5G智能化煉鋼系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐

翟寶鵬，金鵬，高大鵬，宋偉豪，孟婷婷，江山，王琦，魏梓軒

（鞍鋼集團(tuán)信息產(chǎn)業(yè)有限公司，遼寧 鞍山 114000）

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)鋼鐵產(chǎn)量迅速增長(zhǎng)，鋼鐵產(chǎn)能連續(xù)多年排名全球首位。但是鋼鐵工業(yè)能耗大，環(huán)境污染和原材料浪費(fèi)嚴(yán)重等問題束縛了我國(guó)鋼鐵企業(yè)提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，制約著鋼鐵工業(yè)的良性發(fā)展［1］。為提高我國(guó)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，加速制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，助力我國(guó)由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)，國(guó)家提出了《中國(guó)制造2025》發(fā)展規(guī)劃，鋼鐵行業(yè)積極布局智能制造項(xiàng)目，2015-2018年，共有包含寶鋼、鞍鋼、河鋼等9個(gè)智能制造項(xiàng)目被工信部列為 “國(guó)家智能制造試點(diǎn)示范項(xiàng)目”［2］。鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠三分廠5號(hào)線于2015年1月建設(shè)投產(chǎn)，煉鋼系統(tǒng)整體配備了副槍、聲吶檢測(cè)、吊車定位與鋼水罐定位、下渣檢測(cè)、PLC及集控設(shè)備等，但是實(shí)際生產(chǎn)中仍對(duì)人工操控較依賴，不利于生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量的提升。為了實(shí)現(xiàn)煉鋼工序向智能化精細(xì)生產(chǎn)轉(zhuǎn)型升級(jí)，降低生產(chǎn)成本，對(duì)該生產(chǎn)線進(jìn)行了智能化煉鋼系統(tǒng)建設(shè)，取得較好效果。

1 煉鋼工序原來存在的問題

（1）供貨廠商繁多，設(shè)計(jì)范圍、通訊標(biāo)準(zhǔn)各不相同，新舊設(shè)備之間數(shù)據(jù)未能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。

（2）一、二、三、四級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊協(xié)議復(fù)雜，很多數(shù)據(jù)不能自動(dòng)接收和傳送，仍需人工處理。

（3）雖然實(shí)現(xiàn)設(shè)備集控，但是設(shè)備自動(dòng)化程度不高，仍依賴人工操作。

（4）生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)不完善，部分生產(chǎn)數(shù)據(jù)未進(jìn)入到鞍鋼ERP系統(tǒng)和調(diào)度中心。

上述原因使得煉鋼生產(chǎn)未能實(shí)現(xiàn)上下游統(tǒng)一調(diào)控，轉(zhuǎn)爐冶煉鋼水各項(xiàng)檢驗(yàn)指標(biāo)受人為因素干擾影響較大，阻礙了轉(zhuǎn)爐自動(dòng)化生產(chǎn)水平的進(jìn)一步提升。

2 智能化煉鋼系統(tǒng)建設(shè)

2.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)改造

原有一級(jí)PLC系統(tǒng)僅有靜態(tài)控制功能，為實(shí)現(xiàn)智能化煉鋼系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制功能，對(duì)一級(jí)PLC系統(tǒng)進(jìn)行改造。轉(zhuǎn)爐電氣PLC、儀表PLC、副槍PLC、合金PLC等實(shí)現(xiàn)了重新組網(wǎng)，與二級(jí)服務(wù)器、聲吶系統(tǒng)、“精鋼云”平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了高速、穩(wěn)定、低延時(shí)互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)了云端對(duì)氧槍、副槍、料倉(cāng)等設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。

2.2 系統(tǒng)通信建設(shè)

應(yīng)用煉鋼總廠廠區(qū)基于4.9 GHz頻段的5G鋼鐵專網(wǎng)進(jìn)行智能化煉鋼系統(tǒng)通訊傳輸。該專網(wǎng)采用SA組網(wǎng)模式+MEC邊緣計(jì)算架構(gòu)，通過在廠區(qū)機(jī)房?jī)?nèi)獨(dú)立建設(shè)邊緣計(jì)算設(shè)備（MEC）與“精鋼云”平臺(tái)進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)不出廠，保障工業(yè)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)信息的安全。5G鋼鐵專網(wǎng)見圖1。

圖1 5G鋼鐵專網(wǎng)Fig.1 5G Special Network for Iron and Steel Enterprises

2.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與功能架構(gòu)

智能化煉鋼系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。5G通訊技術(shù)具有高速率、低時(shí)延、廣連接的特點(diǎn)，5G鋼鐵專網(wǎng)打通鞍鋼集團(tuán)一、二、三、四級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，解決了無線終端、聲吶、攝像頭等設(shè)備與各計(jì)算機(jī)層級(jí)通訊問題，暢通上下工序信息通道，解決長(zhǎng)流程工序銜接問題。智能化煉鋼系統(tǒng)功能架構(gòu)分三大層次建設(shè)：本地執(zhí)行層、生產(chǎn)監(jiān)控層和云端，如圖3所示。

圖2 智能化煉鋼系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.2 Network Architecture for Intelligent Steelmaking System

圖3 智能化煉鋼系統(tǒng)功能架構(gòu)Fig.3 Functional Architecture for Intelligent Steelmaking System

2.3.1 本地執(zhí)行層

本地執(zhí)行層以一鍵式智能化煉鋼為核心建設(shè)目標(biāo)，分為聲吶氧槍控制模塊、副槍自動(dòng)測(cè)試模塊、自學(xué)習(xí)投料模塊、智能終點(diǎn)控制模塊四部分。

（1）聲吶氧槍控制模塊

聲吶氧槍控制模塊由計(jì)算靜態(tài)槍譜、聲吶信號(hào)分析、控制氧槍槍位、控制氧氣流量四部分組成。研究表明，特征頻率的聲強(qiáng)與渣面水平有關(guān)，噪聲中心頻率主要取決于轉(zhuǎn)爐的尺寸，現(xiàn)場(chǎng)其他共鳴條件和各種干擾源。噪聲強(qiáng)度等級(jí)取決于爐渣水平面距氧槍槍口的距離或浸入程度所引起的衰減。吹煉開始時(shí)噪聲強(qiáng)度很高，與轉(zhuǎn)爐的低渣面相一致，隨著吹煉造渣的進(jìn)行，渣面逐漸升高，噪聲等級(jí)逐漸下降。選出特定轉(zhuǎn)爐吹煉時(shí)能代表渣面變化的“特征”噪聲信號(hào)，濾除和抑制雜散干擾后，如果噪聲信號(hào)大幅度下降，則表示爐內(nèi)泡沫急劇增多，即所謂“噴濺”現(xiàn)象；反之，噪聲等級(jí)在吹煉幾分鐘以后又出現(xiàn)增大的現(xiàn)象，就意味著爐內(nèi)泡沫的減少，即所謂“返干”現(xiàn)象；如無明顯變化，則證明此時(shí)爐內(nèi)化渣良好。

（2）副槍自動(dòng)測(cè)試模塊

副槍自動(dòng)測(cè)試模塊由探頭種類選擇、探頭自動(dòng)安裝、TSC自動(dòng)測(cè)試、TSO自動(dòng)測(cè)試四部分組成。

副槍是重要的轉(zhuǎn)爐冶煉檢測(cè)設(shè)備，是一鍵式智能化煉鋼的重要組成部分，每爐鋼水的冶煉通常需要過程測(cè)試（TSC）、終點(diǎn)測(cè)試（TSO）兩次副槍測(cè)試。

（3）自學(xué)習(xí)投料模塊

自學(xué)習(xí)投料模塊由自學(xué)習(xí)參數(shù)、堿鎂平衡計(jì)算、熱平衡計(jì)算、料倉(cāng)自動(dòng)控制四部分組成。

通過云端智能專家系統(tǒng)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析與優(yōu)化，確認(rèn)自學(xué)習(xí)參數(shù)；通過堿鎂平衡計(jì)算確定熔劑種類及加入量［3-4］；通過熱平衡計(jì)算選擇降溫材料或升溫材料并計(jì)算出其加入量；通過料倉(cāng)自動(dòng)控制將各熔劑與降溫材料或升溫材料通過模擬人工手動(dòng)加入方式，多批次小批量適時(shí)加入爐內(nèi)，防止因加入批次、單批次加料量、加料時(shí)機(jī)的錯(cuò)誤計(jì)算與錯(cuò)誤執(zhí)行，對(duì)造渣造成不良影響。

（4）智能終點(diǎn)控制模塊

智能終點(diǎn)控制模塊由計(jì)算冶煉目標(biāo)、計(jì)算實(shí)時(shí)碳溫、料倉(cāng)自動(dòng)控制、終點(diǎn)自動(dòng)控制四個(gè)部分組成。

終點(diǎn)自動(dòng)控制是通過七段論轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)控制法生成轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)操作指令，通過在轉(zhuǎn)爐電氣PLC、儀表PLC編寫轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制程序及增加通訊接口，實(shí)現(xiàn)冶煉終點(diǎn)自動(dòng)控制。七段論包含了轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)可能出現(xiàn)的七種狀態(tài)，各種狀態(tài)都給出合理的解決方案，在保護(hù)設(shè)備安全的前提下，可實(shí)現(xiàn)任何情況下最理想的碳溫平衡輸出結(jié)果。

生產(chǎn)監(jiān)控層包括轉(zhuǎn)爐監(jiān)控系統(tǒng)和工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)兩大部分。

（1）轉(zhuǎn)爐監(jiān)控系統(tǒng)

轉(zhuǎn)爐監(jiān)控系統(tǒng)包含HMI人機(jī)界面和專家指導(dǎo)兩部分。

HMI人機(jī)界面包括生產(chǎn)控制和狀態(tài)監(jiān)視。生產(chǎn)控制包括對(duì)氧槍控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)定、副槍過程測(cè)試時(shí)機(jī)設(shè)定、冶煉終點(diǎn)判斷原則設(shè)定、終點(diǎn)測(cè)試等候時(shí)間設(shè)定等參數(shù)設(shè)定。狀態(tài)監(jiān)視包括氧槍吹氧過程曲線、聲吶曲線、副槍測(cè)試氧副槍聯(lián)動(dòng)曲線、冶煉后期碳溫實(shí)時(shí)曲線等冶煉數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)視。

專家指導(dǎo)作為智能專家系統(tǒng)的本地端，擁有決策指導(dǎo)與閉環(huán)控制兩種模式，既可以由系統(tǒng)設(shè)置為智能專家系統(tǒng)直接執(zhí)行分析優(yōu)化后的生產(chǎn)指令，也可以設(shè)置為只為生產(chǎn)操控人員提供操作指導(dǎo)。當(dāng)操作人員選擇自動(dòng)控制模式時(shí)，智能化煉鋼系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)狀態(tài)自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行，根據(jù)智能專家系統(tǒng)分析優(yōu)化后發(fā)送的生產(chǎn)指令，自動(dòng)進(jìn)行氧槍、副槍、料倉(cāng)及冶煉終點(diǎn)自動(dòng)生產(chǎn)控制；當(dāng)操作人員選擇手動(dòng)操作時(shí)，專家指導(dǎo)系統(tǒng)將給出推薦計(jì)算結(jié)果，為操作人員提供決策指導(dǎo)。

（2）工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)

工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)核心，主要包括數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)集控、數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)四大部分功能。

（2）標(biāo)準(zhǔn)之間存在交叉、矛盾和冗余。一般油田企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)體系中，既包含油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)的國(guó)標(biāo)、行標(biāo)和企標(biāo)，同時(shí)也包含其他如工程建設(shè)、儀表自動(dòng)化、安全環(huán)保、計(jì)量等專業(yè)的國(guó)標(biāo)、行標(biāo)和企標(biāo)。這些標(biāo)準(zhǔn)的制定部門不同，制定時(shí)間不同，制定背景也不同，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)之間缺乏協(xié)調(diào)，不可避免的存在交叉、矛盾、冗余和不符合實(shí)際需要之處。[3]

數(shù)據(jù)接入包括一二級(jí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通訊和三四級(jí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通訊，二級(jí)向一級(jí)延伸（轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)系統(tǒng)、氧槍系統(tǒng)、副槍系統(tǒng)、料倉(cāng)系統(tǒng)、煤氣回收系統(tǒng)等）、三級(jí)向四級(jí)延伸（化檢驗(yàn)系統(tǒng)、MES系統(tǒng)等）的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通訊功能。

數(shù)據(jù)集控包括聲吶數(shù)據(jù)集控，吊車定位數(shù)據(jù)集控兩部分。通過將聲吶儀表和吊車系統(tǒng)接入實(shí)時(shí)通訊網(wǎng)絡(luò)，聲吶數(shù)據(jù)、吊車數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，將聲吶信號(hào)和吊車信號(hào)接入數(shù)據(jù)集控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)聲吶數(shù)據(jù)和吊車數(shù)據(jù)接入智能化煉鋼系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)過濾包括數(shù)據(jù)清洗與數(shù)據(jù)整理。通過高效的過濾處理，抽取各環(huán)節(jié)的有效數(shù)據(jù)，將生產(chǎn)過程中的分散、零亂、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的數(shù)據(jù)整合到一起，將設(shè)備故障、儀表故障、人為操作失誤等造成的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，避免對(duì)自動(dòng)生產(chǎn)控制產(chǎn)生影響，為數(shù)據(jù)分析提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)包括數(shù)據(jù)記錄與參數(shù)維護(hù)。數(shù)據(jù)記錄采用海量數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)管理及分布式數(shù)據(jù)處理技術(shù)，不但提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和存取效率，而且易于擴(kuò)展。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)機(jī)制通過多節(jié)點(diǎn)的冗余處理有效保障了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全。先進(jìn)的流處理技術(shù)使得系統(tǒng)具備高速的數(shù)據(jù)采集能力，滿足鋼鐵企業(yè)各生產(chǎn)車間，尤其是毫秒級(jí)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)需求。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后形成數(shù)據(jù)湖，為數(shù)據(jù)挖掘，工藝改進(jìn)，生產(chǎn)問題查詢，模型優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

采用數(shù)據(jù)集控平臺(tái)與數(shù)據(jù)庫(kù)孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)煉鋼冶煉參數(shù)與數(shù)據(jù)傳遞，不但提高了系統(tǒng)的可靠性，而且提高了大數(shù)據(jù)平臺(tái)數(shù)據(jù)傳遞效率。先進(jìn)的流處理技術(shù)使系統(tǒng)具備高速的數(shù)據(jù)傳遞能力，滿足HMI人機(jī)界面、一鍵式智能化煉鋼控制模型、云端的參數(shù)運(yùn)算需求。

2.3.3 云端

云端即利用“精鋼云”搭建的智能化煉鋼支撐系統(tǒng)，主要功能為煉鋼工業(yè)大數(shù)據(jù)的管理和對(duì)本地算法模型進(jìn)行訓(xùn)練優(yōu)化，包含大數(shù)據(jù)管理、模型優(yōu)化、質(zhì)量判定、指標(biāo)分析系統(tǒng)四部分。

（1）大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)收集所有工序的生產(chǎn)、控制、工藝、能源介質(zhì)、設(shè)備運(yùn)行、質(zhì)量參數(shù)等數(shù)據(jù)資料，將這些多源、多類型數(shù)據(jù)經(jīng)過清洗和轉(zhuǎn)換形成統(tǒng)一格式存入數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。此外，大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)將收集訂單、技術(shù)協(xié)議、產(chǎn)品質(zhì)量、原料成本數(shù)據(jù)形成鋼鐵產(chǎn)品全生命周期大數(shù)據(jù)，收集煉鐵、預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐、氬站、精煉、連鑄等全工序大數(shù)據(jù)，為后期數(shù)據(jù)挖掘、模型開發(fā)提供數(shù)據(jù)湖。

（2）模型優(yōu)化系統(tǒng)

在大數(shù)據(jù)湖的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)挖掘，利用云端算力優(yōu)勢(shì)進(jìn)行智能化煉鋼參數(shù)自優(yōu)化計(jì)算。通過云邊數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行智能化煉鋼系統(tǒng)參數(shù)動(dòng)態(tài)更新，實(shí)現(xiàn)智能化煉鋼生產(chǎn)工藝參數(shù)在線動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

（3）質(zhì)量判定系統(tǒng)

利用大數(shù)據(jù)湖對(duì)影響鋼種質(zhì)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)鋼種作業(yè)指導(dǎo)書，對(duì)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工序質(zhì)量進(jìn)行預(yù)判，提出操作建議。

（4）指標(biāo)分析系統(tǒng)

利用大數(shù)據(jù)湖對(duì)影響成本的鋼鐵料、白灰單耗、氧氣單耗等指標(biāo)進(jìn)行分析，當(dāng)指標(biāo)異常時(shí)，通過HMI畫面及聲音報(bào)警等方式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)進(jìn)行提示。

3 應(yīng)用效果

3.1 鋼水質(zhì)量控制水平提高

智能化煉鋼系統(tǒng)于2021年底在煉鋼總廠三分廠5號(hào)線改造完成投入使用。統(tǒng)計(jì)了9罐SPCC鋼種冶煉數(shù)據(jù)見表1所示。由表1可以看出，鋼水終點(diǎn)碳含量和終點(diǎn)溫度基本達(dá)到目標(biāo)要求，不低于人工控制水平。

表1 SPCC鋼種冶煉數(shù)據(jù)Table 1 Smelting Data of SPCC Steel Grade

該系統(tǒng)已穩(wěn)定運(yùn)行近一年，實(shí)現(xiàn)了冶煉過程模型數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)可視化和一鍵式煉鋼，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了煉鋼質(zhì)量控制水平，鋼水一次拉碳命中率從投入前的92.3%提高至96.5%，減少了點(diǎn)吹冶煉時(shí)間。

3.2 經(jīng)濟(jì)與環(huán)保效益顯著

智能化煉鋼系統(tǒng)精準(zhǔn)控制煉鋼過程，通過降罩冶煉，提高了煙氣中一氧化碳回收率；通過提高一次拉碳命中率降低氧氣消耗量，優(yōu)化石灰石與活性石灰配比，降低了生產(chǎn)成本。降低原材料損耗和生產(chǎn)能耗，減少有害廢氣廢物的排放，符合國(guó)家“碳中和”綠色發(fā)展規(guī)劃，取得較好的經(jīng)濟(jì)與環(huán)保效益。

4 結(jié)語

隨著“中國(guó)制造2025”、“碳中和”等發(fā)展規(guī)劃的相繼提出，國(guó)內(nèi)各大鋼鐵企業(yè)都在加快提升自身數(shù)字化、信息化、智能化水平，摒棄過去粗放式鋼鐵生產(chǎn)模式，向低碳環(huán)保、高效率、高質(zhì)量的智能化精細(xì)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)型升級(jí)。鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠智能化煉鋼系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用后，提高了煉鋼工序控制水平，鋼水一次拉碳命中率由92.3%提高至96.5%，提高了煙氣中一氧化碳回收率，降低原材料損耗和生產(chǎn)能耗，減少有害廢氣廢物的排放，取得較好的經(jīng)濟(jì)與環(huán)保效益。