【ZiDongHua 之方案應(yīng)用場(chǎng)收錄關(guān)鍵詞： 鞍鋼 智慧高爐 智能制造 鋼鐵工業(yè) 人工智能】

　　

　　一、研究的背景與問題

　　

　　《中國(guó)制造2025發(fā)展規(guī)劃》明確要求傳統(tǒng)的制造業(yè)要向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、綠色化發(fā)展，支持傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)，尤其是鋼鐵行業(yè)依靠信息化、智能化技術(shù)，把傳統(tǒng)的鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)型成智能制造企業(yè)。在鋼鐵工業(yè)中高爐的生產(chǎn)成本、能源消耗、CO2排放量均占70%以上，是制約鋼鐵行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的瓶頸。由于高爐及其附屬工序設(shè)備工藝多樣復(fù)雜性、生產(chǎn)過程不確定性，以及所有變化過程均發(fā)生在大封閉性的高爐內(nèi)部，難以直接檢測(cè)，屬于典型“黑箱”問題，到目前為止，高爐操作依然是以高爐操作者經(jīng)驗(yàn)為主，難以做到高爐長(zhǎng)期高效低耗和爐況穩(wěn)定順行。鞍鋼高爐眾多，高爐群也難以被統(tǒng)一管理。因此迫切需要建設(shè)資源共享、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、高效協(xié)同的大數(shù)據(jù)集約化與可視化管控平臺(tái)，以提升高爐群整體協(xié)同效率。

　　

　　鞍鋼高爐及其附屬工序之間多工序和各高爐之間在一體化管理方面存在的一些難題：一是缺少統(tǒng)一智能化管理平臺(tái)，爐況、生產(chǎn)信息零散不集中，分散獨(dú)立，數(shù)據(jù)共享和分析挖掘不夠。二是協(xié)同響應(yīng)滯后，由于時(shí)空阻隔，協(xié)同信息、需求信息滯后；部分信息經(jīng)層層過濾，準(zhǔn)確性、及時(shí)性受限。三是缺少統(tǒng)一的評(píng)價(jià)體系，由于高爐群工藝裝備、原燃料、操作模式的差異，指標(biāo)先進(jìn)性、運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)體系不一致。四是語(yǔ)言、標(biāo)準(zhǔn)尚未完全統(tǒng)一，一些工藝參數(shù)名稱、計(jì)算方法、異常爐況的判別、操作應(yīng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)、各高爐操作手法與偏好不一致。

　　

　　基于以上背景與需要，鞍鋼從2007年開始，逐漸補(bǔ)充和完善煉鐵產(chǎn)線上檢測(cè)工業(yè)傳感器的同時(shí)，積極同北京科技大學(xué)合作，從高爐冶煉機(jī)理和傳輸原理層面進(jìn)行數(shù)學(xué)建模以揭示高爐“黑箱”內(nèi)的反應(yīng)及狀態(tài)，為鞍鋼兩化融合實(shí)現(xiàn)智能化煉鐵打下基礎(chǔ)。近年來，通過大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)運(yùn)用，開發(fā)了“鞍鋼智慧高爐大數(shù)據(jù)可視化管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了高爐群及附屬工序數(shù)據(jù)資源共享、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、高效協(xié)同的統(tǒng)一管理，并打通傳統(tǒng)各級(jí)信息化系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)孤島，完成高爐煉鐵從智能單元到智能平臺(tái)的升級(jí)。此外以高爐大數(shù)據(jù)平臺(tái)為基礎(chǔ)，從煉鐵機(jī)理層面定制開發(fā)“一爐一策”高爐數(shù)學(xué)模型，開發(fā)高爐爐缸侵蝕狀態(tài)3D可視化監(jiān)控模型，建立基于數(shù)據(jù)挖掘高爐群爐況評(píng)價(jià)體系，對(duì)不同爐型高爐冶煉過程實(shí)施統(tǒng)籌智能管理，使得鞍鋼煉鐵工序全流程得到轉(zhuǎn)型升級(jí)，極大提升高爐生產(chǎn)、技術(shù)與管理的數(shù)字化、科學(xué)化、智能化水平，完美實(shí)現(xiàn)高爐冶煉過程從“黑盒”向“白盒”的重要突破。

　　

　　二、解決問題的思路與技術(shù)方案

　　

　　根據(jù)鞍鋼高爐的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和操作特點(diǎn)，基于冶金基礎(chǔ)理論與人工智能前沿技術(shù)，定制開發(fā)高爐數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)高爐的高效生產(chǎn)，提升高爐生產(chǎn)、技術(shù)與管理的整體數(shù)字化、科學(xué)化、智能化水平，同步實(shí)現(xiàn)高爐煉鐵的安全長(zhǎng)壽、低耗高效、清潔生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)高爐冶煉從“黑盒”向“白盒”的重要突破?？傮w思路如圖1所示：

 

　　

　　圖1 項(xiàng)目研究總體思路圖

　　

　　1、建立高爐群生產(chǎn)大數(shù)據(jù)平臺(tái)

　　

　　建立高爐生產(chǎn)過程操作參數(shù)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、完成不同數(shù)據(jù)庫(kù)的各種接口和數(shù)據(jù)統(tǒng)一表示，用于支撐外部數(shù)據(jù)采集、內(nèi)部數(shù)據(jù)整合；利用控制系統(tǒng)所提供的OPC服務(wù)器功能，編寫OPC客戶端程序，實(shí)現(xiàn)從基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)中讀取生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。高爐生產(chǎn)過程信息化、智能化平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，數(shù)據(jù)采集、通訊、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分類、存儲(chǔ)等建立數(shù)據(jù)平臺(tái)和大數(shù)據(jù)處理中心，為基于數(shù)據(jù)平臺(tái)開發(fā)工藝機(jī)理和統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)模型、大數(shù)據(jù)分析與挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、專家系統(tǒng)等提供保障，同時(shí)滿足廠長(zhǎng)、廠調(diào)度、公司調(diào)度及其他管理及科研部門的需求。

 

　　

　　圖2 鞍鋼高爐大數(shù)據(jù)平臺(tái)構(gòu)架

　　

　　2、基于高爐大數(shù)據(jù)平臺(tái)的高爐“一爐一策”可視化平臺(tái)開發(fā)

　　

　　高爐機(jī)理建模與數(shù)字化仿真系統(tǒng)融合機(jī)理的全高爐綜合數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)全高爐仿真和工作狀態(tài)精確解析，提供高爐爐況預(yù)測(cè)結(jié)果和匹配操作的推送、完成高爐操作變更影響因素的推送、完成高爐運(yùn)行趨勢(shì)分析結(jié)果的推送和歷史數(shù)據(jù)溯源結(jié)果的推送。

　　

　　3、高爐爐缸爐底多維冗余侵蝕計(jì)算模型和結(jié)構(gòu)安全指標(biāo)預(yù)警機(jī)制評(píng)估系統(tǒng)

　　

　　以鞍鋼不同爐容高爐爐缸的破損調(diào)查為基礎(chǔ)，綜合檢測(cè)不同種類炭磚；并建立炭磚合理的評(píng)價(jià)制度；利用高爐破損調(diào)查結(jié)果不斷深入的校正計(jì)算模型。

　　

　　4、基于數(shù)據(jù)挖掘的高爐健康狀態(tài)的評(píng)價(jià)體系

　　

　　挖掘影響高爐生產(chǎn)和操作的主因、隱因以及高爐操作關(guān)聯(lián)，研究高爐冶煉參數(shù)的關(guān)聯(lián)分析、高爐操作規(guī)則的關(guān)聯(lián)分析和歷史數(shù)據(jù)溯源。高爐大數(shù)據(jù)全流程挖掘與云計(jì)算。將歷史數(shù)據(jù)與當(dāng)前操作關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)高爐生產(chǎn)過程多種操作參數(shù)優(yōu)化，推算最佳高爐工藝路線。

 

　　

　　圖3 關(guān)鍵參數(shù)預(yù)警診斷系統(tǒng)

　　

　　三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果

　　

　　1、建立鞍鋼高爐群大數(shù)據(jù)平臺(tái)

　　

　　基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云存儲(chǔ)、云計(jì)算等技術(shù)完成高爐及附屬工序、MES系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合，打破信息孤島，建立以高爐群為核心的大數(shù)據(jù)集約化管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)高爐生產(chǎn)狀態(tài)的全息再現(xiàn)。

　　

　　2、建立高爐“一爐一策”可視化平臺(tái)

　　

　　在高爐大數(shù)據(jù)云平臺(tái)交互基礎(chǔ)上開發(fā)高爐生產(chǎn)工藝模型和移動(dòng)終端APP，對(duì)高爐冶煉全過程進(jìn)行全方位、實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控。實(shí)現(xiàn)高爐生產(chǎn)全流程物質(zhì)流與能量流信息化管控、高爐操作爐型和冷卻壁安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警、高爐裝料及布料過程智能仿真、爐頂料面與煤氣流分布及風(fēng)口回旋區(qū)的三維可視化監(jiān)控。

　　

　　3、鞍鋼高爐爐缸侵蝕狀態(tài)高精度預(yù)判及三維可視化監(jiān)控模型開發(fā)與應(yīng)用

　　

　　基于高爐破損調(diào)查炭磚特征和性能指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果，修訂炭磚搗料的導(dǎo)熱系數(shù)，建立高精度高爐炭磚殘厚計(jì)算數(shù)學(xué)模型，并利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果作處理，實(shí)現(xiàn)了爐缸內(nèi)襯侵蝕程度的精準(zhǔn)判斷和侵蝕形貌的循環(huán)動(dòng)態(tài)展示。

　　

　　4、建立基于數(shù)據(jù)挖掘高爐群爐況評(píng)價(jià)體系

　　

　　對(duì)高爐冶煉全流程進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘與深度解析，建立高爐冶煉參數(shù)與高爐經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性評(píng)價(jià)體系，實(shí)時(shí)對(duì)高爐的健康狀況進(jìn)行打分并做出智能診斷和優(yōu)化建議。

　　

　　四、應(yīng)用情況與效果

　　

　　本項(xiàng)目成果已在鞍鋼本部煉鐵總廠2號(hào)、3號(hào)高爐（3200m3）、5號(hào)高爐（2580m3）和鲅魚圈分公司煉鐵部1號(hào)、2號(hào)高爐（4038m3）實(shí)施應(yīng)用，同時(shí)煉鐵總廠1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、10號(hào)高爐（3200m3）4號(hào)、5號(hào)高爐（2580m3）初步實(shí)現(xiàn)集控功能，從生產(chǎn)、操作、技術(shù)、管理、培訓(xùn)等全方位提升鞍鋼煉鐵的數(shù)字化、科學(xué)化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化水平，取得如下效果：

　　

　?。?）將遙感測(cè)溫、三維激光雷達(dá)、熱成像等新技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)煉鐵工業(yè)傳感及物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高爐群、燒結(jié)機(jī)、球團(tuán)機(jī)等煉鐵核心設(shè)備及大數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測(cè)，達(dá)到了減少較危險(xiǎn)的點(diǎn)檢和爐前工作對(duì)人的依賴，降低了安全事故發(fā)生率；

　　

　?。?）建立基于工藝機(jī)理、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、互聯(lián)網(wǎng)+的配礦、燒結(jié)、球團(tuán)、高爐智能控制系統(tǒng)的煉鐵大數(shù)據(jù)智能可視化與集控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)鞍鋼高爐群各產(chǎn)線煉鐵數(shù)據(jù)互聯(lián)互通和復(fù)雜的鐵前各工序高效協(xié)同，高爐操作人員勞動(dòng)生產(chǎn)率提高44%；

　　

　　（3）建立高爐冶煉過程可視化云平臺(tái)及移動(dòng)終端APP高爐診斷模式，初步建立“煉鐵移動(dòng)工廠”，冶煉取得了從“黑盒”向“白盒”的重要突破，煉鐵操作和爐況分析由原先依靠人工經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐揽繑?shù)據(jù)為主，項(xiàng)目實(shí)施后，本部煉鐵總廠2、3、5號(hào)高爐和鲅魚圈煉鐵部1、2號(hào)高爐在入爐品位較低、大量使用外購(gòu)焦和濕熄焦條件下，5座高爐利用系數(shù)平均提升0.487t/(m3?d)，指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。

　　

　　截止目前，本成果授權(quán)發(fā)明專利14件，登記軟件著作權(quán)4項(xiàng)，發(fā)表高水平研究論文28篇。

　　

　　信息來源：鞍鋼股份有限公司