數(shù)字化時代背景下轉(zhuǎn)爐集中控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-7027

作者簡介：李紅象（1983—），男，本科，工程師，?研究方向?yàn)橐苯鸸こ碳夹g(shù)管理。

摘要：數(shù)字化轉(zhuǎn)型是時代賦予傳統(tǒng)制造業(yè)的重大機(jī)遇，在這樣的大背景下，轉(zhuǎn)爐吹煉模式的提質(zhì)升級十分必要，需要在原有的操作基礎(chǔ)上進(jìn)行大幅度優(yōu)化升級，改變傳統(tǒng)的操作模式，把原來的分散控制通過智能化、數(shù)字化來實(shí)現(xiàn)集中控制。貴溪冶煉廠作為江西銅產(chǎn)業(yè)鏈中加工制造的重要一環(huán)，在提升產(chǎn)業(yè)鏈的現(xiàn)代化水平方面積極探索。轉(zhuǎn)爐煉銅必然要向集中控制發(fā)展，讓生產(chǎn)智能化、產(chǎn)業(yè)數(shù)字化，打造創(chuàng)新發(fā)展的新動能。

關(guān)鍵詞：銅冶煉 ?集中控制 ?智能化 ?數(shù)字化 ?智能煉銅

中圖分類號：TP393

轉(zhuǎn)爐主要擔(dān)負(fù)著閃速爐冰銅吹煉、中間物料處理、行車吊運(yùn)等工作，為下道工序提供合格的粗銅，為硫酸提供符合制酸條件的煙氣等生產(chǎn)任務(wù)。作為中間工序，轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)情況對于整個工序都有著重要的影響。

轉(zhuǎn)爐通過優(yōu)化操作和控制，對開停風(fēng)操作程序、粗銅終點(diǎn)判斷、爐后捅風(fēng)眼作業(yè)、殘極加入等方式進(jìn)行優(yōu)化升級，實(shí)現(xiàn)了由人工向自動的轉(zhuǎn)變，大大提高了生產(chǎn)的安全性和效率，盡管如此，在向打造世界最好煉銅標(biāo)桿工廠目標(biāo)前進(jìn)的進(jìn)程中仍存在著較大的差距：轉(zhuǎn)爐操作依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)和操作技能，受到人為因素的影響較大；操作人員需要通過觀察來獲得轉(zhuǎn)爐的狀態(tài)信息，反饋的及時性受到限制；一些參數(shù)需要人工干預(yù)和調(diào)整，人為操作無法及時響應(yīng)轉(zhuǎn)爐的快速變化等。

1轉(zhuǎn)爐煉銅當(dāng)前現(xiàn)狀

1.1工作區(qū)域

轉(zhuǎn)爐操作人員分散在交替作業(yè)的兩臺轉(zhuǎn)爐旁的操作室內(nèi)。在傳統(tǒng)生產(chǎn)模式下設(shè)計(jì)建造的轉(zhuǎn)爐工段，3臺爐子的操作室緊挨爐體，距離僅有1.1 m，為阻隔爐體的高溫輻射，在操作室外正對爐體側(cè)加裝了隔熱水套。操作室上方的廠房頂部裝有行車軌道，操作室正南側(cè)為行車頻繁吊運(yùn)高溫熔體的區(qū)域，為確保操作室安全，已對操作室南側(cè)采用鋼板封閉。行車向轉(zhuǎn)爐進(jìn)冰銅，加冷料時，操作室震動明顯，爐前平臺存在熔體或物料灑落的情況，為此，爐前平臺靠近轉(zhuǎn)爐爐口側(cè)用鋼板封閉，留有可開閉的小門和400 mm×300 mm的窗口用來取樣和查看倒渣倒銅情況。轉(zhuǎn)爐工段的排班室夾在東西走向的兩臺轉(zhuǎn)爐鍋爐之間，南側(cè)5 m正對8號轉(zhuǎn)爐，為阻擋噪音和粉塵，操作室窗戶采用雙層玻璃，確保噪音和粉塵值在工業(yè)接觸安全范圍內(nèi)。

1.2數(shù)據(jù)管理和技術(shù)指標(biāo)有待提高

轉(zhuǎn)爐智能系統(tǒng)的初步應(yīng)用，使轉(zhuǎn)爐操作工獲得了閃速爐和陽極爐的生產(chǎn)情況，但這些信息仍不夠直觀和具體。閃速爐的爐況如何、冰銅質(zhì)量如何、最新品位的及時獲取、放銅的具體進(jìn)展、陽極爐澆鑄進(jìn)展、需要何種終點(diǎn)的粗銅、多久吹煉結(jié)束供陽極爐進(jìn)料等信息都還不直觀迅捷。轉(zhuǎn)爐操作工需要通過更豐富全面的監(jiān)控，更加完備的、經(jīng)過整合的數(shù)字平臺，獲取及時詳細(xì)的全流程生產(chǎn)現(xiàn)狀，來指導(dǎo)物料的加入、溫度和吹煉節(jié)奏的把控、粗銅終點(diǎn)的調(diào)整選取，來提高進(jìn)一步提高爐產(chǎn)和送風(fēng)時率，提升上下工序的工作效率，降低上下工序的生產(chǎn)成本，下好車間三大爐的一盤棋。

1.3傳統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備向數(shù)字化和智能化發(fā)展

對于制造企業(yè)而言，研發(fā)與創(chuàng)新是不斷創(chuàng)造企業(yè)核心競爭力、保持競爭優(yōu)勢的源泉[1]?，F(xiàn)在二系統(tǒng)轉(zhuǎn)爐的造渣和煉銅過程，為操作工人工控制，吹煉中看溫度、看煙氣、用氧等，不同的操作工有各自的一套，這樣各不相同“自成體系”的吹煉控制，物料的處理有多有少，終點(diǎn)和溫度也存在差異，對追求簡潔、高效、低成本的現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)來說，是需要進(jìn)行改變的。倒渣和出銅作業(yè)采用人工控制的方式，在安全和效率方面存在短板。倒渣時根據(jù)肉眼看渣和白鈹，面臨超過1?200 ℃的爐渣產(chǎn)生的高溫輻射，以及用試渣板量渣，渣和白鈹不能及時細(xì)致分離，存在倒渣不徹底未排凈渣或倒渣過度出現(xiàn)白鈹鍋底的情況。倒銅時，可能出現(xiàn)的石英 “放炮”影響到銅的安全，石英、底渣倒出的情況，也限制了倒銅的效率和質(zhì)量。

銅水溫度的及時準(zhǔn)確檢測，對提高轉(zhuǎn)爐物料處理量、吹煉中預(yù)防高溫噴爐、延長耐火磚的使用壽命，控制出銅溫度降低陽極爐能耗等具有十分必要的現(xiàn)實(shí)意義，而當(dāng)前人工到爐后看火焰判斷溫度，無法很好地滿足以上需求。

1.4推進(jìn)智能煉銅大發(fā)展

當(dāng)前轉(zhuǎn)爐吹煉的各個環(huán)節(jié)，控制和決策都由人來主導(dǎo)。不論是工段的宏觀作業(yè)指令，還是具體操作如進(jìn)料、冷料加入、風(fēng)量氧量調(diào)控、終點(diǎn)的判斷、倒渣出銅等一系列小環(huán)節(jié)，都是一個一個經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)格各異的操作工的經(jīng)驗(yàn)和個人判斷。這樣差異化的生產(chǎn)控制，不能將這一爐產(chǎn)高達(dá)260 t的成套設(shè)備的潛力發(fā)揮徹底。生產(chǎn)過程的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，各種情況的處理情況，是生產(chǎn)的一大寶庫，缺乏一個學(xué)習(xí)型智慧型的決策中心，將這些數(shù)據(jù)積累、統(tǒng)計(jì)分析，優(yōu)化出靈活準(zhǔn)確應(yīng)對各種生產(chǎn)情況的生產(chǎn)控制體系。

2轉(zhuǎn)爐集中控制的思考與展望

2.1建設(shè)目標(biāo)

按照《德國工業(yè)?4.0》《中國制造 2025》等新一代智能工廠的標(biāo)準(zhǔn)要求，按照“簡單、高效、低成本”原則，轉(zhuǎn)爐集控項(xiàng)目需建設(shè)成為集生產(chǎn)、質(zhì)量、物流等多專業(yè)業(yè)務(wù)信息深度融合的智能化、信息化控制系統(tǒng)。

在集控中心內(nèi)，通過大屏幕矩陣和調(diào)度工作站對主要生產(chǎn)工序、工藝流程、物流調(diào)度等業(yè)務(wù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和集中調(diào)度，實(shí)現(xiàn)對貴冶二系統(tǒng)轉(zhuǎn)爐區(qū)域生產(chǎn)運(yùn)營的監(jiān)控、預(yù)警、指揮和管理。

集生產(chǎn)、操作、管理、數(shù)據(jù)等一體的智控中心，提升生產(chǎn)智能化控制水平，降低生產(chǎn)成本，提升操作效率，減少中間環(huán)節(jié)，提高生產(chǎn)高效化、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確化、管理可控化、數(shù)據(jù)共享化，不斷提升智能化水平，提升作業(yè)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)。

2.2總體設(shè)計(jì)

（1）本項(xiàng)目建設(shè)投用后，集控中心配操作人員2名，實(shí)現(xiàn)對貴冶二系統(tǒng)3座轉(zhuǎn)爐的遠(yuǎn)程操控，崗位人員遠(yuǎn)離冶煉重大危險(xiǎn)區(qū)，采用“大規(guī)模集中、遠(yuǎn)距離控制”提升煉銅的本質(zhì)化安全。（2）基礎(chǔ)管理再次提升。有效利用監(jiān)控等裝置與數(shù)字化平臺，使崗位人員迅速掌握全流程生產(chǎn)現(xiàn)狀、提高生產(chǎn)效率，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的提升。（3）助力集團(tuán)智能制造發(fā)展，全面提升生產(chǎn)數(shù)字化、智能化。（4）為打造一體化集中決策智慧中心，逐步呈現(xiàn)“智能煉銅”打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。（5）在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)建設(shè)時，需充分考慮系統(tǒng)緊急情況下的運(yùn)行安全， 單獨(dú)設(shè)置應(yīng)急操作控制系統(tǒng)，與各需應(yīng)急操作區(qū)域的應(yīng)急操作并聯(lián)工作，確保在突發(fā)情況下轉(zhuǎn)爐運(yùn)行的安全性。

2.3建設(shè)子項(xiàng)

2.3.1建設(shè)轉(zhuǎn)爐一體化集控系統(tǒng)

本項(xiàng)目在貴冶二系統(tǒng)建成轉(zhuǎn)爐集控中心?；诠I(yè)IDC服務(wù)器重新梳理轉(zhuǎn)爐基礎(chǔ)自動化HMI畫面，采用統(tǒng)一的風(fēng)格進(jìn)行升級完善，保證風(fēng)格統(tǒng)一。對ABB DCS現(xiàn)有控制系統(tǒng)軟件升級，完善優(yōu)化與修改DCS控制程序；集控中心監(jiān)控系統(tǒng)升級為ABB Ability?系統(tǒng) 800xA，通過更高的集成度，實(shí)現(xiàn)全廠的一體化監(jiān)視與控制。

2.3.2建設(shè)轉(zhuǎn)爐智能裝備控制系統(tǒng)

（1）全自動煉銅系統(tǒng)。利用熔體多光譜測溫探頭，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐內(nèi)熔體溫度監(jiān)測；利用煙氣采樣探頭，實(shí)現(xiàn)對煙道氣體的采樣機(jī)處理；利用氣體分析儀檢測煙道氣體成分濃度。系統(tǒng)通過熔體溫度、氣體成分、煙氣流量、吹氧量等實(shí)時冶煉數(shù)據(jù)，并結(jié)合人工數(shù)據(jù)分析與大數(shù)據(jù)自學(xué)習(xí)模型，不斷優(yōu)化分析冶煉過程數(shù)據(jù)，在已有轉(zhuǎn)爐造銅期終點(diǎn)判斷基礎(chǔ)上，逐步實(shí)現(xiàn)造渣期終點(diǎn)精準(zhǔn)判斷，最終實(shí)現(xiàn)全過程自動煉銅。

（2）全自動出銅系統(tǒng)。利用自動化控制系統(tǒng)、傾角檢測儀、爐襯測量儀、爐口溢渣高溫計(jì)、轉(zhuǎn)爐傾動模型、下渣檢測系統(tǒng)、自動出銅模型等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人值守自動出銅，提高出銅量、提高作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)冶煉的智能化。

（3）智能銅水測溫系統(tǒng)。智能銅水測溫系統(tǒng)代替人工實(shí)現(xiàn)冶煉高溫銅水測溫。主要利用機(jī)器人、智能裝置、檢測設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)銅液面檢測，自動拆裝測溫彈，實(shí)現(xiàn)高溫銅水自動測溫，實(shí)現(xiàn)無人化測溫，降低安全事故，提高生產(chǎn)作業(yè)效率，使冶煉更加智能化。

（4）智能銅渣檢測系統(tǒng)。智能銅渣檢測系統(tǒng)分為取渣樣機(jī)器人系統(tǒng)和銅渣檢測分析系統(tǒng)。取渣樣機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無人化自動取渣樣；銅渣檢測分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)渣樣檢測與成分分析。

（5）取渣樣機(jī)器人系統(tǒng)代替人工實(shí)現(xiàn)冶銅渣自動取樣。主要利用機(jī)器人、智能裝置、檢測設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)銅液面檢測，自動拆裝取渣彈，實(shí)現(xiàn)銅渣自動取樣，實(shí)現(xiàn)無人化取樣，降低安全事故，提高生產(chǎn)取渣樣的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，提高作業(yè)效率，使冶煉更加智能化。

（6）銅渣檢測系統(tǒng)利用圖像及光譜儀進(jìn)行渣樣檢測與成分分析，實(shí)現(xiàn)渣樣自動分析、記錄，并將分析結(jié)果反饋給銅冶煉模型，進(jìn)行實(shí)時校正、調(diào)整及吹煉，提升銅冶煉質(zhì)量及終點(diǎn)控制，降低人為因素，提高數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化及大數(shù)據(jù)記錄分析，提升冶煉水平，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能煉銅。

（7）智能下渣檢測系統(tǒng)。智能下渣檢測系統(tǒng)利用高清紅外相機(jī)獲取圖像，通過圖像處理模型進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)渣銅判斷。下渣檢測根據(jù)銅渣與銅水在特定光波波段的差異，自動分辨出銅流中的白鈹和銅渣，進(jìn)行預(yù)警并自動搖爐，減少下渣量。

（8）智能銅包檢測系統(tǒng)。智能銅包檢測系統(tǒng)利用高清紅外相機(jī)獲取圖像，通過圖像處理模型進(jìn)行分析，判斷銅包耐材厚度，并對銅包進(jìn)行使用跟蹤，測算銅包使用壽命與全生命周期管理，提升銅包的使用安全性。

（9）風(fēng)動送樣系統(tǒng)。利用收、發(fā)兩端的收發(fā)裝置，通過輸送管道將裝有銅、渣試樣的樣盒從車間發(fā)送點(diǎn)高速輸送至化驗(yàn)室，再將空樣盒返回車間發(fā)送點(diǎn)。通過智能工廠一期應(yīng)用系統(tǒng)及時獲取樣品檢驗(yàn)結(jié)果。

2.3.3建設(shè)集控工業(yè)視頻系統(tǒng)

對二系統(tǒng)轉(zhuǎn)爐區(qū)域原有的模擬攝像頭進(jìn)行整體更換升級，并在盲區(qū)新增高清攝像頭，建設(shè)二系統(tǒng)轉(zhuǎn)爐區(qū)域的視頻集中管理平臺，包含視頻展示系統(tǒng)。

2.3.4建設(shè)集控與視頻網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

對二系統(tǒng)轉(zhuǎn)爐區(qū)域集控網(wǎng)絡(luò)、視頻網(wǎng)絡(luò)升級改造及優(yōu)化設(shè)計(jì)。集控網(wǎng)絡(luò)：控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)保留，現(xiàn)場控制網(wǎng)到集控中心采用千兆光纖冗余網(wǎng)絡(luò)。整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用雙鏈路冗余，保障網(wǎng)絡(luò)的高可用性。

2.3.5建設(shè)轉(zhuǎn)爐集控對講系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)二系統(tǒng)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)信息聯(lián)動，構(gòu)建二系統(tǒng)集控中心和現(xiàn)場人員的快速聯(lián)絡(luò)機(jī)制，滿足二系統(tǒng)轉(zhuǎn)爐集中控制中心的操控需求，設(shè)立一套無線集群對講系統(tǒng)，通過申請頻道分級來實(shí)現(xiàn)工業(yè)對講機(jī)在二系統(tǒng)轉(zhuǎn)爐區(qū)域的全覆蓋，以此實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場關(guān)鍵崗位與集控中心的生產(chǎn)信息共享。

2.3.6建設(shè)智慧轉(zhuǎn)爐數(shù)字孿生平臺

數(shù)字孿生技術(shù)系統(tǒng)可以提供可視化的信息支撐，從而使得決策更加科學(xué)、精準(zhǔn)、及時[2]。智慧轉(zhuǎn)爐數(shù)字孿生平臺以3D可視化為主題，包含生產(chǎn)看板系統(tǒng)、三維數(shù)字化地圖系統(tǒng)、數(shù)字化轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)等[3-5]。

3結(jié)語

在數(shù)字經(jīng)濟(jì)的新浪潮中，貴冶熔煉車間積極投身其中應(yīng)勢而為，勇于創(chuàng)新增強(qiáng)行業(yè)內(nèi)的核心競爭力。有效利用當(dāng)今數(shù)字技術(shù)搭建脈絡(luò)，構(gòu)建轉(zhuǎn)爐煉銅集中控制體系，將熔體多光譜測溫探頭技術(shù)，大數(shù)據(jù)自學(xué)習(xí)模型，傾角檢測儀、爐襯測量儀、爐口溢渣高溫計(jì)、轉(zhuǎn)爐傾動模型、下渣檢測系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)給傳統(tǒng)銅冶煉模式脫胎換骨，優(yōu)化了轉(zhuǎn)爐吹煉工藝，保障了吹煉安全，提升了作業(yè)效率，提高了核心競爭力。

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