鞍鋼朝陽(yáng)鋼鐵高爐數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建及應(yīng)用

何天慶 ，寧武 ，王曉雪 ，葛小亮 ，仝占國(guó) ，趙宏博 ,3

（1.鞍鋼集團(tuán)朝陽(yáng)鋼鐵有限公司，遼寧 朝陽(yáng) 122000；2.北京智冶互聯(lián)科技有限公司，北京 100144；3.北京北科億力科技有限公司，北京 100041）

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字化轉(zhuǎn)型已成為企業(yè)重塑競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵舉措。 鞍鋼集團(tuán)朝陽(yáng)鋼鐵有限公司（以下簡(jiǎn)稱“朝陽(yáng)鋼鐵”）以數(shù)字鞍鋼建設(shè)為指導(dǎo)思想，落實(shí)智能制造領(lǐng)先戰(zhàn)略目標(biāo)，在煉鐵工序進(jìn)行了物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化信息系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了高爐運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)字化監(jiān)測(cè)與預(yù)警，為高爐的安全順行提供數(shù)據(jù)支撐與保障，取得了初步效果，但仍存在以下問(wèn)題有待解決：高爐各類數(shù)據(jù)信息孤島特征明顯［1］，缺乏有效的存儲(chǔ)與管理；數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化的高爐操作管控體系缺失，爐況延續(xù)性較差［2］，燃料消耗高；未能對(duì)高爐異常工況提前預(yù)判預(yù)防，需優(yōu)化高爐爐況診斷工藝。數(shù)字孿生系統(tǒng)作為新型的制造業(yè)數(shù)字化、模型化、可視化信息技術(shù)，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，例如河鋼集團(tuán)唐鋼新區(qū)的三維數(shù)字化工廠、陜鋼集團(tuán)龍鋼的數(shù)字孿生料場(chǎng)、寶山基地?zé)掍摴ば虻臄?shù)字孿生工廠等。目前，大部分鋼企數(shù)字孿生系統(tǒng)集中應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、三維可視化監(jiān)測(cè)、集成展示等層面，未能通過(guò)工藝仿真與機(jī)理建模建立高爐數(shù)字虛體與生產(chǎn)實(shí)體的動(dòng)態(tài)映射和優(yōu)化決策。朝陽(yáng)鋼鐵充分吸收國(guó)內(nèi)外高爐數(shù)字孿生系統(tǒng)成果經(jīng)驗(yàn)［3-5］，深度融合大數(shù)據(jù)、機(jī)理模型、人工智能、數(shù)字孿生等新一代先進(jìn)信息技術(shù)，搭建高爐數(shù)字孿生系統(tǒng)，提高了高爐煉鐵生產(chǎn)工藝難題解析及工況診斷水平，實(shí)現(xiàn)了高爐冶煉的數(shù)字化與智能化。

1 高爐數(shù)字孿生系統(tǒng)技術(shù)路線

1.1 高爐概況

朝陽(yáng)鋼鐵高爐 （2 600 m3）于2012年11月投產(chǎn)，共設(shè)30個(gè)風(fēng)口，3個(gè)鐵口，配備4座內(nèi)燃式熱風(fēng)爐，上料系統(tǒng)采用皮帶上料+串罐+旋轉(zhuǎn)溜槽的方式，高爐本體冷卻系統(tǒng)采用軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)，水渣處理采用改進(jìn)型嘉恒法，東、西出鐵場(chǎng)各設(shè)一套，噴吹系統(tǒng)采用中速磨+一次布袋收粉工藝。配置爐缸爐底熱電偶、壁體測(cè)溫、冷卻壁水溫差、爐身靜壓、風(fēng)口成像等智能監(jiān)測(cè)傳感器，基礎(chǔ)信息系統(tǒng)包括L1控制系統(tǒng)、報(bào)表系統(tǒng)、高爐L2系統(tǒng)、MES系統(tǒng)。

1.2 整體架構(gòu)

結(jié)合朝陽(yáng)鋼鐵現(xiàn)有裝備水平及信息系統(tǒng)條件，按照基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)、工業(yè)建模、數(shù)據(jù)綁定的技術(shù)路線進(jìn)行分步實(shí)施。數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)高爐生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、存儲(chǔ)和管理，為高爐數(shù)字孿生系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)；基于采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)，運(yùn)用幾何建模、冶金機(jī)理、機(jī)器學(xué)習(xí)、專家經(jīng)驗(yàn)等技術(shù)進(jìn)行工業(yè)建模，采用不同技術(shù)將多種類型數(shù)據(jù)與高爐三維場(chǎng)景融合綁定，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)高爐生產(chǎn)過(guò)程、狀態(tài)、活動(dòng)的仿真模擬。高爐數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 高爐數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)路線Fig.1 Technical Route for Construction of Digital Twin System for Blast Furnace

1.3 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)

基于新型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)底層架構(gòu)搭建高性能數(shù)據(jù)采集、高速率數(shù)據(jù)傳輸、高效率數(shù)據(jù)管理的孿生數(shù)據(jù)平臺(tái)，根據(jù)工藝采集頻率要求，通過(guò)數(shù)據(jù)接口實(shí)時(shí)采集PLC、DCS等點(diǎn)位的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)利用DbLink通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)L2、MES、ERP等信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)采集范圍主要包括高爐運(yùn)行的傳感器數(shù)據(jù)、閥體信號(hào)、設(shè)備活動(dòng)過(guò)程控制數(shù)據(jù)，高爐生產(chǎn)所需業(yè)務(wù)過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)（例如燒結(jié)礦、焦炭等原燃料質(zhì)量數(shù)據(jù)、渣鐵成分?jǐn)?shù)據(jù)、鐵水稱重?cái)?shù)據(jù)），高爐生產(chǎn)相關(guān)的各類視頻、音頻、設(shè)計(jì)圖紙等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。為了提高數(shù)據(jù)建模效率與有效性，需進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)簽、清洗、轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)處理過(guò)程。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)指根據(jù)不同類型數(shù)據(jù)采用不同的存儲(chǔ)方式，對(duì)于格式相對(duì)固定的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)；對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采用時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)；對(duì)于強(qiáng)交互性的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)；對(duì)于非結(jié)構(gòu)化文本、視頻數(shù)據(jù)采用文檔式存儲(chǔ)工具。

1.4 工業(yè)建模

工業(yè)建模是對(duì)高爐生產(chǎn)過(guò)程、內(nèi)部狀態(tài)、現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)業(yè)務(wù)活動(dòng)過(guò)程的模擬，是數(shù)字孿生系統(tǒng)的主要內(nèi)容。工業(yè)建模的精細(xì)度、時(shí)間跨度、空間范圍決定了數(shù)字孿生系統(tǒng)對(duì)高爐實(shí)際狀態(tài)模擬的準(zhǔn)確度。系統(tǒng)工業(yè)建模主要分為幾何建模、仿真建模、業(yè)務(wù)建模、數(shù)據(jù)科學(xué)建模。高爐車間數(shù)字孿生系統(tǒng)涉及模塊及功能如表1所示。

1.4.1 幾何建模

幾何建模過(guò)程是利用3D Studio Max專業(yè)建模軟件工具，結(jié)合高爐生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)物料、建筑、道路、綠化設(shè)施等地理位置信息、設(shè)計(jì)尺寸及物理空間關(guān)系進(jìn)行1:1建模。朝陽(yáng)鋼鐵高爐數(shù)字孿生系統(tǒng)共建立包括礦槽上料系統(tǒng)、爐頂系統(tǒng)、本體系統(tǒng)、渣鐵處理系統(tǒng)、噴吹系統(tǒng)、送風(fēng)系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)在內(nèi)的超過(guò)1 036個(gè)單體設(shè)備。其中高爐溜槽和料罐單體設(shè)備建模見圖2。

圖2 高爐溜槽和料罐單體設(shè)備建模Fig.2 Modeling of Single Equipment of Blast Furnace Chute and Hopper

1.4.2 仿真建模

仿真建模是從傳熱學(xué)、煉鐵學(xué)、冶金物理化學(xué)等機(jī)理建模層面實(shí)現(xiàn)對(duì)高爐內(nèi)部各類物理場(chǎng)的模擬。朝陽(yáng)鋼鐵高爐數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建了包含高爐在線布料、動(dòng)態(tài)鏡像、操作爐型及掛渣厚度、死焦堆沉浮狀態(tài)、爐缸渣鐵滯留量、風(fēng)口回旋區(qū)形態(tài)等共14個(gè)仿真模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)上部爐頂布料過(guò)程、中部塊狀帶及操作爐型、下部死焦堆及爐缸爐底炭磚形貌等整個(gè)高爐內(nèi)部真實(shí)狀態(tài)的仿真模擬，建立了高爐從上至下內(nèi)部 “黑箱”的數(shù)字動(dòng)態(tài)鏡像。爐頂布料仿真模擬如圖3（a）所示。

1.4.3 業(yè)務(wù)建模

業(yè)務(wù)建模是基于高爐煉鐵學(xué)、物料平衡、熱量平衡等機(jī)理，對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的配料、堿度調(diào)整、噴煤控制等實(shí)際業(yè)務(wù)活動(dòng)進(jìn)行的模擬。朝陽(yáng)鋼鐵高爐數(shù)字孿生系統(tǒng)建立了涵蓋配料控制、堿度調(diào)整、噴煤控制、物料平衡、熱平衡、順行體檢、有害元素平衡等共8個(gè)業(yè)務(wù)模型，完成對(duì)高爐生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際業(yè)務(wù)過(guò)程的模擬與優(yōu)化。配料仿真模擬見圖 3（b）所示。

圖3 爐頂布料和配料仿真模擬Fig.3 Analogue Simulation of BF Burden Distribution on Top and BF Burden Batching

1.4.4 數(shù)據(jù)科學(xué)建模

數(shù)據(jù)科學(xué)建模利用現(xiàn)代機(jī)器學(xué)習(xí)算法、大數(shù)據(jù)分析算法，通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)類的方法對(duì)高爐運(yùn)行數(shù)據(jù)分析總結(jié)，進(jìn)行知識(shí)沉淀，實(shí)現(xiàn)對(duì)高爐狀態(tài)的預(yù)測(cè)和診斷功能。系統(tǒng)建立了涵蓋專家知識(shí)推理機(jī)、基于凸包與SPE控制的異常工況預(yù)警、基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的高爐鐵水溫度預(yù)測(cè)等5個(gè)數(shù)據(jù)科學(xué)模型，完成了對(duì)朝陽(yáng)鋼鐵高爐歷史數(shù)據(jù)的深度挖掘與知識(shí)提取，實(shí)現(xiàn)對(duì)高爐工況的實(shí)時(shí)診斷與預(yù)測(cè)。鐵水溫度預(yù)測(cè)模擬如圖4所示。

圖4 鐵水溫度預(yù)測(cè)模擬Fig.4 Predictive Simulation of Hot Metal Temperature

1.5 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)

將實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，工業(yè)視頻與三維場(chǎng)景中對(duì)應(yīng)設(shè)備、位置綁定，數(shù)據(jù)點(diǎn)按照標(biāo)準(zhǔn)緩存鍵進(jìn)行點(diǎn)位綁定，工業(yè)視頻類通過(guò)封裝好的UMP接入現(xiàn)場(chǎng)RTMP視頻流地址綁定，完成與高爐生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)同步，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線設(shè)備、物料狀態(tài)、高爐內(nèi)部過(guò)程實(shí)時(shí)映射。融合煉鐵集控中心及生產(chǎn)、質(zhì)量、設(shè)備、能源、工業(yè)視頻等信息化系統(tǒng)信息，以“監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)+模型數(shù)據(jù)+業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)”動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)物理模型，實(shí)現(xiàn)廠區(qū)物質(zhì)流、能量流、信息流可視化自動(dòng)流轉(zhuǎn)，建立高爐“數(shù)字工廠”，對(duì)高爐生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行多視角、多場(chǎng)景、全方位實(shí)時(shí)、透明、智能監(jiān)控，實(shí)時(shí)、高效掌握高爐生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)。

2 系統(tǒng)功能與應(yīng)用

2.1 設(shè)備在線巡檢

基于高爐數(shù)字孿生系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)設(shè)備 “生產(chǎn)實(shí)體”與系統(tǒng)“數(shù)字虛體”的精準(zhǔn)映射，可在數(shù)字虛體中針對(duì)不同用戶制定具體設(shè)備巡檢的關(guān)鍵設(shè)備點(diǎn)位與路徑，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高爐設(shè)備的“可視化”在線巡檢?；诒谎矙z設(shè)備的運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)、異常診斷知識(shí)庫(kù)對(duì)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行在線數(shù)據(jù)分析，對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況及缺陷進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、評(píng)估，并生成各類統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表供查看，大大提高了設(shè)備安全管控的效率與智能化水平。風(fēng)口平臺(tái)巡檢模擬見圖5。

圖5 風(fēng)口平臺(tái)巡檢模擬Fig.5 Patrol Inspection Simulation of Tuyere Platform

2.2 全方位智能預(yù)警

基于數(shù)字孿生系統(tǒng)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)總結(jié)分析，可針對(duì)不同設(shè)備、異常工況等建立科學(xué)合理的數(shù)字化預(yù)警機(jī)制，對(duì)高爐安全狀態(tài)、順行狀態(tài)、異常爐況、現(xiàn)場(chǎng)人員安全行為、煤氣泄漏、空氣及污染物超標(biāo)等進(jìn)行全方位智能預(yù)警，并以聲光報(bào)警等形式進(jìn)行提示，同時(shí)結(jié)合掌上智慧工廠，將不同類型預(yù)警消息推送至手機(jī)APP，提高預(yù)警響應(yīng)效率與處理速度。全方位智能預(yù)警模擬如圖6所示。

圖6 全方位智能預(yù)警模擬Fig.6 Omnibearing Intelligent Early Warning Simulation

2.3 工藝制度優(yōu)化

基于高爐數(shù)字孿生系統(tǒng)可以在高爐數(shù)字虛體中模擬不同操作輸入下對(duì)應(yīng)的高爐生產(chǎn)效率、指標(biāo)情況。在高爐上部利用“離線+在線”布料模型實(shí)時(shí)模擬料面形狀及礦焦比分布，提煉無(wú)量綱布料指標(biāo)，優(yōu)化料制調(diào)整；在中部對(duì)變料狀態(tài)、下料狀態(tài)、冶煉進(jìn)程進(jìn)行整體把控，同時(shí)在線分析氣流分布數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)診斷氣流變化；在下部通過(guò)試算、對(duì)比等功能，優(yōu)化風(fēng)口調(diào)整，保證送風(fēng)合理性、均勻性、穩(wěn)定性，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)爐渣粘度并診斷爐缸活躍狀態(tài)，完成高爐冶煉過(guò)程的數(shù)字化與模型化，為高爐操作制度的優(yōu)化提供參考，降低高爐工藝優(yōu)化過(guò)程中的試錯(cuò)成本。高爐氣流分布及爐型優(yōu)化模擬見圖7。

圖7 高爐氣流分布及爐型優(yōu)化模擬Fig.7 Simulation of Blast Furnace Gas Flow Distribution and Optimization of Furnace Shape

2.4 數(shù)字孿生模擬培訓(xùn)

基于高爐數(shù)字孿生系統(tǒng)建立高爐數(shù)字3D虛體并實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備動(dòng)作、物理場(chǎng)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，結(jié)合歷史樣本庫(kù)、案例庫(kù)，應(yīng)用基礎(chǔ)煉鐵計(jì)算、工藝原理、操作規(guī)程、煉鐵機(jī)理模型建立變料、參數(shù)調(diào)整等操作輸入與工況變化、鐵水質(zhì)量等輸出之間的量化關(guān)系，為現(xiàn)場(chǎng)提供高爐真實(shí)的模擬操作環(huán)境。系統(tǒng)中可以模擬變料操作、爐溫判斷及操作、氣流判斷及布料制度操作、異常工況應(yīng)急處理不同場(chǎng)景、工況下的操作調(diào)整，并自動(dòng)得到對(duì)應(yīng)的工況反映及產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)比自身與標(biāo)準(zhǔn)操作的效果差異，從而快速提升工藝操作水平。

3 取得的效益

朝陽(yáng)鋼鐵高爐數(shù)字孿生系統(tǒng)融合專家系統(tǒng)投入運(yùn)行后，實(shí)現(xiàn)了安全、穩(wěn)定、高效、低耗的高爐生產(chǎn)，日產(chǎn)生鐵由6 107 t提高到6 333 t以上，最高達(dá)到 6 564 t以上，利用系數(shù)達(dá)到 2.52 t/m3·d，燃料比由536 kg/tFe降低至530 kg/tFe，高爐綜合焦比降低4 kg/tFe，年創(chuàng)效2 970萬(wàn)元。

可以將鐵前的數(shù)字孿生系統(tǒng)應(yīng)用成果向鋼后工序擴(kuò)展，進(jìn)一步提升鋼鐵行業(yè)智能化水平。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

鞍鋼集團(tuán)朝陽(yáng)鋼鐵有限公司針對(duì)高爐各類數(shù)據(jù)信息缺乏有效存儲(chǔ)與管理，數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化高爐操作管控體系缺失等問(wèn)題，研發(fā)構(gòu)建了高爐數(shù)字孿生系統(tǒng)，建立了煉鐵技術(shù)數(shù)字化、模型化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化管控體系，實(shí)現(xiàn)了高爐安全、穩(wěn)定、高效、低耗運(yùn)行，日產(chǎn)生鐵由6 107 t提高到6 333 t以上，利用系數(shù)達(dá)到2.52 t/m3·d，燃料比由536 kg/tFe降至530 kg/tFe，高爐綜合焦比降低4 kg/tFe，年創(chuàng)效2 970萬(wàn)元?？梢詫㈣F前的數(shù)字孿生系統(tǒng)應(yīng)用成果向鋼后工序擴(kuò)展，進(jìn)一步提升鋼鐵行業(yè)智能化水平。