連鑄生產線智能化方向的初步探究

高 明

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司煉鋼廠，山東 濟南 271104）

智能化連鑄生產線主要依托于數(shù)字技術、互聯(lián)網(wǎng)技術而建立的一種智能化生產制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)借助于傳感器的信息采集、整理、傳導與指令發(fā)布等功能，對鑄鋼生產流程進行有效控制。這種智能化的生產工藝流程既能夠減少生產運營成本，提高生產效率，同時也能夠節(jié)省大量的資源能源，進而為鋼鐵企業(yè)經(jīng)濟效益的提升打下堅實基礎。

1 數(shù)字信息采集系統(tǒng)

數(shù)字信息采集系統(tǒng)是智能化連鑄生產線的重要組成單元，主要負責收集鑄鋼生產過程中產生的各種物理量信號，這些信號通過可編程邏輯控制器的處理，將其轉化為系統(tǒng)可以識別的數(shù)字信號，然后傳輸至人機操作界面，并以曲線、棒圖、3D圖形等方式顯示在操作界面，操作人員可以結合這些信息，對整個生產流程發(fā)出執(zhí)行口令，以確保鑄鋼生產能夠正常有序進行。另外，該系統(tǒng)也可以收集軋鋼設備的運行狀態(tài)信息、工藝流程信息、生產制造信息，然后借助于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲功能、信號處理功能、統(tǒng)計分析功能，而快速生成電子報表，技術人員通過參考報表內容，可以隨時發(fā)現(xiàn)生產過程中存在的問題，并及時采取針對性的處理措施排除設備的故障隱患，保障生產工藝流程不受任何影響。連鑄生產工藝流程圖如圖1所示。

圖1 連鑄生產工藝流程圖

2 信息化系統(tǒng)網(wǎng)絡框架模型

連鑄生產信息化系統(tǒng)是保障生產制造流程能夠正常進行的中樞系統(tǒng)，其網(wǎng)絡架構模型主要包括資源計劃層、生產制造執(zhí)行層、過程控制層以及基礎自動化系統(tǒng)層。

2.1 資源計劃層

資源計劃層主要對鋼鐵企業(yè)的人力資源、財力資源、物力資源、設備資源等信息進行整合與優(yōu)化，該層級的執(zhí)行與操控對象是企業(yè)的決策層，決策層結合資源計劃層中的各種資源信息，對其進行優(yōu)化匹配，確保各種資源的配備能夠滿足正常的生產需求。另外，資源計劃層也可以根據(jù)客戶的訂單，形成一個高效的生產計劃，執(zhí)行層參照與生產計劃，可以實時觀察每一道生產工序的具體情況[1]。

2.2 生產制造執(zhí)行層

生產制造執(zhí)行層是智能化連鑄生產線的第二個層級，在所有層級當中，起到橋梁紐帶作用，該層級接收資源計劃層發(fā)出的執(zhí)行口令，并將某一個執(zhí)行口令傳輸至過程控制層，進而對整個生產流程進行智能化控制。在處理執(zhí)行口令時，如果發(fā)現(xiàn)口令錯誤，操作人員可以隨時對口令程序進行修改和調整，以確保整個生產流程能夠順利進行。

2.3 過程控制層

該層級與生產制造執(zhí)行層以及生產基礎自動化系統(tǒng)層相連，主要負責對機械設備的運行數(shù)據(jù)、工藝流程參數(shù)、生產物料流程數(shù)據(jù)進行跟蹤控制，同時，建立一個完備的連鑄工藝數(shù)字化模型，在這一模型的控制下，操作人員可以對生產過程進行優(yōu)化。比如鋼產品質量、鋼產品精度等指標，都可以借助于該層級功能得到優(yōu)化和提升。

2.4 基礎自動化系統(tǒng)層

該層級可以將連鑄生產現(xiàn)場產生的物理性數(shù)據(jù)轉化為數(shù)字信號，然后通過可編程邏輯控制器對其進行有效處理。這些經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)信息最終被傳輸至終端操作界面，操作人員可以結合這些數(shù)據(jù)信息，精準的下達生產制造口令。通過對以上四個層級的分析可以看出，連鑄生產信息化系統(tǒng)主要應用了以太網(wǎng)技術、無線網(wǎng)技術、物聯(lián)網(wǎng)技術以及現(xiàn)場總線技術，鋼鐵生產企業(yè)可以結合這些智能化的信息技術，對連鑄生產工藝的每一道工序進行優(yōu)化和控制，進而生產出高質量、高精度的鋼產品。

3 連鑄生產過程控制系統(tǒng)

3.1 物料跟蹤系統(tǒng)

物料跟蹤主要對物料切割以及鑄坯成型工序進行跟蹤，以及時對物料的成型流程進行優(yōu)化和調整，進而為鑄件質量與生產效率的提升提供真實確鑿的數(shù)據(jù)信息。該系統(tǒng)主要包括爐次跟蹤、鑄流跟蹤以及板坯跟蹤三個基本單元。

爐次跟蹤系統(tǒng)存儲的信息主要是每一包鋼水的澆次、爐次、鋼品種與鋼水成份等信息，通過該系統(tǒng)，操作人員能夠及時獲取鋼包的到達、離開時間以及鋼包重量與溫度信息，這些信息通過大數(shù)據(jù)技術的分析、整理與篩選功能，最后形成具有參考價值的信息量，并生成可查詢的數(shù)據(jù)報表。鑄流跟蹤系統(tǒng)存儲的數(shù)據(jù)信息涉及中間罐、結晶器、鑄流支撐設備、板坯切割等生產工序產生的信息，比如鑄流的澆鑄長度、拉伸速度、中間罐溫度、結晶器振頻、振幅、需水量等。而且能夠準確識別出每一個批次的鑄坯號，并對爐次與坯序等信息進行全程跟蹤。板坯跟蹤系統(tǒng)牽涉的工藝流程主要是從切割機的切割作業(yè)開始到板坯下線結束，系統(tǒng)存儲的信息包括板坯的噴號、去毛刺數(shù)量、板坯重量等。由于物料跟蹤系統(tǒng)承擔的任務與物料供給質量與效率密切相關，因此，也是連鑄生產過程控制系統(tǒng)中的關鍵構成單元。

3.2 生產過程的智能化控制模型

顧名思義，智能化連鑄生產線兼具人的判斷推理能力、分析決策能力、邏輯辨識能力，這一系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的人工操作模式，使生產流程更加優(yōu)化，生產管理更加精細化。以結晶漏鋼預報系統(tǒng)為例，在煉鋼生產過程中，這一系統(tǒng)可以自動檢測出鋼水以及鑄坯各部位的溫度，然后在終端操作界面顯示出不同顏色的圖像，操作人員根據(jù)每一種顏色指示，可以精準確定鋼水與鑄坯在每一個生產階段的溫度值。近年來，為了提高結晶器漏鋼預報系統(tǒng)的精準度，專業(yè)技術人員利用模糊控制技術，在系統(tǒng)當中構建一個神經(jīng)元網(wǎng)絡，通過這一網(wǎng)絡的分析、統(tǒng)計功能，可以隨時對預報數(shù)據(jù)進行調整和修正，這就大大提升了溫度預報的準確率，進而為其它生產工序的順利進行提供了確鑿的參考依據(jù)[2]。

比如鑄坯切割長度優(yōu)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在最大值與最小值范圍內合理改變鑄坯的切割長度。主要參量包括“鑄坯數(shù)量、過程變量、最佳坯長”等，系統(tǒng)操作人員可以根據(jù)這些已知參量對鑄坯的切割長度進行優(yōu)化設置。比如尾坯優(yōu)化、多流停澆優(yōu)化、質量缺陷鑄坯切割優(yōu)化、混鋼切割優(yōu)化等，通過這些優(yōu)化工序，最終切割出的鑄坯件尺寸能夠滿足標準要求與客戶的訂制要求。由此可以看出，該系統(tǒng)的建立使鑄坯生產質量與精度得到大幅提升。連鑄坯質量在線判定智能化系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 連鑄坯質量在線判定智能化系統(tǒng)

此外，在線鑄坯質量智能評估系統(tǒng)集合了神經(jīng)元網(wǎng)絡、模糊控制技術、數(shù)據(jù)專家?guī)斓榷喾N智能化技術，這些技術可以隨時甄別出鑄坯質量的好壞，如果發(fā)生異常事件，該系統(tǒng)會及時做出預警提示，進而為終端操作人員爭取了大量時間。比如鑄坯的外形結構發(fā)生變化或者內部的微觀組織發(fā)生改變，技術人員可以根據(jù)專家數(shù)據(jù)庫中存儲的鑄坯受力力學性能理論以及鑄坯動態(tài)凝固傳熱理論對這些異常事件進行分析，然后將鑄坯的質量缺陷以非線性的圖像形式輸出，這時，技術人員可以快速做出準確判斷，以確定鑄坯的質量缺陷。目前，國內的神經(jīng)元網(wǎng)絡與模糊控制技術已經(jīng)日漸純熟，因此，應用這些智能化技術可以有效解決連鑄過程中存在的弊病與問題，這不僅促進了連鑄生產效率的提升，同時，也推進了連鑄生產線智能化發(fā)展進程。質量異常事件項目如表1所示。

表1 質量異常事件項目列表

4 遠程智能診斷系統(tǒng)

智能化連鑄生產線的智能診斷系統(tǒng)主要基于互聯(lián)網(wǎng)技術以及虛擬專用網(wǎng)絡建立起來的一種通道技術。該通道與連鑄生產線對接，技術人員在終端操作界面可以隨時獲取機械設備的運行狀態(tài)信息與各項生產參數(shù)。如果連鑄設備出現(xiàn)運轉故障，而影響整個生產流程時，該系統(tǒng)可以及時將故障信息反饋給終端操作平臺，操作人員根據(jù)故障信息，可以自動診斷出故障類型，確定具體的故障部位，然后第一時間向現(xiàn)場人員發(fā)出檢修指令，這樣，就減少了檢修人員的工作量，并且提高了檢修效率。鋼鐵企業(yè)借助于遠程智能診斷系統(tǒng)，能夠隨時監(jiān)測設備的運行狀態(tài)，一旦出現(xiàn)運轉故障，技術指導人員無需到達生產現(xiàn)場，便可以制訂出設備檢修方案，因此，這一系統(tǒng)的建立為企業(yè)節(jié)省了大量的人工成本與生產成本。此外，連鑄生產專家診斷知識庫為遠程智能診斷提供了重要的參考依據(jù)，該知識庫當中存儲了大量的業(yè)內專家的獨到見解與觀點，一旦連鑄生產過程中出現(xiàn)質量缺陷，或者設備出現(xiàn)異常運轉狀況，便可以直接從專家診斷數(shù)據(jù)庫中調取相關的故障診斷信息，技術人員可以根據(jù)數(shù)據(jù)庫提供的詳細信息制訂有效的解決實際問題的方案，由此可以看出，遠程智能診斷技術已經(jīng)成為連鑄生產線高效生產與運營的堅實保障。

5 結束語

隨著鋼材需求量的不斷增長，鋼鐵企業(yè)的市場競爭趨勢越加嚴峻，在這種形勢之下，建立智能化連鑄生產線已經(jīng)成為鋼鐵企業(yè)各項工作的重中之重。基于這一思路，鋼鐵企業(yè)應當始終秉承與時俱進的思想觀念，將智能化、自動化元素滲透到連鑄生產制造全過程，在推動工業(yè)自動化、智能化發(fā)展進程的同時，進一步增強企業(yè)的市場競爭力，為社會生產出更多的優(yōu)質鋼材。