鞍鋼熱軋帶鋼廠智慧制造發(fā)展研究

陳百紅，張 華，高恩運(yùn)，鄭英杰，史乃安，郝利國(guó)

（鞍鋼股份有限公司熱軋帶鋼廠，遼寧 鞍山114021）

全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加緊孕育興起，與我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)形成歷史性交匯。智能制造在全球范圍內(nèi)快速發(fā)展，融合使用新一代信息技術(shù)和人工智能技術(shù)［1］已成為制造業(yè)重要發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和分工格局帶來(lái)深刻影響，推動(dòng)形成新的生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)形態(tài)、商業(yè)模式。作為傳統(tǒng)制造業(yè)，鋼鐵行業(yè)發(fā)展至今，面臨著越來(lái)越苛刻的生存環(huán)境，環(huán)保、安全、質(zhì)量、成本等無(wú)一不是亟待解決的痛點(diǎn)，而中國(guó)制造2025戰(zhàn)略背景下智慧制造顯然是轉(zhuǎn)型升級(jí)新的機(jī)遇窗口［2］。智慧鋼廠已日漸成為中國(guó)鋼廠高質(zhì)量發(fā)展的清晰藍(lán)圖，打造智慧鋼廠是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型發(fā)展的一個(gè)重大戰(zhàn)略舉措。

1 國(guó)內(nèi)外鋼廠智慧制造發(fā)展情況

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的冶金鋼廠不斷向數(shù)字化、智能化發(fā)展，推進(jìn)信息化與工業(yè)化深度融合［3］，國(guó)際上美國(guó)大河鋼廠的智能化建設(shè)［4］，通過(guò)全流程質(zhì)量數(shù)字化和質(zhì)量管控規(guī)則的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量在線管控。浦項(xiàng)、寶武在智能化方面已經(jīng)領(lǐng)先開展［5］，實(shí)現(xiàn)了板坯庫(kù)無(wú)人吊車，粗軋料形、精軋跑偏等實(shí)現(xiàn)了在線控制，熱軋鋼卷端部缺陷、夾送輥輥面缺陷等實(shí)現(xiàn)了在線檢測(cè)。在鋼鐵行業(yè)設(shè)備管控中，浦項(xiàng)最先開始智能化的探索，將設(shè)備管理作為智能工廠建設(shè)的主線。另外寶鋼熱軋?jiān)诠?jié)能、集控、安全、吊車、視覺識(shí)別、數(shù)字化工廠、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和全自動(dòng)軋鋼方面積極開展智能化建設(shè)［6］，已取得成績(jī)。

2 鞍鋼熱軋帶鋼廠信息化現(xiàn)狀

鞍鋼熱軋帶鋼廠（以下簡(jiǎn)稱熱軋廠）各產(chǎn)線均采用計(jì)算機(jī)四級(jí)管理，基本實(shí)現(xiàn)分應(yīng)用層次建立網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，各網(wǎng)絡(luò)逐級(jí)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，利用各系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)、質(zhì)量和物流的管理。如ERP集成采購(gòu)管理系統(tǒng)與生產(chǎn)、倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)計(jì)劃、流水、庫(kù)存、單據(jù)的同步，ERP訂單在MES中形成排產(chǎn)計(jì)劃，MES支持向ERP上傳計(jì)劃執(zhí)行數(shù)據(jù)、實(shí)際生產(chǎn)信息等功能，采用信息技術(shù)手段輔助質(zhì)量檢驗(yàn)，關(guān)鍵檢測(cè)系統(tǒng)或檢驗(yàn)設(shè)備能自動(dòng)輸出檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)到相關(guān)系統(tǒng)，通過(guò)信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)訂單管理、計(jì)劃調(diào)度、信息跟蹤和運(yùn)輸資源管理。

1780線經(jīng)過(guò)2015年和2018年兩次三電改造，一二三級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。1700線和2150線一二級(jí)模型控制相對(duì)落后，計(jì)劃2020～2021年分別進(jìn)行升級(jí)改造，為智能化建設(shè)打下基礎(chǔ)。

3 鞍鋼熱軋帶鋼廠智慧制造發(fā)展思路

結(jié)合熱軋廠生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)目標(biāo)，打造智能化、高效率、低成本的綠色熱軋產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)熱軋廠生產(chǎn)組織、制造裝備、質(zhì)量管控、效率提升、安全保障、成本控制、分析決策過(guò)程的智能化。

以重點(diǎn)產(chǎn)線為突破，智慧制造工作將圍繞基礎(chǔ)自動(dòng)化、無(wú)人行車、站所室集控、機(jī)器人、模型優(yōu)化及3D可視化、狀態(tài)檢測(cè)及智能點(diǎn)檢等方面展開。技術(shù)成熟度高、易實(shí)現(xiàn)的，以及提質(zhì)增效顯著的先行實(shí)施，并逐步向其他產(chǎn)線推廣。

3.1 生產(chǎn)與質(zhì)量智能管控

從原料、加熱、連軋、精整全流程生產(chǎn)入手，建立智能生產(chǎn)和質(zhì)量管控系統(tǒng)，全面實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和質(zhì)量管控智能化。

（1）生產(chǎn)管控智能化。以智慧決策為前提，基于大數(shù)據(jù)、多模型組合、斷電式優(yōu)化算法、高階人機(jī)交互等策略，建立具備完善的生產(chǎn)全流程資源優(yōu)化分配、生產(chǎn)自動(dòng)編排、跟蹤、預(yù)警及動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)整等功能的跨產(chǎn)線一體化生產(chǎn)智慧管控體系，生產(chǎn)管控智能化簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)管控智能化簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic Diagram for Production by Intelligent Control&Management

（2）質(zhì)量全流程管控系統(tǒng)。建立全流程物質(zhì)流、信息流時(shí)空精準(zhǔn)匹配，實(shí)現(xiàn)全流程產(chǎn)品質(zhì)量的溯源分析，構(gòu)建產(chǎn)品缺陷的自動(dòng)封鎖系統(tǒng)，以及熱軋帶鋼組織性能智能預(yù)測(cè)系統(tǒng)［6］，質(zhì)量全流程管控系統(tǒng)簡(jiǎn)圖見圖2。

（3）成本分析系統(tǒng)。精確分析和預(yù)測(cè)每塊軋件在各工序的能源介質(zhì)消耗和相應(yīng)成本，圖3為熱軋各環(huán)節(jié)能源介質(zhì)消耗及成本統(tǒng)計(jì)流程圖。

圖2 質(zhì)量全流程管控系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic Diagram for Quality Control&Management System in Whole Process

圖3 熱軋各環(huán)節(jié)能源介質(zhì)消耗及成本統(tǒng)計(jì)流程圖Fig.3 Flow Chart for Consumption of Energy&Medium and Cost Statistics in Hot Rolling

3.2 設(shè)備智能管控

設(shè)備管控的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn) “一個(gè)中心，兩條主線，四個(gè)維度”。一個(gè)中心，即采用智能化手段實(shí)現(xiàn)設(shè)備的本質(zhì)安全穩(wěn)定運(yùn)行；兩條主線，即感知設(shè)備和解放人力；四個(gè)維度，即開展自我智能探索、智能監(jiān)測(cè)分析預(yù)警、智能點(diǎn)檢及虛擬實(shí)踐和周期管理并探索設(shè)備剩余使用周期建模。

3.3 智能控制

智能制造的目的是利用自動(dòng)化、智能化技術(shù)以及機(jī)器人系統(tǒng)，把人力從繁瑣的、危險(xiǎn)的、重復(fù)性的勞動(dòng)中解脫出來(lái)，提高工作效率。

（1） 無(wú)人吊車

從現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況出發(fā)，綜合考慮板坯庫(kù)與鋼卷庫(kù)存管理流程，吊車的三維定位，數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集及無(wú)線通訊技術(shù)［7］，最終實(shí)現(xiàn)板坯庫(kù)與鋼卷庫(kù)存無(wú)人吊車。

（2）加熱爐區(qū)智能控制

建立板坯智能識(shí)別與核對(duì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)加熱爐自動(dòng)裝鋼；建立加熱爐燃燒過(guò)程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)加熱爐自動(dòng)燒鋼；建立軋制節(jié)奏控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)加熱爐自動(dòng)出鋼。

（3）中間坯料形智能控制

目前熱軋中間坯鐮刀彎、扣翹頭等料形普遍由操作員手動(dòng)調(diào)整，通過(guò)建立鐮刀彎與扣翹頭控制模型，在粗軋入出口安裝料形檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)中間坯鐮刀彎與扣翹頭的自動(dòng)調(diào)整。鐮刀彎?rùn)z測(cè)系統(tǒng)原理如圖4所示。

（4）帶鋼跑偏及楔形智能控制

目前國(guó)內(nèi)外熱軋帶鋼跑偏及楔形普遍由操作員手動(dòng)調(diào)整，建立精軋跑偏及楔形自動(dòng)模型控制系統(tǒng)，根據(jù)軋機(jī)入口、機(jī)架間安裝帶鋼跑偏檢測(cè)儀表的顯示結(jié)果，利用精軋軋件穩(wěn)定模型控制系統(tǒng)，進(jìn)行自動(dòng)水平調(diào)節(jié)控制跑偏，對(duì)設(shè)備進(jìn)行智能調(diào)節(jié)控制跑偏，建立自動(dòng)控制模型。

圖4 鐮刀彎?rùn)z測(cè)系統(tǒng)原理Fig.4 Principle for Detection System for Sickle-like Curvature

（5）中間坯優(yōu)化剪切閉環(huán)控制

鞍鋼各熱軋生產(chǎn)線中間坯優(yōu)化剪切系統(tǒng)基本都采用開環(huán)控制，中間坯與飛剪各自獨(dú)立控制，影響中間坯頭尾剪切精度。而采用中間坯優(yōu)化剪切閉環(huán)控制系統(tǒng)，飛剪能智能感知中間坯運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)修正飛剪剪鼓加速度，實(shí)現(xiàn)中間坯頭尾精準(zhǔn)剪切。

（6）熱軋產(chǎn)線智能測(cè)控與模型技術(shù)

對(duì)于熱軋生產(chǎn)過(guò)程中機(jī)架浪形、卷取形狀等關(guān)鍵工藝參數(shù)，利用圖像處理技術(shù)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量，并構(gòu)建反饋控制系統(tǒng)。通過(guò)大數(shù)據(jù)及AI技術(shù)建立更準(zhǔn)確的模型，實(shí)現(xiàn)全熱軋生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化，提升模型控制精度。

（7）軋輥及夾送輥表面質(zhì)量檢測(cè)與控制的智能化技術(shù)

開展軋輥輥面質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)與判定，軋輥健康度全生命周期大數(shù)據(jù)分析及預(yù)測(cè)，軋輥磨削控制模型智能化，以及熱軋?jiān)诰€磨輥等技術(shù)研究，降低軋輥引起的缺陷,實(shí)現(xiàn)夾送輥在線監(jiān)控。

3.4 智能安全

安全管理是智能工廠要解決的關(guān)鍵，也是最具挑戰(zhàn)的問(wèn)題。智能安全預(yù)警分為現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域報(bào)警系統(tǒng)和人臉比對(duì)系統(tǒng)，通過(guò)智能化手段，在廠房區(qū)域內(nèi)設(shè)置檢測(cè)裝置，對(duì)車輛、人員進(jìn)行聲光綜合預(yù)警。智能安全預(yù)警項(xiàng)目建設(shè)完成后，能夠最大限度彌補(bǔ)本質(zhì)安全不足，降低作業(yè)環(huán)境中安全風(fēng)險(xiǎn)，全面提升廠整體安全水平。

3.5 自動(dòng)化軋鋼、集控

隨著世界軋鋼技術(shù)的不斷發(fā)展，軋鋼生產(chǎn)在自動(dòng)控制應(yīng)用方面取得了較大進(jìn)步。目前，熱軋生產(chǎn)線部分控制功能仍需要操作員人工干預(yù)才能滿足生產(chǎn)要求，由于操作員技能和責(zé)任心不同，質(zhì)量和控制穩(wěn)定性波動(dòng)大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)、柔性制造，距離數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化制造存在較大差距。以數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化控制為目標(biāo)，建立先進(jìn)的軋鋼自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)化程度提升同時(shí)可以進(jìn)行集控改造，便于崗位兼顧，效率提升。

4 實(shí)施情況

目前在熱軋產(chǎn)線正在推進(jìn)站所室集控系統(tǒng)、自動(dòng)化軋鋼系統(tǒng)、成本分析系統(tǒng)等項(xiàng)目。中間坯優(yōu)化剪切閉環(huán)控制，加熱爐區(qū)智能控制及智能安全等取得成效的項(xiàng)目正逐步向其他產(chǎn)線推廣。

5 結(jié)語(yǔ)

鞍鋼本部熱軋廠在現(xiàn)有軋線基礎(chǔ)上，開展智慧制造工作，秉承少投入、快產(chǎn)出的原則，優(yōu)先考慮技術(shù)成熟、提質(zhì)增效顯著的項(xiàng)目。在生產(chǎn)、質(zhì)量管控智能化，設(shè)備智能管控與分析預(yù)警，高效率智能裝備，智能安全，以及自動(dòng)化軋鋼、集控等方面，打造智能化、高效率、低成本的綠色熱軋產(chǎn)線，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人化、少人化，操檢合一、集中管控，做到提質(zhì)增效、安全節(jié)能，設(shè)備狀態(tài)及時(shí)監(jiān)控，自動(dòng)化軋鋼程度提升。