5G+智慧煉鋼系統(tǒng) 4.9GHz頻段5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)首次工業(yè)應(yīng)用
鞍鋼集團(tuán)自動(dòng)化有限公司是鞍鋼集團(tuán)旗下集設(shè)計(jì)開發(fā)、系統(tǒng)集成和技術(shù)服務(wù)于一體的高新技術(shù)企業(yè)。公司遵循“視質(zhì)量為生命、以質(zhì)量占市場、靠質(zhì)量求發(fā)展、用質(zhì)量贏信譽(yù)”的質(zhì)量方針，緊密圍繞“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造”的發(fā)展戰(zhàn)略，始終注重產(chǎn)品研發(fā)和持續(xù)改進(jìn)，及時(shí)向客戶提供周到的服務(wù)，充分體現(xiàn)以客戶為中心的經(jīng)營理念，為客戶創(chuàng)造最大的價(jià)值。
一、項(xiàng)目概況
鋼鐵制造是典型的長流程工業(yè)，生產(chǎn)工序眾多，工藝流程復(fù)雜，大型設(shè)備集中，且工藝參數(shù)繁多，多參數(shù)間耦合性強(qiáng)。我國各鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)均存放在各工序獨(dú)立的一二級(jí)與三四級(jí)系統(tǒng)中。由于數(shù)據(jù)架構(gòu)、技術(shù)平臺(tái)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)的局限，使得日累計(jì)達(dá)上百GB的生產(chǎn)數(shù)據(jù)形成信息孤島，無法共享、融合，更有大量非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)無法被利用參與分析。
1. 項(xiàng)目背景
2015年，我國政府工作報(bào)告提出“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃，推動(dòng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等與現(xiàn)代制造業(yè)相結(jié)合，大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)逐步從理論研究加速進(jìn)入應(yīng)用時(shí)代。
在中國制造2025，互聯(lián)網(wǎng)+行動(dòng)計(jì)劃指引下，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G技術(shù)與現(xiàn)代制造業(yè)融合勢在必行。煉鋼廠每日上百GB非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)形成信息孤島，無法利用參與分析，以煉鋼為代表的長流程工業(yè)生產(chǎn)工序難以實(shí)現(xiàn)智能制造是擺在面前的難題。鞍鋼集團(tuán)自動(dòng)化公司通過打通一二三四級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，解決各計(jì)算機(jī)層級(jí)通訊問題；打通前后工序信息通道，解決長流程工序銜接問題；通過云計(jì)算+5G應(yīng)用，解決非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)傳輸與邊緣計(jì)算機(jī)算力不足問題。
鞍鋼集團(tuán)自動(dòng)化有限公司多年以來在煉鋼轉(zhuǎn)爐、精煉、連鑄等生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)通過大量的工程項(xiàng)目積累了豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，擁有多項(xiàng)專利技術(shù)與豐富的先進(jìn)生產(chǎn)操作法；中國移動(dòng)擁有國家頒布的4.9GHz頻段5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)牌照，在鞍鋼廠區(qū)布署了最快速最安全的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；中興公司擁有5G通訊模組開發(fā)能力，與鞍鋼集團(tuán)自動(dòng)化有限公合作進(jìn)行5G通訊模組的開發(fā)和應(yīng)用；鞍鋼集團(tuán)自動(dòng)化有限公司擁有獨(dú)立的數(shù)據(jù)中心“精鋼云”，提供高速、穩(wěn)定、低價(jià)、安全的云計(jì)算平臺(tái)。
2. 項(xiàng)目簡介
本項(xiàng)目應(yīng)用于原材料工業(yè)— 黑色金屬/鋼鐵工業(yè)行業(yè)，轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)控制領(lǐng)域。首次實(shí)現(xiàn)4.9GHz頻段5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)場景應(yīng)用，建成基于云邊端架構(gòu)的5G+智慧煉鋼系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐氧槍、副槍、投料、終點(diǎn)全自動(dòng)控制的智慧煉鋼。
3. 項(xiàng)目目標(biāo)
實(shí)現(xiàn)在鞍鋼股份煉鋼總廠三分廠五號(hào)線轉(zhuǎn)爐車間，通過平板電腦，無線啟動(dòng)5G+智慧煉鋼系統(tǒng)，應(yīng)用5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)由“精鋼云”數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)控制轉(zhuǎn)爐氧槍、副槍、投料、終點(diǎn)全自動(dòng)生產(chǎn)。
二、項(xiàng)目實(shí)施概況
通過5G等通訊技術(shù)將聲吶、吊車等信息孤島與“精鋼云”高速連接，同時(shí)解決了非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的傳輸問題，通過大數(shù)據(jù)處理更精準(zhǔn)的識(shí)別轉(zhuǎn)爐的工作狀態(tài)，云計(jì)算強(qiáng)大的算力支持，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)精確生產(chǎn)控制。解決了鋼鐵冶煉無法精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)控制的問題。
1. 項(xiàng)目總體架構(gòu)和主要內(nèi)容
1.1項(xiàng)目總體架構(gòu)
（1）技術(shù)方案
本方案以鞍鋼集團(tuán)自動(dòng)化有限公司“精鋼云”為云平臺(tái)，以鞍鋼股份煉鋼總廠數(shù)據(jù)集控平臺(tái)為邊緣服務(wù)器，以煉鋼總廠三分廠五號(hào)線E轉(zhuǎn)爐聲吶、吊車、攝像頭、氧槍、副槍、料倉等為終端設(shè)備，橫跨5G通訊技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、鋼鐵冶金工藝控制三大技術(shù)領(lǐng)域，與中國移動(dòng)、中興公司在鞍鋼聯(lián)手打造4.9GHz頻段5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云邊端架構(gòu)的5G+智慧煉鋼系統(tǒng)。
基于4.9GHz頻段5G智慧鋼鐵專網(wǎng)項(xiàng)目基于SA組網(wǎng)模式+MEC邊緣計(jì)算架構(gòu)，通過在廠區(qū)機(jī)房內(nèi)獨(dú)立建設(shè)邊緣計(jì)算設(shè)備（MEC）與私有云進(jìn)行對接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)不出廠，保障工業(yè)數(shù)據(jù)和信息安全。新建的4.9GHz頻段專用基站不用考慮與現(xiàn)網(wǎng)基站并存，適合在廠房內(nèi)或局域場景獨(dú)立建網(wǎng)進(jìn)行應(yīng)用，與公網(wǎng)用戶完全物理隔離，保障數(shù)據(jù)安全、提升抗干擾能力。同時(shí)，基于特殊的3U1D幀結(jié)構(gòu)滿足超級(jí)上行需求，靈活配置上下行速率，實(shí)現(xiàn)上行峰值速率700Mbps。基于網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)定制5G專網(wǎng)，按需提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、容量、分布式部署，確保安全、資源、操作維護(hù)隔離，提供差異化SLA服務(wù)，切片之間獨(dú)立監(jiān)控、運(yùn)營、管理，滿足各類應(yīng)用的差異化網(wǎng)絡(luò)需求。
以 “一種轉(zhuǎn)爐爐渣狀態(tài)檢測控制裝置及方法”、“一種轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)碳含量預(yù)報(bào)裝置及預(yù)報(bào)方法”、“一種轉(zhuǎn)爐副槍過程碳含量預(yù)報(bào)方法”等15項(xiàng)專利為冶金技術(shù)支撐，結(jié)合云計(jì)算、自學(xué)習(xí)算法、大數(shù)據(jù)處理、聲吶分析、5G網(wǎng)絡(luò)通訊架構(gòu)、APP開發(fā)等計(jì)算機(jī)技術(shù)與PLC、OPC UA等自動(dòng)化控制技術(shù)形成5G通訊技術(shù)、冶金技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、與自動(dòng)控制技術(shù)的完美結(jié)合。
通過設(shè)立“精鋼云”服務(wù)器、架設(shè)4.9GHz頻段5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、打通一二三四級(jí)網(wǎng)絡(luò)建立云邊端智慧工廠架構(gòu)，建立聲吶、吊車、攝像頭、化驗(yàn)室、MES的通訊接口，開發(fā)與應(yīng)用氧槍、副槍、投料、終點(diǎn)四大冶煉工藝模型，使用PAD經(jīng)由4.9GHz頻段5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)氧槍自動(dòng)、副槍自動(dòng)、投料自動(dòng)、冶煉終點(diǎn)自動(dòng)控制的一鍵智慧煉鋼。
（2）實(shí)施方案
系統(tǒng)建設(shè)主要包括三個(gè)層次四大部分，三個(gè)層次分別是本地執(zhí)行層、生產(chǎn)監(jiān)控層和云端，四大部分分別是一鍵煉鋼（包括鋼包數(shù)據(jù)接口）、轉(zhuǎn)爐監(jiān)控、工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)和智能專家系統(tǒng)。
本地執(zhí)行層以一鍵煉鋼為核心建設(shè)目標(biāo)和系統(tǒng)支撐，分為聲吶氧槍控制系統(tǒng)、副槍自動(dòng)控制系統(tǒng)、自學(xué)習(xí)下料系統(tǒng)、智能終點(diǎn)控制系統(tǒng)四部分；同時(shí)實(shí)現(xiàn)與聲吶系統(tǒng)、吊車系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對接。
生產(chǎn)監(jiān)控層包括轉(zhuǎn)爐監(jiān)控系統(tǒng)和工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)兩大部分：
轉(zhuǎn)爐監(jiān)控系統(tǒng)：主要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)控制和狀態(tài)監(jiān)視，同時(shí)作為專家系統(tǒng)的本地端，既可以由系統(tǒng)設(shè)置為專家系統(tǒng)直接執(zhí)行分析優(yōu)化后的生產(chǎn)指令，也可以設(shè)置為只為生產(chǎn)操控人員提供操作指導(dǎo)。
工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)：作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)核心，主要包括數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)集控、數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)四大部分功能。數(shù)據(jù)接入即實(shí)現(xiàn)與包括二級(jí)向一級(jí)延伸（傾動(dòng)系統(tǒng)、氧槍系統(tǒng)、副槍系統(tǒng)、料倉系統(tǒng)、煤氣回收系統(tǒng)等）、三級(jí)向四級(jí)延伸（化檢驗(yàn)系統(tǒng)、MES系統(tǒng)等）的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通訊功能；數(shù)據(jù)集控包括聲吶系統(tǒng)，吊車定位系統(tǒng)、鋼水罐定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)的通訊與數(shù)據(jù)處理；數(shù)據(jù)過濾包括數(shù)據(jù)清洗與數(shù)據(jù)整理；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)包括數(shù)據(jù)記錄與參數(shù)維護(hù)。
云端即利用鞍鋼集團(tuán)自動(dòng)化有限公司的“精鋼云”搭建的智慧煉鋼支撐系統(tǒng)，主要功能為煉鋼工業(yè)大數(shù)據(jù)的管理和對本地算法模型進(jìn)行訓(xùn)練優(yōu)化。
主要設(shè)計(jì)范圍包括氧槍自動(dòng)、副槍自動(dòng)、料倉自動(dòng)、終點(diǎn)自動(dòng)四大功能；分為聲吶氧槍控制系統(tǒng)、副槍自動(dòng)控制系統(tǒng)、自學(xué)習(xí)下料系統(tǒng)、智能終點(diǎn)控制系統(tǒng)四部分；
接入設(shè)備包括傾動(dòng)系統(tǒng)、氧槍系統(tǒng)、副槍系統(tǒng)、料倉系統(tǒng)、煤氣回收系統(tǒng)、聲吶系統(tǒng)、吊車定位系統(tǒng)、鋼水罐定位系統(tǒng)、化檢驗(yàn)系統(tǒng)、三級(jí)計(jì)劃系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、吹氬站設(shè)備等。
接入網(wǎng)絡(luò)包括四級(jí)網(wǎng)絡(luò)、三級(jí)網(wǎng)絡(luò)、二級(jí)網(wǎng)絡(luò)、一級(jí)環(huán)網(wǎng)等。
通訊協(xié)議包括TCP/IP、UDP、OPC DA、OPC UA、REST、MQTT、HTTP、WEBSPHERE MQ等；
接入數(shù)據(jù)庫包括SQL SERVER數(shù)據(jù)庫、ORACLE數(shù)據(jù)庫、DATABASE等。
聲吶氧槍控制模塊、副槍自動(dòng)測試模塊、自學(xué)習(xí)投料模塊、智慧終點(diǎn)控制模塊的調(diào)試與應(yīng)用；通過增設(shè)二級(jí)服務(wù)器、工控機(jī)，連接氧槍系統(tǒng)、副槍系統(tǒng)、散料料倉系統(tǒng)、合金料倉系統(tǒng)、聲吶系統(tǒng)、吊車定位系統(tǒng)、鋼水罐定位系統(tǒng)、三級(jí)系統(tǒng)、化檢驗(yàn)系統(tǒng)，通過聲吶氧槍控制模型、副槍自動(dòng)測試模型、自學(xué)習(xí)投料模型、智慧終點(diǎn)控制模型，實(shí)現(xiàn)氧槍、副槍、下料、終點(diǎn)自動(dòng)控制。
聲吶氧槍控制模塊
聲吶氧槍控制模塊由計(jì)算靜態(tài)槍譜、聲吶信號(hào)分析、控制氧槍槍位、控制氧氣流量四部分組成。共分為聲吶模式、靜態(tài)槍譜模式、質(zhì)譜儀模式（預(yù)留）三種控制模式。
l 聲吶模式
聲吶氧槍模塊需要連接聲吶檢測設(shè)備，本模塊機(jī)理為運(yùn)用聲納微機(jī)監(jiān)控裝置對轉(zhuǎn)爐造渣過程的音強(qiáng)變化進(jìn)行現(xiàn)場測定研究分析造渣制度，通過音強(qiáng)信號(hào)的相對模型、噴濺和返干預(yù)警線的自動(dòng)調(diào)節(jié)和確定最佳化渣區(qū)域。
在轉(zhuǎn)爐爐口或煙道中拾取噪聲，并經(jīng)過電子設(shè)備處理，可以提供一個(gè)與爐內(nèi)渣水平有關(guān)的信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)操作者或計(jì)算機(jī)進(jìn)行正確的解釋，作為對轉(zhuǎn)爐吹煉過程的控制。用這種方法進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制下的煉鋼過程可降低鋼鐵料的消耗，減少廢品，縮短吹煉時(shí)間，增加產(chǎn)量。
噪聲源為吹煉噴槍槍嘴處氧氣膨脹發(fā)出的聲音。譜線分析表明，大多數(shù)爐座的曲線峰值出現(xiàn)在低頻范圍內(nèi)(100Hz-500Hz)。實(shí)踐證明特征頻率的聲強(qiáng)與渣面水平有關(guān)。峰值的中心頻率主要取決于轉(zhuǎn)爐的尺寸，以及其他一些現(xiàn)場的共鳴條件和各種干擾源的情況。噪聲強(qiáng)度等級(jí)取決于由爐渣水平面距氧槍口的距離或浸入程度所引起的衰減。在吹煉開始時(shí)噪聲強(qiáng)度很高這與轉(zhuǎn)爐的低渣面相一致，隨著吹煉造渣的進(jìn)行，渣面逐漸升高，噪聲等級(jí)逐漸下降。選出特定轉(zhuǎn)爐吹煉時(shí)能代表渣面變化的“特征”噪聲信號(hào)，濾除和抑制雜散干擾后，經(jīng)聲信號(hào)處理后如果噪聲大幅度下降，操作人員不采用適當(dāng)方式操作，隨之就會(huì)發(fā)生噴濺，大量爐渣從爐口噴出造成鋼鐵料的損失。反之，噪聲等級(jí)在吹煉幾分鐘以后又出現(xiàn)增大的現(xiàn)象，就意味著爐內(nèi)泡沫的減少，即所謂反干現(xiàn)象。這種現(xiàn)象如不采取適當(dāng)?shù)牟僮鞣绞教幚恚斐射撍淖罱K成分的超標(biāo)。
聲吶氧槍模塊通過大數(shù)據(jù)分析與聲吶系統(tǒng)反饋生成動(dòng)態(tài)氧槍槍位、流量控制指令，通過在轉(zhuǎn)爐電氣PLC、儀表PLC編寫氧槍自動(dòng)控制程序及增加通訊接口，實(shí)現(xiàn)氧槍動(dòng)態(tài)自動(dòng)控制；通過動(dòng)態(tài)控制氧槍，減少跑渣或溢渣現(xiàn)象，提高鋼水收得率。
l 靜態(tài)槍譜模式
對于沒有聲吶系統(tǒng)或聲吶系統(tǒng)故障的轉(zhuǎn)爐，在冶煉過程中氧槍通過靜態(tài)槍譜的模式進(jìn)行控制。靜態(tài)槍譜分為經(jīng)驗(yàn)型和大數(shù)據(jù)型兩種控制方式。
經(jīng)驗(yàn)型槍譜是根據(jù)鐵水成份（硅含量、鈦含量等）、鐵水重量、廢鋼重量及廢鋼成份等入爐原料情況，精確計(jì)算轉(zhuǎn)爐材料總體情況，選擇適合的氧槍譜模型，通過DBLC液位計(jì)算模型及靜態(tài)槍譜模型生成氧槍靜態(tài)控制槍譜，通過在轉(zhuǎn)爐電氣PLC、儀表PLC編寫氧槍自動(dòng)控制程序及增加通訊接口，對氧槍進(jìn)行自動(dòng)控制。
l 質(zhì)譜儀模式（預(yù)留）
對于有質(zhì)譜儀的轉(zhuǎn)爐，可選擇質(zhì)譜儀模式動(dòng)態(tài)控制氧槍操作。由于質(zhì)譜儀系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的分析煙氣成份，結(jié)合煙氣流量可測算出轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)的碳氧反應(yīng)速率。根據(jù)大數(shù)據(jù)求出轉(zhuǎn)爐冶煉各階段的理想反應(yīng)速率，并確定跑渣與返干的速率區(qū)間，通過質(zhì)譜儀模型，在轉(zhuǎn)爐電氣PLC、儀表PLC編寫氧槍自動(dòng)控制程序及增加通訊接口動(dòng)態(tài)控制氧槍，使轉(zhuǎn)爐脫碳反應(yīng)速度保持在理想脫碳曲線區(qū)間內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐氧槍動(dòng)態(tài)自動(dòng)控制，達(dá)到減少跑渣與返干現(xiàn)象的發(fā)生，提高鋼水收得率，穩(wěn)定鋼水成份的作用。
副槍自動(dòng)測試模塊
副槍自動(dòng)測試模塊由探頭種類選擇、探頭自動(dòng)安裝、TSC自動(dòng)測試、TSO自動(dòng)測試四部分組成。
副槍是重要的轉(zhuǎn)爐冶煉檢測設(shè)備，是一鍵煉鋼的重要組成部分，每爐鋼水的冶煉通常需要TSC、TSO兩次副槍測試；TSC測試需要在吹氧開始時(shí)，首先選擇TSC探頭倉，安裝TSC探頭，在吹氧過程中，當(dāng)副槍自動(dòng)測試模型發(fā)出測試指令時(shí)，自動(dòng)調(diào)整氧槍槍位與氧氣流量至測量氧槍槍位與測量氧氣流量，副槍根據(jù)速度目標(biāo)曲線調(diào)整副槍槍位至將副槍探頭插入鋼水中設(shè)定插入深度，靜置至賀利氏儀表檢測出鋼水溫度與鋼水結(jié)晶溫度兩個(gè)溫度信號(hào)號(hào)，將副槍抬出爐口，并自動(dòng)旋轉(zhuǎn)并自動(dòng)退掉TSC探頭后，自動(dòng)安裝TSO探頭，并旋轉(zhuǎn)至測量位，待冶煉結(jié)束后，副槍自動(dòng)測試模型判斷鋼水靜置時(shí)間達(dá)到目標(biāo)靜置時(shí)間后，啟動(dòng)副槍TSO測試，將副槍降至副槍探頭達(dá)到目標(biāo)鋼水插入深度，賀利氏儀表檢測出鋼水溫度、鋼水氧電動(dòng)勢后，自動(dòng)將副槍抬出爐口，并退掉TSO探頭。
自學(xué)習(xí)投料模塊
自學(xué)習(xí)投料模塊由自學(xué)習(xí)參數(shù)、堿鎂平衡計(jì)算、熱平衡計(jì)算、料倉自動(dòng)控制四部分組成。通過大數(shù)據(jù)分析與專家模型確定自學(xué)習(xí)參數(shù)；通過堿鎂平衡計(jì)算確定熔劑種類及加入量；通過熱平衡計(jì)算確定降溫材料或升溫材料加入量；通過料倉自動(dòng)控制將各熔劑與降溫材料或升溫材料通過模擬人工手動(dòng)加入方式，多批次小批量適時(shí)加入爐內(nèi)；
通過在轉(zhuǎn)爐電氣PLC、儀表PLC編寫料倉閥門、稱量斗、匯總斗等設(shè)備自動(dòng)控制程序及增加通訊接口，實(shí)現(xiàn)料倉系統(tǒng)自動(dòng)控制；通過計(jì)算機(jī)計(jì)算，取代人工計(jì)算，提高計(jì)算精度，通過增加粘度設(shè)計(jì)，可有效保護(hù)爐襯，提高轉(zhuǎn)爐爐齡，延長轉(zhuǎn)爐底吹壽命，降低鋼鐵料成本。
智能終點(diǎn)控制模塊
智能終點(diǎn)控制模塊由計(jì)算冶煉目標(biāo)，計(jì)算實(shí)時(shí)碳溫，料倉自動(dòng)控制，終點(diǎn)自動(dòng)控制四個(gè)部分組成。
模塊在副槍TSC測試時(shí)啟動(dòng)運(yùn)行，首先根據(jù)三級(jí)IBM WEBSPHERE MQ協(xié)議發(fā)送的冶煉計(jì)劃電文及鋼水罐定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，計(jì)算冶煉目標(biāo)溫度與目標(biāo)碳含量；根據(jù)副槍TSC測試熔池溫度與結(jié)晶溫度、吹氧量等數(shù)據(jù)計(jì)算實(shí)時(shí)碳溫曲線；根據(jù)冶煉目標(biāo)與實(shí)時(shí)碳溫趨勢控制料倉自動(dòng)加料；
通過七段論轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)控制法生成轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)操作指令，通過在轉(zhuǎn)爐電氣PLC、儀表PLC編寫轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制程序及增加通訊接口，實(shí)現(xiàn)冶煉終點(diǎn)自動(dòng)控制；七段論包含了轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)可能出現(xiàn)的七種狀態(tài)，各種狀態(tài)都給出合理的解決方案，可實(shí)現(xiàn)任何情況下最理想的碳溫平衡輸出結(jié)果。
HMI人機(jī)界面
HMI人機(jī)界面包括生產(chǎn)控制和狀態(tài)監(jiān)視。包括對氧槍控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)定、副槍測試過程測試時(shí)機(jī)設(shè)定、冶煉終點(diǎn)判斷原則設(shè)定、終點(diǎn)測試等候時(shí)間設(shè)定等參數(shù)設(shè)定。HMI人機(jī)界面包括氧槍吹氧過程曲線、聲吶曲線、副槍測試氧副槍聯(lián)動(dòng)曲線、冶煉后吹時(shí)段碳溫升溫曲線等冶煉數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)視。
專家指導(dǎo)
專家指導(dǎo)系統(tǒng)包括決策指導(dǎo)與閉環(huán)控制兩種模式。當(dāng)操作人員選擇手動(dòng)操作時(shí)，專家指導(dǎo)系統(tǒng)將給出推薦計(jì)算結(jié)果，為操作人員提供決策指導(dǎo)；當(dāng)操作人員選擇自動(dòng)控制模式時(shí)，智慧煉鋼系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)狀態(tài)自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行，自動(dòng)進(jìn)行氧槍、副槍、料倉及冶煉終點(diǎn)自動(dòng)生產(chǎn)控制。
數(shù)據(jù)接入
一二級(jí)系統(tǒng)接口：在一鍵煉鋼服務(wù)器上建設(shè)基于OPC UA通訊協(xié)議的一二級(jí)數(shù)據(jù)集控平臺(tái)，電氣PLC、儀表PLC、煤氣PLC、合金PLC、副槍PLC等通過工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議集控在數(shù)據(jù)集控平臺(tái)，二級(jí)系統(tǒng)通過OPC UA協(xié)議與數(shù)字孿生技術(shù)與數(shù)據(jù)集控平臺(tái)通訊。
三四級(jí)系統(tǒng)接口：建設(shè)三四級(jí)通訊的IBM WEBSPHERE MQ數(shù)據(jù)通訊隊(duì)列管理器，設(shè)計(jì)三四級(jí)通訊電文接口，編寫通訊程序，將MQ隊(duì)列管理器數(shù)據(jù)寫入SQL數(shù)據(jù)庫對應(yīng)數(shù)據(jù)表，實(shí)現(xiàn)與三四級(jí)通訊。
數(shù)據(jù)集控
聲吶數(shù)據(jù)集控：通過增設(shè)網(wǎng)線將聲吶儀表接入煉鋼網(wǎng)絡(luò)，與聲吶廠家聯(lián)合開發(fā)聲吶系統(tǒng)通訊接口，建設(shè)MICROSOFT SQL SERVER數(shù)據(jù)庫將聲吶數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫。通過ODBC+OPC UA技術(shù)將聲吶信號(hào)接入數(shù)據(jù)集控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)聲吶數(shù)據(jù)接入智慧煉鋼系統(tǒng)。
吊車數(shù)據(jù)集控：通過增設(shè)網(wǎng)線將吊車系統(tǒng)接入煉鋼網(wǎng)絡(luò)，與吊車廠家聯(lián)合開發(fā)吊車系統(tǒng)通訊接口，建設(shè)MICROSOFT SQL SERVER數(shù)據(jù)庫將吊車數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫。通過ODBC+OPC UA技術(shù)將吊車信號(hào)接入數(shù)據(jù)集控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)吊車數(shù)據(jù)接入智慧煉鋼系統(tǒng)。
數(shù)據(jù)清洗
通過高效的過濾處理，將抽取各環(huán)節(jié)的有效數(shù)據(jù)，將生產(chǎn)過程中的分散、零亂、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的數(shù)據(jù)整合到一起，將設(shè)備故障、儀表故障、人為操作失誤等造成的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，避免對自動(dòng)生產(chǎn)控制產(chǎn)生影響，為數(shù)據(jù)分析提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
數(shù)據(jù)整理
數(shù)據(jù)的抽取、轉(zhuǎn)換、裝載是構(gòu)建數(shù)據(jù)倉庫的重要環(huán)節(jié)。大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)與生產(chǎn)車間的一二級(jí)系統(tǒng)、三四級(jí)系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)、檢化驗(yàn)系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行全面對接，收集所有工序的生產(chǎn)、控制、工藝、能源介質(zhì)、設(shè)備運(yùn)行、質(zhì)量參數(shù)等數(shù)據(jù)及圖像視頻資料。系統(tǒng)將這些多源、多類型數(shù)據(jù)經(jīng)過整理轉(zhuǎn)換形成統(tǒng)一可用的數(shù)據(jù)格式。
數(shù)據(jù)記錄
采用海量數(shù)據(jù)倉庫管理及分布式數(shù)據(jù)處理技術(shù)，不但提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和存取效率，而且易于擴(kuò)展。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)機(jī)制通過多節(jié)點(diǎn)的冗余處理有效保障了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全。先進(jìn)的流處理技術(shù)使得系統(tǒng)具備高速的數(shù)據(jù)采集能力，滿足鋼鐵企業(yè)各生產(chǎn)車間，尤其是毫秒級(jí)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)需求。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后形成數(shù)據(jù)湖，為數(shù)據(jù)挖掘，工藝改進(jìn)，生產(chǎn)問題查詢，模型優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
參數(shù)維護(hù)
采用數(shù)據(jù)集控平臺(tái)與數(shù)據(jù)庫的數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)煉鋼冶煉參數(shù)與數(shù)據(jù)傳遞，不但提高了系統(tǒng)的可靠性，而且提高了大數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳遞效率。先進(jìn)的流處理技術(shù)使得系統(tǒng)具備高速的數(shù)據(jù)傳遞能力，滿足HMI人機(jī)界面、一鍵煉鋼模型、云端的參數(shù)運(yùn)算需求。
在本地系統(tǒng)中利用算法工具建立各執(zhí)行層控制模塊的生產(chǎn)及工藝模型，這些模型是參與生產(chǎn)控制的核心模塊，同時(shí)為了提高模型精度，系統(tǒng)將在云端通過歷史數(shù)據(jù)對算法模型進(jìn)行不斷優(yōu)化驗(yàn)證后，形成新的參數(shù)，通過數(shù)字孿生技術(shù)返回給本地系統(tǒng)中，從而反復(fù)提高算法模型的適用性和準(zhǔn)確度。
大數(shù)據(jù)管理
收集所有工序的生產(chǎn)、控制、工藝、能源介質(zhì)、設(shè)備運(yùn)行、質(zhì)量參數(shù)等數(shù)據(jù)資料。系統(tǒng)將這些多源、多類型數(shù)據(jù)經(jīng)過清洗和轉(zhuǎn)換形成統(tǒng)一格式存入數(shù)據(jù)倉庫。
收集訂單、技術(shù)協(xié)議、產(chǎn)品質(zhì)量、原料成本數(shù)據(jù)形成鋼鐵產(chǎn)品全生命周期大數(shù)據(jù)，收集煉鐵、預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐、氬站、精煉、連鑄煉鋼生產(chǎn)全工序大數(shù)據(jù)，為后期數(shù)據(jù)挖掘、模型開發(fā)提供數(shù)據(jù)湖。
模型優(yōu)化系統(tǒng)
在大數(shù)據(jù)湖的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)挖掘，利用云端的算力優(yōu)勢，進(jìn)行智能煉鋼參數(shù)自優(yōu)化計(jì)算。通過云邊數(shù)字孿生技術(shù)，進(jìn)行智慧煉鋼系統(tǒng)參數(shù)動(dòng)態(tài)更新，實(shí)現(xiàn)智慧煉鋼生產(chǎn)工藝參數(shù)在線動(dòng)態(tài)優(yōu)化。
質(zhì)量判定系統(tǒng)
利用大數(shù)據(jù)湖對影響鋼種質(zhì)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)鋼種作業(yè)指導(dǎo)書，對轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工序質(zhì)量進(jìn)行預(yù)判，對操作工提出操作建議。
指標(biāo)分析系統(tǒng)
利用大數(shù)據(jù)湖對影響成本的鋼鐵料、白灰單耗、氧氣單耗等指標(biāo)進(jìn)行分析，當(dāng)指標(biāo)異常時(shí)，通過HMI畫面及聲音報(bào)警等方式對操作工進(jìn)行提示。
2. 網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)或安全互聯(lián)架構(gòu)
2.1 本地系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
本地系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要設(shè)計(jì)范圍包括氧槍自動(dòng)、副槍自動(dòng)、料倉自動(dòng)、終點(diǎn)自動(dòng)四大功能；分為聲吶氧槍控制系統(tǒng)、副槍自動(dòng)控制系統(tǒng)、自學(xué)習(xí)下料系統(tǒng)、智能終點(diǎn)控制系統(tǒng)四部分；
接入設(shè)備包括傾動(dòng)系統(tǒng)、氧槍系統(tǒng)、副槍系統(tǒng)、料倉系統(tǒng)、煤氣回收系統(tǒng)、聲吶系統(tǒng)、吊車定位系統(tǒng)、鋼水罐定位系統(tǒng)、化檢驗(yàn)系統(tǒng)、三級(jí)計(jì)劃系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、吹氬站設(shè)備等。
接入網(wǎng)絡(luò)包括四級(jí)網(wǎng)絡(luò)、三級(jí)網(wǎng)絡(luò)、二級(jí)網(wǎng)絡(luò)、一級(jí)環(huán)網(wǎng)等。
通訊協(xié)議包括TCP/IP、UDP、OPC DA、OPC UA、REST、MQTT、HTTP、WEBSPHERE MQ等；
接入數(shù)據(jù)庫包括SQL SERVER數(shù)據(jù)庫、ORACLE數(shù)據(jù)庫、DATABASE等。
聲吶氧槍控制模塊、副槍自動(dòng)測試模塊、自學(xué)習(xí)投料模塊、智慧終點(diǎn)控制模塊的調(diào)試與應(yīng)用；通過增設(shè)二級(jí)服務(wù)器、工程機(jī)，連接氧槍系統(tǒng)、副槍系統(tǒng)、散料料倉系統(tǒng)、合金料倉系統(tǒng)、聲吶系統(tǒng)、吊車定位系統(tǒng)、鋼水罐定位系統(tǒng)、三級(jí)系統(tǒng)、化檢驗(yàn)系統(tǒng)，通過聲吶氧槍控制模型、副槍自動(dòng)測試模型、自學(xué)習(xí)投料模型、智慧終點(diǎn)控制模型，實(shí)現(xiàn)氧槍、副槍、下料、終點(diǎn)自動(dòng)控制的一鍵煉鋼生產(chǎn)方式。
圖13網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖
3. 具體應(yīng)用場景和應(yīng)用模式
鋼鐵制造是典型的長流程工業(yè)，生產(chǎn)工序眾多，工藝流程復(fù)雜，大型設(shè)備集中，且工藝參數(shù)繁多，多參數(shù)間耦合性強(qiáng)。我國各鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)均存放在各工序獨(dú)立的一二級(jí)與三四級(jí)系統(tǒng)中。由于數(shù)據(jù)架構(gòu)、技術(shù)平臺(tái)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)的局限，使得日累計(jì)達(dá)上百GB的生產(chǎn)數(shù)據(jù)形成信息孤島，無法共享、融合，更有大量諸如視頻、圖片的非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)無法被利用參與分析。
煉鋼總廠五號(hào)線于2015年1月16日建設(shè)投產(chǎn)，采購了武漢自動(dòng)化公司副槍設(shè)備、鐳目公司聲吶檢測設(shè)備（RM-200S多頻段音頻分析儀）、余姚太平洋公司吊車定位與鋼水罐定位設(shè)備、遼寧光電公司下渣檢測設(shè)備、鞍鋼集團(tuán)自動(dòng)化有限公司PLC及集控設(shè)備等。
由于供貨廠商繁多，設(shè)計(jì)范圍、通訊標(biāo)準(zhǔn)各不相同，導(dǎo)致聲吶設(shè)備、吊車稱重設(shè)備、鋼水罐定位設(shè)備、化檢驗(yàn)設(shè)備等各自獨(dú)立運(yùn)行，未實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及時(shí)互聯(lián)互通。
其它使用的煉鋼各系統(tǒng)存在問題如下：
1、信息孤島化：由于聲吶、吊車、副槍、氧槍、料倉等設(shè)備網(wǎng)絡(luò)不通，冶煉系統(tǒng)不能接收聲吶數(shù)據(jù)；不能自動(dòng)接收三級(jí)計(jì)劃（接收不到冶煉目標(biāo)）；不能自動(dòng)接收三級(jí)作業(yè)指導(dǎo)書（接收不到合金目標(biāo)）；不能自動(dòng)采集鐵水罐號(hào)、成份、溫度，廢鋼槽號(hào)、重量等信息（無法收到鋼鐵料數(shù)據(jù)）；由于網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，不能及時(shí)接收化檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，各系統(tǒng)皆為信息孤島；
2、人機(jī)界面不友好：吹煉開始前，需要操作工人錄入百余項(xiàng)數(shù)據(jù)，在現(xiàn)場操作工人減員的情況下，冶煉系統(tǒng)無法投入運(yùn)行；吹煉開始后，收到正確的入爐材料信息也不能自動(dòng)修正模型運(yùn)算；數(shù)據(jù)時(shí)延長，生產(chǎn)節(jié)奏快，冶煉系統(tǒng)無法投入運(yùn)行；
3、氧槍不能動(dòng)態(tài)控制：氧槍只有固定槍譜，沒有動(dòng)態(tài)控制。跑渣返干現(xiàn)象嚴(yán)重，鋼鐵料損失大，成本高，鋼水質(zhì)量合格率低，不滿足鞍鋼成本質(zhì)量要求；
4、下料系統(tǒng)不能加料：二級(jí)系統(tǒng)有時(shí)啟動(dòng)計(jì)算有熔劑值，有時(shí)不計(jì)算沒有熔劑值；下料操作有時(shí)閥門動(dòng)作有時(shí)不動(dòng)作（實(shí)際熔劑加入量與計(jì)算量不一致，存在丟料現(xiàn)象）；TSC測試結(jié)果后，只能自動(dòng)加入一種降溫材料（當(dāng)TSC溫度高時(shí)，加料不及時(shí)，不能滿足生產(chǎn)需要）；
5、終點(diǎn)控制過氧化：終點(diǎn)溫度控制不準(zhǔn)確（當(dāng)碳含量低時(shí)經(jīng)常造成鋼水嚴(yán)重過氧化，損害轉(zhuǎn)爐爐襯，可引發(fā)安全事故；
6、參數(shù)維護(hù)不及時(shí)：煉鋼工藝是隨著原材料成本及客戶要求變化而變化的，需要持續(xù)的技術(shù)支持與維護(hù)服務(wù)，武漢公司不能根據(jù)現(xiàn)場工藝變化及時(shí)計(jì)算和修正工藝參數(shù)，現(xiàn)場沒有專職參數(shù)維護(hù)工程師，不能及時(shí)調(diào)整參數(shù)，因而未能應(yīng)用一鍵煉鋼。
建設(shè)切入點(diǎn)
煉鋼作為鋼鐵行業(yè)的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，國內(nèi)各大鋼廠近三年來紛紛開展智能制造的相關(guān)項(xiàng)目建設(shè)工作，以寶鋼“一鍵煉鋼”為代表，沙鋼、首鋼陸續(xù)開展和建設(shè)了各自的一鍵煉鋼等智能制造項(xiàng)目。在煉鋼生產(chǎn)環(huán)節(jié)，各家智能制造的發(fā)力點(diǎn)基本圍繞以下幾點(diǎn)，包括：生產(chǎn)集控、黑燈工廠、一鍵煉鋼、中包智能操作、無人坯廠、鋼包跟蹤等。上述這些方面基本都處在起步或確定初步成果的狀態(tài)。
2017年鞍鋼正式開啟了兩化融合、智能制造項(xiàng)目開始大規(guī)模建設(shè)。2019年鞍鋼股份決定將煉鋼5#線全線打造成為智慧煉鋼示范工廠。
開發(fā)環(huán)節(jié)
氧槍系統(tǒng)改造
采集接口：增加氧槍PLC數(shù)據(jù)通訊,包括氧槍絕對高度、氧槍實(shí)際槍位、熔池深度、氧氣實(shí)際流量、氧閥狀態(tài)、氮?dú)鈱?shí)際流量、氮閥狀態(tài)等數(shù)據(jù)通訊接口；
控制接口：增加氧槍自動(dòng)模式、氧槍吹煉模式、氧槍濺渣模式、氧槍吹煉點(diǎn)、氧槍等候點(diǎn)、氧槍上極限點(diǎn)、氧槍設(shè)定槍位、氧氣設(shè)定流量、氮?dú)庠O(shè)定流量控制信號(hào)通訊接口；
PLC編程：在氧槍半自動(dòng)模式基礎(chǔ)上，增加兩種氧槍自動(dòng)控制模式；
自動(dòng)吹煉：當(dāng)氧槍自動(dòng)模式、氧槍吹煉模式、氧槍吹煉點(diǎn)信號(hào)同時(shí)為開時(shí)，氧槍自動(dòng)降槍到氧槍設(shè)定槍位、開啟氧氣閥門并PID調(diào)節(jié)氧氣實(shí)際流量至氧氣設(shè)定流量；
自動(dòng)濺渣：當(dāng)氧槍自動(dòng)模式、氧槍濺渣模式、氧槍吹煉點(diǎn)信號(hào)同時(shí)為開時(shí)，氧槍自動(dòng)降槍到氧槍設(shè)定槍位、開啟氮?dú)忾y門并PID調(diào)節(jié)氮?dú)鈱?shí)際流量至氮?dú)庠O(shè)定流量；
槍位控制：當(dāng)氧槍設(shè)定槍位小于氧槍實(shí)際槍位時(shí)，啟動(dòng)氧槍下降控制；當(dāng)氧槍設(shè)定槍位大于氧槍實(shí)際槍位時(shí)，啟動(dòng)氧槍上升控制；
氧氣流量控制：當(dāng)氧槍設(shè)定流量小于氧槍實(shí)際流量時(shí)，啟動(dòng)閥開度增大PID控制；當(dāng)氧槍設(shè)定流量大于氧槍實(shí)際流量時(shí)，啟動(dòng)閥開度減小PID控制；
氮?dú)饬髁靠刂疲寒?dāng)?shù)獦屧O(shè)定流量小于氮槍實(shí)際流量時(shí)，啟動(dòng)氮?dú)忾y開度增大PID控制；當(dāng)?shù)獦屧O(shè)定流量大于氮槍實(shí)際流量時(shí)，啟動(dòng)氮?dú)忾y開度減小PID控制；
副槍系統(tǒng)改造
采集接口：增加副槍PLC數(shù)據(jù)通訊,包括熔池溫度值、結(jié)晶溫度值、氧電勢值等數(shù)據(jù)通訊接口；
控制接口：增加副槍自動(dòng)模式、探頭倉選擇、副槍連接周期、副槍測量周期等控制信號(hào)通訊接口；
當(dāng)副槍在待機(jī)位轉(zhuǎn)爐氧槍吹氧開始時(shí)，選擇TSC探頭倉打開，當(dāng)探頭下降至旋轉(zhuǎn)位時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)柜手臂，將探頭旋轉(zhuǎn)90度。將副槍高度下降至裝探頭高度，檢測探頭導(dǎo)通信號(hào)，導(dǎo)通成功后，抬至旋轉(zhuǎn)位，并將副槍槍架旋轉(zhuǎn)至測量位；
當(dāng)收到副槍自動(dòng)測試模型測量命令后，將副槍下降至探頭插入深度達(dá)到目標(biāo)值，并將賀利氏儀表檢測結(jié)果發(fā)送給副槍自動(dòng)測試模型接口；將副槍抬出爐口并退掉TSC探頭；
將TSO探頭倉打開，探頭下降至旋轉(zhuǎn)位時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)柜手臂，將探頭旋轉(zhuǎn)90度。將副槍高度下降至裝探頭高度，檢測探頭導(dǎo)通信號(hào)，導(dǎo)通成功后，抬至旋轉(zhuǎn)位，并將副槍槍架旋轉(zhuǎn)至測量位；
當(dāng)收到副槍自動(dòng)測試模型測量命令后，將副槍下降至探頭插入深度達(dá)到目標(biāo)值，并將賀利氏儀表檢測結(jié)果發(fā)送給副槍自動(dòng)測試模型接口；將副槍抬出爐口并退掉TSO探頭。
下料系統(tǒng)改造
采集接口：增加料倉PLC數(shù)據(jù)通訊,包括各料倉稱量值、匯總值、爐內(nèi)值、稱量信號(hào)、振動(dòng)器、翻板閥信號(hào)等數(shù)據(jù)通訊接口；
控制接口：增加各料倉稱量目標(biāo)值、稱量控制接口、匯總閥控制接口等控制信號(hào)通訊接口；
增設(shè)下料自動(dòng)模式，當(dāng)下料自動(dòng)模式且收到自學(xué)習(xí)投料模型下達(dá)各料倉稱量目標(biāo)值時(shí)，將各料倉稱量目標(biāo)值寫入PLC各料倉稱量目標(biāo)值；
當(dāng)下料自動(dòng)模式且收到自學(xué)習(xí)投料模型下達(dá)稱量控制信號(hào)時(shí)，將振動(dòng)器啟動(dòng)，當(dāng)各料倉稱量重量達(dá)到設(shè)定目標(biāo)值時(shí)，振動(dòng)器停止，并打開稱量斗，散料進(jìn)入?yún)R總斗后，關(guān)閉稱量斗開關(guān)，并將料倉稱量目標(biāo)值清零；
當(dāng)下料自動(dòng)模式且收到自學(xué)習(xí)投料模型下達(dá)匯總控制信號(hào)時(shí)，將匯總斗打開，延時(shí)一定時(shí)間后，自動(dòng)關(guān)閉。
聲吶系統(tǒng)改造
采集接口：增加聲吶系統(tǒng)通訊,包括吹氧信息、加料信息、聲吶頻率等數(shù)據(jù)通訊接口；
控制接口：增加聲吶啟動(dòng)控制、反沖洗啟停控制通訊接口；
當(dāng)吹煉開始時(shí)，將聲吶系統(tǒng)啟動(dòng)，聲吶頻率信號(hào)通過數(shù)據(jù)接口傳輸?shù)綌?shù)據(jù)共享平臺(tái)；當(dāng)吹煉檢測結(jié)束后，啟動(dòng)氮?dú)夥礇_洗裝置。
吊車系統(tǒng)改造
采集接口：通過與廠家合作，建立天車定位和鋼包定位系統(tǒng)通訊,編寫數(shù)據(jù)采集軟件，實(shí)現(xiàn)廢鋼入爐量采集、鐵水/回爐鋼入爐量采集、出鋼重量采集、澆鑄重量采集；為煉鋼工序鋼鐵料分析與控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
廢鋼入爐量采集
吊廢鋼槽的數(shù)據(jù)采集以天車電子秤為準(zhǔn)。天車吊起廢鋼槽向爐前運(yùn)行，當(dāng)行駛到轉(zhuǎn)爐位置向轉(zhuǎn)爐加廢鋼時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)讀卡器讀到的標(biāo)簽信息判斷出爐座號(hào)，根據(jù)重量減小變化判斷出天車向轉(zhuǎn)爐加了廢鋼。取加之前的重量減去加之后的重量，得到入爐廢鋼重量。保存的數(shù)據(jù)有熔煉號(hào)、爐座號(hào)、天車、入爐時(shí)間、毛重、皮重、廢鋼重量。
鐵水/回爐鋼入爐量采集
鐵水天車吊著滿包鐵水向爐前運(yùn)行，當(dāng)行駛到轉(zhuǎn)爐位置向轉(zhuǎn)爐加鐵水時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)讀卡器讀到的標(biāo)簽信息判斷出爐座號(hào)，根據(jù)重量減小的變化判斷出天車向轉(zhuǎn)爐加了鐵水。取加之前的重量減去加之后的重量，得到鐵水重量。鐵水和回爐鋼增加一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)區(qū)分。保存的數(shù)據(jù)有熔煉號(hào)、爐座號(hào)、天車、入爐時(shí)間、毛重、皮重、鐵水重量。
出鋼重量采集
出鋼跨天車從空包區(qū)吊起一個(gè)空包，到達(dá)某一個(gè)轉(zhuǎn)爐位置放空包。系統(tǒng)檢測到轉(zhuǎn)爐位置、小車位置和重量變化，采集空包重量。轉(zhuǎn)爐出鋼后，天車從鋼包車上吊起滿包，系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)爐位置、小車位置和重量變化，采集滿包重量，滿包重量減去空包重量得到出鋼重量。保存的數(shù)據(jù)有熔煉號(hào)、爐座號(hào)、空包時(shí)間、空包天車、空包重量、滿包時(shí)間、滿包天車、滿包重量、鋼水重量。
澆鑄重量采集
天車從轉(zhuǎn)爐鋼包車或其它地方吊起的包，吊到鑄機(jī)位置放到大包回轉(zhuǎn)臺(tái)上，系統(tǒng)檢測到鑄機(jī)位置、小車位置和重量變化，采集上機(jī)重量。下機(jī)時(shí)根據(jù)信號(hào)變化采集下機(jī)重量，上機(jī)重量與下機(jī)重量相減得到澆鑄重量。這樣采集的上機(jī)和下機(jī)可能不是同一個(gè)罐，如果要得到每一罐的澆鑄重量，則需要加鋼包號(hào)識(shí)別系統(tǒng)。保存的數(shù)據(jù)有熔煉號(hào)、爐座號(hào)、上機(jī)時(shí)間、上機(jī)天車、上機(jī)重量、下機(jī)時(shí)間、下機(jī)天車、下機(jī)重量、澆鑄重量。
通過設(shè)立“精鋼云”服務(wù)器、架設(shè)4.9GHz頻段5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、打通一二三四級(jí)網(wǎng)絡(luò)建立云邊端智慧工廠架構(gòu)，建立聲吶、吊車、攝像頭、化驗(yàn)室、MES的通訊接口，開發(fā)與應(yīng)用氧槍、副槍、投料、終點(diǎn)四大冶煉工藝模型，使用PAD經(jīng)由4.9GHz頻段5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)氧槍自動(dòng)、副槍自動(dòng)、投料自動(dòng)、冶煉終點(diǎn)自動(dòng)控制的一鍵智慧煉鋼。
4. 安全及可靠性
“精鋼云”：鞍鋼集團(tuán)自動(dòng)化有限公司數(shù)據(jù)中心，位于鞍鋼廠區(qū)內(nèi)。
5G設(shè)備：4.9GHz頻段5G設(shè)備由中興公司研發(fā)，保證數(shù)據(jù)安全。
5G網(wǎng)絡(luò)：5G私有云工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為中國移動(dòng)公司設(shè)計(jì)及組網(wǎng)，數(shù)據(jù)不出廠。
數(shù)學(xué)模型：鞍鋼集團(tuán)自動(dòng)化有限公司開發(fā)，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
數(shù)據(jù)可靠：生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過OPCUA存儲(chǔ)在精鋼云服務(wù)器上。
5. 其他亮點(diǎn)
國外引進(jìn) | 國內(nèi)先進(jìn) | 智慧煉鋼系統(tǒng)亮點(diǎn) | |
氧槍自動(dòng) | 靜態(tài)槍譜 （跑渣、返干嚴(yán)重） | 靜態(tài)槍譜 （跑渣、返干嚴(yán)重） | 自學(xué)習(xí)槍譜+質(zhì)譜儀/聲吶動(dòng)態(tài)控制 （有效減少跑渣返干） |
副槍自動(dòng) | 按氧控制（碳控制不準(zhǔn)） 氧副槍簡單聯(lián)動(dòng)（測成率較一般） | 按氧控制（碳控制不準(zhǔn)） 氧副槍不聯(lián)動(dòng)（測成率低） | 按碳控制（碳自優(yōu)化控制） 氧副槍預(yù)動(dòng)作聯(lián)動(dòng)（測成率高） |
下料自動(dòng) | 2批量（不準(zhǔn)確） 靜態(tài)料譜（計(jì)算1次） | 20批料（不動(dòng)作） 靜態(tài)料譜（計(jì)算1次） | 每料斗5批料（精準(zhǔn)控制） 實(shí)時(shí)計(jì)算+動(dòng)態(tài)稱量+智能投料 |
終點(diǎn)自動(dòng) | 副槍+質(zhì)譜儀（維護(hù)成本高） | 副槍（過氧化嚴(yán)重） | 副槍+質(zhì)譜儀（可選）+七段論（碳溫協(xié)調(diào)） |
數(shù)據(jù)采集 | 自動(dòng)（人工補(bǔ)充數(shù)據(jù)20余項(xiàng)） | 手動(dòng)（人工錄入數(shù)據(jù)60余項(xiàng)） | 全自動(dòng)（無人工錄入） |
升級(jí)維護(hù) | 仍用2004年系統(tǒng)，無法升級(jí) | 沒有維護(hù)，無法升級(jí) | 鞍鋼自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，持續(xù)升級(jí) 精鋼云冗余計(jì)算，7*24 貼身服務(wù) |
三、下一步實(shí)施計(jì)劃
中國移動(dòng)為4.9GHz頻段5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)運(yùn)營商，中興公司為4.9GHz頻段5G設(shè)備制造商，隨著4.9GHz頻段5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的推廣與普及，聯(lián)手推廣5G+智慧煉鋼系統(tǒng)。
鞍鋼集團(tuán)自動(dòng)化有限公司擁有20多年的轉(zhuǎn)爐建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，主持參與了國內(nèi)200余座轉(zhuǎn)爐建設(shè)項(xiàng)目，是轉(zhuǎn)爐自動(dòng)化建設(shè)領(lǐng)域資深企業(yè)， 5G+智慧煉鋼系統(tǒng)作為鞍鋼集團(tuán)自動(dòng)化公司的最新煉鋼自動(dòng)化產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)期間，已有一些鋼廠提出合作意向，下一步準(zhǔn)備開展商務(wù)洽談。
按照公司領(lǐng)導(dǎo)安排，下一步與中興等OEM公司聯(lián)合開發(fā)5G儀表與工業(yè)設(shè)備。朝陽鋼鐵公司已將智慧煉鋼建設(shè)寫入十四五規(guī)劃，已開展前期商務(wù)與技術(shù)洽談。
四、項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)和實(shí)施效果
1. 項(xiàng)目先進(jìn)性及創(chuàng)新點(diǎn)
本項(xiàng)目為4.9GHz頻段5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)首次工業(yè)應(yīng)用，代表我國4.9GHz頻段5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域率先實(shí)現(xiàn)突破。
代表我國率先建成由 “精鋼云”云計(jì)算實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制的智慧煉鋼工廠，率先完成由一二三四級(jí)架構(gòu)向云邊端架構(gòu)轉(zhuǎn)變的現(xiàn)代工業(yè)革命。
代表鞍鋼作為共和國工業(yè)長子積極踐行國家“新基建”戰(zhàn)略，在5G、云計(jì)算、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造等國家戰(zhàn)略方面引領(lǐng)鋼鐵行業(yè)新技術(shù)的發(fā)展。
該項(xiàng)目由鞍鋼集團(tuán)自動(dòng)化公司、中國移動(dòng)、中興公司共同實(shí)施，從此我國擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全套5G+智慧煉鋼系統(tǒng)，代表煉鋼生產(chǎn)邁入AI時(shí)代。
2. 實(shí)施效果
解決痛點(diǎn)
通過5G等通訊技術(shù)將聲吶、吊車等信息孤島與“精鋼云”高速連接，同時(shí)解決了非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的傳輸問題，通過大數(shù)據(jù)處理更精準(zhǔn)的識(shí)別轉(zhuǎn)爐的工作狀態(tài)，云計(jì)算強(qiáng)大的算力支持，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)精確生產(chǎn)控制。解決了鋼鐵冶煉無法精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)控制的問題。
經(jīng)濟(jì)效益
（1）轉(zhuǎn)爐命中率提高，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼水氧含量降低約64ppm，每爐可節(jié)約脫氧鋁鐵消耗41kg，效益計(jì)算：
7.5×41÷260=1.18元/噸鋼
7.5 — 鋁球單價(jià)，元/kg
（2）轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量、溫度可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)測，低硅鋼、中碳鋼等約45%的爐次可實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)不測試出鋼，節(jié)省探頭消耗效益：
110/260×45%=0.19元/噸鋼
110 — TSO探頭價(jià)格，元/支
45% — 終點(diǎn)不測試比例
（3）造渣輔原料實(shí)現(xiàn)成本最優(yōu)下的動(dòng)態(tài)計(jì)算，約可降低石灰消耗1kg/噸、輕燒1.2kg/噸，降低輔料成本效益計(jì)算：
0.7 ×1+0.53×1.2=1.34元/噸鋼
（4）合金優(yōu)化配置，高碳類、低成本合金取代低碳類、高成本合金，實(shí)現(xiàn)單爐成本最優(yōu)化，合金鋼每爐可節(jié)省合金成本約2.6元/噸鋼，按照合金鋼比例65%計(jì)算效益：
2.6×65%=1.69元/噸鋼
（5）加料、氧槍、合金化、鋼包底吹、濺渣等過程操作實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、加之過程防錯(cuò)糾錯(cuò)預(yù)警，可有效減少各種人為誤操作和成分不合造成的成本浪費(fèi)，可降低成本約0.7元/噸鋼。
總成本降低：1.18+0.19+1.34+1.69+0.7=5.1 元/噸鋼。
按照噸鋼平均降低成本5.1元計(jì)算，鞍鋼煉鋼總廠5#線年產(chǎn)鋼約200萬噸。
按此計(jì)算每年節(jié)省成本1020萬元。
聲明
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