智能化在鋼鐵行業(yè)中的發(fā)展及應(yīng)用

侯帥松，張潤澤，趙志軍，王玉彬，任世遠(yuǎn)，楊志軍

（河鋼集團(tuán)邯鋼公司，河北邯鄲 056009）

0 引言

鋼鐵制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，鋼鐵行業(yè)的發(fā)展水平在一定程度上反映了一個(gè)國家或地區(qū)的工業(yè)水平?？v觀世界上經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家，其鋼鐵制造業(yè)水平無一不處于世界領(lǐng)先地位。美國鋼鐵公司（U.S.Steel）、歐洲的安賽樂米塔爾公司（Arcelor Mittal）、德國的蒂森克虜伯公司（Thyssenkrupp）、韓國浦項(xiàng)鋼鐵公司等均為世界頂尖鋼鐵制造企業(yè)，其技術(shù)水平，特別是在智能化方面，處于行業(yè)領(lǐng)先地位。

2015 年，國家提出了“中國制造2025”戰(zhàn)略，“智能制造”被予以新的歷史使命，同國家戰(zhàn)略捆綁在一起。智能化在制造業(yè)，特別是鋼鐵行業(yè)中，占有舉足輕重的地位。提升鋼鐵企業(yè)的智能化水平，可以有效提升鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)備精度、管理水平等。目前我國鋼鐵行業(yè)產(chǎn)量大，但高端產(chǎn)品占比低、能耗大，特別是處于城市中的鋼鐵企業(yè)面臨著巨大的環(huán)保壓力。鋼鐵企業(yè)急需提升其智能化水平，降低能耗，減少排放。本文以智能化為基礎(chǔ)，結(jié)合智能點(diǎn)檢監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用實(shí)例，分析智能化在鋼鐵行業(yè)中的發(fā)展趨勢及應(yīng)用前景[1]。

1 智能化概念

美國學(xué)者P.K.Wright 和D.A.Bourne 在其著作《Manufacturing Intlligence》（1988 年）中首次提出“智能制造”的概念，將智能制造定義為機(jī)器人應(yīng)用制造軟件系統(tǒng)技術(shù)、集成系統(tǒng)工程以及機(jī)器人視覺等技術(shù)，實(shí)行批量生產(chǎn)的系統(tǒng)性過程[2]。目前，普遍意義上智能制造的定義為：智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）是一種由智能機(jī)器和人類專家共同組成的人機(jī)一體化智能系統(tǒng)，它在制造過程中能進(jìn)行智能活動(dòng)，諸如判斷、分析、推理、構(gòu)思和決策等思維過程。通過人與智能機(jī)器的合作共事，去延伸、擴(kuò)大和部分取代人類專家在制造過程中的腦力勞動(dòng)。智能制造將傳統(tǒng)意義上的自動(dòng)化擴(kuò)展到柔性、智能化和高度集成化。

現(xiàn)階段，隨著各項(xiàng)技術(shù)的不斷深入發(fā)展，智能制造的定義也隨之發(fā)生了變化，智能制造要以創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展為核心，以信息化與工業(yè)化深度融合為主線，以推進(jìn)智能化為主攻方向。智能制造是一個(gè)大系統(tǒng)工程，要從產(chǎn)品、生產(chǎn)、模式、基礎(chǔ)研究4 個(gè)維度系統(tǒng)協(xié)同推進(jìn)[3]。同時(shí)，也有學(xué)者認(rèn)為互聯(lián)網(wǎng)加上智能制造是我國制造業(yè)發(fā)展的重要支撐，機(jī)器人、智能生產(chǎn)線和3D 打印技術(shù)相輔相成，促進(jìn)智能制造的深度發(fā)展[4]。

2 鋼鐵行業(yè)中智能化的應(yīng)用實(shí)例——設(shè)備智能監(jiān)測

目前，對(duì)于設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測通常做法是日常點(diǎn)檢維護(hù)，隨著設(shè)備智能化水平以及監(jiān)測手段的提升，智能化監(jiān)測系統(tǒng)在鋼鐵行業(yè)中得到了普遍應(yīng)用。特別是在軋鋼設(shè)備中，對(duì)于設(shè)備的精度、穩(wěn)定性等要求較高，需要實(shí)時(shí)關(guān)注設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，以某帶鋼熱軋線為實(shí)例，分析智能化在鋼鐵行業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用。

2.1 智能在線監(jiān)測系統(tǒng)

智能在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集單元和服務(wù)器（數(shù)據(jù)分析）組成，通過傳感器采集到的各種信號(hào)，分析設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，給出合理的保養(yǎng)維護(hù)建議。

某帶鋼熱軋線將傳感器安裝在粗軋、精軋和卷曲區(qū)域，將傳感器采集到的信號(hào)通過信號(hào)電纜接入在線監(jiān)測IMx 數(shù)據(jù)采集單元中，該采集單元將處理完的數(shù)據(jù)通過光纖通信網(wǎng)絡(luò)，連接到在線監(jiān)測系統(tǒng)的服務(wù)器上，組成網(wǎng)絡(luò)化的在線監(jiān)測系統(tǒng)，其基本架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 案例分析（軸承監(jiān)測）

軸承是轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的關(guān)鍵部件，軸承的異常或損傷會(huì)直接影響設(shè)備的精度和穩(wěn)定性，嚴(yán)重情況下可能會(huì)導(dǎo)致大型設(shè)備的損傷，給企業(yè)帶來巨大的損失。某帶鋼熱軋線通過在線智能監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備——定寬機(jī)上的軸承進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)時(shí)跟蹤定寬機(jī)的運(yùn)行狀況。

在線監(jiān)測系統(tǒng)顯示，定寬機(jī)傳動(dòng)軸運(yùn)行狀況出現(xiàn)異常，圖2為定寬機(jī)傳動(dòng)軸45 d 內(nèi)的振動(dòng)趨勢圖，根據(jù)圖中的數(shù)據(jù)可以得出：傳動(dòng)軸在該段時(shí)間內(nèi)整體趨勢保持穩(wěn)定。振動(dòng)加速度包絡(luò)頻譜總值維持在0.07～0.08 gE，如圖3 所示，該監(jiān)測點(diǎn)短時(shí)間內(nèi)無明顯惡化趨勢。

圖2 定寬機(jī)傳動(dòng)軸振動(dòng)趨勢

根據(jù)圖3 中的數(shù)據(jù)信息可以得出，該頻譜在1XRPM（定寬機(jī)傳輸軸轉(zhuǎn)速）處出現(xiàn)了轉(zhuǎn)頻峰值，并且伴有大量諧波峰值，該頻率的峰值是定寬機(jī)的定寬頻率，不屬于設(shè)備故障頻率。同時(shí)，在0.4XRPM處出現(xiàn)峰值及大量諧波峰值。一般情況下，該頻率被認(rèn)為是保持架的通過頻率，因此判定該傳輸軸軸承保持架存在激發(fā)振動(dòng)。

圖3 定寬機(jī)傳動(dòng)軸包絡(luò)圖

對(duì)該傳輸軸的時(shí)域圖（圖4）做進(jìn)一步分析，根據(jù)圖中數(shù)據(jù)信息，可得到一個(gè)明顯的有規(guī)則的沖擊信號(hào)，該沖擊信號(hào)的時(shí)間間隔為4.907 s（0.693 Hz），該頻率為軸承保持架的通過頻率。

圖4 定寬機(jī)傳動(dòng)軸時(shí)域圖

綜上得出，該傳動(dòng)軸軸承保持架存在異常情況，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行維修或者更換。

2.3 經(jīng)濟(jì)效益

通過智能在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以提高設(shè)備運(yùn)行精度和穩(wěn)定性，降低事故率，從而提升產(chǎn)品的質(zhì)量，提高合同交付率等。其經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在以下3 個(gè)方面。

（1）降低備件成本。通過在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以有效提高預(yù)防性維修率，降低事故性維修率，從而優(yōu)化備件庫存量，做到精確維修維護(hù)。

（2）提升設(shè)備精度和運(yùn)行穩(wěn)定性。在線監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)關(guān)鍵大型部件的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，降低了因零部件損傷損壞而造成的設(shè)備事故率，提升了設(shè)備的穩(wěn)定性。

（3）提高產(chǎn)品質(zhì)量。在線監(jiān)測系統(tǒng)通過提高設(shè)備精度，有效提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低殘次品率，降低噸鋼成本，提升利潤率。

3 鋼鐵企業(yè)智能化的理論研究

現(xiàn)階段鋼鐵企業(yè)智能化的研究主要集中在技術(shù)層面和管理層面，通過技術(shù)層面和管理層面的相輔相成，相互促進(jìn)，提升企業(yè)技術(shù)水平和管理水平，從而提升企業(yè)的品牌價(jià)值，在市場化經(jīng)濟(jì)中占領(lǐng)制高點(diǎn)。企業(yè)的智能化，特別是鋼鐵行業(yè)，可以提升其產(chǎn)品生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)研發(fā)和生產(chǎn)的精益化、柔性化和快速化；在管理層面則可以有效提升企業(yè)的整體管理水平，促進(jìn)企業(yè)管理模式的變革，更高效、智能地分配人力、財(cái)力、物力等資源，適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢和全球經(jīng)濟(jì)的一體化[6]。

3.1 技術(shù)層面

生產(chǎn)裝備及工藝流程的智能化可以有效提高作業(yè)率和產(chǎn)品質(zhì)量，從而提升企業(yè)競爭力。目前，制造行業(yè)對(duì)于技術(shù)研發(fā)的投入大幅度提升，主要體現(xiàn)在以下3 個(gè)方面。

（1）工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用。工業(yè)機(jī)器人可以解放人力，提升作業(yè)準(zhǔn)確率和精確性，特別是在復(fù)雜惡劣環(huán)境下，如高溫、高粉塵、高濕度、噪聲大等，機(jī)器人替代人力已經(jīng)勢在必行。目前，撈渣機(jī)器人、自動(dòng)拆捆機(jī)器人、測溫取樣機(jī)器人、自動(dòng)噴號(hào)貼標(biāo)簽機(jī)器人、專業(yè)剪切機(jī)器人圖像自動(dòng)識(shí)別機(jī)器人等已廣泛應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)，隨著機(jī)器人的普遍化應(yīng)用，鋼鐵行業(yè)也提出了更高的要求和需求，新一代、更加智能化的機(jī)器人的研發(fā)也已提上日程[7]。

（2）生產(chǎn)車間、倉儲(chǔ)車間等智能化。鋼鐵行業(yè)智能車間的建設(shè)，集中通過智能型PLC、智能裝備等，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)、生產(chǎn)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和采集，并且對(duì)整條產(chǎn)線的工藝、過程參數(shù)以及供應(yīng)商參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，推進(jìn)全流程產(chǎn)品質(zhì)量管控與優(yōu)化，最大化利用有效數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化[8]。

（3）各項(xiàng)前沿技術(shù)的深度應(yīng)用。各項(xiàng)前沿技術(shù)，包括大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)、5G 通信技術(shù)、深度學(xué)習(xí)、云計(jì)算和云存儲(chǔ)、3D 可視化、圖像識(shí)別、邊緣計(jì)算等[9]，通過不斷的探索和研究，同時(shí)結(jié)合鋼鐵行業(yè)本身的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)的各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)之中，有效提升了鋼鐵行業(yè)的技術(shù)水平。

3.2 管理層面

國外從20 世紀(jì)已經(jīng)開始研究企業(yè)管理的智能化，1960 年，美國就出現(xiàn)了物料管理信息系統(tǒng)（MRP），隨后融進(jìn)財(cái)務(wù)管理形成閉環(huán)物料管理信息系統(tǒng)（close-MRP），隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，將生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行統(tǒng)一管理，形成了制造資源計(jì)劃系統(tǒng)（MRP-Ⅱ）[6]。

目前，BRP（業(yè)務(wù)流程重組）項(xiàng)目研究、ERP（企業(yè)資源規(guī)劃）系統(tǒng)研究以及IT 規(guī)劃等已得到了長足發(fā)展，促進(jìn)了管理系統(tǒng)的智能化，極大的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，促進(jìn)企業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變革，使信息的傳遞由過去的垂直型變?yōu)楸馄叫?，從而使管理層可以快速的?duì)市場信息、技術(shù)信息做出準(zhǔn)確反映，制定正確、科學(xué)的決策。

4 結(jié)語

（1）智能化的理論研究拓展了其應(yīng)用范圍和思路，在技術(shù)層面，將各項(xiàng)新興技術(shù)應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)的各個(gè)組織環(huán)節(jié)中去，提高了生產(chǎn)效率，促進(jìn)了鋼鐵企業(yè)的技術(shù)革新；在管理層面，優(yōu)化了企業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使資源的配置更加合理、高效，探索出一條新的發(fā)展道路。

（2）在生產(chǎn)上，智能化系統(tǒng)可以更加精確地對(duì)設(shè)備及工藝進(jìn)行控制，提高設(shè)備精度，降低事故率，優(yōu)化備件庫存，節(jié)約生產(chǎn)成本，為企業(yè)創(chuàng)造出可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值以及品牌價(jià)值。

（3）各國已將工業(yè)智能化提升為國家戰(zhàn)略，同時(shí)，制造業(yè)的智能化將極大促進(jìn)其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和升級(jí)。