机的实时分析，通过“云边协同”不断迭代优化边缘侧诊断规则库,形成智能系统专家诊断模型9。2高炉智能系统专家诊断模型于2 0 2 2 年3月5日11:0 0 推理出高炉发生边缘管道，并建议减风103m/min，临时加焦比15kg/t，且10:40 推理出高炉有小气流。炉况发生后，现场及时减风150 m/min，且在13:0 0 增加喷煤量1t/h，15:0 0 增加喷煤量1.5t/h。实践证明，智能系统的相关模型在异常炉况发生时，都能从数据表现上看出异常。结合案例导致的结果和现场的后续操作可知,操作工增加喷煤量的时间比较延后，最终导致炉温大幅下降，造成一定损失。随着机器学习样本的增加和经验数据的积累，系统对炉况判断的准确性将越来越准确。5结语青岛特钢铁前一体化智能管控平台的开发与运行，对铁前生产起到明显促进作用，不仅解决了信息孤岛难题，而且工序协同发挥了更重要作用。随着智能分析、智能反馈、智能操作等模块的逐渐完善，平台对生产的影响凸显。(1)平台集成了各类数据算法、数据分析工具、数据可视化工具、应用开发工具，对企业不同类型数据进行汇集、规整、融合、分析，将生产过程中所形成的设计资料、事故预案、工况样本、分析报告、操作规程及技术文献等形成电子数据资产，形成各类案例库、样本库、资料库。(2)平台把各工序单元的生产信息汇聚在一起，根据设定条件和目标远程掌握烧结、高炉的一线生产情况，主动、直观、即时了解技术经济指标变化；帮助管理人员实现了对异常工况的早了解、早应对。青岛特钢铁前系统智能制造优化提升实践表1不同生产类型的数据对比燃料比/(kgt)产量/烧结转鼓/%煤气利用率/%炉顶温度波动/498.465203.09526.124758.182023年第4期系统寻优分析模块，自动寻找到2 号高炉的高产低耗和低产高耗的两类炉况类型的数据，并做出对比分析，结果如表1所示。79.346.1 47.778.745 46.6(3)通过数据对标、寻优分析等模块，可以提取最佳生产情况下的相关数据，不断积累生产经验，实现各工序之间生产差异逐步减小，生产指标逐渐优化提升。(4)烧结智能系统通过智能配料模型，根据原料成分和烧结矿化验结果，调整熔剂和燃料的配比，优化配料比例，保证烧结矿碱度和亚铁的稳定，降低烧结矿成分波动。通过烧结点火模型、均匀一致性模型、烧结终点模型等模型的使用，实现了烧结终点及料面均匀性的可视化，帮助现场操作人员实时掌握烧结状况，稳定了烧结终点，提高了烧结质量。(5)高炉智能系统通过其丰富的数据展示及其机理模型的应用，从安全、长寿、高效等方面全方位提升了高炉的稳定顺行状态，系统上线期间，高炉冷却壁、风口、炉缸的安全得到有效监控，高炉炉况诊断的准确率达到8 0%以上，一定程度上避免了较大的炉况波动。自动报表的上线解决了现场长期记录纸质报表的难题，工长劳动强度得到缓解。同时,高炉智能系统的投用，经济指标也得到提升，燃料比降低2.3kg/t，煤气利用率提高0.6%。参考文献：1王秀芳.智能制造技术在我国钢铁行业中的应用分析J.冶金与材料,2 0 2 2,42(4)：8 1-8 2.2雷明.企业数字化转型如何过好“信息孤岛”治理关J.现代国企研究，2 0 2 2(6)：35-37.3方可，周玉臣，赵开斌.含有迭代运算的仿真模型验证方法J.系统工程与电子技术，2 0 17,39（2)：445-450.4侯建勇，王冬寒，焦峰斌，等.大数据技术在智能炼铁生产中的应用J.冶金动力，2 0 2 2（1）：10 5-10 9.5武晓庆，宋宇广.强化工序刚性衔接协同联动系统管控N.中国冶金报，2 0 2 1-11-30(6)2 0 2 3-0 2-2 0 .6张勇，张翔，孙小东，等.铁区一体化智能管控平台的开发J.冶金自动化，2 0 2 1,45(3)：19-2 5.7向齐良，吴敏，向婕，等.烧结过程烧结终点的预测与智能控制策略的研究及应用J.信息与控制，2 0 0 6(5)：6 6 2-6 6 6.8杨金岱.高炉内沿径向的气流分布影响因素及其对燃料比、生产率和炉衬寿命的影响J.钢铁研究学报，1991（1)：8.9施金良，贾碧，余群威，等.人工智能高炉治炼过程专家系统J.重庆大学学报（自然科学版），2 0 0 55）：6 3-6 7.(下转第48 页）45炉缸活跃性铁水Si/%74 1242.460 2 514722952.402 2.4360.17 0.580.20 1.722023年8 月均匀性；焦饼中心温度（10 0 0 50）是焦炭成熟的重要指标之一，是确定焦炉标准温度的根本依据，所以当焦炉生产节奏发生变化(即,结焦时间发生变化)后，需要人工进行焦饼中心温度的测量，但焦饼中心温度测量复杂，基于上述原因，需要增设焦饼测温系统。通过在线监测焦饼表面温度，监测焦饼上下部温差和横排温度均匀性，自动生成上中下横排温度曲线，跟踪焦炉上下温度和横向温度变化趋势，指导焦炉热工管理。3.6压力测量在焦炉炉温稳定方面的应用焦炉正常生产所需要监测的压力制度是看火孔压力，小烟道吸力，分烟道吸力，空气过剩系数（分烟道氧含量），但受到高炉煤气压力变化，脱硫脱硝增加风机调节等因素的影响，焦炉燃烧系统内的压力变化较大,所以仅靠定期检测压力指标已经不能满足焦炉连续生产的要求，因此为提高焦炉炉温自动控制系统的控制力，增加了看火孔压力，小烟道吸力，空气过剩系数的检测。下降气流的小烟道吸力大于上升气流小烟道吸力，根据二者吸力差，可以指导调火工在废气盘吸力调节方面的压力变化。Application of Temperature Measurement and Heating Control SystemAbstract:Coke oven is the most complex industrial kiln,and its temperature change process has a certain linear relationship.Compared to manual temperature measurement,automatic temperature measurement system has real-time detection function,whichcan quickly sense temperature changes and avoid the delay caused by manual temperature measurement every 4 hours.Thetemperature measurement lens adopts nitrogen blowing process,ensuring the long-term stability of the equipment.Key words:coke oven;automatic temperature measurement;industrial kiln;temperature(上接第45页）The Practice of Optimization and Promotion for Intelligent Manufacturing(1 Qingdao Special Steel Co.,Ltd.,Qingdao 266409,China;2 Qingdao Hisense Medical Equipment Co.,Ltd.,Qingdao 266000,China;Abstract:Qingdao Special Steel carefully analyzed the problems of information islands and process coordination and intelligentimprovement before iron-making,integrated advanced industrial internet technologies such as the internet of Things and big data&cloud computing and digital twin,built an integrated intlligent management and control platform with 18 production models beforeiron-making,create a new model of integrated intelligent management and control of ironmaking relying on cloud-edgecollaboration.The implementation and operation of the platform breaks through the data islands between traditional technologicalprocesses and information systems,and realizes the upgrade of production lines from automation to intelligence.The practice hasproved that the system operation plays an important role in the stability of blast furnace production order.The accuracy of blastfurnace condition Self-diagnosis reached more than 80%,the fuel ratio was reduced by 2.3 kg/t,and the gas utilization rate wasincreased by 0.6%.Key words:intelligent manufacturing;information island;internet of things;self-diagnosis;big data48山东冶金看火孔压力是表明焦炉高向加热是否合适的重要指标，所以能够实时检测看火孔压力，使看火孔压力能够保持在0 10 Pa,确保高向加热的均匀性，有利于炉内上部焦炭的成熟。分烟道内残氧指标反映了燃烧系统在空燃比，掺混比是否合适的重要指标,所以能够实时准确地反映分烟道含氧量有利于煤气的充分燃烧和调节的合理性。4结语“焦炭是科技炼成的”，通过炉温自动检测系统，将原本属于人工检测的数据由测控设备执行，既能够确保测控的准确性又能够确保测控的及时性。通过持续优化焦炉炉温自动加热系统，焦炉建立起了纵向（炉顶测温），横向（焦饼测温）高向（看火孔压力）三位一体的立体化的温度监测和控制系统，为焦炭保质保量的生产提供了技术支持。焦炉的全自动控制是未来发展的方向，因此我们需要充分发掘自动测温系统在节能降耗（节约煤气用量），提质增效（提高焦炉加热均匀性）,降低污染（氮氧化物排放）等方面优势。based on Coke OvenQIU Cheng,TIAN Longzhen(The Coking Plant of Qingdao Special Steel Co.,Ltd.,Qingdao 266413,China)System before Ironmaking in Qingdao Special SteelYANG Lingzhi,WANG Haibo,CHEN Zhe,WANG Dong3 Qingdao University of Technology,Qingdao 266520,China)第45卷