以動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)思想建設(shè)綠色智能示范鋼廠

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)；信息物理系統(tǒng)；一體化計(jì)劃排程；全流程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度；全流程工藝數(shù)字化；設(shè)備智能化運(yùn)維；能源精細(xì)化管控

0 引言

在以往的鋼廠工程設(shè)計(jì)中，通常立足于各工序/裝置的靜態(tài)能力估算和不同富余系數(shù)的假定，采用機(jī)械論的拆分方法進(jìn)行鋼廠靜態(tài)設(shè)計(jì)。由于各工序/裝置分別由不同專業(yè)人員設(shè)計(jì)，靜態(tài)能力估算和富余能力亦有不同，往往造成鋼廠生產(chǎn)流程內(nèi)各工序的靜態(tài)容量（能力）無法充分發(fā)揮，且各工序之間很難實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)有序協(xié)同運(yùn)行，最終導(dǎo)致空間占用大、投資效率低，生產(chǎn)制造過程時(shí)間較長(zhǎng)、運(yùn)行效率低，信息難以貫通、能源能耗高等問題。冶金制造流程追求的目標(biāo)是物質(zhì)流、能量流、信息流處在動(dòng)態(tài)-有序、協(xié)同-連續(xù)的運(yùn)行狀態(tài)（三流一態(tài)）。動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)是在鋼鐵制造全流程動(dòng)態(tài)有序、協(xié)同連續(xù)運(yùn)行的概念指導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)的技術(shù)創(chuàng)新。河鋼運(yùn)用最新的鋼廠動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，在唐鋼新區(qū)物理空間應(yīng)用230多項(xiàng)前沿新工藝和130多項(xiàng)鋼鐵綠色制造技術(shù)和智能化大型裝備，通過集成感知、通信、計(jì)算和控制等數(shù)字技術(shù)構(gòu)建了可與物理空間進(jìn)行狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策以及精準(zhǔn)執(zhí)行的信息空間，全面設(shè)計(jì)建設(shè)了新一代冶金流程的唐鋼新區(qū)。

1 新一代流程鋼廠動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)理念

工程是各類相關(guān)技術(shù)和相關(guān)經(jīng)濟(jì)要素進(jìn)行相互作用的動(dòng)態(tài)集成系統(tǒng)，是制造業(yè)直接生產(chǎn)力和現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力的體現(xiàn)。制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)，從形式上看是產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)，本質(zhì)上則是源于工程設(shè)計(jì)的競(jìng)爭(zhēng)。工程設(shè)計(jì)是選擇、整合、構(gòu)建、轉(zhuǎn)化以及動(dòng)態(tài)運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，是將科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為直接生產(chǎn)力和現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力的橋梁。工程設(shè)計(jì)既要為工程建設(shè)提供圖紙，更要考慮工程運(yùn)行過程的功能和效率，以及與環(huán)境生態(tài)的融合。同時(shí)，工程設(shè)計(jì)要將工程運(yùn)行過程的功能、效率和環(huán)境生態(tài)等要素融入到工程建設(shè)施工圖設(shè)計(jì)中。

鋼廠設(shè)計(jì)和生產(chǎn)運(yùn)行的整體運(yùn)行過程不是一個(gè)孤立系統(tǒng)，而是嵌入在一定周邊環(huán)境條件下的開放系統(tǒng)，處于不停地進(jìn)行物質(zhì)、能量、信息的輸入/輸出過程中，因此，鋼廠的物理系統(tǒng)實(shí)際上處于非平衡的開放狀態(tài)，而物理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自組織性的優(yōu)劣在很大程度上取決于鋼廠工程設(shè)計(jì)。鋼廠工程設(shè)計(jì)既要從物理系統(tǒng)一側(cè)進(jìn)行自組織信息流分析，也要理順人工輸入的他組織信息流，以促進(jìn)制造流程運(yùn)行本質(zhì)智能化的實(shí)現(xiàn)，因此，需要用動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)的理論和方法來指導(dǎo)鋼廠工程設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)以三流一態(tài)為目標(biāo)任務(wù)，在工程設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮到工程建造投產(chǎn)后動(dòng)態(tài)、實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行情況。靜態(tài)設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)在理念上的區(qū)別如圖1所示。

鋼廠動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)不僅有利于提高各項(xiàng)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，而且有利于節(jié)省投資金額，提高投資效益和環(huán)境效益，在鋼廠全流程物質(zhì)流/能量流動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程中，實(shí)現(xiàn)各種信息參量穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)可控，有利于進(jìn)一步發(fā)展到信息物理系統(tǒng)。鋼廠動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)的理念為唐鋼新區(qū)的設(shè)計(jì)建設(shè)提供了有力的理論支撐。

2 唐鋼新區(qū)工程設(shè)計(jì)中的動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法

對(duì)唐鋼新區(qū)鋼鐵制造流程的設(shè)計(jì)而言，不僅要為鋼廠提供工程建造方案，以供鋼廠工程建設(shè)之用，而且要為鋼廠工程建成后的日常生產(chǎn)運(yùn)行準(zhǔn)備好合理的層流運(yùn)行路線。唐鋼新區(qū)鋼廠的設(shè)計(jì)方法，從以流程內(nèi)各工序的靜態(tài)能力（容量）的估算和簡(jiǎn)單疊加的靜態(tài)設(shè)計(jì)方法推進(jìn)到以三流一態(tài)為目標(biāo)的動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法，即在他組織調(diào)控下按照一定的動(dòng)態(tài)運(yùn)行規(guī)則進(jìn)行適時(shí)自適應(yīng)，其涉及工序功能集合的解析-優(yōu)化、工序間關(guān)系集合的協(xié)同-優(yōu)化和流程中組成工序集合的重構(gòu)-優(yōu)化。動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法如圖2所示。

傳統(tǒng)鋼鐵企業(yè)的鋼廠工程交付模式多依托于藍(lán)圖和文檔，會(huì)造成不同專業(yè)、不同類型文檔之間難以關(guān)聯(lián)整合，不利于工程信息的查閱與讀取，并且各類紙質(zhì)文檔圖紙難以與工程后期數(shù)字化系統(tǒng)協(xié)同互通，導(dǎo)致鋼廠數(shù)字化生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)難以構(gòu)建。因此，在產(chǎn)業(yè)升級(jí)和發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的時(shí)代背景下，唐鋼新區(qū)為實(shí)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)全生命周期的數(shù)據(jù)流通，從規(guī)劃設(shè)計(jì)開始就基于動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，應(yīng)用建筑信息模型技術(shù)，將唐鋼新區(qū)設(shè)計(jì)中涉及的所有專業(yè)放在同一模型中，采用Bentley軟件以1∶1方式及真實(shí)尺寸對(duì)生產(chǎn)專業(yè)設(shè)備、電氣外網(wǎng)、水外網(wǎng)、動(dòng)力外網(wǎng)等進(jìn)行三維模型建立，并通過三維模型進(jìn)行合理性檢查及碰撞檢測(cè)，保障唐鋼新區(qū)工程設(shè)計(jì)的合理準(zhǔn)確和連續(xù)緊湊。由于唐鋼新區(qū)采用的是長(zhǎng)流程生產(chǎn)工藝，投資大、專業(yè)面廣、工程復(fù)雜，設(shè)計(jì)建設(shè)過程中涵蓋總圖、工藝、建筑、結(jié)構(gòu)、動(dòng)力、機(jī)械、水道、電氣等專業(yè)，因此，在數(shù)字建模過程中采用“串行+并行”的協(xié)同設(shè)計(jì)方式，以實(shí)現(xiàn)各專業(yè)快速協(xié)同設(shè)計(jì)，為唐鋼新區(qū)物理空間的靜態(tài)結(jié)構(gòu)框架以及動(dòng)態(tài)運(yùn)行的路徑、軌跡和時(shí)-空邊界打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

為發(fā)揮唐鋼新區(qū)臨海靠港優(yōu)勢(shì)，在總圖布置主體工藝路徑時(shí)，綜合考慮廠區(qū)內(nèi)外部條件，通過貫徹動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建形成了由南向北依次布置的封閉式C形料場(chǎng)、直徑為120 m的封閉式圓形料場(chǎng)、2臺(tái)360 m2燒結(jié)機(jī)、2臺(tái)624 m2帶式球團(tuán)焙燒機(jī)、3座2922 m3高爐，并由高爐自西往東依次進(jìn)行煉鋼和軋鋼的廠內(nèi)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)各生產(chǎn)工序的緊湊連續(xù)，不僅減少了物質(zhì)流的運(yùn)行時(shí)間，還降低了因運(yùn)輸距離長(zhǎng)而導(dǎo)致的能源耗散，更便于唐鋼新區(qū)全流程的互通和管理。同時(shí)，大量采用物性轉(zhuǎn)換的“界面”技術(shù)、能量-溫度轉(zhuǎn)換的“界面”技術(shù)和物流運(yùn)行的時(shí)-空“界面”技術(shù)等，如一罐到底、一包到底、無人天車、輥道輸送、封閉皮帶傳輸?shù)?，?shí)現(xiàn)物質(zhì)流、能量流通路的簡(jiǎn)捷化，優(yōu)化相關(guān)的、異質(zhì)異構(gòu)的一系列制造單元（工序）之間的非線性相互作用關(guān)系，以及物質(zhì)流的效率和速率。同時(shí)，構(gòu)建形成了唐鋼新區(qū)全廠能源利用系統(tǒng)，建設(shè)采用煤氣發(fā)電的2套78 MW高溫超高壓帶一次中間再熱機(jī)組及1套100 MW超高溫亞臨界中間一次再熱機(jī)組。另外，還在燒結(jié)區(qū)域利用燒結(jié)環(huán)冷機(jī)中的低溫廢氣，建設(shè)1套25 MW余熱發(fā)電機(jī)組。根據(jù)全廠飽和蒸汽供應(yīng)及平衡情況，在煉鋼區(qū)域建設(shè)1套22 MW凝汽式飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組。結(jié)合場(chǎng)區(qū)的具體情況，在滿足規(guī)劃、安全、消防的情況下，在煤氣綜合管理區(qū)域自西向東、自北向南分別布置煤氣防護(hù)站、煤氣混合站、煤氣加壓站、1座30萬m3稀油密封圓形高爐煤氣柜、2座15萬m3橡膠膜密封轉(zhuǎn)爐煤氣柜、1座5萬m3稀油密封圓形焦?fàn)t煤氣柜，由此可充分發(fā)揮唐鋼新區(qū)能源轉(zhuǎn)換功能，合理利用全廠各個(gè)生產(chǎn)工序中產(chǎn)生的余熱余能，實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用和循環(huán)使用。通過運(yùn)用動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法，使得建成后的唐鋼新區(qū)物理空間總圖布置緊湊、功能分區(qū)明確和生產(chǎn)流程順暢，為全流程動(dòng)態(tài)有序、協(xié)同連續(xù)運(yùn)行起到“鋪路架橋、快速貫通”的作用。同時(shí)，總圖噸鋼用地指標(biāo)實(shí)現(xiàn)0.53 t/ m2，噸鋼投資4800元/t， 該指標(biāo)處于國(guó)內(nèi)外同級(jí)別鋼廠的領(lǐng)先水平。為解決鋼廠建設(shè)過程中數(shù)字技術(shù)與鋼鐵全流程深入融合的問題、新一代流程鋼廠各工序高效銜接問題、鋼鐵工程項(xiàng)目管理手段不統(tǒng)一的問題，研發(fā)出了綠色智能鋼廠融合協(xié)同的工程建設(shè)方法，唐鋼新區(qū)綠色智能鋼廠建設(shè)路線如圖3所示。

3 動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法在唐鋼新區(qū)的應(yīng)用實(shí)踐

以動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)為指導(dǎo)的唐鋼新區(qū)，在利用建筑信息模型技術(shù)提高物理空間自組織性的同時(shí)，在信息空間對(duì)全流程各個(gè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化，便于與物理空間進(jìn)行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)，并通構(gòu)建工廠數(shù)據(jù)庫平臺(tái)的數(shù)采網(wǎng)關(guān)，利用Netshare共享文件采集軟件、IOT-DataBus高性能中間件等實(shí)時(shí)收集各個(gè)設(shè)備的PLC、ODG，以及其他設(shè)備系統(tǒng)數(shù)據(jù)，保障各個(gè)設(shè)備控制系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、能源數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和緩存數(shù)據(jù)統(tǒng)一集成到工廠數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，打破數(shù)據(jù)孤島和數(shù)據(jù)壟斷，并讓數(shù)據(jù)有清晰的定義和統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，為數(shù)字化、智能化系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)供給，目前已實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集率達(dá)100%，數(shù)據(jù)采集周期不超過1 s。為實(shí)現(xiàn)全局動(dòng)態(tài)調(diào)控，在工廠數(shù)據(jù)庫平臺(tái)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一體化高級(jí)計(jì)劃排程、全流程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度、全流程工藝數(shù)字化和設(shè)備智能運(yùn)維平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)鐵素流的物質(zhì)銜接性和全流程連續(xù)化運(yùn)行時(shí)間的最小化，以及實(shí)現(xiàn)能源精細(xì)化管控、全廠能源利用效率提升和能源耗散降低。由此，不僅提高了唐鋼新區(qū)信息空間的他組織力，還融合了唐鋼新區(qū)物理空間和信息空間。

唐鋼新區(qū)信息物理系統(tǒng)如圖4所示。

唐鋼新區(qū)信息物理系統(tǒng)是集成先進(jìn)的感知、通信、計(jì)算、控制等數(shù)字技術(shù)構(gòu)建的一套基于數(shù)據(jù)自動(dòng)流動(dòng)的狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的賦能體系，可使信息空間與物理空間中的人、機(jī)、料、法、環(huán)主要要素進(jìn)行相互映射、實(shí)時(shí)交互和高效協(xié)同，使系統(tǒng)內(nèi)的資源配置和運(yùn)行可以按需響應(yīng)、快速迭代、動(dòng)態(tài)優(yōu)化，解決生產(chǎn)制造和能源耗散過程中的復(fù)雜性、不確定性問題。唐鋼新區(qū)信息物理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的設(shè)計(jì)原則，即物質(zhì)流在長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)、穩(wěn)定、均衡地匹配相等、全流程整體運(yùn)行時(shí)間最小化、能源耗散減少而使流程能耗最小化，這是三流一態(tài)的重要標(biāo)志。動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的設(shè)計(jì)原則可用式（1）～式（3）聯(lián)立在一起體現(xiàn)。

Q_PF=Q_FN，Q_F=Q_IN，Q_I=Q_CC=Q_rh=Q_ro（1）

∑t1^set+∑t2^set+∑t3^set+∑t4^set+∑t5^set→min（2）

∑E→min（3）

式中：QPF、QFN分別為鐵前系統(tǒng)平均每分鐘原料供應(yīng)量、需求量，t/min；QF、QIN分別為煉鋼系統(tǒng)平均每分鐘出鐵量、需鐵量，t/min；QI為煉鋼系統(tǒng)平均每分鐘供鋼水量，t/min；QCC為連鑄機(jī)平均每分鐘鑄坯輸出量，t/min；Qrh為加熱爐平均每分鐘鑄坯輸出量， t/min；Qro為軋機(jī)運(yùn)行時(shí)平均每分鐘軋制量，t/min；∑為生產(chǎn)物質(zhì)流在流程各工序、裝置中通過所消耗的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間總和；∑為生產(chǎn)物質(zhì)流在流程網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行所消耗的各種實(shí)際運(yùn)輸（輸送）時(shí)間總和；∑為生產(chǎn)物質(zhì)流在流程網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行所消耗的各種實(shí)際等待（緩沖）時(shí)間總和；∑為影響流程整體運(yùn)行的各類檢修時(shí)間總和；∑為生產(chǎn)物質(zhì)流在流程網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行時(shí)間出現(xiàn)的影響流程整體運(yùn)行的各類故障時(shí)間總和；∑E為噸鋼綜合能耗（以標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)），kg/t。

動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)高度重視子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間、節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的銜接匹配關(guān)系、層流運(yùn)行的關(guān)系、緩沖協(xié)調(diào)關(guān)系乃至簡(jiǎn)捷順暢關(guān)系。為實(shí)現(xiàn)流程網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)捷化、流程運(yùn)行的順暢化，唐鋼新區(qū)鋼鐵制造流程的集成創(chuàng)新不僅包括制造流程物理系統(tǒng)的集成創(chuàng)新，還包括信息系統(tǒng)的集成創(chuàng)新。

3.1 一體化計(jì)劃排程

在面對(duì)多品種小批量的生產(chǎn)訂單時(shí)，既要使生產(chǎn)計(jì)劃符合各設(shè)備的實(shí)際產(chǎn)能，以確保生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定和連續(xù)高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，也要平衡前后設(shè)備的生產(chǎn)計(jì)劃，使得設(shè)備產(chǎn)能發(fā)揮最大化，還要確保銷售訂單按客戶需求時(shí)間進(jìn)行交付。針對(duì)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃排程問題，唐鋼新區(qū)通過將人工智能與大數(shù)據(jù)等新技術(shù)與銷產(chǎn)轉(zhuǎn)換和生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化推薦進(jìn)行深度融合，構(gòu)建了先進(jìn)的一體化計(jì)劃排程系統(tǒng)，建設(shè)由批量生產(chǎn)計(jì)劃和全局/件次計(jì)劃排程引導(dǎo)的生產(chǎn)模式，進(jìn)而快速響應(yīng)客戶訂單需求，優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃和執(zhí)行，為產(chǎn)銷和質(zhì)量管理提供有效支撐。該系統(tǒng)采用全局和件次的分層優(yōu)化模型，利用智能算法確定訂單在不同工藝路徑上的最優(yōu)分配方案，通過考慮每個(gè)工序的產(chǎn)能約束、物料庫存、設(shè)備檢修計(jì)劃、工藝路徑和物流平衡等因素，實(shí)現(xiàn)需求訂單中各個(gè)品種鋼的最佳產(chǎn)量分配和時(shí)序分配，確保生產(chǎn)資源的高效利用和訂單交付的準(zhǔn)確性。通過構(gòu)建全面的產(chǎn)線工序能力模型，依據(jù)訂單產(chǎn)品類型、當(dāng)前產(chǎn)能利用情況、庫存情況、原材料供應(yīng)情況等多維度信息，智能預(yù)測(cè)訂單的最快交貨期、計(jì)劃交貨期和最遲交貨期，并且系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)估產(chǎn)線在指定交貨期內(nèi)完成訂單的可行性，輔助業(yè)務(wù)人員做出最佳決策。通過多工序協(xié)同計(jì)劃排程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多工序生產(chǎn)計(jì)劃的統(tǒng)一查看和監(jiān)控，各工序生產(chǎn)進(jìn)度、產(chǎn)能利用情況、設(shè)備狀態(tài)和物料供應(yīng)情況等關(guān)鍵信息的實(shí)時(shí)顯示，幫助管理層進(jìn)行跨工序的生產(chǎn)協(xié)同和資源調(diào)度，最終實(shí)現(xiàn)計(jì)劃排程時(shí)間縮短20%，板坯平均庫存降低15%。同時(shí)，全流程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度也需要一體化計(jì)劃排程的支撐才能發(fā)揮最大功效。一體化計(jì)劃排程系統(tǒng)技術(shù)路線如圖5所示。

3.2 全流程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度

針對(duì)鋼鐵流程運(yùn)行規(guī)律復(fù)雜和生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃實(shí)時(shí)調(diào)整要求高等問題，唐鋼新區(qū)以全流程一圖貫通、全廠生產(chǎn)狀態(tài)一圖描述、全流程智能化調(diào)度一圖指揮為核心，構(gòu)建了全流程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度系統(tǒng)。該系統(tǒng)橫向上協(xié)同了全流程全部生產(chǎn)工序，是一體化高級(jí)計(jì)劃排程與生產(chǎn)設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行溝通的核心。通過多智能體技術(shù)，開發(fā)了全流程動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)仿真模型，確保鐵素流的物質(zhì)銜接性和全流程連續(xù)化運(yùn)行時(shí)間的最小化。全流程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度系統(tǒng)利用多智能體技術(shù)、圖論、Petri網(wǎng)等數(shù)字技術(shù)，通過AnyLogic等仿真軟件建立全流程動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)仿真模型；同時(shí)，通過歸納鋼鐵生產(chǎn)工序界面協(xié)同、流程動(dòng)態(tài)有序運(yùn)行規(guī)則，構(gòu)建起規(guī)則數(shù)字化知識(shí)庫，而后將規(guī)則數(shù)字化知識(shí)庫作為動(dòng)態(tài)仿真模型關(guān)鍵技術(shù)的輸入，通過引入各區(qū)段流程模型，完成場(chǎng)景分析、定量解析和實(shí)時(shí)優(yōu)化。該系統(tǒng)可基于仿真平臺(tái)的作業(yè)計(jì)劃，采用智能化制定與動(dòng)態(tài)調(diào)整技術(shù)，通過運(yùn)籌學(xué)理論和啟發(fā)式規(guī)則構(gòu)建動(dòng)態(tài)調(diào)度模型進(jìn)行全流程智能排產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)在線動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度。在鋼鐵制造流程中，各制造單元以及相關(guān)制造單元之間起到鏈接件功能的界面技術(shù)的集成，將通過唐鋼新區(qū)首創(chuàng)的全流程物質(zhì)-能量-時(shí)間-空間-信息五維動(dòng)態(tài)甘特圖的優(yōu)化呈現(xiàn)出來，實(shí)現(xiàn)各生產(chǎn)單元之間協(xié)同-緩沖-鏈接-穩(wěn)定的互動(dòng)關(guān)系，以此顯著縮短不同工序間的傳擱時(shí)間，減少過程溫降，提高流程運(yùn)行效率。另外，該系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)生產(chǎn)信息，建立了分鐘級(jí)鐵素流流量預(yù)警模型，對(duì)可能產(chǎn)生的生產(chǎn)堵點(diǎn)進(jìn)行預(yù)警和提示，通過信息顯示、工控條件設(shè)定和生產(chǎn)過程調(diào)整消除非必要生產(chǎn)節(jié)奏波動(dòng)，確保了在線生產(chǎn)順行，保證了鐵素流的物質(zhì)銜接性。全流程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度系統(tǒng)的構(gòu)成如圖6所示。

該系統(tǒng)上線運(yùn)行后，鐵水運(yùn)輸時(shí)間由123 min降至81 min， 鐵素物質(zhì)流從KR進(jìn)站到連鑄開澆時(shí)間由171.8 min縮短至155.6 min， 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)物質(zhì)流在流程網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行時(shí)所消耗的各種實(shí)際運(yùn)輸時(shí)間的總和以及實(shí)際等待（緩沖）時(shí)間的總和最小化。

3.3 全流程工藝數(shù)字化

為使生產(chǎn)設(shè)備對(duì)物質(zhì)流處于最優(yōu)加工時(shí)間并獲得良好的鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量，唐鋼新區(qū)通過對(duì)象和過程數(shù)字化，并根據(jù)生產(chǎn)工藝和相關(guān)數(shù)學(xué)模型對(duì)冶金全流程上的設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)定。1）燒結(jié)控制系統(tǒng)。應(yīng)用配料模型實(shí)現(xiàn)燒結(jié)的精準(zhǔn)配料，基于燒結(jié)機(jī)風(fēng)箱溫度對(duì)燒結(jié)終點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制，優(yōu)化燒結(jié)過程控制，提高燒結(jié)溫度命中精度，降低能源消耗提升燒結(jié)礦質(zhì)量。2）高爐控制系統(tǒng)?；谠铣煞诌M(jìn)行高爐的精準(zhǔn)配料，并進(jìn)行高爐上料的物料追蹤，根據(jù)熱負(fù)荷和其他工藝參數(shù)變化，通過高爐模型監(jiān)視和調(diào)控高爐爐體和冷卻設(shè)備的工作狀態(tài)。3）轉(zhuǎn)爐煉鋼系統(tǒng)。唐鋼新區(qū)轉(zhuǎn)爐煉鋼系統(tǒng)由副槍模塊、音頻化渣模塊和煙氣分析模塊共同組成，通過3個(gè)模塊的集成，使得煉鋼全程無人化和智能化，減少因人為因素導(dǎo)致的冶煉過程不良波動(dòng)，進(jìn)而降低原材料消耗，縮短冶煉周期，實(shí)現(xiàn)煉鋼效率提升和終點(diǎn)命中率的提高。4）一鍵精煉系統(tǒng)。針對(duì)不同鋼種，通過專家模型和數(shù)學(xué)模型規(guī)范精煉各操作和運(yùn)行環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)精煉過程的實(shí)時(shí)跟蹤與檢測(cè)，提高精煉各環(huán)節(jié)的控制精準(zhǔn)度，提高鋼水成分控制精度。5）加熱爐控制系統(tǒng)?；诩訜釥t加熱工藝，在進(jìn)行爐溫設(shè)定時(shí)，充分考慮實(shí)際生產(chǎn)過程板坯冷熱混裝、閉環(huán)精度較差等因素，將每塊板坯鋼種、規(guī)格、溫度和出爐目標(biāo)溫度、剩余在爐時(shí)間等因素進(jìn)行權(quán)重解耦計(jì)算。板坯溫度預(yù)報(bào)按照機(jī)理模型分析、在線適配模型調(diào)整、試驗(yàn)參數(shù)校正、鋼溫反饋計(jì)算、工況智能識(shí)別等流程，在保證溫度計(jì)算準(zhǔn)確性和智能適應(yīng)性的同時(shí)，使加熱爐整個(gè)燃燒過程的各個(gè)環(huán)節(jié)自動(dòng)可控，在降低能耗的同時(shí)提高板壞加熱質(zhì)量。唐鋼新區(qū)的全流程工藝數(shù)字化橫向貫穿鋼鐵生產(chǎn)過程各個(gè)設(shè)備，覆蓋率高達(dá)98.6%，保障和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)物質(zhì)流在流程各工序、裝置中通過，所消耗的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間最小化。唐鋼新區(qū)典型的工藝數(shù)字化匯總情況見表1。

3.4 設(shè)備智能運(yùn)維

唐鋼新區(qū)設(shè)備智能運(yùn)維平臺(tái)的目標(biāo)是通過預(yù)測(cè)性、前瞻性維護(hù)減少設(shè)備突發(fā)事故，將設(shè)備停機(jī)計(jì)劃的隨機(jī)性和不確定性轉(zhuǎn)變成可控和可預(yù)測(cè)，避免非計(jì)劃停機(jī)造成的生產(chǎn)連續(xù)性中斷；提高人員工作效率，替代人員點(diǎn)檢，降低設(shè)備點(diǎn)檢人員的工作負(fù)荷；以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)進(jìn)行設(shè)備管理和預(yù)測(cè)性維修。智能設(shè)備運(yùn)維方式演變過程如圖7所示。

唐鋼新區(qū)設(shè)備智能運(yùn)維平臺(tái)由設(shè)備全生命周期管理系統(tǒng)和智能點(diǎn)檢維修系統(tǒng)構(gòu)成，主要圍繞提質(zhì)增產(chǎn)創(chuàng)效、保障設(shè)備高質(zhì)量的長(zhǎng)久安全穩(wěn)定運(yùn)行。1）設(shè)備全生命周期管理系統(tǒng)。按照設(shè)備全生命周期管理思想，覆蓋設(shè)備選型到設(shè)備淘汰或報(bào)廢的整個(gè)過程，將各個(gè)設(shè)備的相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)整合到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)一化管理，對(duì)設(shè)備全生命周期做到精細(xì)化管理。以設(shè)備地理信息和設(shè)備型號(hào)為基礎(chǔ)，建立以大數(shù)據(jù)為支撐的周期性維護(hù)體系，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)及精度監(jiān)測(cè)管理和周期性維護(hù)管理的管控模式。對(duì)備品備件進(jìn)行全生命周期管理，建立指標(biāo)預(yù)警體系、設(shè)備運(yùn)行預(yù)警體系和庫存預(yù)警體系，通過將備件壽命分析、庫存采購分析、故障分析進(jìn)行流程化、標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化，使得有關(guān)業(yè)務(wù)模型具有全局性，進(jìn)而實(shí)行全面管控，提高整個(gè)企業(yè)的設(shè)備管理水平。2）智能點(diǎn)檢維修系統(tǒng)。通過唐鋼新區(qū)搭建的工廠數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建了覆蓋全流程的設(shè)備點(diǎn)檢維修系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將全流程監(jiān)測(cè)設(shè)備的儀表數(shù)據(jù)集中到工廠數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行感知。將存儲(chǔ)在工廠數(shù)據(jù)庫的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)模型實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析以及關(guān)鍵隱藏信息的挖掘，將數(shù)據(jù)作為設(shè)備分析模型的輸入值。同時(shí)，將設(shè)備故障和故障維修知識(shí)固化到運(yùn)維數(shù)字化規(guī)則庫中，通過設(shè)備分析模型對(duì)全廠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和異常預(yù)警，異常預(yù)警可靠性達(dá)85%。當(dāng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的儀器數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大異常波動(dòng)時(shí)，報(bào)警信息會(huì)通過微信推送給指定業(yè)務(wù)人員，保障了信息傳遞的高效性和及時(shí)性，并通過多人遠(yuǎn)程協(xié)助的工作模式高效協(xié)同設(shè)備廠家和專業(yè)專家?guī)椭F(xiàn)場(chǎng)維修人員處理設(shè)備異常，使得工作效率提升20%。同時(shí)，保障設(shè)備全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)控和快速響應(yīng)，系統(tǒng)運(yùn)行可靠性達(dá)到99%，并且使設(shè)備突發(fā)故障持續(xù)時(shí)間降低20%，實(shí)現(xiàn)維修成本降低15%。設(shè)備智能運(yùn)維平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了影響流程整體運(yùn)行的各類故障時(shí)間和檢修時(shí)間的最小化。

3.5 能源精細(xì)化管控

為確保不同能源介質(zhì)調(diào)度的獨(dú)立性和相互之間的調(diào)度安全，完成對(duì)能源介質(zhì)運(yùn)行過程的管理與控制，以及產(chǎn)線生產(chǎn)與動(dòng)力介質(zhì)之間的協(xié)同，依托智能化調(diào)度、協(xié)同化管控、無人化值守、集中化管理，唐鋼新區(qū)圍繞鋼鐵生產(chǎn)過程中的能源介質(zhì)，構(gòu)建了覆蓋全流程工序和配套公輔設(shè)施的能源精細(xì)化管控系統(tǒng)，在確保鋼鐵制造無延遲和無斷檔的前提下，進(jìn)行集中一貫制管控，達(dá)到提高全廠能源利用效率、降低能源耗散的目標(biāo)。該系統(tǒng)通過構(gòu)建的主要工序能耗預(yù)測(cè)模型，可分析現(xiàn)有技術(shù)條件下主要工序的理論最小能耗，從而進(jìn)一步挖掘工藝的節(jié)能潛力。同時(shí)，建立了全流程層次上的能量流輸入-輸出模型，用于研究能量流產(chǎn)生-儲(chǔ)存-輸送-分配-緩沖-使用-回收-再使用排放等各環(huán)節(jié)的不平衡性。另外，構(gòu)建了與物質(zhì)流聯(lián)動(dòng)的能量流仿真平臺(tái)，為多場(chǎng)景能源計(jì)劃、多尺度多視角能效評(píng)估和多介質(zhì)能源調(diào)配提供工具支持，而后通過全流程生產(chǎn)能源協(xié)同優(yōu)化和動(dòng)態(tài)調(diào)配技術(shù)，依據(jù)全流程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度預(yù)測(cè)各種能源介質(zhì)消耗-回收-緩沖態(tài)勢(shì)，進(jìn)行煤氣-蒸汽-電等能源介質(zhì)的動(dòng)態(tài)調(diào)配和高效轉(zhuǎn)化，保障鋼鐵制造過程順暢、能源調(diào)度控制精準(zhǔn)，完成能源的精細(xì)化管控。唐鋼新區(qū)能源管控系統(tǒng)架構(gòu)如圖8所示。

唐鋼新區(qū)通過建立以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)的能源精細(xì)化管控系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)企業(yè)存在的能源調(diào)度不合理和能源放散問題，同時(shí)綜合電量需求、分時(shí)電價(jià)及能源價(jià)格，適時(shí)將煤氣存儲(chǔ)于煤氣柜，實(shí)現(xiàn)電價(jià)谷時(shí)存氣少發(fā)電，電價(jià)峰時(shí)用氣多發(fā)電，自發(fā)電比例最佳水平可達(dá)90%以上，支撐鋼鐵生產(chǎn)全流程用能的優(yōu)化配置和高效供應(yīng)。由此，將傳統(tǒng)的粗放能源管控轉(zhuǎn)變?yōu)榫婊芸?，調(diào)度職能從經(jīng)驗(yàn)型轉(zhuǎn)變?yōu)榉治鲂?，降低全流程能源介質(zhì)耗散，實(shí)現(xiàn)噸鋼綜合能耗（以標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)）為539.75 kg/t， 使唐鋼新區(qū)能效水平處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先。

4 結(jié)論

1）相較于傳統(tǒng)的靜態(tài)能力估算和不同富余系數(shù)假定的鋼廠靜態(tài)設(shè)計(jì)，基于冶金流程工程學(xué)的動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)對(duì)推進(jìn)鋼廠動(dòng)態(tài)有序、協(xié)同連續(xù)運(yùn)行具有重要的理論支撐和現(xiàn)實(shí)意義。在鋼鐵行業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級(jí)過程中，應(yīng)以動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)指導(dǎo)鋼廠的設(shè)計(jì)和建設(shè)。

2）從物理側(cè)和信息側(cè)共同發(fā)力，相向而行，通過系統(tǒng)層面的集成優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了唐鋼新區(qū)物質(zhì)流在長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)態(tài)-穩(wěn)定-均衡的匹配、全流程整體運(yùn)行時(shí)間最小化、能源耗散減少而使流程能耗最小化。

3）以動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法構(gòu)建的唐鋼新區(qū)信息物理系統(tǒng)，可使系統(tǒng)內(nèi)的資源配置和運(yùn)行按需響應(yīng)和動(dòng)態(tài)優(yōu)化，解決生產(chǎn)制造和能源耗散過程中的復(fù)雜性和不確定性問題。唐鋼新區(qū)綠色智能鋼廠的建成為鋼鐵行業(yè)提供了示范樣板。

本文摘自《中國(guó)冶金》 2024 年第 12 期