漣鋼鐵前大數(shù)據(jù)平臺的開發(fā)與應用

1.前言

鐵前工序的成本和能耗占整個鋼鐵聯(lián)合工序高達70%以上。但是由于其主反應器高爐是高溫、高壓、密閉、連續(xù)生產(chǎn)的巨型“黑箱”，所涉及的冶煉操作參數(shù)及技術經(jīng)濟指標也很繁多，目前仍缺乏對整個煉鐵大數(shù)據(jù)的精細梳理和深度挖掘。鐵前系統(tǒng)的自動化、智能化、數(shù)字化水平相比鋼、軋產(chǎn)線偏低，仍以人工經(jīng)驗和主觀判斷操作為主。生產(chǎn)技術經(jīng)濟指標存在波動性，鐵前系統(tǒng)的降本增效空間巨大。

目前，國內(nèi)唐鋼、馬鋼、興澄等鋼廠均已構(gòu)建了相對完備的鐵前大數(shù)據(jù)平臺，在鐵前整體經(jīng)濟技術指標方面也遠遠優(yōu)于漣鋼。2012年，漣鋼鋼后完成了全流程質(zhì)量分析系統(tǒng)的建設，而鐵前區(qū)域生產(chǎn)管理系統(tǒng)自成體系，因其分散，相互之間很難協(xié)同工作，形成了“信息孤島”。各區(qū)域的生產(chǎn)實績數(shù)據(jù)也被封閉在這些“孤島”內(nèi)，整個鐵前缺乏統(tǒng)一的、完整的、企業(yè)級鋼鐵生產(chǎn)過程實時信息平臺，以支持越來越多的數(shù)據(jù)應用。高爐在鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中承上啟下，其順行程度的好壞直接影響企業(yè)運行效益。漣鋼鐵前生產(chǎn)工藝流程長、影響因素眾多、過程參數(shù)追溯性較差等，導致生產(chǎn)操作隨意性大，過程參數(shù)的可控性不理想。因此，針對漣鋼大鐵前系統(tǒng)的問題，構(gòu)建漣鋼鐵前大數(shù)據(jù)分析平臺的想法應運而生。

2.項目研究的必要性

2.1 建立科學化、規(guī)范化、標準化、精細化的煉鐵生產(chǎn)操作管理體系

在大數(shù)據(jù)采集與分析平臺的指導下，通過對相關作業(yè)進行數(shù)據(jù)判別，自動進行異常檢測，用以對異常數(shù)據(jù)進行分析，判斷原因，發(fā)現(xiàn)異常及時報警。自動生成各種定期報表，結(jié)合相關的應用軟件，對某一時間段的某一數(shù)據(jù)或大量數(shù)據(jù)進行分析，如標準差分析、正態(tài)性檢定、等方差檢驗、相關、回歸等分析，生成相關矩陣、回歸公式、控制圖、散點圖等相應的數(shù)據(jù)或圖表；自動采集某些特定數(shù)據(jù)或人工輸入一定數(shù)據(jù)按特定的計算公式，進行復雜計算或處理后，輸出特定的數(shù)據(jù)或圖表，以建立相應的過程數(shù)學模型，為爐況的長期順穩(wěn)提供支撐。

2.2 分級、分類建立大數(shù)據(jù)監(jiān)控標準

針對鐵前焦化、燒結(jié)、高爐三道工序及不同產(chǎn)線，特別是3座不同容積、結(jié)構(gòu)、耐材、爐況、爐齡的高爐，結(jié)合爐況、爐缸爐底安全、設備故障、參數(shù)異常建立報警和預警機制，及時發(fā)現(xiàn)和處理出現(xiàn)的問題。同時全面監(jiān)測高爐運行狀態(tài)參數(shù)以及外圍參數(shù)變化，結(jié)合關聯(lián)性模型等數(shù)據(jù)處理模型，提供給高爐操作者相應的預警和預測信息，以促其及時采取相應的措施，避免爐況波動，消除不穩(wěn)定因素，提高高爐的穩(wěn)定性，降低成本。

2.3 通過實時監(jiān)控，提供正常運行的信息

通過實時監(jiān)控數(shù)據(jù)平臺、基礎作業(yè)數(shù)據(jù)平臺及加工處理數(shù)據(jù)平臺的建立和正常運行，提供給鐵前技術人員更加全面、及時、準確的信息，并提供相應的模擬軟件，利用網(wǎng)絡實現(xiàn)隨時隨地的監(jiān)控冶煉流程。此外，通過精細化平臺的開發(fā)還將使各部門、各工段、各工序的協(xié)同和管理由粗放型向精細化轉(zhuǎn)變。

2.4 通過統(tǒng)一的大數(shù)據(jù)平臺，對現(xiàn)場進行改進

通過大數(shù)據(jù)平臺的建立，在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺和軟件平臺上集中開發(fā)相應的工業(yè)應用軟件，并反饋給工業(yè)現(xiàn)場進行改進。通過平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和無線連接，為鐵前管理人員、技術人員搭建便捷的溝通與管理平臺，實時監(jiān)控鐵前生產(chǎn)的方方面面，保證高爐的長期穩(wěn)定順行。同時，能夠促進整個鐵前不同工廠與產(chǎn)線之間人員與技術的高度融合，為整體技術經(jīng)濟指標的改善創(chuàng)造條件。

3.系統(tǒng)實現(xiàn)目標

3.1 統(tǒng)一系統(tǒng)數(shù)據(jù)

從大數(shù)據(jù)融合層面，對鐵前MES生產(chǎn)監(jiān)視系統(tǒng)、煉鐵廠MES系統(tǒng)、LIMS系統(tǒng)、SAP系統(tǒng)、鐵前各生產(chǎn)線的二級系統(tǒng)、鐵前各生產(chǎn)廠三級系統(tǒng)等目前分散的信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)一采集、濾波、存儲、管控、分析、挖掘及利用，提升鐵前系統(tǒng)生產(chǎn)、技術與管理的整體數(shù)字化、科學化、智能化水平。

3.2 漣鋼鐵前大數(shù)據(jù)智能互聯(lián)平臺

充分利用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等先進技術，打破地域限制和信息孤島，建立漣鋼鐵前大數(shù)據(jù)智能互聯(lián)平臺，實現(xiàn)對漣鋼內(nèi)部鐵前生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、存儲和統(tǒng)計分析。預留和行業(yè)同類型先進煉鐵大數(shù)據(jù)平臺通訊接口，實現(xiàn)先進操作制度方法的數(shù)據(jù)流的“引進來”和“走出去”。

3.3 預警標準和管理機制

針對高爐設計、生產(chǎn)、操作特點的多樣化，從傳熱學、煉鐵學、冶金物理化學等機理層面建立合理的預警標準和管理機制，實現(xiàn)漣鋼各高爐的安全、長壽、高效生產(chǎn)。

3.4 大數(shù)據(jù)資產(chǎn)及數(shù)字化

建立和積累漣鋼鐵前大數(shù)據(jù)資產(chǎn)及數(shù)字化技術體系和人才培養(yǎng)機制，提升企業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力。

3.5 提高煉鐵水平，降低冶煉成本

最終提高煉鐵水平，提高勞動生產(chǎn)率，降低冶煉成本，實現(xiàn)科學化煉鐵、精細化煉鐵和經(jīng)濟化煉鐵的目標，提高漣源鋼鐵公司的競爭力。

4.系統(tǒng)功能設計

4.1 漣鋼鐵前大數(shù)據(jù)平臺整體架構(gòu)圖，見圖1。

圖1 漣鋼鐵前大數(shù)據(jù)平臺整體架構(gòu)圖

4.2 整體平臺功能架構(gòu)

整個平臺從數(shù)據(jù)采集、濾波、治理、存儲、管控、展現(xiàn)、應用的技術功能鏈路角度，分為四大子平臺：大數(shù)據(jù)采集存儲平臺；大數(shù)據(jù)監(jiān)控子平臺；大數(shù)據(jù)加工處理分析平臺；Web發(fā)布平臺。

4.2.1 大數(shù)據(jù)采集存儲平臺

該平臺主要是解決數(shù)據(jù)的采集和存儲，總體包括兩大部分，一部分是數(shù)據(jù)采集，該部分包括一級PLC數(shù)據(jù)采集、L2系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、L3系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集以及第三方關系型數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)采集。

（1）數(shù)據(jù)采集部分：包括一級PLC數(shù)據(jù)采集、L2系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、L3系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集以及第三方關系型數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)采集。

（2）數(shù)據(jù)存儲部分：根據(jù)實際的業(yè)務需求將數(shù)據(jù)進行緩存、暫存以及大數(shù)據(jù)歸檔存儲。

4.2.2 大數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺

大數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺包括實時數(shù)據(jù)監(jiān)控和基礎作業(yè)數(shù)據(jù)監(jiān)控兩方面，實時監(jiān)控數(shù)據(jù)是指生產(chǎn)現(xiàn)場具有監(jiān)控儀表進行實時自動采集的數(shù)據(jù)，如流量、溫度、壓力、重量、料位、速度、電壓、電流等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集周期可以達到秒級的數(shù)據(jù)?；A作業(yè)數(shù)據(jù)是指非實時自動采集，但有相對固定的周期作業(yè)產(chǎn)生并不斷上傳至相關信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，如各種原料及中間產(chǎn)品、產(chǎn)品與各有關作業(yè)的檢驗檢測數(shù)據(jù)等。

4.3.2.1 實時數(shù)據(jù)監(jiān)控

實時數(shù)據(jù)監(jiān)控畫面，主要是挑選各重點生產(chǎn)環(huán)節(jié)的監(jiān)控畫面和數(shù)據(jù)，匯總到各區(qū)域的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)總覽畫面，如焦化、煤化、燒結(jié)、高爐等。

數(shù)據(jù)輸出模式選擇有以下三種：

（1）畫面模式：適應于對主要生產(chǎn)系統(tǒng)的直觀觀察，包含焦化、燒結(jié)、高爐等各作業(yè)單元的重要生產(chǎn)工序，不僅能實時顯示當前數(shù)據(jù)，還支持往前快速遞推檢索功能，在各個實時監(jiān)控畫面點擊某個具體的設備參數(shù)能夠快速查看其歷史趨勢數(shù)據(jù)。

（2）曲線模式：適應于少量數(shù)據(jù)的簡單分析，基于監(jiān)控畫面選擇相關參數(shù)的變化曲線，讓平臺操作人員在監(jiān)控畫面上點擊某參數(shù)附近按鈕即可顯示該參數(shù)的變化曲線。

（3）EXCEL表格模式：適應于數(shù)據(jù)的分析與深加工處理，如進一步進行相關、回歸、等方差檢驗等分析。

該項內(nèi)容原則上要求在現(xiàn)有PLC一級機上，在主要監(jiān)控畫面上納入了監(jiān)視范圍的數(shù)據(jù)點，均應予以長期保存。同時需各單位對現(xiàn)有實時監(jiān)控數(shù)據(jù)點進行篩選，找出具有長期監(jiān)控意義、需要長久保持的數(shù)據(jù)點，剔除僅有瞬時觀察意義的實時觀察數(shù)據(jù)。

4.2.3 大數(shù)據(jù)加工處理分析平臺

針對采集的數(shù)據(jù)進行工序產(chǎn)線劃分，給用戶提供自定義分析工具、數(shù)據(jù)檢索工具以及報表分析工具，方便用戶對大數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。加工處理數(shù)據(jù)是根據(jù)特定需要，對相關的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)與基礎作業(yè)數(shù)據(jù)，進行加工處理后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，如各種車間級及廠級的生產(chǎn)作業(yè)日報報表，各種作業(yè)參數(shù)的標準差分析、等方差分析、相關及回歸分析等。加工處理數(shù)據(jù)平臺應具備并實現(xiàn)以下菜單功能：

（1）數(shù)據(jù)采集周期選擇：全數(shù)據(jù)、日平均、周平均、月平均、年平均（單選）。

（2）數(shù)據(jù)采集時段選擇：從某年某月某日至某年某月某日。

（3）工序選擇：原料場、焦化/煤化、燒結(jié)、煉鐵（多選）。

（4）產(chǎn)線選擇：如煉鐵中分6、7、8號三座高爐及噴煤等產(chǎn)線。燒結(jié)分130、180、280、360四臺燒結(jié)機及中和場、原料場等產(chǎn)線（多選）。

（5）數(shù)據(jù)大類選擇：原料數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)（多選）。

（6）數(shù)據(jù)小類選擇：如高爐原料數(shù)據(jù)可分為焦炭檢驗數(shù)據(jù)、燒結(jié)礦檢驗數(shù)據(jù)、塊礦檢驗數(shù)據(jù)等進行分類，高爐產(chǎn)品數(shù)據(jù)可按鐵水數(shù)據(jù)（重量及成分等）、爐渣、煤氣等進行分類（多選）。

（7）具體數(shù)據(jù)選擇：如高爐所用焦炭的冷熱強度、高爐鐵水的各種成分等（多選）。

（8）數(shù)據(jù)加工處理方式選擇（分步進行）：

①數(shù)據(jù)判別：對平臺系統(tǒng)中的所有量化數(shù)據(jù)可以設定其正常工作范圍或控制標準線，以對數(shù)據(jù)的有效性與可控性自動進行篩選與甄別，可以自動剔除那些顯著異常的數(shù)據(jù)，便于管理部門進行監(jiān)控和及時處理。

②生成報表：按以上選擇要求自動生成各單位現(xiàn)有的各種定期常用報表，如：日報表、月報表、年報表等電子報表，以及具備自編輯功能可按特定需要自行設計并增加特定報表。

③數(shù)據(jù)分析：按以上選擇要求調(diào)用數(shù)據(jù)后，結(jié)合相關的應用軟件對某一時間段的某一數(shù)據(jù)或大量數(shù)據(jù)進行分析如標準差分析、正態(tài)性檢定、等方差檢驗、相關、回歸等分析，生成相關矩陣、回歸公式、控制圖、散點圖等相應的數(shù)據(jù)或圖表。

4.2.4 Web發(fā)布平臺

為了實現(xiàn)漣鋼整個鐵前大數(shù)據(jù)的移動互聯(lián)和云端診斷，特開發(fā)Web發(fā)布及云端交互子平臺。該子平臺的通訊鏈路主要采用端口映射的方式，使用本廠的有線網(wǎng)絡，網(wǎng)絡的傳輸質(zhì)量和速率有保障，可以保證數(shù)據(jù)的實時同步與上傳。

Web發(fā)布平臺主要包括Web前臺和服務端兩個部。服務端提供各種通用數(shù)據(jù)訪問接口與Web前臺頁面實際業(yè)務進行交互，而Web前臺則是根據(jù)實際業(yè)務需求進行頁面展示和人機交互。

通過大數(shù)據(jù)平臺的在線業(yè)務服務，可以提供更好的實時在線監(jiān)測服務。在漣鋼內(nèi)網(wǎng)，不同訪問權限等級的用戶，可以通過登陸電腦網(wǎng)頁，支持在線查看鐵前大數(shù)據(jù)的曲線、數(shù)據(jù)查詢、生產(chǎn)報表等。

5.平臺應用效果

平臺實現(xiàn)了焦化、燒結(jié)、高爐工序重點參數(shù)的在線監(jiān)控與自動采集，同時自動生成部分報表，總體實現(xiàn)了各工序過程控制參數(shù)透明化，為工況的分析、判斷提供了準確數(shù)據(jù)。崗位規(guī)程就像十字路口的紅綠燈，而當前大數(shù)據(jù)平臺就像攝像機，共同促進各崗位規(guī)范操作，才能提升各工序控制能力。

2018年至今，漣鋼公司焦炭、燒結(jié)礦質(zhì)量穩(wěn)中有升，三座高爐保持長期高效順行，日均產(chǎn)鐵量超過21000噸。當前，鐵前大數(shù)據(jù)平臺總體實現(xiàn)了數(shù)據(jù)真實獲取，后續(xù)待進一步開發(fā)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動分析及爐況等預測。

通過該大數(shù)據(jù)管理服務平臺的建設和使用，實現(xiàn)了科學化煉鐵、數(shù)字化煉鐵、精細化煉鐵和經(jīng)濟化煉鐵的目標，提高鐵前整體技術水平，降低冶煉成本。