連鑄生產線智能化方向的初步探究

何 冰，米進周，王旭英，蔡 運

(1.陜西鐵路工程職業技術學院,陜西 渭南 714000;2.中國重型機械研究院股份公司,陜西 西安 710032)

·專題綜述·

連鑄生產線智能化方向的初步探究

何 冰1，米進周2，王旭英2，蔡 運2

(1.陜西鐵路工程職業技術學院,陜西 渭南 714000;2.中國重型機械研究院股份公司,陜西 西安 710032)

針對目前工信部大力推進鋼鐵行業兩化融合，開展智慧工廠和智能制造示范應用的規劃,本文對連鑄生產線實現智能化的具體內容進行了介紹。結合連鑄生產線的特點,對連鑄生產數字采集、連鑄生產網絡架構、連鑄生產過程控制、連鑄設備管理、連鑄智能遠程診斷這些方面如何應用數字化技術、網絡技術、智能化技術以及物聯網技術進行了介紹和探討。這些先進技術在連鑄生產線中的應用，使得生產過程從“閉環”走向“開放”，走向客戶化定制,對生產過程中生產線設備形成全生命周期管理，對于連鑄生產效率的提升、管理水平的提高以及產品質量的提升具有重要意義。

連鑄生產線；智能化；網絡結構

0 前言

鋼鐵產業作為國家的支柱性產業，根據工信部2015年2月發布的《原材料工業兩化深度融合推進計劃(2015～2018年)》總體部署,結合國務院2015年5月發布并即將實施的《中國制造2025》，以及工信部2016年11月發布的《鋼鐵工業調整升級規劃(2016～2020年)》，其意味著2015年后工信部將大力著重推進鋼鐵行業兩化融合，開展智慧工廠和智能制造的示范應用和打造。因此，探討“中國制造2025”戰略下鋼鐵行業兩化融合、智慧工廠建設具有重要意義[1]。近年來，在兩化融合的戰略目標下，以信息化帶動工業化，鋼鐵工業在生產過程自動化、智能化、管理信息化和管控一體化等方面都取得了進步, 中國冶金行業企業的信息化建設正走向一個新的高度[2-4]。冶金智能化具有以智能工廠為載體、以關鍵制造環節智能化為核心、以端到端數據流為基礎、以網絡互聯為支撐等特征，可有效縮短產品研制周期，降低運營成本，提高生產效率，提升產品質量，降低資源能源消耗。

連鑄生產線是鋼鐵生產的重要工序, 它是物理過程和化學過程的充分反應和實現，需要對信息網絡系統建設進行特殊設計和考慮以及實施，通過核心物聯網和信息采集傳輸系統的建設，對連鑄生產管理中薄弱環節的提升、安全生產的監管、大數據統計和處理分析以及知識產權的保護將起到巨大作用。同時，借鑒德國工業4.0中的信息物理系統，實施數字化、網絡化、智能化的制造系統，可以將傳統連鑄生產從一個封閉的生產環境轉變為一個在信息交互和傳感上開放的智能生產空間[5]。連鑄生產線智能化系統主要包括有：數字信息采集、網絡架構、連鑄生產過程智能控制、連鑄設備，消耗材料和產品智能管理、遠程診斷快速技術服務。

1 連鑄生產數字信息采集

計算機網絡的迅速崛起，為數字化生產信息鋪平了道路。連鑄自動化系統將生產現場的物理量信號轉化為數字量信號采集到可編程控制器中，可編程控制器再將數字信號進行處理后發送到HMI人機界面進行人性化顯示，顯示的形式有數字直接顯示、棒圖顯示、曲線顯示、3D圖形顯示及動畫跟蹤顯示等。

同時，連鑄過程控制系統(PCS)從可編程控制器中采集重要的設備狀態數據、工藝數據和生產過程數據，再進行數據存儲、信號處理、統計分析，形成一定格式的報表傳送給煉鋼制造執行系統(MES)和軋鋼制造生產過程執行系統。目前,連鑄生產數字信息采集系統已經非常成熟了。

2 連鑄生產網絡架構

鋼鐵企業信息化系統整體架構網絡自上而下通常分為4層：企業資源計劃(ERP)層、制造執行系統(MES)層、過程控制(PCS)層和基礎自動化(BA)層。

鋼鐵企業資源計劃系統是實現鋼鐵企業管理控制一體化、對企業資源(人、財、物及信息)進行整合、優化的系統。它是建立在信息技術基礎上，以系統化的管理思想，為企業決策層提供決策運行手段的管理平臺。此系統面向生產方面的功能是跟據銷售訂單來生成初步的生產計劃和收集MES系統上傳的生產實績。

MES是介于ERP和過程控制系統PCS之間的系統，是管控一體化的橋梁， MES可以深入地將生產過程以及智能信息整合到企業管理運營當中，將生產管理信息傳遞到控制層。同時，MES負責將ERP生成的初步生產計劃細化為各工序具體的日生產計劃，并且動態地根據生產計劃實施反饋信息對生產計劃做實時調整[6-7]。

連鑄過程控制系統是建立智慧型連鑄生產線的重要部分，連接著連鑄基礎自動化(L1級)系統和生產制造執行系統(MES)系統，使生產信息化系統和生產基礎自動化系統實現了一體化，它包括連鑄生產計劃的接收和執行、生產過程設備運行數據、工藝數據的收集、生產物料流程跟蹤；同時,它應用多個連鑄工藝數學模型優化生產,是提高產品質量不可替代的重要環節。

連鑄基礎自動化系統主要完成的功能有：將連鑄生產現場的分布式傳感器信號、儀器儀表物理量信號轉化為數字量信號，集中輸送到可編程序控制器中進行處理和存儲；收集生產設備狀態信息進行友好的人機交互顯示；自動準確地執行系統設備動作指令和PCS系統下發的生產制造命令。

連鑄生產網絡系統應用的網絡技術有：INTERNET網、信息局域以太網、工業以太網、工業無線網、物聯網以及現場總線網技術。INTERNET網用于遠程診斷快速技術服務系統；信息局域以太網應用在工廠ERP、MES及PCS系統；工業以太網主要應用在基礎自動化系統，以適應連鑄生產現場惡劣的工業環境；物聯網主要應用在原材料、生產設備、最終產品的全流程跟蹤管理；現場總線網主要應用于基礎自動化層的傳感器、儀器、儀表的信號采集和傳送。

3 連鑄生產過程控制

連鑄生產過程控制系統主要包括連鑄生產物料跟蹤與制造命令執行系統和連鑄生產工藝數學模型控制系統兩個部分。

3.1 連鑄生產物料跟蹤與生產制造命令執行

3.1.1 連鑄生產物料跟蹤

連鑄生產物料跟蹤系統對各包鋼水從到達連鑄機回轉臺開始跟蹤，直至切割成定尺鑄坯，再經過多個處理工位，最后下線或熱送。物料跟蹤主要包括爐次跟蹤、鑄流跟蹤、板坯跟蹤三個部分[8]。

(1)爐次跟蹤。爐次跟蹤主要包括每一包鋼水信息(澆次、爐次、鋼種及鋼水成份等)；鋼水從到達回轉臺直到離開回轉臺的過程信息(鋼包到達時間、離開時間、重量及溫度等)。這些數據都保存到數據庫中，將用于操作員查詢、分析和報表生成；同時，系統根據預定規則自動進行異鋼種連澆的混鋼區長度計算。

(2)鑄流跟蹤。鑄流跟蹤從中間罐、結晶器、鑄流支撐設備到板坯切割整個過程中的生產信息，系統會自動跟蹤記錄澆鑄過程中的各鑄流澆鑄長度、拉速、中間罐溫度、結晶器振頻、振幅、水量及二冷區水量等；同時，系統自動根據生產計劃在扇形段中預生成計劃長度的鑄坯號，并記錄切割的鑄坯實績(包括坯號、爐次及坯序等信息)。這些數據均存入數據庫中。

(3)板坯跟蹤。板坯跟蹤區域為從切割機開始到板坯下線或熱送為止，收集每塊鑄坯經過的處理信息(包括噴號、去毛刺及稱重等)；同時也收集上線板坯的信息。

3.1.2 生產制造命令執行

生產制造命令執行系統是過程控制系統接受MES系統下達的生產計劃中的制造命令，從冶金數據庫中提取相應的鑄造設定參數，主要有一次冷卻水設定參數、二次冷卻水設定參數、結晶器振動設定參數、遠程輥縫設定參數、切割定尺參數等下發給基礎自動化系統來執行；同時，由切割實績產生的鑄坯號經過順序跟蹤后，自動發送到鑄坯噴號機控制系統完成鑄坯編號的噴印。

3.2 連鑄生產過程數學模型智能控制

智能控制,使生產控制設備具有類似人的邏輯思考、判斷推理、自主決策等能力。例如，設置智能I/O接口和智能工藝數據庫，會給使用、操作和維護帶來極大的方便。隨著模糊控制、神經網絡、灰色理論、小波理論等人工智能技術的進步與發展，為連鑄智能技術發展開辟了廣闊天地。就連鑄生產線而言，用到智能化技術的系統主要包括冶金智能數據庫系統、混鋼澆鑄控制系統、一鍵開澆智能系統、結晶器漏鋼預報系統、在線鑄坯質量智能評估系統、鑄坯切割長度優化系統、動態二冷水控制技術和動態輕壓下控制系統等。

智能冶金工藝數據庫系統應用長期生產過程中積累的大量的實績數據，根據一定的規則和智能化算法進行大數據分析、挖掘、提煉出新的適合既定連鑄生產線的優化工藝數據存儲到冶金數據庫中。此數據庫中包含了大量的專家經驗，對連鑄生產過程精確提升的意義很大。

結晶器漏鋼預報系統在工程應用上，多采用熱電偶檢測結晶器內溫度場分布的方法，使用人工智能技術(人工神經元網絡)、多模型和多種技術直接在HMI顯示屏上顯示出結晶器內鋼水及鑄坯各部分的溫度并以不同顏色顯示(叫熱成像圖)，從而可直接觀察出鑄坯凝固結殼的物理狀況。結晶器漏鋼預報系統應用了神經元網絡和模糊控制技術對長期生產中的漏鋼事故大數據進行統計、分析，應用分析結果，對漏鋼預報系統參數進行自學習優化修正，不斷提高結晶器漏鋼預報系統的準確率[9]。

在線鑄坯質量智能評估系統中應用了連鑄生產過程數據專家庫、神經元網絡和模糊控制技術等多個智能化手段[10]。由于生產過程中出現的質量相關異常事件與可能造成的鑄坯質量問題之間的關系非常復雜，它包括了鑄鋼宏觀外形變化、微觀組織的變化，涉及到了復雜的鑄坯受力力學性能理論、鑄坯動態凝固傳熱理論等專業知識領域，造成了連鑄過程異常事件與可能造成的鑄坯質量缺陷之間的關系經常是非線性、多輸入/多輸出形式，不能用解析式來準確表達[11-12]。應用涵括大量專家經驗的生產數據庫技術、神經元網絡和模糊控制技術為解決這一難題提供了很好的技術支撐。目前國內很多科研院所與鋼鐵生產企業都在積極采用這些現代化技術對鑄坯質量智能評估系統進行研發，取得了一定的積累，并且已有應用到生產現場的案例，但在實際的應用中往往只是對幾種常規鋼種的直接經驗判定，其效果有很大的局限性。中國重型機械研究院與鋼鐵研究總院共同開發的鑄坯在線質量判定系統中建立了連鑄冶金過程專家庫，收錄了大量的連鑄冶金設備數據、工藝數據，并正在不斷豐富專家庫內容，包括了很多連鑄專家多年來積累的設計、生產和設備維修管理等經驗數據。系統應用了智能專家庫技術、神經元網絡和模糊控制技術對質量相關異常事件與可能造成的鑄坯質量缺陷之間的關系進行處理。此系統具有智能的自學習功能，可以對生產現場工藝人員或操作人員長期根據自身經驗進行人工判定的質量信息大數據進行定期的分析、統計，得到質量相關異常事件與可能造成的鑄坯質量缺陷之間的以隸屬度關系或者以此結果對已存在數據庫中的相關隸屬度參數進行修正，不斷提高鑄坯在線質量判定的準確度。

鑄坯切割長度優化系統，它是建立在切割計劃中切割定尺長度基礎之上制定的可變切割長度的“最大-最小”值范圍，它通過修改相關“鑄坯數量”和過程變量“最佳的坯長”來實現新的設定切割長度,并下載到L1級系統。優化切割長度系統主要包括尾坯優化、多流停澆優化、質量缺陷鑄坯切割優化和混鋼切割優化。切割長度優化不僅應用了最佳長定尺、短定尺最佳組合計算，而且遵循最佳定尺專家庫規則，使得切割定尺更加符合生產需要和客戶訂制要求。

動態二冷水控制系統與動態輕壓下控制系統均建立在凝固傳熱數學模型基礎上，凝固傳熱模型中連鑄冶金參數專家庫又是模型能否計算準確的關鍵，數據庫參數包括鋼種固有熱物性參數、冶金專家經驗數據等[13-14]。另外，動態二冷水系統還包括動態二冷水控制規則庫，包括低拉速水量控制規則、零拉速水量控制規則等；輕壓下系統還包括扇形段動作規則庫。包括頭坯尾坯扇形段動作規則、升速降速扇形段動作規則等。這些專家庫系統的合理應用將大大提高連鑄坯質量。

4 連鑄設備管理、生產消耗材料管理及最終產品管理

連鑄設備主要包括鋼包、中間罐、結晶器、扇形段等；生產消耗材料主要包括中間罐覆蓋劑、結晶器保護渣、塞棒、長水口、浸入式水口等；最終產品為具有一定規格尺寸的鑄坯，這些鑄坯或者直接熱送到下一工序，或者下線臨時存儲到板坯庫中。這三項相對應的倉庫分別為設備備品備件倉庫、生產消耗材料倉庫和鑄坯倉庫。對于倉庫的智能化管理目前國內已經有較為成熟的技術，包括了自動軌道小車(AGV)、二維碼或射頻識別(RFID)技術、倉庫存儲優化策略等技術。

對于連鑄設備和生產消耗材料的智能化管理和維護，可以應用二維碼或者射頻識別(RFID)技術，對每一個設備進行唯一編碼定義，再對其入庫、庫內定位、出庫、上線、累計過鋼量和累計使用時間、下線以及維修的全生命周期信息進行識別跟蹤，系統自動將這些信息進行記錄、整理；同時，系統配置無線移動終端，使得操作和維護人員可以隨時隨地實時地通過本地終端或移動終端對設備信息進行查詢和維護。另外，智能設備管理系統還具有設備使用壽命報警提示功能，系統將實時對在線設備的累計過鋼量和累計使用時間與預先定義的設備壽命報警值進行比較，給出當前設備使用的壽命報警信息。通過此功能，維護人員或操作人員可以預先掌握設備的運行狀態，保證生產的順利進行。

對于鑄坯智能管理，每個鑄坯在切割完成時由PCS系統自動生成唯一的板坯識別號和對應的二維碼或射頻識別碼。鑄坯下線時，PCS系統將鑄坯相關信息傳送給鑄坯智能管理系統，鑄坯智能管理系統通過在天車和跨梁上安裝的射頻識別(RFID)設備對天車承載的鑄坯進行行走位置定位、入庫，庫內定位、出庫的全流程跟蹤。系統自動將這些信息進行記錄、整理；同時，系統配置無線移動終端，使得操作和維護人員可以隨時隨地實時地通過本地終端或移動終端對設備信息進行查詢和維護。

5 智能遠程診斷快速技術服務平臺

智能遠程診斷快速技術服務平臺應用建立在Internet公網之上的專有VPN(Virtual Private Network：虛擬專用網絡)通道技術。其連接智能遠程診斷快速技術服務中心與分布在不同區域的連鑄生產線，實現對處于異地的連鑄生產線設備狀態和參數的遠程監控。當連鑄設備或者生產過程中出現現場人員不能短時間內解決的異常事件或者生產故障時，現場人員可以通過此系統實時向智能遠程診斷快速技術服務中心發出幫助請求，技術服務工程師可以通過此平臺在第一時間收集到準確、全面的事故相關數據，進行分析，進而給出合理的解決方案。此平臺的建立，不需要技術服務工程師親臨現場解決問題，提高了連鑄生產線的正常生產率，最大限度減少用戶損失，實現了高效率、低成本、高品質服務。

建立連鑄生產專家診斷知識庫是智能遠程診斷快速技術服務平臺的另一項重要功能。其目標是將連鑄生產中經常出現的各種問題進行整理、分類，并且將連鑄冶金知識以及大量連鑄專家成功的連鑄問題解決經驗輸入到此系統中，連鑄生產線的技術人員在需要尋求技術支持時，通過登陸智能遠程診斷快速技術服務平臺進行相關問題的索引查詢，便能快速地得到解決問題的相關方案。

6 結束語

目前，國內鋼材市場上同質化競爭嚴重，鋼鐵產能過剩，而高端產品稀缺，無法滿足市場需求。因此，適合鋼鐵企業的“智慧工廠”模式的探討和設計迫在眉睫。從數字化向“中國制造2025”方向發展，除了技術本身的發展以外，更多地應該使得生產過程從“閉環”走向“開放”，走向客戶化定制。工廠和生產的管理不再局限于流水線本身的自動化和智能化，而在于對生產過程中生產線設備的全生命周期管理和全要素覆蓋，并引入市場和客戶驅動，走向市場引導和參與的“雙向智慧驅動”[15-16]。實現連鑄生產線的智能化是實現智慧鋼鐵工廠的重要組成部分，需要積極地引入先進的智能化技術和理念，對于連鑄生產效率的提升、管理水平的提高以及產品質量的提升具有重要意義。

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Exploration of intelligent continuous casting production

HE Bing1,MI Jin-zhou2,WANG Xu-ying2,CAI Yun2

(1.Shaanxi Railway Institue,Weinan 714000,China;2.China National Heavy Machinery Research Institute Co.,Ltd.,Xi’an 710032,China)

The MIIT strongly carries forward the integration of iron and steel industrial automation，develops smart factories and plans intelligent manufacturing demonstration project. While，the concrete content of realizing intelligent continuous casting production was introduced in this paper. It explored how to apply digital technology, net technology, intelligent technology and thing internet technology into CC production’s digital information collection, net architecture, production process control, device management and remote intelligent diagnose. These advanced technology could make the whole closed line to a new open one, and realize personal tailor. It has a great significance for lifting continuous casting production efficiency, enhancing management level and improving the product quality.

continuous casting production;intelligence;network configuration

TP273;TP393

A

1001-196X(2017)05-0001-05

2017-03-06；

2017-04-10

何冰(1976-),男,講師,碩士研究生，主要從事鐵道工程機電一體化系統的研究。